為冬奧圣火“氫”力打造綠“心”

田源

2022年北京冬奧會和冬殘奧會圣火“飛揚”除外觀之外所有系統的設計和制造都是由航天科技集團公司第六研究院完成的，作為“液體動力國家隊”一員，他們用心血將夢想變為現實，將航天精神傳承發揚。他們雖然不是冬奧會參賽選手，但是作為冬奧會手持火炬項目研發團隊的成員，他們是當之無愧的科技擔當，為北京冬奧會描摹上一抹亮麗的航天藍。

敢為人之不敢為，挺進科研“無人區”

氫氣綠色、環保、無污染，但易燃、易爆、易泄漏，就像一匹“小野馬”總是讓人敬而遠之，歷屆冬奧會還沒有成功使用氫氣作為火炬燃料的先例。2019年8月，在前期與冬奧相關合作商對接交流時，101所劉朝陽副所長大膽提出用氫作為火炬燃料的設想，可以體現冬奧“綠色”“科技”的概念。作為目前我國產能最大的液氫生產單位，也是目前國內涉氫研究試驗基礎條件最為完善的單位，101所從20世紀60年代起從事液氫生產和應用技術研究，并將液氫規模應用于我國火箭發動機研制過程中，為長征三號甲、長征五號、長征五號B、長征7號甲系列運載火箭奔赴太空，探索浩瀚宇宙，提供了可靠動力試驗保證。幾十年的科研成果和工程應用，使101所擁有液氫、用氫安全等領域獨有的優勢，氫火炬若研制成功，將首次實現冬奧會歷史上火炬的零碳排放。

我國氫能發展畢竟還處在初期階段，如何打消氫安全應用的顧慮，是急需解決的一大難題。2019年12月，姜聯東副總工程師率先到北京冬奧組委進行氫燃料火炬創新設想與可行性陳述，所黨委及時決策由經營處牽頭組織氫能安全應用專項團隊，開展奧會手持火炬以氫作為燃料的可行性論證工作，經與冬奧組委數十次的有效溝通，可行性方案得到高度認可，并牽頭組織開展《冬奧手持火炬原理樣機研制》在北京市科委的立項工作。

集團和六院各級領導高度重視，多次現場調研指導，要求以航天品質打造冬奧首支氫燃料火炬。為克服項目研制周期短、技術難點高、經費批復周期長等困難，確保以航天標準，高質、高量、高效完成冬奧火炬的研制及應用，101所王成剛所長高度重視，果斷決定自籌經費，率先開展冬奧會手持火炬項目的研制工作。經所黨委決策借鑒航天型號管理模式，第一時間成立了以王成剛所長為組長的領導小組，劉朝陽副所長為總指揮，姜聯東副總工程師為項目總師的兩總系統。

研制團隊接到任務后，絲毫不敢怠慢，收集了近一個世紀的歷屆冬奧會火炬的相關情況，借鑒各國的成功經驗，經過比較分析，確定了氫燃料火炬原理樣機的技術方案。2020年7月9日，火炬原理樣機首次組合為一體，試火成功，標志著以航天科技集團公司第六研究院101所和11所（京）聯合開展的冬奧會手持氫燃料火炬工程化研制的正式開始，也意味著冬奧會圣火將擁有一顆綠色能源“心臟”，這顆“心臟”包括氫燃料儲存裝置、燃燒裝置、減壓裝置三部分，其中101所主要負責最能體現火炬特色的氫燃料儲存核心裝置的研制，并且為了這顆“心臟”正常搏動且萬無一失，101所創新提出對氫燃料火炬與特性測試方法進行試驗研究，以驗證火炬的可靠性等特性，并設計搭建手持火炬綜合試驗系統模擬風、雨、雪、低氣溫、高海拔、高濕度等氣候條件及運動模擬裝置，以全覆蓋模擬火炬傳遞過程中的各種極端運動狀態。原理樣機研制成功，項目研制團隊每一個人臉上都露出了久違的笑容，大家心底的那團圣火燒得更旺了。

花開又遭風雨，從來好事多磨難

氫燃料火炬原理樣機研制成功后，在隨后的幾次測試中，無論是火焰的形狀，還是氣瓶的可靠性、安全性都得到了初步的驗證。2020年8月17日晚10點，看著火炬原理樣機在臺鉗上又一次成功點火，姜聯東毫不猶豫地把火炬握在了手里，這一刻，參與項目研制的所有成員都無比激動，信心劇增。大家馬不停蹄地開始啟動立項工作，白天忙著做測試，晚上寫報告，進行匯總討論，就在每一個環節都有序向前推進時，冬奧會火炬外形設計最終定稿，火炬的內外飄帶，如絲帶飄舞，旋轉上升，最后呈現為飛揚的火焰。而這樣飽含著美好寓意的火炬造型，卻給火炬燃燒系統帶來了前所未有的難題。火炬內外飄帶的造型，使得儲氫氣瓶不可能像外形一樣上粗下細，若減少儲氫氣瓶尺寸必然不能滿足氫氣的燃燒用量。想著之前的努力都要白費了，項目研制成員有人深深地嘆了一口氣，愣愣地看著圣火“飛揚”的造型出了神。

