作者:何亮 都芃 来源:科技日报 发布时间:2022/2/2 11:49:00
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燃料是氢,外衣也轻!“氢舞飞扬”暗藏这些黑科技

 

科技日报记者 何亮 实习记者 都芃

2月2日,神圣的北京冬奥会和冬残奥会火炬传递活动正式开始。

冰火相约,氢舞飞扬。中空开放的形态、纯氢燃烧零碳排放、内外飘带缠绕、碳纤维材料首次应用……所有元素统一于火炬这个光明而充满生机的意象,让人不得不称赞,“飞扬”火炬真是集“科技”与“美貌”于一身!

“飞扬”火炬暗藏哪些黑科技?科技日报记者专访科技冬奥重点专项“冬奥会手持火炬关键技术系统”项目负责人、航天科技集团六院11所(京)热能工程(节能环保)事业部总经理宋晓峰,为大家揭秘北京冬奥会火炬“飞扬”背后的科技含量!

科技日报记者:奥运圣火是奥林匹克精神的象征,圣火传递则是奥运会召开最重要的仪式之一。2022年北京冬奥会火炬“飞扬”在外观、结构、功能等方面有哪些独特的创新之处?

宋晓峰:当我们看到火炬“飞扬”时,最吸引大家的应该是它绚丽的外观和惊艳的设计。火炬的“高颜值”与它动感的造型关系密切,它是由两条“飘带”组成,银白色的部分被称作外飘带,红色的部分被称作内飘带,两条飘带相互缠绕,向上飘舞,激情昂扬!

很多观众第一次见“飞扬”火炬都会纳闷儿,造型上看并没有出火口,火焰是从哪里冒出来的?答案就在内外飘带的间隙里。火炬在设计时有一个浪漫的想法,火焰的造型作为火炬外形的延伸与火炬完美融合在一起。除此之外,还有一个引人注目的特点是,“飞扬”火炬采用的燃料不是传统燃料丙烷,而是氢燃料,可以说“外有颜值,内有科技”。

科技日报记者:北京冬奥会火炬传递时天气严寒,各赛区不仅寒冷多风,还有可能遇到降雪天气。请问“飞扬”火炬燃烧系统是如何实现抗拒风雪的同时还能达到燃烧稳定、外形美观?

宋晓峰:冬奥会与夏奥会不同,火炬工作的环境温度很低,我们选用的高压储氢方案,具有天然的低温优势,能够保证火炬在低温环境下稳定释放氢气。

在延庆赛区、张家口赛区,火炬传递时的温度有可能达到-20摄氏度甚至更低。为保证火炬传递万无一失,设计之初我们就提出在极限低温-40摄氏度时火炬燃料依旧能稳定燃烧的要求,这是合金储氢方案、丙烷燃料方案所无法很好适应的。

高压储氢虽然工艺难度更大,但是我们在研发过程中做了大量实验,将极易飘逸、极易扩散、极易泄露的氢燃料“驯服”在储气瓶内,实现了氢燃料在燃烧过程中的安全释放,最终保证氢燃料在低温环境下稳定燃烧。

而且,“飞扬”火炬的外形曲面复杂,火焰造型作为火炬外形的延伸,被强加了很多限制,我们提出采用曲面格栅结构作为稳焰措施,既兼顾了外形设计师的创意,又达到稳定燃烧的目的。

大量可靠性测试显示,高压储氢方案不但能够保证火炬在100公里/小时的风速、50毫米/小时的雨雪天气下保持稳定燃烧(即能抗10级大风),而且火焰的飘动性、飘逸性也能得到完美体现。

科技日报记者:氢燃料的使用有一个“显而易见”的弊端,强光照射下火炬的火焰是“透明”的,这将严重影响火炬传递的观感。请问团队是如何成功为火焰“上色”,又通过哪些设计与技术手段保障火炬燃料的安全性?

