航天“芯”让冬奥会火炬实现氢“飞扬”

2月2日，举世瞩目的北京冬奥会举行火炬传递仪式举行。火炬手们手持着造型别致的“飞扬”火炬，传递“更快更高更强更团结”的奥运精神。“飞扬”火炬的心脏——核心与关键技术的攻关，来自航天科技集团六院，他们运用液体火箭发动机的氢能技术，首次实现了冬奥会火炬的“氢”舞飞扬。

本次冬奥会手持火炬“飞扬”采用绿色环保、燃烧性好的氢气作为燃料，是世界首套高压储氢火炬，实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。其全部内部燃烧装置均由航天科技集团六院北京11所及101所联合设计制造。它的成功研制，是火箭发动机技术在奥林匹克舞台上的完美应用，助力北京冬奥会实现“绿色环保、科技创新”的美丽梦想。

绿色环保科技人员为“飞扬”强力瘦身

2020年2月底，六院一批精英骨干陆续抽调到位，组成了手持火炬项目团队，开始了跨专业、多领域的科学研究与技术突破，拉开了从无到有、将火炬艺术创意转化为实物产品的艰苦过程。2020年7月9日，火炬原理样机首次组合为一体，试火成功，标志着手持氢燃料火炬工程化研制的正式开始。

冬奥会手持火炬外形如丝带飘舞，旋转上升，也正因为这优美飘逸的内外飘带造型，使得火炬内部可用空间非常有限，给燃烧装置等系统的研制带来了一系列挑战。

氢气具有绿色、环保无污染的特点，但也存在易爆炸、易泄露、泄露时因无色无味不易被发现的“缺点”，要达到5分钟稳定燃烧，对技术性的要求非常高。为了克服氢气的这些“缺点”，契合手持火炬“飞扬”的外形，手持火炬采用了配套的高压储氢方案。手持火炬内核燃烧系统由三部分组成，从底部到顶部分别是气瓶、控氢阀和燃烧器。在攻关过程中，研制团队解决了多个难题，让世界首套的高压储氢火炬具有了优秀的环境适应性能。

“飞扬”手持火炬以氢气为燃料，采取的另一种完全不同的技术路线。想要维持同样的燃烧时间，氢气所需要的存储空间要比丙烷大一倍，所以若只是通过减少储氢气瓶尺寸必然不能满足氢气的燃烧用量，这为火炬燃烧系统带来了前所未有的难题。

控氢阀是安装在气瓶口的一种组合阀门，其作用主要是将气瓶内的高压氢气减压稳压到常规的出口压力。为了契合冬奥会手持火炬曲面外壳设计，在内部空间十分有限的情况下，团队成员对控氢阀做了大胆的创新，采用了微型的轻量化技术，对其进行了“瘦身”，以便腾出空间给氢气瓶确保火焰的大流量。

通过整合功能模块，优化内部零件布局，尽可能压缩内部细小流道，研制团队还在压力提高20%的前提下，将控氢阀门尺寸从原来的162毫米缩减到了110毫米，从而最大程度为储气瓶争取到了极其宝贵的容积。

出现可视火焰内部元件需承受海底4200米深的强大压力

火炬能在各种环境下燃烧，离不开燃烧器。在设计时，不但要满足“飞扬”复杂曲面特征的结构要求，还要在出口处做出创新设计，实现焰色的可视性，让火焰显示出颜色。

研制过程中，难点频出。调整火焰颜色、控制火焰形态等，都是需要一一攻克的难题。团队成员为了实现火焰着色，尝试了很多方法，甚至在家里煤气灶上做起了“文章”，这才有了现在稳定可视的火炬火焰。

按照“飞扬”手持火炬的设计，其内部元件所承受的压力有42兆帕，相当于传统火炬的50多倍，可以想象为在海底4200米深的水压。

奥运火炬燃烧出的火焰需要有特定的高度和形态，才能保证流动飘逸的美感。安装在气瓶口的组合阀门——控氢阀中，有一个叫做减压阀的部件，就是能决定火焰美妙形态的关键部件。

为了确保手持火炬的高可靠性、高安全性、高稳定性，在初步设计完成后,六院研制团队对手持火炬开展了综合性能试验研究。

最终，六院研制团队对整个燃烧系统进行了300多次的可靠性试验。经过千锤百炼，“飞扬”在10级强风、零下40摄氏度低温、暴雨、以及5000米高海拔等环境下的燃烧状态都十分稳定，可谓拥有钢筋铁骨，不惧任何环境。

西安报业全媒体记者关颖