北京奥运祥云火炬中的高科技(组图)
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北京奥运火炬各部细节图解
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发表于 07-08-09 08:57:09
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北京奥运火炬各部细节图解
发表于 07-08-09 08:58:04
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北京奥运会火炬燃烧效果图
发表于 07-08-09 08:58:45
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3楼
2007年6月25日早上9点，在航天三院三十一所于克里老师的带领及办完相关保密协议后，我进入了火炬研制实验室——北京2008奥运会的祥云火炬就这样放在了我的手中。此刻，感动我的已不是充满中国传统文化符号的火炬外表，而是维系着它那跳动的沉甸甸的科技之“芯”。火炬的外表设计总是引得万众瞩目，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，所要经历的狂风暴雨、低压缺氧、跌落冲击等重重考验。请听听航天三院三十一所的设计师们讲讲征服这些困难的奥秘吧，这颗饱含了他们艰辛劳动的强大心脏，才是我们真正应该为之骄傲的高科技奥运之“芯”。
·基本工作流程
航天芯，也就是2008年北京奥运火炬的燃烧系统，包括燃料供应系统(燃料瓶、稳压装置和回热装置)和燃烧器两大部分。工作时，利用开关工具顺时针打开燃料瓶上的常闭开关阀，瓶内的高压丙烷蒸汽经过稳压装置进行减压，并维持在相对稳定的某一压力值附近，然后经过有五个通气孔的燃料分配器的侧孔进入回热铜管，在流经燃烧室和燃料瓶后重新进入燃料分配器，并从两路分别进入预燃室和主燃室进行燃烧。
·燃料瓶
燃料供应系统的主要构成部件是稳压装置和燃料瓶，都是采用国内先进工艺和技术自主研发的。燃料瓶采用无缝冷拉工艺，直径为32毫米，即用一整块板拉成现在的形状，因此非常耐压(达14兆帕)，相当于可承受水下1400多米的压力。由于火炬燃烧有时间要求，一瓶燃料需要保证燃烧15分钟以上，而燃烧器除要保证火炬形态外，也有一定的流量要求，因此为了既能保证和火炬外壳的匹配，又能满足燃烧时间，燃料瓶只能做得又细又长。这从工艺上讲，难度大大增加。因为是整体成型，且燃料瓶壁的壁厚不到1毫米，在长细比达到7.5倍的情况下是很容易拉裂的。
·燃料的选择
燃料用的是99%以上纯度的丙烷。历史上的奥运火炬用混合燃料的较多。采用丙烷燃料是为了能在火炬传递路线范围内，满足环境温度的要求。其次颜色也是一个考虑，丙烷燃烧后火焰是橙色，具有较好的可视性。
·稳压装置
稳压装置也是特别研制的。从燃料瓶里出来的气体压力是不稳定的，随着温度降低而减小。而火炬的燃烧需要一个稳定的流量，稳压装置的作用就是提供一定压力，一定流量的燃料供应，这和一般稳压装置的原理是一样的。气态的燃料以相对较高的压力进入稳压装置的进口，以高出环境压力一定范围的压力流出，保证燃烧所需的燃料压力和流量。稳压器的设计要求一般就是小巧轻便和多功能。现在的稳压装置共有四个功能：第一是将火炬开关设计到稳压装置上，这就少了一个零件；第二是减压；第三是稳压；第四就是在意外跌落的情况下，还能确保火炬继续燃烧，不会发生危险。
·燃料瓶和稳压装置的连接
燃料瓶和稳压装置采用螺纹连接，燃料瓶口用外螺纹，稳压装置用内螺纹。这个虽不是独创，但在火炬上用得比较少。以前的一些火炬用的是现成的燃料瓶，多数是采用直接的顶压方式。这种没有螺纹的连接方式，如果气体压力过大，顶针会顶得很紧，用起来费劲；如果压力过小，由于使用时的振动，容易松脱，造成漏气；同时由于是非精确定位密封，在压紧的过程中或使用过程中也容易密封不严而漏气，既不安全，也容易熄火。我们吸取了国外火炬的经验和教训，采用了螺纹接口。
·回热管
2000年悉尼奥运会和2002年盐湖城冬奥会的火炬都采用了保温装置。因为对于气相燃烧而言，若没有有效的热量补充，燃料瓶的温度是下降的。燃料在低温状态下，蒸汽压会降低，有可能会影响火炬燃烧性能。最初的设计就遇到了这个问题。刚研制时燃料瓶容积较大，因此它降温慢。现在燃料瓶小了，而燃烧时间要求提高，所以必须要加回热装置。要给它加热，就要有热源，于是很自然地想到利用火炬自身的火焰热量——燃料出来后不是直接进燃烧室，而是通过回热系统给燃料瓶进行加热，减缓温度降低的速度，满足燃烧时间。回热管还有个好处，就是热交换不可能把所有热量都交换掉，所以管内的气体温度也是升高的，有利于燃烧，这是个额外的好处。
·燃烧器
双火焰是一个核心设计，并在国内第一次运用。燃料经过回热之后，分两路，一路进入预燃室，一路进入主燃室，基本上按1:2的比例进行分配。预燃室底部中心是喷嘴，其周围是进空气的孔。火炬外壳底部也有一定面积的进气通道。预燃室燃料往上喷时，会带动周围空气上升进入预燃室，这就是引射作用。
预燃室中燃料和空气混合后再燃烧，火焰像我们家里的煤气灶一样，掺混得比较好，燃烧充分，火焰温度比较高，形状短，是蓝色的，在强光下不易看见。而主燃室的燃料没有经过预混，燃料喷出后和空气混合，先扩散再燃烧，火焰温度稍低些，呈不透明的橙色。火焰高度高于25厘米。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，它会马上把主火焰点燃。
国外也有类似双火焰的设计，但不太一样，不是预混气的。像2006年都灵冬奥会，也是前后两个燃烧室，但两个都是扩散火焰。我们考虑用预混火焰，主要是它的温度比较高，复燃主火焰比较容易些。另一方面，主火焰在上，预燃火焰在下，受外界影响相对就小，保护火焰就容易些。
我们这个设计实际上是受了吸气式发动机的启发。因为有的发动机也有一个小的预燃室。应该说这种方案在火炬的使用中是第一次。主火焰从圆形管道上均匀的小孔中喷出，这也是特别之处。国外有很多是从一个小口喷出，或者虽是多个喷口，但尺寸较大。我们也做过这样方案的试验，一方面不太利于火焰的稳定，另一方面燃烧时烟较大。我们现在这个设计，火焰能从一个环的小孔中喷出，好处之一是喷出的燃料比较均匀，是圆形的火焰；另一个就是喷出来的燃料能与空气掺混的比较均匀，燃烧比较充分，烟就会小，有利于观赏性和环保。
在火炬研制中我们发现，风速对火炬工作的影响最大，在专用设备上进行了大量实验，做到大风小风条件下，都不熄火。我们很希望得到一支性能可靠、稳定的火炬。我们认为今后应在实际环境中，继续对火炬进行各项参数考核，并经严格的生产过程，保证研制质量。我们期待着北京奥运火炬将在同一个世界，传播同一个梦想。