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北京奥运祥云火炬中的高科技(组图)
http://tech.QQ.com  2008年04月22日17:03   《新知客》    评论0

北京奥运祥云火炬中的高科技(组图)

北京奥运祥云火炬中的高科技(组图)

北京奥运祥云火炬中的高科技(组图)

采访整理/孙晶怡 摄影/吴加

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——北京点击查看北京及更多城市天气预报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。

[责任编辑:paulzou]

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