韓宗捷，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)——冬奧會(huì)手持火炬關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)項(xiàng)目的主要研發(fā)人員。

作為北京2022年冬奧會(huì)手持火炬燃燒系統(tǒng)主要完成人之一，與團(tuán)隊(duì)一起完成了世界首套高壓儲(chǔ)氫手持火炬燃燒系統(tǒng)的前期論證，并提出該火炬的總體參數(shù)。作為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)——冬奧會(huì)手持火炬關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)項(xiàng)目的主要研發(fā)人員，組織科研團(tuán)隊(duì)完成手持火炬原理樣機(jī)研制、工程樣機(jī)研制，并最終應(yīng)用于手持火炬的量產(chǎn)。

寒冬阻擋不了春天的腳步，黑夜遮蔽不住黎明的曙光，人類命運(yùn)共同體的火炬終將照亮人類前行之路。

它乘“祥云”而來，點(diǎn)亮冰雪世界。當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021年10月18日，在奧林匹克運(yùn)動(dòng)發(fā)祥地——希臘古奧林匹亞赫拉神廟遺址前，北京冬奧會(huì)火種采集成功。中國(guó)首位奪得冬奧會(huì)獎(jiǎng)牌的男子運(yùn)動(dòng)員李家軍與希臘高山滑雪選手安東尼烏互擊手肘，兩支“飛揚(yáng)”火炬凌空交匯，開啟奧運(yùn)圣火在“雙奧之城”北京的冬奧之旅。

2022年2月2日至4日，中國(guó)北京、延慶、張家口三個(gè)賽區(qū)將開展火炬?zhèn)鬟f活動(dòng)，1200名火炬手將手持“飛揚(yáng)”傳遞圣火，冰火相約，溫暖世界。

在北方冬季寒冷的室外環(huán)境中順利傳遞火炬，確?；鹁娌幌?，并不是一件容易的事。國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)——冬奧會(huì)手持火炬關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)項(xiàng)目的主要研發(fā)人員、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師韓宗捷介紹了火炬在傳遞過程中穩(wěn)定燃燒的奧秘。

問：聽說“飛揚(yáng)”火炬能扛風(fēng)雪，而且火焰穩(wěn)定、形態(tài)優(yōu)美，請(qǐng)問在北半球冬季這么寒冷的氣候條件下，是如何做到的？

韓宗捷：北京2022年冬奧會(huì)及冬殘奧會(huì)所采用的“飛揚(yáng)”火炬外形分為兩個(gè)部分——銀白色部分叫作外飄帶，紅色部分叫作內(nèi)飄帶，從外飄帶和內(nèi)飄帶之間的縫隙中盤旋而上形成“飛揚(yáng)”火炬的火焰。

“飛揚(yáng)”火炬采用氫燃料，火炬內(nèi)置燃燒系統(tǒng)是一套氫燃料火炬燃燒系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)包含三部分：高壓儲(chǔ)氫容器、大減壓比供氫系統(tǒng)以及氫燃燒裝置。火焰有浮力作用，不會(huì)導(dǎo)致燙手。

我們接到手持火炬研制任務(wù)時(shí)，奧組委提出了很多條件，比如要具備耐零下40攝氏度的低溫、抗風(fēng)、抗雨雪等，其中抗低溫這個(gè)條件很具有挑戰(zhàn)性。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在研制氫火炬時(shí)，最初有過兩種氫火炬方案：一種是高壓儲(chǔ)氫方案，另一種是合金儲(chǔ)氫方案。在綜合考量氫在低溫下釋放的穩(wěn)定性后，最終選擇了高壓儲(chǔ)氫方案。高壓儲(chǔ)氫方案，能夠很穩(wěn)定地在低溫下讓氫氣從儲(chǔ)氫容器里面釋放出來，這是火焰能夠穩(wěn)定燃燒的前提。

