航天六院火炬研制团队揭秘北京冬奥会火炬背后的秘密
奥运会火炬一直都备受瞩目,这次北京冬奥会有手持火炬、主火炬、场外火炬三种。
据航天科技集团六院专家介绍,为适应奥运火炬绿色环保、清洁的发展趋势以及科技奥运的发展方向,这次全部采用氢气作为燃料。虽然2020年夏季奥运会上日本已首次采用了氢为燃料的火炬,但这次采用的是高压储氢火炬,也是世界首套高压储氢火炬,首次实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。
奥运火炬从最初的镁块,逐渐演化成丙烷,再到本届冬奥会的无污染零碳排放的氢气,充分体现了这届冬奥会的绿色环保和科技理念,体现了我国的科技实力。
为了用氢气做燃料,总部位于西安的航天科技集团六院11所(京)和六院101所组成的六院火炬研制团队用两年时间攻克了一个又一个难关,在奥运会火炬的历史上画上了浓墨重彩的一笔。
1、手持火炬:无惧零下40°C低温和十级狂风
作为奥运会前最重要仪式之一的奥运圣火传递,要穿越高山,穿越不同环境的城市,经历冬季特有的低温、大风,甚至是雨雪交加的情况。在这样的环境下火炬是怎么做到不熄灭的呢?六院专家介绍,这和手持火炬的内部核心装置有关。
本届冬奥会的手持火炬真正体现了外壳艺术性,内核技术性的特点。因为氢气虽然绿色环保无污染,但也存在易爆炸、易泄露、泄露时无色无味不好发现的“缺点”。而要达到5分钟稳定燃烧,也需要很强的技术性。手持火炬采用高压储氢方案,内核由三部分组成,从底部到顶部分别是气瓶、控氢阀和燃烧器。其中,控氢阀和燃烧器都是由六院11所(京)攻关研制,气瓶(氢燃料储存装置)则由六院101所研制。在攻关过程中,六院研制团队解决了氢火焰可视性、复杂曲面适应性、大比例减压、氢安全利用、氢燃料储存等多个难题,让世界首套的高压储氢火炬具有了优秀的环境适应性能。
控氢阀是安装在气瓶口的一种组合阀门,作用主要是将气瓶内的高压氢气减压稳压到需求的出口压力,配备瓶口阀允许气瓶充气,防止气瓶排气,并且自带开关,能控制气瓶通气和断气。研制团队为了让控氢阀能适应北方冬季寒冷的气候,让控氢阀接受了-30°C的考验。同时为配合“飞扬”充满生机的流线外表以及飞扬的火焰外形,在有限的空间和重量要求下,还对控氢阀进行了“瘦身”,腾出空间给气瓶确保火焰的大流量。为保证可靠性,控氢阀在设计出厂时经过了气密封试验、寿命试验、水压试验等等十七八种、上百次试验。
火炬能在各种环境下燃烧,离不开燃烧器。设计燃烧器的时候,研制团队首先要满足“飞扬”复杂曲面特征的结构要求、火焰形态及火焰稳定性的要求。为了满足这些要求,研制团队把燃烧器依据曲面造型的要求进行了结构设计,建立燃烧器喷口直径、喷口流量与火焰形态的关系,并以此控制火焰的形态。同时,在给燃烧器建立火焰稳定性的设计方法时,巧妙的利用飞扬的曲面,构建了一种钝体稳定结构,把火焰根部很好的保护起来,降低了外界环境对燃烧的影响。因为氢气燃烧时火焰是无色,所以燃烧器的出口处也经过了特殊设计。六院研制团队在出口处给燃烧器安装了一件格栅,在这个格栅表面喷涂碱金属,通过把温度提高到650°C以上,实现焰色可视性。这种基于焰色反应原理的氢气火焰颜色控制方法是研发团队的创新打造,通过配方和涂装方法可以实现不同颜色的火焰。
随着研制团队对技术的不断迭代优化和多次严密的火炬测试,火炬经过了严苛的考验,能够经受各种极端条件的挑战,不惧天气变化、海拔高度和意外掉落。本届冬奥会的火炬通过火炬综合环境模拟试验平台进行了测试。火炬在低温-40°C的极寒环境、直面时速高达100km/h的十级狂风、行进中50mm/h的雨雪天气等情况下经受了测试。此外,火炬还从2米高的高度被丢向地面,并在阵风时速超过65km/h的模拟环境中经受了5000m以上的高海拔测试。为了完成这一系列的测试,研制团队进行了300多次的可靠性试验。
