科技日?qǐng)?bào)記者:奧運(yùn)圣火是奧林匹克精神的象征,圣火傳遞則是奧運(yùn)會(huì)召開最重要的儀式之一。2022年北京冬奧會(huì)火炬“飛揚(yáng)”在外觀、結(jié)構(gòu)、功能等方面有哪些獨(dú)特的創(chuàng)新之處?
宋曉峰:當(dāng)我們看到火炬“飛揚(yáng)”時(shí),最吸引大家的應(yīng)該是它絢麗的外觀和驚艷的設(shè)計(jì)?;鹁娴摹案哳佒怠迸c它動(dòng)感的造型關(guān)系密切,它是由兩條“飄帶”組成,銀白色的部分被稱作外飄帶,紅色的部分被稱作內(nèi)飄帶,兩條飄帶相互纏繞,向上飄舞,激情昂揚(yáng)!
很多觀眾第一次見“飛揚(yáng)”火炬都會(huì)納悶兒,造型上看并沒有出火口,火焰是從哪里冒出來的?答案就在內(nèi)外飄帶的間隙里。火炬在設(shè)計(jì)時(shí)有一個(gè)浪漫的想法,火焰的造型作為火炬外形的延伸與火炬完美融合在一起。除此之外,還有一個(gè)引人注目的特點(diǎn)是,“飛揚(yáng)”火炬采用的燃料不是傳統(tǒng)燃料丙烷,而是氫燃料,可以說“外有顏值,內(nèi)有科技”。
科技日?qǐng)?bào)記者:北京冬奧會(huì)火炬?zhèn)鬟f時(shí)天氣嚴(yán)寒,各賽區(qū)不僅寒冷多風(fēng),還有可能遇到降雪天氣。請(qǐng)問“飛揚(yáng)”火炬燃燒系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)抗拒風(fēng)雪的同時(shí)還能達(dá)到燃燒穩(wěn)定、外形美觀?
宋曉峰:冬奧會(huì)與夏奧會(huì)不同,火炬工作的環(huán)境溫度很低,我們選用的高壓儲(chǔ)氫方案,具有天然的低溫優(yōu)勢(shì),能夠保證火炬在低溫環(huán)境下穩(wěn)定釋放氫氣。
在延慶賽區(qū)、張家口賽區(qū),火炬?zhèn)鬟f時(shí)的溫度有可能達(dá)到-20攝氏度甚至更低。為保證火炬?zhèn)鬟f萬無一失,設(shè)計(jì)之初我們就提出在極限低溫-40攝氏度時(shí)火炬燃料依舊能穩(wěn)定燃燒的要求,這是合金儲(chǔ)氫方案、丙烷燃料方案所無法很好適應(yīng)的。
高壓儲(chǔ)氫雖然工藝難度更大,但是我們?cè)谘邪l(fā)過程中做了大量實(shí)驗(yàn),將極易飄逸、極易擴(kuò)散、極易泄露的氫燃料“馴服”在儲(chǔ)氣瓶內(nèi),實(shí)現(xiàn)了氫燃料在燃燒過程中的安全釋放,最終保證氫燃料在低溫環(huán)境下穩(wěn)定燃燒。
而且,“飛揚(yáng)”火炬的外形曲面復(fù)雜,火焰造型作為火炬外形的延伸,被強(qiáng)加了很多限制,我們提出采用曲面格柵結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)焰措施,既兼顧了外形設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意,又達(dá)到穩(wěn)定燃燒的目的。
大量可靠性測(cè)試顯示,高壓儲(chǔ)氫方案不但能夠保證火炬在100公里/小時(shí)的風(fēng)速、50毫米/小時(shí)的雨雪天氣下保持穩(wěn)定燃燒(即能抗10級(jí)大風(fēng)),而且火焰的飄動(dòng)性、飄逸性也能得到完美體現(xiàn)。
科技日?qǐng)?bào)記者:氫燃料的使用有一個(gè)“顯而易見”的弊端,強(qiáng)光照射下火炬的火焰是“透明”的,這將嚴(yán)重影響火炬?zhèn)鬟f的觀感。請(qǐng)問團(tuán)隊(duì)是如何成功為火焰“上色”,又通過哪些設(shè)計(jì)與技術(shù)手段保障火炬燃料的安全性?
