“零碳”火炬“飞扬”双奥之城

韩宗捷，中国航天科技集团有限公司高级工程师，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——冬奥会手持火炬关键技术系统项目的主要研发人员。

作为北京2022年冬奥会手持火炬燃烧系统主要完成人之一，与团队一起完成了世界首套高压储氢手持火炬燃烧系统的前期论证，并提出该火炬的总体参数。作为国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——冬奥会手持火炬关键技术系统项目的主要研发人员，组织科研团队完成手持火炬原理样机研制、工程样机研制，并最终应用于手持火炬的量产。

寒冬阻挡不了春天的脚步，黑夜遮蔽不住黎明的曙光，人类命运共同体的火炬终将照亮人类前行之路。

它乘“祥云”而来，点亮冰雪世界。当地时间2021年10月18日，在奥林匹克运动发祥地——希腊古奥林匹亚赫拉神庙遗址前，北京冬奥会火种采集成功。中国首位夺得冬奥会奖牌的男子运动员李家军与希腊高山滑雪选手安东尼乌互击手肘，两支“飞扬”火炬凌空交汇，开启奥运圣火在“双奥之城”北京的冬奥之旅。

2022年2月2日至4日，中国北京、延庆、张家口三个赛区将开展火炬传递活动，1200名火炬手将手持“飞扬”传递圣火，冰火相约，温暖世界。

在北方冬季寒冷的室外环境中顺利传递火炬，确保火炬不熄灭，并不是一件容易的事。国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项——冬奥会手持火炬关键技术系统项目的主要研发人员、中国航天科技集团有限公司高级工程师韩宗捷介绍了火炬在传递过程中稳定燃烧的奥秘。

问：听说“飞扬”火炬能扛风雪，而且火焰稳定、形态优美，请问在北半球冬季这么寒冷的气候条件下，是如何做到的？

韓宗捷：北京2022年冬奥会及冬残奥会所采用的“飞扬”火炬外形分为两个部分——银白色部分叫作外飘带，红色部分叫作内飘带，从外飘带和内飘带之间的缝隙中盘旋而上形成“飞扬”火炬的火焰。

“飞扬”火炬采用氢燃料，火炬内置燃烧系统是一套氢燃料火炬燃烧系统。燃烧系统包含三部分：高压储氢容器、大减压比供氢系统以及氢燃烧装置。火焰有浮力作用，不会导致烫手。

我们接到手持火炬研制任务时，奥组委提出了很多条件，比如要具备耐零下40摄氏度的低温、抗风、抗雨雪等，其中抗低温这个条件很具有挑战性。

项目团队在研制氢火炬时，最初有过两种氢火炬方案：一种是高压储氢方案，另一种是合金储氢方案。在综合考量氢在低温下释放的稳定性后，最终选择了高压储氢方案。高压储氢方案，能够很稳定地在低温下让氢气从储氢容器里面释放出来，这是火焰能够稳定燃烧的前提。

另外，就是在火焰燃烧稳定性技术领域的长期积累。这种长期的技术积累，能让团队面对复杂曲面外形时，迅速找到火焰稳定性方法。我们采用了一种钝体稳燃技术，在曲面里把火焰根部很好地保护起来，免受外界环境——风、雪、雨的影响。设计出来之后，在燃烧稳定性实验台里做了大量实验，证明钝体稳燃技术具有很高的可靠性。

问：在光照较强的情况下，氢燃料火炬会让火焰颜色透明，如何解决这个问题？

韩宗捷：氢在日光下燃烧时完全透明，没有颜色。密度变化导致的折射，使人只能看到热气流。我们采用焰色反应原理给氢火炬火焰上色。

抗风测试

抗雨测试

外景测试

这里主要研制两部分内容。第一是焰色反应配方，怎样能让它呈现黄颜色，让火炬的火焰更接近于真实的火焰。第二就是我们研究的内容，有一种简便、简易的焰色反应剂加载方式，能让它在工业化量产过程中不会过于复杂。

问：能否解释一下什么是焰色反应？氢燃料燃烧起来温度一定非常高，为了防止它摸起来烫手，火炬外壳选用什么材质？

韩宗捷：焰色反应是能级跃迁导致的能量释放，能量释放会以光的形式释放出来。释放过程是物理过程，不产生新物质。我们采用的焰色反应剂是一种在自然界中常见的环保、无污染金属盐类，这是选择焰色反应原理的重要原因。

