冰火相約，激情飛揚
——揭秘“飛揚”火炬里的科技與文化元素

河北省承德市營子區(qū)教體局 張學軍

2022 年2 月4 日晚8 點，萬眾矚目 的第24 屆冬季奧林匹克運動會開幕式在中國北京國家體育場（鳥巢）拉開帷幕。人們在欣賞以“構建人類命運共同體”為核心表達，融入科技創(chuàng)新、低碳環(huán)保和運動健康理念的美輪美奐的視覺盛宴的同時，也關注到了另一個極具視覺沖擊力的亮點——“飛揚”火炬。

氫氣作燃料，還為火焰“上了色”

北京冬奧會一改往屆奧運會用丙烷作火炬燃料的通用做法，改用氫氣作燃料。氫氣是最清潔環(huán)保的燃料，燃燒的產(chǎn)物只有水，沒有二氧化碳，能實現(xiàn)完全的零排放，并充分體現(xiàn)北京冬奧會低碳環(huán)保的理念。那將氫氣作為燃料，需要破解哪些難題呢？

首先是火焰的顏色。我們都知道氫氣的火焰是無色的，若選用這樣的奧運火炬肯定不能滿足大家視覺和拍攝的需求。這里給同學們補充一個高中階段的化學知識——焰色反應，它是指某些金屬或它們的化合物在無色火焰中灼燒時使火焰呈現(xiàn)特殊顏色的反應。其中，鈉（Na）為黃色、鋰（Li）為紫紅色、鉀（K）為淺紫色、銣（Rb）為紫色、銫（Cs）為紫紅色、鈣（Ca）為磚紅色、鍶（Sr）為洋紅色、銅（Cu）為綠色、鋇（Ba）為黃綠色。節(jié)日或其他喜慶日子燃放的五顏六色的煙花，就是根據(jù)不同顏色的需要，在火藥中加入上述不同金屬化合物，從而產(chǎn)生五彩繽紛的效果的。在“飛揚”火炬的研制過程中，研發(fā)團隊利用焰色反應研發(fā)了一種可以調(diào)節(jié)氫氣火焰顏色的配方，讓它在日光下具有可見的火焰顏色。

第二是火焰的穩(wěn)定性問題。在冬奧會的火炬?zhèn)鬟f過程中，會遇到很多高速風或者大風的環(huán)境。研發(fā)團隊解決了火炬在時速100 千米的大風中的燃燒穩(wěn)定性問題。

第三是高壓儲氫問題。手持火炬的內(nèi)部空間是非常狹小的，在這樣一個空間里，要實現(xiàn)一個高達幾百倍的大比例減壓，也是一個非常難的問題。因此，研發(fā)團隊研制了一款輕量化、小型化的氫氣減壓裝置，來對高壓的氫氣進行減壓。

碳纖維作外殼，還為外殼穿“護身甲”

以往奧運會的火炬都是金屬材料。北京冬奧組委提出一個新概念：用新材料。專家認為碳纖維很合適，能夠替代傳統(tǒng)金屬材料。那么，什么是碳纖維？它有什么特點呢？

碳纖維，顧名思義就是含碳的纖維。它的含碳量非常高，達到90%以上。碳纖維的密度只有鋼的1/4，強度卻是鋼的6～7 倍，這樣計算下來，碳纖維的比強度（強度除以密度）就是鋼的20 倍以上。因此，“輕而強”是碳纖維的最大特點。同時，它既耐腐蝕又耐各種環(huán)境，是一個高科技的產(chǎn)品。

然而，碳纖維要跟樹脂復合做成復合材料，才能做出火炬的形狀。復合材料要實現(xiàn)耐火、耐溫，對技術的要求非常高。上海石化牽頭多家科研單位共同研發(fā)了新型復合材料，讓碳纖維外殼無懼火煉，在解決復雜難題的同時，兼顧了輕量化、小型化的要求。

具體的研發(fā)過程有如下步驟：第一是它的編制。研發(fā)人員用的是三維編制的方法，它是當下最先進的技術，能夠編制出各種形狀，而且可以按照設計師要求的尺寸進行編制。這是碳纖維成型過程中的一個技術突破。第二是它的模具設計。成型模具的設計要用到組合型的模具，即各種特殊設計的模具，這是為了滿足不同曲面成型的要求。第三，就是選用一種非常特殊的可以耐高溫的樹脂。最后，樹脂的成型技術也是專門為它開發(fā)的。

所以，“飛揚”的外殼是由碳纖維及其復合材料制造而成，呈現(xiàn)出了“輕、固、美”的特點，突破了碳纖維復合材料在極端條件下的應用瓶頸。

火炬燃燒像火龍，自下而上“盤旋走”

傳統(tǒng)的火炬燃燒就是一團火，而“飛揚”火炬的燃燒方式也是特別創(chuàng)新的：火焰像火龍一樣盤旋向上，火焰的大小可以通過一些設計的小細節(jié)來控制，從小慢慢變大，所以到頂端的時候就會變得更有活力。

外觀設計有內(nèi)涵，奧運文化“巧融合”

“飛揚”火炬的設計體現(xiàn)了北京冬奧會和冬殘奧會的精神。同時，它還體現(xiàn)了北京的地域特點、中國風格。例如，造型上的祥云圖案向上延伸，逐漸向雪花圖案的一個過渡，就體現(xiàn)了人文北京的風格；又如，火炬的色彩是紅色漸變到銀色，這兩個主色象征了“純潔的冰雪，激情的約會”，是冰和火相交融。整體有一個紅色的主線，從頂部到底部，貫穿了整個火炬。線條本身非常動感，有點像賽道，也有山巒的感覺，還有點像長城，這暗示了主辦地的環(huán)境。

“飛揚”火炬的外觀設計上，祥云傳達吉祥的寓意，是2008 年北京奧運會的延續(xù)；雪花則表現(xiàn)冬奧會特征，是2022 年北京冬奧會的創(chuàng)新。

火炬交接時，兩支火炬的頂部可以緊密相扣，這既是設計上的奇妙創(chuàng)新，又象征著不同文明交流互鑒、讓世界更加相知相融的冬奧愿景。

國際奧委會執(zhí)委會盛贊“飛揚”火炬的設計，稱它既有文化傳承又有科技創(chuàng)新。這不僅是對我國崇尚奧運精神的盛贊，更是對“執(zhí)著專注、精益求精、一絲不茍、追求卓越”的中國工匠精神的致敬！