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话冬奥丨“祥云”火炬背后的航天科技“大咖”

 


  【编者按】2018年8月8日,是北京奥运会成功举办10周年纪念日。10年来,北京2008年奥运会对中国的经济和人民的生产、生活带来的巨大影响仍在继续。从2018年1月开始,“奥运十年话冬奥”系列报道将不定期与您见面,让我们和奥运人一同回望北京奥运的光辉岁月,眺望冬奥,只为宝贵的北京2008奥运精神得以延续。

  千龙网北京5月4日讯(记者 黄业 张龙 郝帅)北京2008年奥运会火炬名为“祥云”,他的外观引得万众瞩目,世界惊艳,却鲜有人知道这小小的火炬在闪耀于奥运舞台之前,所经历的重重考验。近日,千龙网“奥运十年话冬奥”系列报道团队采访了中国航天科工三院31所两位高级工程师柳发成和戚磊,作为北京2008年奥运会“祥云”火炬燃烧系统设计师,他们向记者回顾了“祥云”火炬设计过程中的点点滴滴,让大家了解到那份光彩背后中国航天人的无私奉献。

  凝聚航天人智慧和汗水的“祥云”

  北京2008年奥运会“祥云”火炬的设计竞标涉及到两部分,外观设计花落联想集团创新设计中心;内部燃烧系统设计由中国航天科工集团公司(以下简称航天科工)承担。作为燃烧系统研发单位的中国航天科工集团三院31所(以下简称31所),是飞航动力技术专业研究所,在其所走过的六十年历程中,在动力技术领域创造了多项第一,对于燃烧系统的研究在国内名列前茅。

  北京奥运火炬燃烧系统包括地面传递火炬燃烧系统、珠峰传递火炬、高原火种灯、珠峰火种灯、圣火台以及引火器等。基于31所技术背景,北京奥运火炬燃烧系统设计过程中大量借鉴或应用了航天动力技术:液体火炬借鉴了冲压发动机的研究技术,固体火炬借鉴了固体发动机的研究技术;珠峰火种灯使用了航天级的高效保温材料,散热少隔热效果好,既有利于火种保存又不会烫伤携带者。除此之外,火炬试验技术也借鉴了航天的试验技术,凝聚了航天人的智慧劳动和辛勤汗水,集中体现了航天高科技的能力和水平。

  31所迅速成立了以我国冲压发动机技术奠基人——刘兴洲院士为总设计师的火炬研发团队,其中,柳发成负责火炬燃烧系统的设计,戚磊负责珠峰火炬和火种灯的研制。

  柳发成告诉记者,火炬设计最重要的是让它在各种情况下保持燃烧,这里需要考虑极端状态:缺氧、大风、冰雹、摔打等。北京奥运火炬的燃烧系统最突出的特点体现在三个方面:环保,重量轻,对于气温、气压变化和风雨等外部环境有着很强的适应性。

  柳发成拿着祥云火炬内芯对记者说,火炬部件小巧紧凑,多数材料采用了较轻的铝,有利于火炬手连续手持行进。同时,利用燃料循环流动高效回热来加热燃料瓶,就算在-40℃低温下仍能照常工作。而且就算遇到意外,火炬熄灭也不要紧,因为火炬燃烧室中有一个隔板,将其分成主燃室和预燃室。这种双火焰设计是“祥云的”主要创新点,也是火炬的关键核心技术,当时也是在国内首次运用。预燃室相当于一个稳定的火源,保证它始终不灭,即使外面的主燃室火焰熄灭,它也可以马上把主火焰点燃。

  提到火焰,柳发成表示这里面学问也不小,2008年之前的奥运火炬采用混合燃料较多,以丁烷为主。祥云火炬却采用丙烷作燃料,一是为了能在火炬传递路线范围内,满足低温环境使用的要求。二是考虑丙烷燃烧后火焰是橙色,具有更好的可视性。而且,丙烷燃烧后只产生水蒸气和二氧化碳,突出了环保特性。

  克服重重困难确保火炬跨越世界屋脊

  这样设计出来的祥云火炬已经堪称完美,但是在2006年9月,航天科工火炬研发团队奔赴西藏珠峰大本营进行实地试验时,发现液态丙烷火炬在当地低压环境下燃烧时间太短,达不到应用要求。在这样的情况下,设计人员尝试将固体预热剂与液化丙烷结合,进行了固液组合火炬的首次试验,发现抗低压性能和可视性均比液态燃料火炬有了明显改善。返回北京后,研发团队将珠峰火炬的研制重点转向固液结合火炬和固体燃料火炬。

  负责奥运火炬珠峰燃烧技术科研攻关的戚磊告诉记者,他们在所里搭建了一个可以模拟大风、暴雨、低温、低压等各种真实自然环境的试验舱,这样很多前期调试工作就能很方便的完成。在完成火炬设计的实验室验证后,2007年1月,所里派出一支由10多名设计人员组成的试验团队奔赴黑龙江漠河,对火炬在低温、大风条件下的性能进行实地测试。