宋曉峰:的確,氫火焰在陽光照射狀態(tài)下,火焰是透明的,我們只能看到熱氣流的折射現(xiàn)象。為了給火焰加顏色,團(tuán)隊(duì)費(fèi)了很多周折。我們選擇焰色反應(yīng)作為實(shí)現(xiàn)火焰顏色改變的技術(shù)手段。焰色反應(yīng)的原理是“電子躍遷”的能量以光的形式釋放出來,這個(gè)過程是物理過程,不是化學(xué)過程,不會(huì)有新的物質(zhì)產(chǎn)生,也不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染,這與我們利用清潔能源的愿景是一致的。
完成這個(gè)“變魔術(shù)”般的物理過程,需要兩個(gè)前提。第一,尋找一種合適的焰色反應(yīng)劑配方,能夠?qū)崿F(xiàn)較為明顯的焰色改變,使火焰呈現(xiàn)黃色;第二,探索更為合適的反應(yīng)劑加載方式,能夠使反應(yīng)的加載工藝便利、易于實(shí)現(xiàn),抗雨水沖刷能力。我們測(cè)試了大量的堿金屬配方,最終將注意力集中在以鈉鹽為基礎(chǔ)的配方上,實(shí)現(xiàn)了通過焰色明亮、加載工藝簡單、抗雨水沖刷能力好的焰色改變技術(shù)。
手持火炬的安全性由儲(chǔ)氫裝置安全性、氫密封能力、火炬整體安全性三個(gè)維度組成。
火炬的氫燃料放置在一個(gè)小氣瓶中,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)受限,一定要做到高壓,不然氫氣儲(chǔ)存量不足,火炬燃燒的時(shí)間就達(dá)不到要求。為此,團(tuán)隊(duì)專門制定了針對(duì)性的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并通過國家評(píng)標(biāo)委評(píng)審。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行了水壓試驗(yàn)、爆破試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、火燒試驗(yàn)等十余項(xiàng)測(cè)試,以保證儲(chǔ)氫裝置的安全性。
而且,氫氣難以進(jìn)行密封,我們團(tuán)隊(duì)在氫密封方面做了大量工作,能夠保證瓶口閥的氫泄漏率≤0.2mg/h(即每小時(shí)小于0.2毫克),這意味著即使在一個(gè)相對(duì)較小的空間內(nèi),氫氣的爆炸濃度也達(dá)不到它的爆炸極限,如此低的泄漏率給火炬的安全存放和運(yùn)輸提供了保障。
此外,火炬整體安全如何考量?答案是,在綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,包括低溫、風(fēng)、雨雪、高海拔等使用環(huán)境的測(cè)試,也包含跌落、倒置、大幅輪轉(zhuǎn)等安全性測(cè)試。所有測(cè)試通過,才能確保冬奧會(huì)手持火炬安全可靠。
科技日?qǐng)?bào)記者:手持火炬的個(gè)頭不大,存放燃料的空間更加有限,請(qǐng)問我們?cè)趦?nèi)部設(shè)計(jì)中,是如何保障燃料夠用?
宋曉峰:火炬外形設(shè)計(jì)力求“苗條”,這極大地壓縮了內(nèi)部燃料的儲(chǔ)存空間,需要整個(gè)燃燒系統(tǒng)全面改進(jìn)。初次的匹配結(jié)果讓團(tuán)隊(duì)很有壓力,燃料儲(chǔ)存的空間根本不能滿足燃燒5分鐘的有效傳遞時(shí)間。
怎么辦?我們?nèi)紵到y(tǒng)團(tuán)隊(duì)的工程師放棄假期、加班加點(diǎn)迭代圖紙,不放過任何1mm的尺寸縮減,最終我們突破此前設(shè)計(jì)的極限,把燃燒系統(tǒng)的總體尺寸縮減了1/3,為完成匹配打下基礎(chǔ)。
科技日?qǐng)?bào)記者:據(jù)了解,飛揚(yáng)火炬的外殼是用碳纖維與樹脂形成的復(fù)合材料制作而成,也是世界首創(chuàng)。為什么要選擇這種材料制作火炬,它給火炬帶來了哪些優(yōu)越性?為什么碳纖維材料的火炬外殼不懼高溫?
宋曉峰:密度只有鋼的1/4,強(qiáng)度卻是鋼的6至7倍,輕而強(qiáng)是碳纖維最大的特點(diǎn)。整個(gè)手持火炬的內(nèi)部有儲(chǔ)氫罐、減壓閥、復(fù)雜的燃燒系統(tǒng)以及格柵等裝置,它本身的重量與儲(chǔ)存氫氣的重量疊加以后,都要包腹在內(nèi)飄帶里,如果外殼再用常規(guī)材料的話,整體重量就會(huì)大大增加,這給火炬?zhèn)鬟f帶來不好的體驗(yàn)。
氫火炬在燃燒時(shí),火焰溫度是很高的,經(jīng)測(cè)試,火炬燃燒狀態(tài)時(shí),殼體表面最高溫度大約為650℃。而“飛揚(yáng)”火炬的外殼采用碳纖維復(fù)合材料,這是前所未有的創(chuàng)新與嘗試,首先要攻克的難題是碳纖維在有氧環(huán)境下的耐高溫問題。
碳纖維本身可以耐高溫,但在有氧環(huán)境下,高溫的碳纖維會(huì)與氧氣產(chǎn)生燃燒反應(yīng),這是一件很棘手的難題。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的碳纖維專家提出了采用陶瓷基前驅(qū)體作為基體樹脂及陶瓷化成型技術(shù),使樹脂能在高溫條件下可轉(zhuǎn)化為“陶瓷”,使火炬碳纖維外殼在規(guī)定燃燒時(shí)間內(nèi)不燃燒,最終達(dá)到輕質(zhì)、耐燃燒的目的。測(cè)試結(jié)果顯示,處理后的碳纖維能夠耐800℃甚至更高的高溫火焰灼燒,而且,高溫只在火焰口袋的幾百毫米范圍內(nèi),火炬的其他部位并無變化。
其次,為了適應(yīng)復(fù)雜的火炬曲面外形,碳纖維外殼采用了先進(jìn)的三維立體編制成型技術(shù),變厚度三維自動(dòng)編制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù),該技術(shù)制備的復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)編制技術(shù)具有更好的整體性。
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