在本届冬奥会上,中国以“不点火”代替“点燃”,以“微火”取代熊熊燃烧的大火,实现了奥运历史上的一次点火创新。
为什么要使用这么小的火炬来作为主火炬呢?
之所以使用手持火炬的最后一棒作为主火炬,其实是因为往届的大火炬非常不环保,以2008年北京夏奥会主火炬为例子。
北京夏奥会主火炬的火焰高 8 米, 宽 4 米, 并具有防风雨、抗雷暴的性能,火炬由三大部分构成, 包括火炬头、 输气管线和控制系统 。 决定其形状 、色 的密钥在于火炬燃烧器 。 它由数百个燃烧孔排成排、编成组、分成段而成盘状, 共同形成 1.6 米的 高度差的立体造型, 且呈螺旋上升状 。
主火炬燃烧时的节能性也达到最佳效果,比正常燃烧能耗降低了近 2 成,但即使这样每小时也需要消耗 6000 立方米天然气。一般普通的三口家庭一年大约用200立方天然气。当然,火炬控制系统采用了“变频”技术,在非开闭幕式期间将天然气消耗量控制在每小时2000立方米左右。
从这里就可以看出,大火炬消耗的资源和造成的环境污染是非常高的,所以在本届冬奥会上,我们历史性地使用了小火炬,这也是史上最小主火炬,与以往熊熊燃烧的火炬相比,比它们大约节省了99.9%的能量。
我们要知道,冬奥会要举行16天,在这期间,主火炬的圣火是不能熄灭的,北京冬奥会圣火将燃烧16天,史上最小主火炬如何实现续航呢?
如何实现续航
首先,我们和08年夏奥会不一样,这一次的燃料是氢气,属于碳纤维氢能火炬,这是冬奥历史上首支氢燃料火炬。
要把足量的氢气储存在手持火炬中,其实不是一件容易的事,氢气密度非常低,由于手持火炬体型小,限制了氢气瓶的体积,为储存足量的氢气,研发团队解决了氢火焰可视性、复杂曲面适应性、大比例减压、氢安全利用、氢燃料储存等多个难题,特地用42MPa的高压将12克氢气压缩进氢气瓶,随后将氢气瓶放入火炬。
因为氢气在高压条件下非常容易发生爆炸,而为了保障安全,研发团队研制出了高精度的减压阀,氢气在使用时能够安全减压和稳定供给。另外,研发团队在氢气瓶铝合金内胆上缠绕了一层碳纤维,使氢气瓶更坚固、更安全。
除了燃料换成了氢气之外,为了达到8小时360度旋转时高效稳定的燃烧,主火炬采用了航天氢氧发动机的燃烧技术。使得主火炬不熄火、不回火、不脱火。这难度可不低,氢气从储氢罐中流出,经减压阀由高压转为接近常压,可供主火炬至少燃烧8小时。主火炬储氢罐的压力是大气压的350倍,相同难度的减压技术在火箭发动机上都十分罕见。
(材料的选择上,主火炬和普通火炬也不一样,并不是碳纤维,二手选用铝合金材质,重量只有钢材质的1/3)
但即使氢气在高效燃烧,这么小的主火炬也不可能坚持16天,为此,主火炬设计了两套燃料系统,一套系统是手持火炬的氢燃烧系统;另一套系统与鸟巢体育场上方的执行机构相连,用于开幕式点火仪式。
研发团队特意设计了秘密输气管道,在主火炬上方,有一个长方形的黑色盒子,名叫姿态调节执行机构。它吊挂在威亚小车上,由小车带着它移动到中心位置,放下钢丝绳和电缆与主火炬相连,通过先进的姿态控制技术,配合地面装置完成一系列的翻转、提升和旋转。
在姿态调节执行机构里,就藏着燃料供应系统的氢气滑环、柔性软管和撬装氢气系统。柔性软管,被称为主火炬的“生命之管”,作用是将气瓶中的氢气输送到火炬中心,支撑主火炬的燃烧;滑环,则是实现运动状态下氢气的连续稳定供应;撬装氢气系统是一个集成系统,内含气罐、两路减压系统、电磁阀,主要作用是实现气体的稳定供应。
研究团队通过应用氢氧发动机氢燃料加注及推进技术,实现了可卷伸氢气管道、可卷伸电缆、可卷伸控制线缆和快速对接装置,实现氢、电、控制信号在特殊表演场景下的连续、稳定、可靠供应与传输。
在点火仪式上,现场工作人员就要负责把从天上垂下的6根管线快速接插到“雪花”上。最先接通的两条线是电缆和网线,“雪花”的电路供应从地下切换到天上,实时状态反馈到控制室并接收指令,主火炬有了“神经”。然后是两根氢气管插接成功,氢燃料供应正常,主火炬有了“大动脉”。两根威亚钢索将把这片“雪花”拉起,让它凌空起舞。
当火炬手赵嘉文和迪尼格尔·依拉木江登上台阶,把手中的“飞扬”火炬插入这片“雪花”的中心,空中的氢气供给系统就成功与“雪花”主火炬连通。氢燃料流量约为1.2立方米/小时。
可以说,主火炬虽然小,但是科技含量可不低。
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