  在漠河,试验团队遭遇了一次险情。在手持固体燃料火炬点火试验时,固体燃料出现了多次“爆燃”喷射,在强烈的冲击力下,戚磊仍然紧握火炬,避免了险情的失控。对于这次事故的原因,试验团队分析后发现,问题既不是出在固态燃料火炬本身,也不是固体药剂配方的问题,而是固态燃料的加工工艺存在问题,压药不均匀。随后他们改进工艺流程,将人工装药改为机械控制装药,将问题彻底解决,“爆燃”现象再未发生过。

  2007年4月下旬,航天科工珠峰火炬试验团队第二次进藏。2007年5月7日,登山队员带着固体燃料火炬和固液结合火炬开始登顶测试。5月9日,登山队员成功登顶,并顺利点燃了携带的3支固体火炬。然而,由于操作失误,登山队员未能点燃固液结合火炬。由于时间非常紧张,没有时间再安排登顶测试,固体燃料火炬被确定为珠峰火炬燃烧系统最终设计方案。

  珠峰火炬燃烧系统的问题解决了,但是珠峰火种灯的研制却遇到了问题。传统设计的火种灯在高原低压情况下,燃烧1-2个小时就会熄灭。为了寻找珠峰火种灯可靠的燃料源,研发人员可谓费尽心思。最后从手炉和蜂窝煤中受到启发,研制了特殊的复合固体燃料,并将燃料柱像蜂窝煤一样上下摞放在火种灯内,下面的燃尽化成灰,上面的就会自动落下来,这样通过不断添加燃料柱就可以保持火种灯不灭。采用这样的技术后,珠峰火种灯至少能保持稳定燃烧14个小时,令全世界都感到惊讶。

  此外,虽然2007年5月的火炬登顶珠峰试验取得成功。但是研发人员在回看电视信号时发现,电视画面上火炬燃烧时火焰成喷射柱状,不美观不飘逸且发烟量太大。于是大家再次集思广益,通过对火炬内部结构的改造,加上对固体燃料配方进行了100多次试验,终于找到了解决方案。不但成功地将珠峰火炬的燃烧时间延长至8分钟,还使得火焰的颜色比之前更加明亮、饱满和飘逸。2008年5月8日,在全世界人民的关注中,珠峰火炬传递接力圆满成功,火炬全部成功点燃并获得了良好的直播效果,兑现了北京申奥时做出的“将奥运火种传递至世界的第三级”的庄严承诺。

  不忘初心深情期盼冬奥

  虽然已经过去了十年,但两位设计师回忆起当年奥运火炬研制工作中的种种细节依然历历在目、滔滔不绝,那一份激动溢于言表。在谈到这段经历给自己带来了哪些收获时,戚磊表示,这是一段难忘的人生经历,让他获得了很强的荣誉感,航天人严谨的作风在研制过程中处处体现。在火炬设计过程中,自己体会最深的就是老同志给予年轻人无私的指导,以及严谨的科学态度,让他从老一辈航天人身上学到了很多。

  柳发成表示,自己2004年研究生毕业,2006年能加入这个项目,感到十分荣幸,这样的机会一辈子能赶上一次很不容易。老同志的忘我、认真、不辞辛劳的敬业精神,是年轻一代航天人需要认真学习的,也是自己所需要的宝贵精神财富。通过老同志以老带新的精心指导,自己得到了很好的锻炼,丰富了业务知识,积累了工程经验,对后面的工作起到了很好的引导作用。

  在采访过程中,柳发成和戚磊多次提到“祥云”火炬研发团队的牵头人刘兴洲院士,当时年过七旬的他不但亲临生产、试验现场,进行技术把关,还亲自设计试验方案,亲自动手做试验,同年轻同志一起加班加点,不辞辛苦。为了保证地面火炬的质量,为解决抗风问题,古稀老人不惧苦累,连春节都没有休息,几乎每天都要抽出时间去火炬实验室,了解项目进展情况,解决技术问题,甚至或挽起袖子和大家一起干,经过数百次试验,终于将“纸火相融”的祥云火炬从梦想变成现实。

  采访的最后,两位“祥云”火炬设计师深情的表示,虽然目前工作压力很重,但如果2022年北京冬奥会需要他们贡献力量,一定责无旁贷,全力以赴。

  记者手记

  火炬设计师面对记者采访时没有激动,没有兴奋,只有淡然,仿佛为了完成任务所产生的巨大付出和心血都是应该的,这一切只是因为“航天精神”四个字。

  研发“祥云”的团队由院士牵头,中青结合,老同志老当益壮、愈老弥坚,年轻人吃苦耐劳、冲锋在前。真正体现出了航天人“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的航天精神。

  火炬设计师自豪的告诉记者,这项不计成本的任务,除了航天人没有人愿意做。

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