科技日報記者 何亮 實習(xí)記者 都芃

2月2日，神圣的北京冬奧會和冬殘奧會火炬?zhèn)鬟f活動正式開始。

冰火相約，氫舞飛揚。中空開放的形態(tài)、純氫燃燒零碳排放、內(nèi)外飄帶纏繞、碳纖維材料首次應(yīng)用……所有元素統(tǒng)一于火炬這個光明而充滿生機的意象，讓人不得不稱贊，“飛揚”火炬真是集“科技”與“美貌”于一身！

“飛揚”火炬暗藏哪些黑科技？科技日報記者專訪科技冬奧重點專項“冬奧會手持火炬關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)”項目負責(zé)人、航天科技集團六院11所（京）熱能工程（節(jié)能環(huán)保）事業(yè)部總經(jīng)理宋曉峰，為大家揭秘北京冬奧會火炬“飛揚”背后的科技含量！

（視頻：科技日報記者與專家手持冬奧會火炬實物進行簡要介紹）

科技日報記者：奧運圣火是奧林匹克精神的象征，圣火傳遞則是奧運會召開最重要的儀式之一。2022年北京冬奧會火炬“飛揚”在外觀、結(jié)構(gòu)、功能等方面有哪些獨特的創(chuàng)新之處？

宋曉峰：當(dāng)我們看到火炬“飛揚”時，最吸引大家的應(yīng)該是它絢麗的外觀和驚艷的設(shè)計?；鹁娴摹案哳佒怠迸c它動感的造型關(guān)系密切，它是由兩條“飄帶”組成，銀白色的部分被稱作外飄帶，紅色的部分被稱作內(nèi)飄帶，兩條飄帶相互纏繞，向上飄舞，激情昂揚！

很多觀眾第一次見“飛揚”火炬都會納悶兒，造型上看并沒有出火口，火焰是從哪里冒出來的？答案就在內(nèi)外飄帶的間隙里?；鹁嬖谠O(shè)計時有一個浪漫的想法，火焰的造型作為火炬外形的延伸與火炬完美融合在一起。除此之外，還有一個引人注目的特點是，“飛揚”火炬采用的燃料不是傳統(tǒng)燃料丙烷，而是氫燃料，可以說“外有顏值，內(nèi)有科技”。

科技日報記者：北京冬奧會火炬?zhèn)鬟f時天氣嚴寒，各賽區(qū)不僅寒冷多風(fēng)，還有可能遇到降雪天氣。請問“飛揚”火炬燃燒系統(tǒng)是如何實現(xiàn)抗拒風(fēng)雪的同時還能達到燃燒穩(wěn)定、外形美觀？

宋曉峰：冬奧會與夏奧會不同，火炬工作的環(huán)境溫度很低，我們選用的高壓儲氫方案，具有天然的低溫優(yōu)勢，能夠保證火炬在低溫環(huán)境下穩(wěn)定釋放氫氣。

在延慶賽區(qū)、張家口賽區(qū)，火炬?zhèn)鬟f時的溫度有可能達到-20攝氏度甚至更低。為保證火炬?zhèn)鬟f萬無一失，設(shè)計之初我們就提出在極限低溫-40攝氏度時火炬燃料依舊能穩(wěn)定燃燒的要求，這是合金儲氫方案、丙烷燃料方案所無法很好適應(yīng)的。

高壓儲氫雖然工藝難度更大，但是我們在研發(fā)過程中做了大量實驗，將極易飄逸、極易擴散、極易泄露的氫燃料“馴服”在儲氣瓶內(nèi)，實現(xiàn)了氫燃料在燃燒過程中的安全釋放，最終保證氫燃料在低溫環(huán)境下穩(wěn)定燃燒。

而且，“飛揚”火炬的外形曲面復(fù)雜，火焰造型作為火炬外形的延伸，被強加了很多限制，我們提出采用曲面格柵結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)焰措施，既兼顧了外形設(shè)計師的創(chuàng)意，又達到穩(wěn)定燃燒的目的。

大量可靠性測試顯示，高壓儲氫方案不但能夠保證火炬在100公里/小時的風(fēng)速、50毫米/小時的雨雪天氣下保持穩(wěn)定燃燒（即能抗10級大風(fēng)），而且火焰的飄動性、飄逸性也能得到完美體現(xiàn)。

（視頻：你知道北京冬奧會火炬火焰的顏色是咋來的嗎？)

科技日報記者：氫燃料的使用有一個“顯而易見”的弊端，強光照射下火炬的火焰是“透明”的，這將嚴重影響火炬?zhèn)鬟f的觀感。請問團隊是如何成功為火焰“上色”，又通過哪些設(shè)計與技術(shù)手段保障火炬燃料的安全性？

宋曉峰：的確，氫火焰在陽光照射狀態(tài)下，火焰是透明的，我們只能看到熱氣流的折射現(xiàn)象。為了給火焰加顏色，團隊費了很多周折。我們選擇焰色反應(yīng)作為實現(xiàn)火焰顏色改變的技術(shù)手段。焰色反應(yīng)的原理是“電子躍遷”的能量以光的形式釋放出來，這個過程是物理過程，不是化學(xué)過程，不會有新的物質(zhì)產(chǎn)生，也不會導(dǎo)致環(huán)境的污染，這與我們利用清潔能源的愿景是一致的。

