冬奧火炬,“冰與火”之歌

邱晨輝

? 凌晨1點，對講機中傳來導演團隊的通知，早早在國家體育場鳥巢待命的火炬項目團隊瞬間打起了精神。冬奧火炬技術負責人、中國航天科技集團六院北京十一所事業部總工程師劉悅期待作品成果得到檢驗。

? 這一天，距離北京冬奧會開幕還有一個月，場館里氣溫達到零下10℃，研制團隊顧不上寒冷，或盯著火炬每一處細節，或奔跑在控制室與外場之間，或與導演團隊溝通預判銜接過程中可能出現的問題，所有這些努力都是為了迎接最后的時刻。

? 2月4日，隨著最后一棒火炬手將手持火炬插入“雪花”中心，奧運火焰與96朵晶瑩剔透的雪花、6條飄逸的橄欖枝交相輝映——這就是北京冬奧主火炬。微火、屏顯，冰與火實現完美相融。

? 這一刻，劉悅激動不已。為了這一天，他們足足奮斗了兩年。

給火焰“上色”

? 火炬，一直以來都是歷屆奧運會關鍵一環。北京冬奧會的火炬家族包括三位主力，分別是手持火炬、主火炬、三胞胎場外火炬。這其中，最后一棒的手持火炬轉化為主火炬，主火炬也在奧運歷史上首次使用了“微火”方式，驚艷世界。

? 劉悅至今記得，第一次看到創意方案是在2020年底。研制團隊很興奮，幾乎每個人都認為，只有他們能實現這個創意。劉悅所在的航天六院北京十一所，是我國最早從事液體火箭發動機研制的單位，將航天技術應用到民用產業的道路，他們已經走了近40年，工業火炬就是航天燃燒技術在化工領域的典型應用。

? 不過，劉悅最初還是有一些擔憂，工業火炬和奧運火炬的差別還是非常大的，如何支持火炬空中移動、旋轉，并維持一定時間的穩定燃燒？

? 后來，團隊漸漸找到了方向：技術人員在懸掛主火炬的威亞上，設計了一套姿態調節執行機構，配合地面裝置實現主火炬的翻轉、提升動作;氫氣儲存和減壓裝置就藏在其中，減壓后的氫氣，通過軟管源源不斷地輸送至火炬中心，并應用航天氫氧發動機燃燒技術，保證“不熄火、不回火、不脫火”。

? 劉悅告訴記者，為了讓主火炬在360度旋轉時也能高效穩定燃燒，配套的氫氣軟管、電纜、控制線纜均可卷伸，讓氫、電、控制信號能連續、穩定、可靠地供應傳輸。

? 整個過程中，幾乎每一步都有難題。比如，他們需要給火焰“上色”。

? 火炬使用的是氫燃料，燃燒呈現的是“透明”火焰，所以，研制團隊要想辦法給火炬的火焰“上色”。

? 航天六院北京十一所燃燒系統工程師韓宗捷說，在設計時，研制人員不但要滿足“飛揚”復雜曲面特征的結構要求，還要在出口處作出創新設計，實現焰色的可視性，讓火焰顯示出顏色。

? 研制初期，正值新冠肺炎疫情蔓延，大量優秀的工程師被迫居家辦公，燃燒實驗完全無法開展。

? 韓宗捷、李泓達等團隊成員為了實現火焰著色，嘗試了很多方法，甚至在家里煤氣灶上做起了文章——“焰色反應”實驗，這才有了現在穩定可視的火炬火焰。

? 韓宗捷告訴記者，為了滿足高安全性、高穩定性，研制團隊對整個燃燒系統進行了300多次可靠性試驗，使得火炬通過了在極寒環境、十級狂風、雨雪天氣等情況下的測試，最終讓“飛揚”火炬擁有了“鋼筋鐵骨”。

打造火炬“綠心”

? 北京冬奧火炬擁有一顆綠色的“心臟”，這是與以往冬奧會一個顯著的不同。

? 劉悅告訴記者，主火炬以綠色環保的氫能作為燃料，而承擔了我國空間站、探月、探火等重大任務的長征五號運載火箭，使用的便是氫氧發動機，相關技術在國際上處于領先地位。

? 當然，用氫氣做火炬燃料并不容易：在北方冬季嚴酷的室外環境，如何確保火種不熄滅？如何保證氫在運輸和傳遞過程中不泄漏？怎樣才能有曲線美感？這些都是研制團隊需要解決的問題。

