冬奥火炬,“冰与火”之歌

邱晨辉

  凌晨1点，对讲机中传来导演团队的通知，早早在国家体育场鸟巢待命的火炬项目团队瞬间打起了精神。冬奥火炬技术负责人、中国航天科技集团六院北京十一所事业部总工程师刘悦期待作品成果得到检验。

  这一天，距离北京冬奥会开幕还有一个月，场馆里气温达到零下10℃，研制团队顾不上寒冷，或盯着火炬每一处细节，或奔跑在控制室与外场之间，或与导演团队沟通预判衔接过程中可能出现的问题，所有这些努力都是为了迎接最后的时刻。

  2月4日，随着最后一棒火炬手将手持火炬插入“雪花”中心，奥运火焰与96朵晶莹剔透的雪花、6条飘逸的橄榄枝交相辉映——这就是北京冬奥主火炬。微火、屏显，冰与火实现完美相融。

  这一刻，刘悦激动不已。为了这一天，他们足足奋斗了两年。

给火焰“上色”

  火炬，一直以来都是历届奥运会关键一环。北京冬奥会的火炬家族包括三位主力，分别是手持火炬、主火炬、三胞胎场外火炬。这其中，最后一棒的手持火炬转化为主火炬，主火炬也在奥运历史上首次使用了“微火”方式，惊艳世界。

  刘悦至今记得，第一次看到创意方案是在2020年底。研制团队很兴奋，几乎每个人都认为，只有他们能实现这个创意。刘悦所在的航天六院北京十一所，是我国最早从事液体火箭发动机研制的单位，将航天技术应用到民用产业的道路，他们已经走了近40年，工业火炬就是航天燃烧技术在化工领域的典型应用。

  不过，刘悦最初还是有一些担忧，工业火炬和奥运火炬的差别还是非常大的，如何支持火炬空中移动、旋转，并维持一定时间的稳定燃烧？

  后来，团队渐渐找到了方向：技术人员在悬挂主火炬的威亚上，设计了一套姿态调节执行机构，配合地面装置实现主火炬的翻转、提升动作;氢气储存和减压装置就藏在其中，减压后的氢气，通过软管源源不断地输送至火炬中心，并应用航天氢氧发动机燃烧技术，保证“不熄火、不回火、不脱火”。

  刘悦告诉记者，为了让主火炬在360度旋转时也能高效稳定燃烧，配套的氢气软管、电缆、控制线缆均可卷伸，让氢、电、控制信号能连续、稳定、可靠地供应传输。

  整个过程中，几乎每一步都有难题。比如，他们需要给火焰“上色”。

  火炬使用的是氢燃料，燃烧呈现的是“透明”火焰，所以，研制团队要想办法给火炬的火焰“上色”。

  航天六院北京十一所燃烧系统工程师韩宗捷说，在设计时，研制人员不但要满足“飞扬”复杂曲面特征的结构要求，还要在出口处作出创新设计，实现焰色的可视性，让火焰显示出颜色。

  研制初期，正值新冠肺炎疫情蔓延，大量优秀的工程师被迫居家办公，燃烧实验完全无法开展。

  韩宗捷、李泓达等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——“焰色反应”实验，这才有了现在稳定可视的火炬火焰。

  韩宗捷告诉记者，为了满足高安全性、高稳定性，研制团队对整个燃烧系统进行了300多次可靠性试验，使得火炬通过了在极寒环境、十级狂风、雨雪天气等情况下的测试，最终让“飞扬”火炬拥有了“钢筋铁骨”。

打造火炬“绿心”

  北京冬奥火炬拥有一颗绿色的“心脏”，这是与以往冬奥会一个显著的不同。

  刘悦告诉记者，主火炬以绿色环保的氢能作为燃料，而承担了我国空间站、探月、探火等重大任务的长征五号运载火箭，使用的便是氢氧发动机，相关技术在国际上处于领先地位。

  当然，用氢气做火炬燃料并不容易：在北方冬季严酷的室外环境，如何确保火种不熄灭？如何保证氢在运输和传递过程中不泄漏？怎样才能有曲线美感？这些都是研制团队需要解决的问题。

