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首次使用氢能、抗10级强风……揭秘冬奥会火炬“飞扬”背后的高科技

2022-5-15 05:01| 发布者: admin| 查看: 37| 评论: 0|原作者: 大唐名人网|来自: 网络整理

本届冬奥会,科技和绿色是两大主题,无论场馆建设、赛事组织、设备设施,方方面面都无不体现这两大主题。火炬,是最具冬奥特征的标志之一,本届冬奥会火炬,首次实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。冬奥会火炬有哪些高科技?又是如何实现零排放的呢?走近火炬“飞扬”↓

清洁能源 点燃冬奥火炬

“飞扬”是本次冬奥会使用的手持式火炬名称,它采用氢气作为燃料,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。

航天科技集团六院101所所长 王成刚:整个是火炬的内核,我们称之为氢芯。这一部分是我们的气瓶,铝合金内胆,碳纤维缠绕主要是考虑到安全性,它的承压能力要达到42兆帕。应该属于高压的范畴了,必须要把储存在气瓶里的氢气要给减压到常压的状态,这是我们航天的专有技术。

氢气绿色环保,但易燃、易爆、易泄漏,之前的历届冬奥会还没有成功使用氢气作为火炬燃料的先例。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,科研人员做了大胆的创新,采用了针对性设计和轻量化技术,对整套燃烧系统进行了“瘦身”,腾出空间确保有足够的燃料储存量。与此同时,为了确保火炬燃烧过程的高可靠性,科研人员使用了航天的设计理念。

航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目控氢阀技术负责人 郑晓东:我们设计的时候,它的强度都是几倍的安全余量。完全按照我们航天可靠性这套理念做了比较充分的试验,跟我们去搞(火箭)发动机有点像了,该有的功能、该有的安全性一个都不能少。

火炬不惧严寒 无畏雨雪

利用火箭的技术来做火炬,这还真挺新鲜的,这样做出来的火炬可靠吗?带着这样的疑问,总台央视记者专门去实地探访了火炬的试验过程。

总台央视记者 李宁:为了确保冬奥会火炬的高可靠性,在航天科技集团六院专门为火炬搭建了试验基地。试验已经开始了,我们可以在这里非常明显地感受到风雨交加的感觉,现在的风速大概是65公里每小时,也就是八级风左右。

冬奥会手持火炬要进行多次传递,在传递期间可能会遭遇极端天气,为了让火炬在面对恶劣环境的时候依然能够保持稳定,科研人员模拟了大风、大雨、低温等多种特殊气候环境,进行了300多次的各种工况的试验,最终保证了火炬的高可靠性。

航天科技集团六院101所所长 王成刚:我们火炬在测试过程中技术提出的指标只要满足8级风就可以了,我们测试的极限要求做到了10级大风。海拔条件测试要求4000米,我们测试到了5000米。

除此之外,试验还进行了火炬手恶劣气候条件下的运动模拟,全覆盖火炬传递过程中的各种运动状态。

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。即便这样,科研人员还是不放心,在每只火炬出厂前,还有一项测试。

航天科技集团六院101所所长 王成刚:在每一个火炬装配完成之后,我们进行一个10秒的验证,考核火炬整个性能。所以这一次火炬传递过程中,每一个火炬都得到了完美的展现。

为火焰塑形 确保火焰飘逸灵动

经过严苛的极端试验,火炬的可靠性得到了保证。但与此同时,科研人员又面临了一个新的挑战,如何让火焰的造型更优美?

由于储氢罐的压力非常大,直接点燃之后,火焰会像火箭发动机喷射出的尾焰形态一样猛烈,不但不安全,还缺乏火焰燃烧的飘逸美感,而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,这个正是能决定火焰美妙形态的关键部件。

航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦:我们减压阀现在的尺寸只有原来的2/3,它把三部分给耦合在一起了。氢气燃烧很快,火焰出来之后,它比较直,不飘动不灵动。我们减压阀(减压)后的压力是多少,直接会影响它的火焰造型。

刘悦介绍,控氢阀可以将氢气的压力从42兆帕的高压转化为约1000帕的低压,这样就控制了火焰燃烧的范围,而飘动的造型就需要火炬中的燃烧器来完成。

航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦:火焰最后的要求它是阶梯状的,中心要高一点。这完全是3D打印出来的一个造型,弯制是弯不出来造型和方向的。

给火焰上色 为了美美地“飞扬”

解决了可靠性的问题,又给火焰打造了一个完美的造型,这下应该大功告成了吧?然而并没有,接下来,还有一个需要解决的重要问题,那就是给火焰上色。

由于氢气的特性,在空气中燃烧呈现出淡蓝色火焰,在自然环境下几乎无法用肉眼看到。为了实现火焰的可视性,就要找出让火焰显示颜色的方法。研制人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试验,这才有了现在稳定可视的火炬火焰。

航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦:开始虽然有些原理性的知识,但是你还是要做测试,在家里就开始试,找各种各样的,起码原理上是靠谱的。

通过一遍遍的试验,科研人员研制出几十种火焰颜色,再经过大量对比之后,最终选定了我们现在看到的偏黄一点的火炬火焰颜色。

确定颜色后,接下来要解决的重要问题之一,就是如何将显色剂涂装,才能保证连续5分钟的焰色反应。

航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦:它是通过一种溶剂,把焰色剂配方溶解到一起以后,把它变黏稠,然后慢慢地刷到表面上。差不多是这个位置。

记者:涂多少是不是也得(做试验)?

航天科技集团六院北京11所冬奥火炬项目技术负责人 刘悦:是,也得做试验,现在像我们手持式火炬5分钟可靠性是一点问题也没有的,再多几倍也没关系。

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