另外，就是在火焰燃燒穩(wěn)定性技術(shù)領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累。這種長(zhǎng)期的技術(shù)積累，能讓團(tuán)隊(duì)面對(duì)復(fù)雜曲面外形時(shí)，迅速找到火焰穩(wěn)定性方法。我們采用了一種鈍體穩(wěn)燃技術(shù)，在曲面里把火焰根部很好地保護(hù)起來，免受外界環(huán)境——風(fēng)、雪、雨的影響。設(shè)計(jì)出來之后，在燃燒穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)臺(tái)里做了大量實(shí)驗(yàn)，證明鈍體穩(wěn)燃技術(shù)具有很高的可靠性。

問：在光照較強(qiáng)的情況下，氫燃料火炬會(huì)讓火焰顏色透明，如何解決這個(gè)問題？

韓宗捷：氫在日光下燃燒時(shí)完全透明，沒有顏色。密度變化導(dǎo)致的折射，使人只能看到熱氣流。我們采用焰色反應(yīng)原理給氫火炬火焰上色。

抗風(fēng)測(cè)試

抗雨測(cè)試

外景測(cè)試

這里主要研制兩部分內(nèi)容。第一是焰色反應(yīng)配方，怎樣能讓它呈現(xiàn)黃顏色，讓火炬的火焰更接近于真實(shí)的火焰。第二就是我們研究的內(nèi)容，有一種簡(jiǎn)便、簡(jiǎn)易的焰色反應(yīng)劑加載方式，能讓它在工業(yè)化量產(chǎn)過程中不會(huì)過于復(fù)雜。

問：能否解釋一下什么是焰色反應(yīng)？氫燃料燃燒起來溫度一定非常高，為了防止它摸起來燙手，火炬外殼選用什么材質(zhì)？

韓宗捷：焰色反應(yīng)是能級(jí)躍遷導(dǎo)致的能量釋放，能量釋放會(huì)以光的形式釋放出來。釋放過程是物理過程，不產(chǎn)生新物質(zhì)。我們采用的焰色反應(yīng)劑是一種在自然界中常見的環(huán)保、無污染金屬鹽類，這是選擇焰色反應(yīng)原理的重要原因。

氫火炬燃燒時(shí)溫度很高，實(shí)驗(yàn)室測(cè)到的最高溫度在650攝氏度左右?！帮w揚(yáng)”火炬在世界上首次采用碳纖維制造火炬外殼，碳纖維是一種新型材料，本身具有高耐溫性能，但它不能在空氣中耐高溫，在空氣中和高溫相遇時(shí)，碳纖維材料本身會(huì)燃燒。

為了解決這個(gè)問題，我們研制團(tuán)隊(duì)首先把碳纖維陶瓷化，用陶瓷化工藝把碳纖維做成可以在空氣中耐高溫的結(jié)構(gòu)，讓碳纖維在火焰灼燒下穩(wěn)定存在。使用碳纖維之后的外殼，能夠保證手握位置不至于燙到火炬手。為了適應(yīng)“飛揚(yáng)”火炬復(fù)雜的曲面外形，復(fù)合材料外殼團(tuán)隊(duì)采用了三維立體編織技術(shù)和自動(dòng)編織技術(shù)，能夠讓“飛揚(yáng)”火炬的外殼具有很好的整體性。

問：火炬?zhèn)鬟f是每屆奧運(yùn)會(huì)必備活動(dòng)。咱們火炬?zhèn)€頭不大，在小空間內(nèi)如何保證燃料夠用呢？

韓宗捷：這個(gè)問題是研制中碰到的最棘手問題。氫燃料區(qū)別于丙烷和丁烷這類含碳燃料。氫氣的主要特點(diǎn)是密度低、分子量小，難以在小空間儲(chǔ)存。如果把它放到小空間儲(chǔ)存，必須給它高壓使其壓縮。我們?cè)谂c外觀設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)相互探討時(shí)，在這個(gè)地方碰到的困難最大。

