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北京奥运火炬燃烧着的“航天芯”超越以往
    日期:2007年04月27日    字体:【】【】【

  中国航天报记者 宋丽芳 武铠 黄希 通讯员 李国宝 

   ●燃烧系统超越以往
  4月26日亮相的奥运火炬中凝结了航天三院31所人的心血,他们承担了火炬燃烧系统设计研发。31所的研制人员在火炬燃烧系统设计初期,搜集了近一个世纪以来奥运会火炬的有关情况,并在此基础上分析总结,研究了以前各种火炬的优缺点和曾经发生的意外。比如在1956年的墨尔本奥运会上,火炬采用镁铝药柱进行燃烧,引起了火炬手烧伤;还有的火炬采用了双燃室方案,结果很重,令火炬手感觉十分累。吸取了各种火炬的优缺点,设计人员确定了以丙烷作燃料,预混火焰与扩散火焰相结合的方案。
  航天事业涉及技术门类众多,其中发动机技术的重要一部分就是燃烧。除了几十年来积累的人才与技术力量之外,航天科工集团公司拥有的试验设备在国内也是首屈一指的。航天技术助燃奥运圣火,无疑是一件双赢之举。
  奥运火炬是民用项目,但是航天科工集团公司对研制团队按照型号研制模式进行管理。为了确保火炬研制成功,三院宋欣院长欣然接受了火炬项目“责任令”,三院党委韩玉民书记等党委领导给予了高度重视,担任火炬燃烧系统设计研发的三院31所所长薛亮等领导精心组织,在型号任务繁重的情况下,毅然组织了较强的资源,并从科研生产一线抽调技术骨干,这些研制人员深深地感到一种与航天型号相同或更大的使命与压力。他们开玩笑地说:“搞火炬的芯,是比军品还军品的任务。”
  火炬的燃烧系统从无到有,设计者首先要借鉴历届奥运会各国的火炬方案,在脑子里勾勒出蓝图。
  在集团公司科技奥运工程火炬项目总设计师刘兴洲院士的办公室里,记者看到了火炬燃烧系统的结构示意图。整个燃烧系统分为三部分:燃烧器、稳压装置和燃料瓶,主要工作原理是由供应部分将燃料送往燃烧器进行预燃,在火炬内部点燃小而稳定的火苗,然后再将燃料继续送往预混火焰上方,形成近30厘米高的扩散火焰。
  刘兴洲院士介绍说,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。
  首先,该火炬采用丙烷作燃料,丙烷具有宽广的温度适应范围;在室温条件下,它比其它燃料的蒸汽压要高得多。在选择燃料时,研制人员曾对丙烷和丙烯两种燃料作了比较,虽然它们的饱和蒸汽压都比较高,但丙烯稍有毒性,而丙烷燃烧后只产生水蒸汽和二氧化碳,于是丙烷以突出的环保特性中选。
  该火炬虽然结构比较复杂,但部件小巧紧凑,多数材料采用了较轻的铝,有利于火炬手连续手持行进。
  对于火炬的广泛适应性,国际奥委会和北京奥组委都有着严格甚至近乎苛刻的要求。奥运会前,火炬将在五大洲进行传递,因此各国多样的气候地形条件是对于火炬稳定燃烧的第一道考验。而在我国,火炬将进行更加复杂的传递,从火种点燃到走进主会场,其中的要求是奥运史上从未有过的。比如要能在每小时65公里的强风与每小时50毫米的大雨下稳定燃烧,而31所研发的火炬燃烧系统,能够在每小时90公里的十级大风下燃烧正常,抗雨能力更是远超过每小时50毫米大雨的要求。除此之外,火炬的火焰形态美观、饱满明亮,能够满足各种拍摄的需求。