2020年8月17日晚10點，航天六院項目總師姜聯東清晰地記得這個時間。看著火炬原理樣機在臺鉗上又一次成功點火，他毫不猶豫地把火炬握在了手里。這一刻，參與項目研制的團隊成員都無比激動，信心劇增。

? 一個月后，手持火炬的造型確定了：火炬以祥云紋樣“打底”，自下而上從祥云紋樣逐漸過渡到剪紙風格的雪花圖案，旋轉上升。

? 在見到最終外觀之前，研制團隊以2008年北京奧運會火炬外殼尺寸及造型作為參考進行設計。此時，燃燒系統研制已經進入尾聲，外殼與內芯要進行匹配。而創意團隊公開的造型，與想象中的火炬外形差別較大，現有的燃燒系統從尺寸到造型，都難以匹配。

? “火炬的內外飄帶，如絲帶飄舞，旋轉上升，最后呈現為飛揚的火焰。這樣飽含著美好寓意的火炬造型，卻給火炬燃燒系統帶來了前所未有的難題。”姜聯東說，火炬內外飄帶的造型，使得儲氫氣瓶不可能像外形一樣上粗下細，若減少儲氫氣瓶尺寸，必然不能滿足氫氣的燃燒用量。

? 經討論，大家達成一致意見，決定縮小儲氫氣瓶的尺寸，提高設計壓力。

? 想要把燃燒系統裝進火炬的內部空間，除了要精簡閥門外形、優化內部空間外，非常重要的一點就是要將氣瓶中的壓力由35兆帕提升至42兆帕。7兆帕壓力差，看似很小，對于技術團隊是一個巨大的挑戰。它考驗的是閥門的密封技術、降壓技術、火焰穩定技術、可靠性等。

“我們的減壓閥同時要起到減壓、充氣、開關及密封四重作用，所以非常關鍵。壓力的再次提升，要求我們要把密封等全部重新算一遍，材料重新換一批。” 航天六院北京十一所特種閥事業部常務副總經理丁英仁說，他們還要考慮高壓情況下，如何在關上火炬時減阻減摩，如何從42兆帕高壓降低到常壓，維持火苗燃燒的穩定等。

? 姜聯東透露，團隊成員常常因為1毫米的技術方案更改，連續加班到夜里兩三點，要核算充氣量，既要滿足火炬的燃料時間，又要保證儲氫氣瓶安全可靠。

“這也是我們團隊研制最緊張的階段。”韓宗捷說，“我們短時間內繪制了20余套圖紙，進行了3D打印進行匹配，最終第一臺手持火炬工程樣機順利誕生。”

打造火炬“三巨頭”

2021年“十一”期間，北京某試驗場，一群技術人員正在緊張地進行綜合演練。

? 這天凌晨3點，“火花”與“雪花”緩緩升起，項目團隊的淚水決堤而下。

“這次冬奧火炬的創意是對傳統奧運主火炬方案的顛覆。主火炬工作時間從1.5小時延長到最后的8小時，顯示方案也在不停地進行調整，供氫方案也進行了多次的選擇和安全論證，火炬展示程序及動作在過程中不斷增加。這些都是對我們技術實力和應變能力的考驗。”劉悅說。

? 他以火炬控氫閥為例，這是安裝在氣瓶口的組合閥門，其作用主要是將氣瓶內的高壓氫氣減壓穩壓到常規出口壓力。為了契合冬奧會手持火炬曲面外殼設計，在內部空間十分有限的情況下，項目團隊對控氫閥作了大膽的創新。

“我們采用了微型的輕量化技術，對其進行了‘瘦身’，以便騰出空間給氫氣瓶，確保火焰的大流量，同時實現了該輕的地方輕，該重的地方重，該承受力的地方結實。”丁英仁說。

? 藝術“實現”與技術“現實”在不斷地進行磨合。他告訴記者，在壓力提升20%的情況下，閥門長度從最初的162毫米降至110毫米，重量減輕至290克，重量僅相當于一袋牛奶。

? 2月4日立春，腹有火炬的“雪花”面向全球亮相。

? 與此同時，三處場外火炬完美亮相。北京奧運會共設有三處場外火炬，分別位于延慶城區、張家口太子城冰雪小鎮、北京奧林匹克森林公園中心區。三處場外主火炬與主會場火炬一同點燃，這是對儲氫、運氫、燃燒等多重技術的考驗。

（摘自《中國青年報》）