完成這個“變魔術(shù)”般的物理過程，需要兩個前提。第一，尋找一種合適的焰色反應(yīng)劑配方，能夠?qū)崿F(xiàn)較為明顯的焰色改變，使火焰呈現(xiàn)黃色；第二，探索更為合適的反應(yīng)劑加載方式，能夠使反應(yīng)的加載工藝便利、易于實現(xiàn)，抗雨水沖刷能力。我們測試了大量的堿金屬配方，最終將注意力集中在以鈉鹽為基礎(chǔ)的配方上，實現(xiàn)了通過焰色明亮、加載工藝簡單、抗雨水沖刷能力好的焰色改變技術(shù)。

手持火炬的安全性由儲氫裝置安全性、氫密封能力、火炬整體安全性三個維度組成。

火炬的氫燃料放置在一個小氣瓶中，因為結(jié)構(gòu)受限，一定要做到高壓，不然氫氣儲存量不足，火炬燃燒的時間就達不到要求。為此，團隊專門制定了針對性的企業(yè)標準，并通過國家評標委評審。按照標準規(guī)定嚴格執(zhí)行了水壓試驗、爆破試驗、疲勞試驗、火燒試驗等十余項測試，以保證儲氫裝置的安全性。

而且，氫氣難以進行密封，我們團隊在氫密封方面做了大量工作，能夠保證瓶口閥的氫泄漏率≤0.2mg/h（即每小時小于0.2毫克），這意味著即使在一個相對較小的空間內(nèi)，氫氣的爆炸濃度也達不到它的爆炸極限，如此低的泄漏率給火炬的安全存放和運輸提供了保障。

此外，火炬整體安全如何考量？答案是，在綜合環(huán)境模擬試驗平臺進行實驗測試，包括低溫、風(fēng)、雨雪、高海拔等使用環(huán)境的測試，也包含跌落、倒置、大幅輪轉(zhuǎn)等安全性測試。所有測試通過，才能確保冬奧會手持火炬安全可靠。

科技日報記者：手持火炬的個頭不大，存放燃料的空間更加有限，請問我們在內(nèi)部設(shè)計中，是如何保障燃料夠用？

宋曉峰：火炬外形設(shè)計力求“苗條”，這極大地壓縮了內(nèi)部燃料的儲存空間，需要整個燃燒系統(tǒng)全面改進。初次的匹配結(jié)果讓團隊很有壓力，燃料儲存的空間根本不能滿足燃燒5分鐘的有效傳遞時間。

怎么辦？我們?nèi)紵到y(tǒng)團隊的工程師放棄假期、加班加點迭代圖紙，不放過任何1mm的尺寸縮減，最終我們突破此前設(shè)計的極限，把燃燒系統(tǒng)的總體尺寸縮減了1/3，為完成匹配打下基礎(chǔ)。

（視頻：你知道北京冬奧會火炬是啥材料做的嗎？拿著會燙手嗎？)

科技日報記者：據(jù)了解，飛揚火炬的外殼是用碳纖維與樹脂形成的復(fù)合材料制作而成，也是世界首創(chuàng)。為什么要選擇這種材料制作火炬，它給火炬帶來了哪些優(yōu)越性？為什么碳纖維材料的火炬外殼不懼高溫？

宋曉峰：密度只有鋼的1/4，強度卻是鋼的6至7倍，輕而強是碳纖維最大的特點。整個手持火炬的內(nèi)部有儲氫罐、減壓閥、復(fù)雜的燃燒系統(tǒng)以及格柵等裝置，它本身的重量與儲存氫氣的重量疊加以后，都要包腹在內(nèi)飄帶里，如果外殼再用常規(guī)材料的話，整體重量就會大大增加，這給火炬?zhèn)鬟f帶來不好的體驗。

氫火炬在燃燒時，火焰溫度是很高的，經(jīng)測試，火炬燃燒狀態(tài)時，殼體表面最高溫度大約為650℃。而“飛揚”火炬的外殼采用碳纖維復(fù)合材料，這是前所未有的創(chuàng)新與嘗試，首先要攻克的難題是碳纖維在有氧環(huán)境下的耐高溫問題。

碳纖維本身可以耐高溫，但在有氧環(huán)境下，高溫的碳纖維會與氧氣產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，這是一件很棘手的難題。項目團隊的碳纖維專家提出了采用陶瓷基前驅(qū)體作為基體樹脂及陶瓷化成型技術(shù)，使樹脂能在高溫條件下可轉(zhuǎn)化為“陶瓷”，使火炬碳纖維外殼在規(guī)定燃燒時間內(nèi)不燃燒，最終達到輕質(zhì)、耐燃燒的目的。測試結(jié)果顯示，處理后的碳纖維能夠耐800℃甚至更高的高溫火焰灼燒，而且，高溫只在火焰口袋的幾百毫米范圍內(nèi)，火炬的其他部位并無變化。

其次，為了適應(yīng)復(fù)雜的火炬曲面外形，碳纖維外殼采用了先進的三維立體編制成型技術(shù)，變厚度三維自動編制技術(shù)等先進技術(shù)，該技術(shù)制備的復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)編制技術(shù)具有更好的整體性。

圖為宋曉峰（左）和科技日報記者何亮（右）

關(guān)鍵詞： 外衣 燃料 科技