  ●五大创新凝结奇思妙想
  从前,当火炬传递到气温较低的地区时有这样一个景象——火炬手后面跟着一辆保温车,当火炬持续燃烧一会儿后,工作人员就赶紧从车里拿出个瓶子来给火炬换上。原来在低温下,火炬燃料瓶的保温是个难题,奥运会的举办国虽不愿让换瓶子的事打搅火炬传递,却也没有更好办法,无奈中只好取此下策。而在2008年北京奥运会火炬传递中,航天人设计的回热装置圆满解决了这一问题。
  北京奥运会火炬燃烧系统具有五大创新点:第一,预混火焰与扩散火焰结合燃烧,燃烧可靠稳定,有较强的抗风雨能力;第二,采用气相稳压技术,在0~2500米的海拔高度区间内,都能以稳定的压力保证火焰高度不变;第三,以丙烷作燃料,保证了宽广的温度适应范围;第四,用整体无缝耐高压铝瓶贮存燃料,安全耐用;第五,利用燃料循环流动高效回热,即利用火焰本身的热量加热燃料瓶,使得在-40℃低温下仍能照常工作。
  这些创新之处,花费了研制人员的诸多心血。比如在结构图中可以看到,手持火炬内部有一个五通,其中分出来一根铜管,在火焰上绕两圈后又进入燃料瓶,这就是设计巧妙的回热装置,它圆满解决了低温下火炬不能长时间工作的问题,四十多克燃料燃烧时间超过了15分钟,满足了要求。此外,盛装丙烷的燃料瓶由整块铝冷拉成型,长细比大,强度高,火炬还设置了用钥匙才能打开的开关,这些设计给火炬的安全性提供了充分的保障。
  对于航天人来说,手持火炬是个全新的项目,研制人员对于火炬的认识有一个逐渐加深的过程。在研制中,他们不断发现问题,更新技术细节。
  如果遇到意外,火炬熄灭了怎么办?航天产品惯用的产品备份的做法启发了研制人员的思路,他们提出在火炬燃烧室中加一个隔板,将其分成主燃室和预燃室。两个燃室结合,万一一个熄灭了,另一个还可以接替上来。
  保证火焰高度的气相稳压阀是火炬研制中的又一个难点,该阀门是航天科工集团公司自主研制的新产品,集开关、减压、稳压、防喷、调压等多功能于一身,是航天人智慧的另一个结晶。
  还有,火炬的密封也是一个关键点。研制人员借鉴航天型号密封技术,提出燃料瓶与稳压装置通过螺纹结构可靠连接。这样,在装燃料瓶过程中,燃料瓶阀处于关闭状态,保证了密封性能和安全指标,同时也降低了熄火率。
  手持火炬燃烧系统研制到了后期,研制人员发现火炬的燃烧与壳体的设计是极其紧密地结合在一起的,必须同步进行。在手持火炬外观的基本方案拿来后,核心与壳体进行了进一步的磨合。按照外观设计者最初的想法,火炬燃烧端配有带小孔的盖子,其图案是国人为之骄傲的“中国印”。但经过试验,研制人员发现氧气的进气与排气对于燃烧效果影响很大,必须扩大下端的进气量和上端的燃烧空间。于是,从燃烧角度出发,设计了应用于火炬上下端面的云纹孔,并通过了有关方面的验收并最终确定了下来。
  在31所,记者看到了用于火炬试验的试验舱。这个试验舱约有一人多高,一米多宽,三四米长。在这里,火炬经受了十级大风和暴雨的考验。而且火炬的试验状态不仅仅是正常向上,还要向上下左右所有能想到的方向倾斜,甚至火炬完全头朝下,也要保证正常燃烧。
  一个年轻的研制人员坦诚地说:“我们搞火炬燃烧系统,基本在办公室看不着人。几个月的时间里,我们绝大多数时间都是在试验现场和车间度过的。”
  研制团队50多个人,他们每个人都承担着多种职责。研制周期紧,节假日不休息是常有的事。由于火炬的特殊性,在初步设计完成后,研制人员都是到车间和工人一起摸爬滚打,到机器前面直接画草图试制产品。全套工艺跟产下来,经常要到凌晨一两点钟。
  奥运火炬熔铸了航天人的汗水和独创的构思,因此集团公司派出专人负责研究开展相关知识产权工作。目前,两项实用新型专利和一项发明专利已在国家知识产权局获受理,其它几项专利正在申办中。
  给北京奥运火炬一颗中国航天的心脏,这是多么精巧和富有诗意的构思啊!
  航天精神将与奥运精神交相辉映,航天激情将与奥运圣火一起燃烧,奥运的脉搏将与航天的心脏一起跳动。

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