互动科普

2008年8月24日，北京2008年奥运会胜利闭幕。这场盛会的许多鲜为人知的科技秘密终于可以公开了，奥运火炬的航天芯的秘密就是其中的一个。

祥云火炬能吹灭吗？

2008年的北京奥运会中，用于圣火传递的祥云火炬其实分两种，普通传递所用的祥云火炬和用于珠峰登顶的火炬完全不同，但两者都用到了本来用在航天领域的高科技。

研制地面传递的祥云火炬，需要首先确定燃料，研制团队最终选定液体“丙烷”作为火炬燃料。这是因为，丙烷燃烧后主要产生水蒸气和二氧化碳，不会对环境造成污染，而且它能适应的温度范围非常广，-20℃～40℃的范围内，丙烷都能正常燃烧。更重要的是，丙烷燃烧产生的火焰为亮黄色，火炬手跑动时，飘动的火焰在不同颜色的背景下都比较醒目，完全满足拍摄要求。

燃料确定后，新问题随之而来：由于祥云火炬的外形是一个略带弯曲的弧状，而火炬内部的燃烧装置只能做成规则的直筒，这样一来就只能通过缩短内部装置长度的办法来适应外部的弯曲形状。然而，内部燃烧装置被缩短之后，火炬的燃烧时间也随之大大缩短，根本无法满足奥组委关于火炬燃烧时间不能低于15分钟的技术要求。

那么，面对火炬燃烧系统与外形的矛盾问题，研制人员们将怎样解决呢？

火炬研发人员经过多轮试验，最终利用燃料瓶和连接管路的变形，使火炬燃烧系统与外形匹配，满足了燃烧时间的要求。

火炬燃烧时间的问题解决了，如何使祥云火炬能够对抗恶劣的风雨天气，就是接下来必须面对的难题了。

针对火炬传递中的风雨，祥云火炬的外形设计者们最初曾在火炬顶端安装了一块用来遮风挡雨的不规则形状的挡板，希望这块挡板在一定程度上削弱风雨对火炬燃烧带来的干扰。然而，这个相对简单的装置，由于开孔太小，不能满足火炬正常燃烧的需要，更无法保证火炬在恶劣天气下的稳定燃烧，问题还是交给了从事火炬燃烧系统研发的工程师们。

对祥云火炬的燃烧内核设计，航天科工集团火炬研发部的副总设计师邵文清曾解释：“因为我们是搞发动机的，发动机里也有熄火的问题，中间如果要发生熄火怎么办呢？为了提高发动机的可靠性和稳定性，普遍采用一种双火焰的方式，即预混火焰和扩散火焰。”“双火焰燃烧方案”用个形象点儿的比喻来说，就是指一个扩散火焰在外面“冲锋”，一个预混火焰在里面“值班”。实际上，就是用一个小火点着一个大火，大火既使被吹熄或浇灭了，下面暗藏的小火还能再次将大火点着。这样一来，火炬在大风大雨中的稳定性就大大增强了！

双火焰的设计大大提高了火炬的抗风性能。不同风速条件下的模拟实验表明，当风速由每秒5米逐渐增加到每秒30米时，火炬还能正常燃烧。其实当风速达到每秒18米时就已经是8级大风了，这说明祥云火炬具备良好的抗风性。但专家们也注意到，试验过程中，有时往往风速并不高时，反而火炬会出现熄灭的现象。这是怎么回事呢？

根据研究，专家们发现：实验室产生的风主要是稳定的风，而不是突然变化的风。而一会儿大、一会儿小、一会儿转向变化的风正是传递火炬时常会碰见的，也是造成火炬忽然熄灭的潜在杀手。

针对这种风，专家们及时对火炬作了改进。最终在2006年12月16日，向北京奥组委提交了各项指标达到要求的地面火炬样品。然而令所有的人都没想到的是，2007年1月，就在北京奥组委正式向国际奥组委提交火炬时，国际奥委会的一位官员出于好奇，用嘴一吹，竟然把熊熊燃烧的火炬吹灭了！

研究人员迅速投入了实验，研究究竟是从什么角度、用多大的力气，居然把火炬给吹灭了。测量发现，人吹的风速，还真超出了我们的想象—一个身体健康的人吹出的风速能够达到每秒25米左右。而且，人吹风的时间非常短，风的加速度非常大，相当于在一秒钟之内，从没有风，变成了每秒25米的风。而火炬怕的就是这种瞬间忽然变化的阵风，可以想象，人吹的风，对火炬而言，是非常可怕的。