氢火炬燃烧时温度很高，实验室测到的最高温度在650摄氏度左右。“飞扬”火炬在世界上首次采用碳纤维制造火炬外壳，碳纤维是一种新型材料，本身具有高耐温性能，但它不能在空气中耐高温，在空气中和高温相遇时，碳纤维材料本身会燃烧。

为了解决这个问题，我们研制团队首先把碳纤维陶瓷化，用陶瓷化工艺把碳纤维做成可以在空气中耐高温的结构，让碳纤维在火焰灼烧下稳定存在。使用碳纤维之后的外壳，能够保证手握位置不至于烫到火炬手。为了适应“飞扬”火炬复杂的曲面外形，复合材料外壳团队采用了三维立体编织技术和自动编织技术，能够让“飞扬”火炬的外壳具有很好的整体性。

问：火炬传递是每届奥运会必备活动。咱们火炬个头不大，在小空间内如何保证燃料够用呢？

韩宗捷：这个问题是研制中碰到的最棘手问题。氢燃料区别于丙烷和丁烷这类含碳燃料。氢气的主要特点是密度低、分子量小，难以在小空间储存。如果把它放到小空间储存，必须给它高压使其压缩。我们在与外观设计团队相互探讨时，在这个地方碰到的困难最大。

北京2022年冬奥会火炬“飞扬”

“飞扬”火炬是曲面造型，导致内部空间极其狭窄。我们面对的第二个矛盾，是必须让火炬有一定的工作时间完成火炬传递任务。多重矛盾之下，最主要的工作就是对内置燃烧系统进行小型化、轻量化处理。在研制过程中，把整个燃烧系统外形、燃烧系统减压阀、储氢容器缩小了1/3。正是这1/3的尺寸，让氢燃料、燃烧系统和外壳匹配在一起。

问：氢燃料易燃易爆，哪些技术保障火炬安全？

韩宗捷：安全性是非常严肃的问题。我們在研制过程中对火炬的安全性做了充分论证。氢火炬的安全性包括三方面：第一是储氢容器的安全性。第二是氢气的密封性能，因为大家都知道，氢气是最容易泄漏的气体。第三是火炬整体安全性。

具体来说，第一，从储氢容器的安全性来讲，我们编制了针对“飞扬”火炬储氢容器的企业标准。这个企业标准通过了全国气瓶标准化委员会审核，再通过这个标准对气瓶的生产、制造、形式和储藏做了非常严格的实验。包含火烧实验、跌落实验、水压打爆实验、烟雾实验、压力循环实验等非常苛刻的实验，能够证明气瓶的安全性。

第二，从氢气的密封性来讲，氢气是最难密封的介质之一。我们通过对氢气阀的控制，能够把氢气的密封性泄漏指标控制在0.2毫克/小时以内，这个泄漏量能够保证火炬处在安全的范围内。

第三，就是火炬整体的安全性。在研究过程中进行整体燃烧测试，在火炬传递过程中不允许出现倒置，但是也要模拟这样的状况，通过倒置、大幅轮转、跑动、震动，还有两米高的跌落，去测试它的性能。在做跌落测试的时候，火炬是在燃烧过程中跌落。

问：“飞扬”火炬的设计符合绿色理念，也是对“双碳”目标的回应，请您谈一谈绿色项目有哪些示范意义。

韩宗捷：“飞扬”火炬的成功研制，体现了国家对氢能产业发展的重视。这支特别的火炬，将成为我国氢能产业发展的崭新名片，将会引起更多人对氢能产业发展的关注。

“飞扬”火炬所包含的高压储氢技术、大比例氢减压技术以及氢燃烧技术，完美地诠释了绿色奥运、科技奥运的理念。碳纤维复合材料在“飞扬”火炬外壳中的应用，实现了碳纤维复合材料在奥运火炬外壳中应用的首创，展现了中国的高端制造能力。“飞扬”火炬，将会在奥运圣火传递这一备受世界瞩目的活动中，向世界展示中国的实力和形象。

北京航天动力研究所及北京航天试验技术研究所技术团队两位技术负责人讨论燃烧器设计方法。