2、主火炬:“微火+显屏”的创意形式,实现“火”与“舞美”完美融合
六院专家介绍,本届冬奥会上的主火炬与以往历届主火炬在视觉效果上有很大差别,因为研制团队采用的是“微火+显屏”创意形式,利用悬挂在威亚上的执行机构和地面装置的流畅配合完成主火炬在40米高空的360度旋转,实现了“火”与“舞美”的完美融合。
另外这次和以往的主火炬相比还有一个很大的不一样:那就是最后一棒的火炬手并没有去点火,而是直接把手持火炬插接在了主火炬身上,实现了火焰的无缝连接,没有引燃的过程。这样的点火方式是奥运会历史上百年首创,达到了节能的效果,与以往熊熊燃烧的火炬相比,比它们大约节省了99.9%的能量,充分体现了低碳环保的理念,体现了中国人的文化自信。
主火炬的造型是由小雪花和橄榄枝组成。每一片小雪花、每一个枝头上都是采用全彩LED直显屏,每一个发光点的颜色、亮度都是可以独立控制的,4.8mm的出光点实现了灯光图案细腻的多彩变化。
要实现这么高的颜值,是需要过硬的技术支撑的。研制团队在设计的时候“斤斤计较”,既要展现主火炬的轻盈,又要实现整体结构的稳定性,在材料的选择上选用铝合金材质,重量只有钢材质的1/3,实现了轻量化的要求。同时,为了达到8小时360度旋转时高效稳定的燃烧,采用了航天氢氧发动机的燃烧技术,有大国重器上的高端技术加持,保证了主火炬不熄火、不回火、不脱火。
主火炬的头顶上有一个长方形的黑色盒子,这个黑盒子叫姿态调节执行机构,它吊挂在威亚小车上,由小车带着它移动到中心位置,放下钢丝绳和电缆与主火炬相连,通过先进的姿态控制技术,配合地面装置完成我一系列的翻转、提升和旋转。姿态调节执行机构里面藏着燃料供应系统的氢气滑环、柔性软管和撬装氢气系统。被称为“生命之管”的软管作用就是将气瓶中的氢气输送到火炬中心,支撑主火炬的燃烧。滑环的作用是实现运动状态下氢气的连续稳定供应。撬装氢气系统是一个集成系统,内含气罐、两路减压系统、电磁阀,主要作用是实现气体的稳定供应。
在设计这个黑盒子时,研制团队通过应用氢氧发动机氢燃料加注及推进技术,实现了可卷伸氢气管道、可卷伸电缆、可卷伸控制线缆和快速对接装置,实现氢、电、控制信号在特殊表演场景下的连续、稳定、可靠供应与传输,和着主火炬的节拍一起上下伸展。
在主火炬的脚下,还有一个国内首创的高科技舞台秀作品——地面装置。隐藏在舞台中的它,在需要的时候可以把主火炬翻转45°,在翻转过程中台阶踏步机构横空而起,将主火炬和地面连接起来。
研制团队充分发挥航天工程研发管理经验,开展了故障模式、影响及危害性分析和故障树分析,关键环节冗余设计,通过全流程综合试验测试,解决了柔性环境条件下的运动控制、长周期稳定燃烧、减稳压控制、安全应用等难题,实现了主火炬复杂系统的安全可靠使用。
3、场外火炬:内外双转台相互支撑,完成各自独立旋转和同步旋转
六院专家介绍,场外火炬是“三胞胎”,分布在各场馆外。
观众看到的是飘带和雪花,实际上在地面下还有一个隐藏的与场内的主火炬完全不一样的转台装置,以带动形成内外不同的旋转效果,呈现出视觉上的美感。
转台装置最关键的两部分是外转台和内转台。场外火炬的飘带是安装在外转台上的,它会随着外转台一起旋转;而场外火炬的主火炬雪花是安装在内转台上的,它随着内转台一起旋转。这样的双转台通过一个中间构件相互支撑完成各自的独立旋转和同步旋转,这也是目前市场上的首例。
正是这种种技术支持,保障了以氢气为燃料的火炬完美亮相。同样承载着“更快、更高、更强、更团结”的奥运精神的氢燃料火炬,在世界人民面前再一次展示了中国的科技实力,向世界广泛传播了绿色奥运、科技奥运的理念,翻开了体育史乃至科技史上的崭新篇章。
华商报记者马虎振通讯员马丽娜(中国航天科技集团公司六院供图)来源:华商网-华商报
编辑:张佳萌
编辑:马腾
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