为了解决人吹灭火炬的问题，研究人员对火炬的外观作了彻底的剖析，发现从某个特定位置去吹火炬，由于火炬“云耳”等的阻挡将使风更加集中地吹向预混火焰，从而容易使火炬熄灭。为了提高火炬抗吹熄能力，研究人员在预燃室加了个顶盖。这种顶盖除了有顶棚，内面还有隔板，这个隔板的作用主要就是为了增强火炬抗侧风的能力。因为如果顶盖中间没有东西的话，侧风一吹，风很容易就通过去，相对来说火焰也就造成窒息，加侧板之后，在里面人为地隔成了4个预燃室，抗侧风能力就有很大提高。有了这个顶盖，火炬的抗风性能有了很大提高，至少不会那么容易被吹灭了。

圣火登顶珠峰

2006年1月，航天科工集团奥运火炬副总设计师邵文清和同事们接到了一个充满挑战的新任务——为北京2008奥运会研制珠峰火炬和配套产品。这就意味着要将奥运圣火火种带到海拔8000多米的珠峰顶，去点燃一个能在8000多米的海拔高度，低温、低压、大风等极端恶劣的环境之下稳定燃烧的火炬，而且要有一个达到媒体拍摄要求的漂亮的火焰外观。

火炬研发团队的所在地，有一个可以模拟大风、低温、低压等接近珠峰真实自然环境的实验室，以及能够模拟强风和低压的试验舱。最初选定的珠峰液态丙烷燃料火炬，就是在这儿经受住了无数次模拟测试的考验。最初，大家曾对液体燃料火炬的期待很高，但2006年9月的西藏之行，却给大家泼了一盆冷水。

圣火登顶珠峰路线图

在西藏的多个地点，特别是在珠峰脚下海拔5200米的大本营，液体火炬在低温、低压、高寒、大风的条件下暴露出了一个严重的缺陷：火焰稳定性差、可见度低，甚至呈蓝色火光，根本无法达到拍摄要求。

大家马上意识到这可能是由液体燃料特性导致的问题，队员们开始在火炬的燃料上进行改进和研究。当时的实验用珠峰火炬是由一支手持的引火器点燃的，引火器内放置的是固体燃料，燃烧得很好。于是大家就想到了将引火器的固体燃料与火炬的液体燃料相结合，展开了固液组合燃料珠峰火炬的探索性实验。实验中，研究人员惊喜地发现，这支临时组装的固液组合燃料火炬的抗风性与可视性比液体火炬要好得多。回到北京后，研究团队正式开始了对固液组合火炬的研制。随后，在总设计师刘兴洲院士的建议下，第二套火炬方案—纯固体燃料火炬也在一段时间的研制后诞生了。

2007年1月，为了考验火炬在极端寒冷气候下的使用效果，研究人员带着固体和固液组合两套方案的火炬，来到我国北端极为寒冷的漠河地区进行实地实验。然而，实验过程中，意想不到的事情又发生了—当一名队员满怀信心地点燃第一支固体火炬时，火炬中的燃料居然如一支火力威猛的炮竹般喷射出去了。研制方案又告失败，只有那巨大的爆燃声在寂静的夜空中久久回荡。

漠河实验后，研究人员终于找到了导致火炬出现这个现象的原因：燃料速燃。所谓速燃，是指燃料由于有裂纹或与客体壁面有间隙等原因，导致在较短的时间内燃烧速度迅速增加的一种现象。最终，他们找到了问题的根源：这批火炬的固体燃料由人工压制，固体燃料压成药柱，如压不实，燃料之间会产生细小的裂纹，裂纹会使燃烧面扩大，从而导致燃烧时发生速燃。此后，压药工作改由标准压机去压，严格控制压药的规格，完全杜绝了裂纹的产生，就再也没有发生过速燃的问题。

2007年5月9日，登山队员带着固体燃料火炬和固体液体组合燃料火炬进行了登顶测试。在这次测试中，由于操作原因，固液组合火炬没能正常点燃，而3支固体燃料火炬被成功点燃，于是，固体燃料火炬被确定为珠峰火炬的最终方案。这些固体火炬的火焰高度大于25厘米，相当于一个普通矿泉水瓶的高度，燃烧时间约6分钟，完全达到了研制技术要求。