宋晓峰:的确,氢火焰在阳光照射状态下,火焰是透明的,我们只能看到热气流的折射现象。为了给火焰加颜色,团队费了很多周折。我们选择焰色反应作为实现火焰颜色改变的技术手段。焰色反应的原理是“电子跃迁”的能量以光的形式释放出来,这个过程是物理过程,不是化学过程,不会有新的物质产生,也不会导致环境的污染,这与我们利用清洁能源的愿景是一致的。

完成这个“变魔术”般的物理过程,需要两个前提。第一,寻找一种合适的焰色反应剂配方,能够实现较为明显的焰色改变,使火焰呈现黄色;第二,探索更为合适的反应剂加载方式,能够使反应的加载工艺便利、易于实现,抗雨水冲刷能力。我们测试了大量的碱金属配方,最终将注意力集中在以钠盐为基础的配方上,实现了通过焰色明亮、加载工艺简单、抗雨水冲刷能力好的焰色改变技术。

手持火炬的安全性由储氢装置安全性、氢密封能力、火炬整体安全性三个维度组成。

火炬的氢燃料放置在一个小气瓶中,因为结构受限,一定要做到高压,不然氢气储存量不足,火炬燃烧的时间就达不到要求。为此,团队专门制定了针对性的企业标准,并通过国家评标委评审。按照标准规定严格执行了水压试验、爆破试验、疲劳试验、火烧试验等十余项测试,以保证储氢装置的安全性。

而且,氢气难以进行密封,我们团队在氢密封方面做了大量工作,能够保证瓶口阀的氢泄漏率≤0.2mg/h(即每小时小于0.2毫克),这意味着即使在一个相对较小的空间内,氢气的爆炸浓度也达不到它的爆炸极限,如此低的泄漏率给火炬的安全存放和运输提供了保障。

此外,火炬整体安全如何考量?答案是,在综合环境模拟试验平台进行实验测试,包括低温、风、雨雪、高海拔等使用环境的测试,也包含跌落、倒置、大幅轮转等安全性测试。所有测试通过,才能确保冬奥会手持火炬安全可靠。

科技日报记者:手持火炬的个头不大,存放燃料的空间更加有限,请问我们在内部设计中,是如何保障燃料够用?

宋晓峰:火炬外形设计力求“苗条”,这极大地压缩了内部燃料的储存空间,需要整个燃烧系统全面改进。初次的匹配结果让团队很有压力,燃料储存的空间根本不能满足燃烧5分钟的有效传递时间。

怎么办?我们燃烧系统团队的工程师放弃假期、加班加点迭代图纸,不放过任何1mm的尺寸缩减,最终我们突破此前设计的极限,把燃烧系统的总体尺寸缩减了1/3,为完成匹配打下基础。

科技日报记者:据了解,飞扬火炬的外壳是用碳纤维与树脂形成的复合材料制作而成,也是世界首创。为什么要选择这种材料制作火炬,它给火炬带来了哪些优越性?为什么碳纤维材料的火炬外壳不惧高温?

宋晓峰:密度只有钢的1/4,强度却是钢的6至7倍,轻而强是碳纤维最大的特点。整个手持火炬的内部有储氢罐、减压阀、复杂的燃烧系统以及格栅等装置,它本身的重量与储存氢气的重量叠加以后,都要包腹在内飘带里,如果外壳再用常规材料的话,整体重量就会大大增加,这给火炬传递带来不好的体验。

氢火炬在燃烧时,火焰温度是很高的,经测试,火炬燃烧状态时,壳体表面最高温度大约为650℃。而“飞扬”火炬的外壳采用碳纤维复合材料,这是前所未有的创新与尝试,首先要攻克的难题是碳纤维在有氧环境下的耐高温问题。

碳纤维本身可以耐高温,但在有氧环境下,高温的碳纤维会与氧气产生燃烧反应,这是一件很棘手的难题。项目团队的碳纤维专家提出了采用陶瓷基前驱体作为基体树脂及陶瓷化成型技术,使树脂能在高温条件下可转化为“陶瓷”,使火炬碳纤维外壳在规定燃烧时间内不燃烧,最终达到轻质、耐燃烧的目的。测试结果显示,处理后的碳纤维能够耐800℃甚至更高的高温火焰灼烧,而且,高温只在火焰口袋的几百毫米范围内,火炬的其他部位并无变化。

其次,为了适应复杂的火炬曲面外形,碳纤维外壳采用了先进的三维立体编制成型技术,变厚度三维自动编制技术等先进技术,该技术制备的复合材料相较于传统编制技术具有更好的整体性。

 
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