2020年8月17日晚10点，航天六院项目总师姜联东清晰地记得这个时间。看着火炬原理样机在台钳上又一次成功点火，他毫不犹豫地把火炬握在了手里。这一刻，参与项目研制的团队成员都无比激动，信心剧增。

  一个月后，手持火炬的造型确定了：火炬以祥云纹样“打底”，自下而上从祥云纹样逐渐过渡到剪纸风格的雪花图案，旋转上升。

  在见到最终外观之前，研制团队以2008年北京奥运会火炬外壳尺寸及造型作为参考进行设计。此时，燃烧系统研制已经进入尾声，外壳与内芯要进行匹配。而创意团队公开的造型，与想象中的火炬外形差别较大，现有的燃烧系统从尺寸到造型，都难以匹配。

  “火炬的内外飘带，如丝带飘舞，旋转上升，最后呈现为飞扬的火焰。这样饱含着美好寓意的火炬造型，却给火炬燃烧系统带来了前所未有的难题。”姜联东说，火炬内外飘带的造型，使得储氢气瓶不可能像外形一样上粗下细，若减少储氢气瓶尺寸，必然不能滿足氢气的燃烧用量。

  经讨论，大家达成一致意见，决定缩小储氢气瓶的尺寸，提高设计压力。

  想要把燃烧系统装进火炬的内部空间，除了要精简阀门外形、优化内部空间外，非常重要的一点就是要将气瓶中的压力由35兆帕提升至42兆帕。7兆帕压力差，看似很小，对于技术团队是一个巨大的挑战。它考验的是阀门的密封技术、降压技术、火焰稳定技术、可靠性等。

“我们的减压阀同时要起到减压、充气、开关及密封四重作用，所以非常关键。压力的再次提升，要求我们要把密封等全部重新算一遍，材料重新换一批。” 航天六院北京十一所特种阀事业部常务副总经理丁英仁说，他们还要考虑高压情况下，如何在关上火炬时减阻减摩，如何从42兆帕高压降低到常压，维持火苗燃烧的稳定等。

  姜联东透露，团队成员常常因为1毫米的技术方案更改，连续加班到夜里两三点，要核算充气量，既要满足火炬的燃料时间，又要保证储氢气瓶安全可靠。

“这也是我们团队研制最紧张的阶段。”韩宗捷说，“我们短时间内绘制了20余套图纸，进行了3D打印进行匹配，最终第一台手持火炬工程样机顺利诞生。”

打造火炬“三巨头”

2021年“十一”期间，北京某试验场，一群技术人员正在紧张地进行综合演练。

  这天凌晨3点，“火花”与“雪花”缓缓升起，项目团队的泪水决堤而下。

“这次冬奥火炬的创意是对传统奥运主火炬方案的颠覆。主火炬工作时间从1.5小时延长到最后的8小时，显示方案也在不停地进行调整，供氢方案也进行了多次的选择和安全论证，火炬展示程序及动作在过程中不断增加。这些都是对我们技术实力和应变能力的考验。”刘悦说。

  他以火炬控氢阀为例，这是安装在气瓶口的组合阀门，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，项目团队对控氢阀作了大胆的创新。

“我们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，同时实现了该轻的地方轻，该重的地方重，该承受力的地方结实。”丁英仁说。

  艺术“实现”与技术“现实”在不断地进行磨合。他告诉记者，在压力提升20%的情况下，阀门长度从最初的162毫米降至110毫米，重量减轻至290克，重量仅相当于一袋牛奶。

  2月4日立春，腹有火炬的“雪花”面向全球亮相。

  与此同时，三处场外火炬完美亮相。北京奥运会共设有三处场外火炬，分别位于延庆城区、张家口太子城冰雪小镇、北京奥林匹克森林公园中心区。三处场外主火炬与主会场火炬一同点燃，这是对储氢、运氢、燃烧等多重技术的考验。

（摘自《中国青年报》）