冬奥火炬的内部原理（两根氢管天上来）

2022年北京冬奥会正在如火如荼地举行，相信2月4日晚精彩绝伦的开幕式也给各位留下了深刻印象，特别是新颖的主火炬点燃方式。在古代奥林匹克运动会上，人们点燃火种以纪念古希腊神话中为人类盗取火种的普罗米修斯。现代奥运历史上，1928年首次引入火种，并从1936年柏林奥运会开始进行火种传递，生生不息、永远燃烧是人类奥运精神的体现。

2008年北京奥运会开幕式上，中国体操运动员李宁以“空中飞人”的方式点燃火炬惊艳世界。但李宁点燃的火炬，一小时大概消耗5000立方米燃气。为了维持它的巨大火焰，鸟巢专门配了一个燃气站。

而2022年北京冬奥会的主火炬是一朵含着奥运圣火的雪花，由雪花和手持火炬“飞扬”两部分组成，雪花呼应冰雪运动和奥林匹克精神，雪花上安装显示屏配合现场声光电演出；“飞扬”采用液体火箭发动机的氢能技术，氢燃料流量约为1.2立方米/小时，在雪花中心长明不熄。

冬奥火炬“飞扬”是世界首套高压储氢火炬，实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。氢作为最干净的燃料，其能量密度是石油的3倍、煤炭的4.5倍，燃烧时除生成水外不会产生碳排放，也不会产生对环境有害的任何污染物。

“飞扬”设计优美，形状如丝带飘舞上升，但内部可用空间却非常有限。它的内核燃烧系统由三部分组成，从底部到顶部分别是气瓶、控氢阀和燃烧器。气瓶顾名思义就是火炬中存放氢气的地方。控氢阀是安装在气瓶口的一种组合阀门，其作用主要是将气瓶内的高压氢气减压稳压到常规的出口压力。为了最大程度给储气瓶争取容积、确保火焰的大流量，控氢阀采用微型轻量化技术，在提高压力的情况下缩减阀门尺寸，经过了上百次的试验和改良后最终达到了理想的效果。而奥运火炬能在风、雨、雪等各种环境下稳定燃烧并显示出火焰颜色，依赖的则是燃烧器。在对整个燃烧系统进行300多次可靠性试验后，“飞扬”在10级强风、零下40摄氏度低温、暴雨以及5000米高海拔等环境下的燃烧状态都十分稳定。

插在雪花中央的最后一棒“飞扬”与其他手持的“飞扬”火炬大不相同。它有两套燃烧系统：一套系统是手持火炬的氢燃烧系统，由内部氢气瓶供气，负责完成火炬传递动作；另一套系统能与鸟巢体育场上方的供气部件相连，用于开幕式主火炬表演。主火炬的氢燃料存放在35兆帕储氢罐中，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。

开幕式时，技术人员身着黑衣、动作迅速，在黑暗中把从天上垂下的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，将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”。两根威亚钢索把这片“雪花”拉起，让它凌空起舞。随后，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，使空中的氢气供给系统与“雪花”主火炬连通，储氢罐中的氢气顺着柔性软管游走下行，途经“雪花”内置的气体管道进入“飞扬”，开始燃烧。它产生的碳排放量大概是之前的五千分之一。

值得一提的是，为冬奥会火炬“飞扬”研制燃烧系统是航天科技集团六院11所和101所两家单位，它们一直从事液体动力相关技术研究，其研究成果早已应用在北斗工程、嫦娥工程、火星探测及空间站建设等国家重大工程项目上，为长征三号甲、长征五号、长征五号B、长征七号甲系列运载火箭提供可靠动力。绿色氢能动力从为“大火箭”保驾护航成功转化为点燃“小火炬”的能量源泉。

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审核：冯洁

参考资料：

• 冬奥会的火炬为什么能变“小”？ 来源：中国青年报

• 冬奥会手持火炬：航天“芯”，氢“飞扬” 来源：中国航天报

• 冰与火之歌丨冬奥会开幕式主火炬诞生记 来源：中国航天报