北京2022年冬奧會(huì)火炬“飛揚(yáng)”

“飛揚(yáng)”火炬是曲面造型，導(dǎo)致內(nèi)部空間極其狹窄。我們面對(duì)的第二個(gè)矛盾，是必須讓火炬有一定的工作時(shí)間完成火炬?zhèn)鬟f任務(wù)。多重矛盾之下，最主要的工作就是對(duì)內(nèi)置燃燒系統(tǒng)進(jìn)行小型化、輕量化處理。在研制過程中，把整個(gè)燃燒系統(tǒng)外形、燃燒系統(tǒng)減壓閥、儲(chǔ)氫容器縮小了1/3。正是這1/3的尺寸，讓氫燃料、燃燒系統(tǒng)和外殼匹配在一起。

問：氫燃料易燃易爆，哪些技術(shù)保障火炬安全？

韓宗捷：安全性是非常嚴(yán)肅的問題。我們?cè)谘兄七^程中對(duì)火炬的安全性做了充分論證。氫火炬的安全性包括三方面：第一是儲(chǔ)氫容器的安全性。第二是氫氣的密封性能，因?yàn)榇蠹叶贾?，氫氣是最容易泄漏的氣體。第三是火炬整體安全性。

具體來說，第一，從儲(chǔ)氫容器的安全性來講，我們編制了針對(duì)“飛揚(yáng)”火炬儲(chǔ)氫容器的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過了全國(guó)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)審核，再通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣瓶的生產(chǎn)、制造、形式和儲(chǔ)藏做了非常嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)。包含火燒實(shí)驗(yàn)、跌落實(shí)驗(yàn)、水壓打爆實(shí)驗(yàn)、煙霧實(shí)驗(yàn)、壓力循環(huán)實(shí)驗(yàn)等非常苛刻的實(shí)驗(yàn)，能夠證明氣瓶的安全性。

第二，從氫氣的密封性來講，氫氣是最難密封的介質(zhì)之一。我們通過對(duì)氫氣閥的控制，能夠把氫氣的密封性泄漏指標(biāo)控制在0.2毫克/小時(shí)以內(nèi)，這個(gè)泄漏量能夠保證火炬處在安全的范圍內(nèi)。

第三，就是火炬整體的安全性。在研究過程中進(jìn)行整體燃燒測(cè)試，在火炬?zhèn)鬟f過程中不允許出現(xiàn)倒置，但是也要模擬這樣的狀況，通過倒置、大幅輪轉(zhuǎn)、跑動(dòng)、震動(dòng)，還有兩米高的跌落，去測(cè)試它的性能。在做跌落測(cè)試的時(shí)候，火炬是在燃燒過程中跌落。

問：“飛揚(yáng)”火炬的設(shè)計(jì)符合綠色理念，也是對(duì)“雙碳”目標(biāo)的回應(yīng)，請(qǐng)您談一談綠色項(xiàng)目有哪些示范意義。

韓宗捷：“飛揚(yáng)”火炬的成功研制，體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視。這支特別的火炬，將成為我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的嶄新名片，將會(huì)引起更多人對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)注。

“飛揚(yáng)”火炬所包含的高壓儲(chǔ)氫技術(shù)、大比例氫減壓技術(shù)以及氫燃燒技術(shù)，完美地詮釋了綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)的理念。碳纖維復(fù)合材料在“飛揚(yáng)”火炬外殼中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料在奧運(yùn)火炬外殼中應(yīng)用的首創(chuàng)，展現(xiàn)了中國(guó)的高端制造能力。“飛揚(yáng)”火炬，將會(huì)在奧運(yùn)圣火傳遞這一備受世界矚目的活動(dòng)中，向世界展示中國(guó)的實(shí)力和形象。

北京航天動(dòng)力研究所及北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所技術(shù)團(tuán)隊(duì)兩位技術(shù)負(fù)責(zé)人討論燃燒器設(shè)計(jì)方法。