测试中的火炬虽然达到了奥组委的要求，但得到的反馈意见却仍是“火焰外型不够饱满和燃烧时间略短”等。又经过了４个月的改进，最终，通过配方筛选，新的低温度系数、低压力指数的固体燃料，实现了每秒0.5毫米的超慢燃速，工作时间延长到8分钟，大大减少了火炬的成烟量，并且火焰形态也有了很大的改进。经过改进的固体珠峰火炬于2008年5月8日成功在珠峰顶进行了传递，兑现了中国申奥时对世界人民作出的庄严承诺，实现了航天技术与科技奥运的完美融合。

饱满飘逸的主火炬

2008年8月8日，奥运会的开幕式中，李宁变身空中飞人点燃了2008年北京奥运会的主火炬，全场轰动。在其后的16天中，奥运的主火炬需要在鸟巢上空风雨无阻地燃烧，而且要烧得“饱满飘逸”。这一点，如何做到？带着这个疑问，本刊编辑部联系到了奥运主火炬的研发团队，南京航天晨光股份有限公司力学部部长顾易虎研究员。

接受主火炬的研发任务是在2007年4月10日，晨光公司当即组成了5人的科研攻坚团队，在第二天就从南京启程到北京“报到”，签署了保密协议，进入了工作。这次奥运的主火炬塔如同一个部分打开的卷轴，也像个放大的祥云。因为火焰非常饱满美丽，燃烧产生的温度也高，实验时，火焰中心温度可达1200℃，10米之内的温度也有七八十摄氏度，现场附近四五十米内都能感受到热量。最终，通过各种模拟试验，研究人员才确定了今天主火炬塔的样子—火焰离鸟巢顶部超过20米。奥运会期间，这个高38米、重达30吨的大祥云，稳稳地贴在12米高的“鸟巢”顶部“碗边”，不仅鸟巢外的人能看到，内部2/3的观众也同样可以欣赏到。

这样的火炬，对高空防风和火焰高度的要求都很高。

要保证主火炬防风防雨，主要靠的是对供气系统进行流量控制，而这种流量控制正是航天发动机的核心。为了保证火焰的高度—7.5米，研究人员曾在一个单组燃烧器燃烧实验中，通过对供气系统的“特殊改造”和数百次的调整，才实现了平稳和稳定的燃料供应。而为了保证风雨雷电不破坏火焰，供气系统还动用了“鼓风机”等设备。这样，即使碰上大风和倾盆大雨时，火焰最多会歪一点儿、矮一点儿，却绝不会熄灭。在抗风雨实验中，这根火炬柱的火焰足以抵御12级台风。

主火炬不仅不能熄灭，而且要烧得好看，也就是所谓的“饱满飘逸”。在双层卷轴外壳内部，有个直径3米的巨大燃烧盘，燃烧盘内，喷火头共33个，分内外两圈，内圈12个，外圈21个，而且，每个火头的朝向都有所不同，朝向不同方向的喷嘴像公园里的喷泉一样往不同方向喷射火焰。正常情况下，主火炬的火焰高度有7.5米，观者却从不觉得火焰“太瘦”，都是这些喷头的功劳。

火炬塔三维造型图（俯视）

考虑到外观，火炬塔的燃烧器采用了不锈钢结构而非常规的碳钢结构。点火时，电火花打开，有适量燃气，就会起火燃烧。但燃气量如果太多，点火时就会爆炸，产生很大的声响，而这种响声是不允许出现的。另外，如果点火器连续点火不成功，将导致燃气堆积，产生爆燃。所以，设计人员专门设计了一种新型高能点火器，使电火花的能量比日常所见大得多，确保了点火可靠。经过大量实验，该点火器可有效点燃天然气、液化气、重油气等，可靠性达到100%。另外，点火时采用了自动控制的方法，用流量阀控制点火时的燃气供给，使燃气通过喷嘴缓慢放出直至最大流量。经过实验，应用这两种方案，解决了点火时的轰鸣声响。

主火炬柱的第一次实验原定是在2008年5月20日，但因为连日暴雨，实验一直被推迟到了5月23日。当日下午15点，控制系统调试一次成功，15点30分，火花闪耀，主火炬塔瞬间被点燃，大火在奥运开幕式导演组人员的眼前燃烧了5分钟，研究人员也提取了火焰燃烧时的温度分布情况数据。主火炬塔正式点火实验圆满成功。当晚21点，还进行了火焰的电脑控制调节实验，在阀门控制下，通过调节控气量大小，令火焰时高时低，忽明忽暗，实现了火焰大小的自动控制，也增强了大家对主火炬万无一失的信心。

（本文发表于《科学世界》2008年第10期）