冬奥火炬背后的航天力量：火箭发动机技术融入火炬设计「绿色冬奥」

图为延庆赛场外火炬台

本报（chinatimes.net.cn）记者陆肖肖 北京报道

精彩、非凡、卓越，2022北京冬奥会给了人们太多惊喜。冬奥主火炬点燃仪式是整个开幕式最具标志性的仪式，中国航天牵头研制的火炬在冬奥大雪花的主火炬台上成功对接，开启了精彩的冬奥旅程。

两年前，航天科技集团六院11所（京）接到了牵头设计冬奥火炬的任务，要做出手持火炬、主火炬、场外火炬三种设计方案。从“0”到“1”，中国航天的科研团队克服了重重困难，将航天科技浓缩到冬奥火炬中。

保证效果“万万无一失”

航天科技集团六院11所（京）创建于1958年，是我国液体火箭动力事业的发源地，也是火箭的“心脏”——发动机的制造者，成功研制出我国第一代氢氧发动机。但要将火箭技术要浓缩到冬奥火炬中，难度并不小。

11所（京）冬奥会专项办公室主任、生产管理部部长吴疆告诉《华夏时报》记者，结合张艺谋导演提出的创意要求，火炬设计的难度系数是很大的，和我们以往的纯工业的燃烧系统差距很大。中国航天对于任务一向是要保证万无一失，但这次冬奥项目我们要“万万无一失”。

为了践行绿色冬奥，本次冬奥火炬采用氢气为燃料。火炬的流线外表以及盘旋上升的火焰造型，留给内部的空间非常有限，重量也要控制在一定范围内。手持火炬要保证至少五分钟的燃烧时间，由于氢气的密度较小，就要压缩进更多的气体，气瓶的高压要达到42MPa，相当于420倍大气压力，如此大的压强在瞬间打开，冲击力会比子弹还要厉害。

火炬要将气瓶内的高压42MPa氢气减压到常规压，相当于压力要降低420倍，而且是一次减压，难度相当大。11所（京）研制团队经过一系列测试改进了控氢阀，全开全闭的设计防止了开关的不到位，保障了火炬的安全性。为了配合火炬飞扬的流线外形和火焰造型，控氢阀还进行了多次“瘦身”，体积几乎缩小了一倍。

冬奥火炬的火焰要是飘动、灵动的，同时飞扬火炬的火焰造型作为外观造型的延伸，需要火焰盘旋而上燃烧。11所（京）科研团队设计了具有特殊功能的燃烧器，上面所有的喷孔的开孔面积、方向都是经过严格设计的，来完成现有火焰的造型，这也是航天的核心自主技术。

另外，由于氢气燃烧时的火焰是无色的，冬奥火炬要将火焰“染色”。中国航天以焰色反应为原理，研制团队研发了一种焰色反应剂，能够通过对格栅简单的涂装，就能实现火焰颜色的改变。项目组做出了红色、绿色、金黄色、紫色的火焰，奥组委最终选择了金黄色的方案。

冬奥设计方案需要始终保持火焰稳定，为了适应低温、雨、雪、风、高海拔、跌落等各种环境和场景，飞扬火炬经过了“千锤百炼”。吴疆介绍，火炬在低温-40℃的极寒环境、直面时速高达100km/h的十级狂风、行进中50mm/h的雨雪天气等情况下经受了测试。11所（京）科研团队还将火炬从2米高的高度丢向地面，并在阵风时速超过65km/h的模拟环境中，进行了5000m以上的高海拔测试。经过了火炬综合环境模拟试验平台300多次的可靠性试验，飞扬火炬已“无所畏惧”。

冬奥主火炬更加绿色低碳

不同于以往冬奥的点火仪式，本次冬奥主火炬并没有引燃的过程，而是直接把手持火炬插接到主火炬台上，用“不点火”代替“点燃”，熊熊燃烧的大火改为“微火”，主火炬采用了“微火+显屏”的呈现方式，比以往节省了99.9%的能量，传递出绿色冬奥的低碳、环保理念。

最后一棒火炬的改造是项目中的难点和重点，关乎到创意的成败。它有两套燃烧系统，火炬传递时要依靠火炬内部的氢气瓶供气，当连接到主火炬之后，需要与雪花相连的储氢容器来供氢。

两套燃烧系统都放进一个小小的火炬中，是相当难的一件事。特别是在空间上，手持火炬内部空间利用极其合理，哪怕是一毫米的多余空间都没有。11所（京）科研团队经过了种种探索才确定了解决方案，将火炬的外壳作为第二燃烧系统供气管道的一部分，双系统在火炬里最终得以实现。