“我們可以做一節大的儲氫氣瓶再連接一個小的。”

“不行不行，連接結構也占空間，根本沒節約出多少尺寸。”

會上，研制團隊成員你一言我一語，激烈地討論了起來，剛剛陰沉的氣氛很快就被一掃而空，每個人都出謀劃策。經討論，大家很快達成一致意見，決定縮小儲氫氣瓶的尺寸，提高設計壓力，而這也意味著有無數個未知和難關等待研制團隊去發現和攻破。

儲氫氣瓶設計從一開始的35MPa、560mL到42MPa、350mL，僅僅兩個數據的更改，就讓研制團隊付出了巨大的心血。大家常常因為1mm的技術方案更改，連續加班到凌晨兩三點，要核算充氣量，既要滿足火炬的燃料時間，又要保證儲氫氣瓶安全可靠。“光是協調所里與11所（京）和外形設計團隊召開技術方案對接會就不下20次。”經營處項目主管于茂杰說道。儲氫氣瓶壓力提高強度怎么保證？為了滿足要求，保證使用安全性，姜聯東和項目實施組組長李山峰多次去廠家調研協調，研制團隊通過大量計算，最后確定纏繞層結構，設計選用高強度鋁內膽T800型碳纖維纏繞氣瓶。

在突破高壓儲氫這一關鍵技術難題后，研制項目團隊沒等歇口氣，新的問題又擺在了他們的面前。冬奧圣火“飛揚”要批量生產，氣瓶就必須有一致性，后續要有檢測方法和檢測方案，對于最后氣瓶批產沒有標準可依是不行的。為了起草企業標準，姜聯東帶著研制團隊多方拜訪行業專家，多次向浙江大學鄭津洋院士請教，李山峰更是把標委會跑了個便，請專家出謀劃策。這中間，為了模擬一般火焰溫度，考核氣瓶的耐火燒性能，團隊科研人員周博文、楊曉陽等一點點摸索，反反復復比對方案，直至選定燃燒溫度和恒定值一致的合適材料。為了找到極限值，氣瓶一遍遍地試，一遍遍地爆，因為沖擊大，每次火燒試驗的架子都燒得變形。除了火燒試驗，氣瓶還要經受水壓、氣壓、氣密、跌落等十余種測試考驗，前前后后歷經1年多的時間，批產一致性等檢驗條款才被一項項寫進標準，2021年9月18日，標準備案評審通過的這一天，大家懸著的心才終于放下。

千錘百煉鑄圣火，責任扛肩“火焰藍”

為了確保項目進度和手持火炬的可靠性，在初步設計完成后，研制團隊對手持火炬開展了綜合性能試驗研究，全覆蓋、全方位對手持火炬試驗進行科學設計，搭建綜合試驗臺，艙內可以模擬高海拔、高濕度狀態，外部可以模擬大風、大雨、大雪等氣候條件，同時為了手持火炬在各種運動狀態下保證穩定燃燒，有良好的可拍攝性能，研制團隊還進行了旋轉、倒置、搖擺等多種運動狀態的模擬。由于研制周期緊、要給批產讓出時間，每一次試驗，研制團隊都要倒排計劃，每一天，大家都是分秒必爭，僅在2021年6月至7月這短短兩個月的時間里，研制團隊就完成手持火炬可靠性試驗300余次，完成充放氣、耐壓等各類性能測試千余次。每每試驗完，走出試驗間，只有道路兩側的路燈和頭頂上方的明月依舊陪伴。

“當初搭建試驗臺時，因為疫情，設備供貨不暢，周期很緊張，所以只要設備一到，我們就加緊安裝，有一回正好趕上北京極寒天氣，在將近零下20℃的冷風里，大家在室外丈量尺寸，晚上又連忙調試設備。那段時間還要經常在30m/s的風速下進行測試，可沒有一個人有怨言。到現在，大家也都是克服困難，所有研制人員都是做好了吃苦的準備的。”手持火炬綜合試驗系統負責人王淮英說這話時還在準備著手持火炬批產檢測試驗。

在冬奧手持火炬關鍵技術研制驗收會上，研制團隊向奧組委及科技部領導展示了手持火炬的靜態燃燒及動態燃燒，以及在極端狀態下的燃燒狀態。氫燃料手持火炬在10級強風、零下40℃低溫、暴雨和5000米高海拔等環境下的燃燒狀態都十分穩定，領導和專家們都報以了熱烈的掌聲。101所也成為唯一一家冬奧組委指定的2022年北京冬奧會和冬殘奧會氫燃料火炬產品鑒定與綜合試驗基地。

一路走來，一路風雨，堅韌和執著凝結著航天人的責任和使命，拼搏和創新讓這支團隊越戰越勇。從高壓儲氫的設計、加工、制造，再到檢驗和標準全產業鏈全部打通，實現了氫氣作為冬奧火炬燃料的世界首創，成為國家氫能應用推廣的一張閃亮名片。當“飛揚”火炬傳遞著奧運圣火的那一刻，每一名為之奮斗的航天人心中都點燃著一支火炬，那就是奧林匹克精神和航天精神相融之火。

（作者單位：中國航天科技集團六院）8C60BF70-EA75-4867-BD76-67969822BDA5