在万众瞩目的会场上，氢气是如何导入主火炬台雪花里，又是如何同主火炬连通的呢？据介绍，主火炬的氢气储存在上空威亚悬挂的执行机构和地下的雪花台两个位置，氢气通过软管、滑环等一系列装置给到大雪花的结构中，雪花中的所有氢气管道、控制结构都是以隐藏的方式分布在雪花结构中。氢气管道的终点是一台特殊设计的插接装置，在最后一棒的运动员拿着经过改造的手持火炬走到雪花的中央，把火炬插在雪花上的时候，插接装置上的氢气、电信号都形成了联通，把储氢容器里面的氢气给到主火炬燃烧器。

为了顺畅的完成最后一棒火炬插接到主火炬上的动作，11所（京）科研团队专门研制了一套快速插接装置，这个装置既要让运动员能够轻松的完成动作，又要对氢气进行密封、对电信号进行连通，是个很复杂又精巧的装置，技术难度相当高。经历了多轮图纸的迭代，该设备还专门进行了低温、常温状态下的插接顺畅性、密封可靠性的测试、反复插接寿命的测试等等，11所（京）团队的测试人员还在-30℃低温仓里面做插接动作上千次，都是为了能够在关键的一刻完成快速而又可靠的插接。

在鸟巢主会场之外，本次冬奥还在鸟巢外的奥体广场、北京市延庆区和河北省张家口市设有三个主火炬台，室外的火炬呈现需要另一套设计方案。室外主火炬安装在大雪花上，随着大雪花一起旋转，大雪花外侧设置了旋转飘带，旋转机构带动大雪花和飘带分别转动，呈现出飘逸的美感。百米外的供氢系统则通过管道连接到大雪花，源源不断的供应火炬的燃料。

艺术与技术碰撞

“搞艺术的想象力丰富，和我们搞工程的思路不一样。”吴疆打趣说道，“张艺谋导演要求非常高，但在工程里实现就非常困难。在主火炬的设计过程中，大的改动十几次是有的，印象比较深刻的是雪花造型的更改，反反复复更改了很多次，大一些小一些的，线条粗一些细一些的，都要做出来看效果。”

吴疆提到：“冬奥火炬工程跟航天工程项目有很大的不同，航天工程最讲究明确的输入和输出，但火炬项目不一样，导演的想法、创意随时都会变，技术状态总是不能明确。技术团队对于这种改变是有些不适应的。火炬的创意是所有装置中确定最晚的，留给团队的时间很紧张，但我们团队一次就把事儿干成了，没有反复。”

主火炬的呈现不仅要现场好看，还要上镜。吴疆谈到，张艺谋导演追求完美，他对色彩运用已经到了炉火纯青的地步，所以特别重视摄像机拍摄出来的效果，对火焰的大小、颜色、亮度，大雪花的造型、颜色、亮度等等都有很高的要求，每次都安排专业的摄像人员从各个角度拍摄，带回去反复琢磨，再提出修改意见，可以说是精益求精。

冬奥火炬项目一直在优化，团队不断地将创意落地。而将技术和艺术相结合，需要长期的沟通与磨合，吴疆就是中间的粘合剂。项目进行期间，吴疆几乎每天电话接个不停，本单位各个技术部门的配合，同兄弟单位、协作单位、导演组的沟通，都需要他来一一协调。“很多细节都要逐个落实，尤其是一开始，大家的想法都不一样，沟通起来太难了。有时候是很焦虑的，前一天晚上就要想好这电话怎么打，几个人沟通的顺序是什么，还要站在对方的立场来考虑问题，怎么才能达到一个平衡点。经常躺到床上后还在想怎么去说，想到一些内容就要赶紧记下来。”吴疆表示。

“研制中的确出现过很多困难和波折，整个团队承受了很大的压力。”吴疆回忆，有一次在测试中，主火炬突然断电了，而第二天有一个比较重要的汇报演示，真的是急出了一身汗。后来排查到凌晨，才发现是电路在大雪花旋转的过程中将绝缘体磨破了，造成了短路，找出问题后，也为以后出现类似情况做了预案。

从业三十多年的吴疆，在冬奥主火炬启动那一刻激动不已。他说：“非常幸运能够接到这个任务，可以发挥自己的一些作用，带领团队点亮冬奥火炬，感觉非常的荣幸。在闭幕式上，随着主题音乐越来越小，大雪花的灯光慢慢向中间熄灭，到最后火炬的熄灭，那一刻有很多说不出的感觉，有骄傲、有感恩，也有不舍。”

“我负责精彩，航天负责成功”，中国航天也得到了冬奥开闭幕式总导演张艺谋的肯定。在冬奥会闭幕式后，航天科技集团六院11所（京）团队又投入到冬残奥会开幕式的彩排工作中。

责任编辑：李未来 主编：张豫宁

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