2022年02月22日 11:01
【科學快訊】
來源：上海科技館 作者：蔡一超
2月20日，在北京冬季奧運會閉幕式上，奧運聖火如期熄滅。
在此之前，我們來看一張動圖。
冬奧火炬由水陸兩棲機器人與水下變結構機器人在水下完成傳遞 | 北京時間
水下看火焰，這個超現實的場景竟然在北京冬奧火炬傳遞的過程中出現了。可以看到，飛揚火炬完全浸沒在水中，一沒足夠的氧氣，二也沒達到燃點，居然沒被澆滅。
不是說燃燒三要素（可燃物、助燃物和燃點）缺一不可嗎？它的助燃劑是從哪兒來的？又是如何克服冬日冰水的影響，讓火焰常燃的。
水火怎麼相容？
我們生活中常見的燃燒主要以氧作為助燃物，它包括遊離的氧或化合物中的氧。空氣中就含有大約21%的氧氣，這對於一般的燃燒來說已經非常充足了。
火焰與炒菜 | 紀錄片《舌尖上的中國》
俗話說得好，水火不相容，這麼矛盾的兩個物質在什麼樣的條件才能共存呢？
水的分子式，大家應該已經很熟悉了，它由一個氧兩個氫組成。
前面說過，作為助燃物的氧化劑也可以從含氧的化合物中獲取。
既然水是一種由氧元素組成的化合物，那水有沒有可能也成為氧化劑，起到助燃的作用呢？
詭異的海底火源 |《海綿寶寶》
可以是可以，但水是一種化學性質很穩定的物質，水分子中的氧很難被拽出來，除非。。。。。。
除非換「大力」一點的可燃物，把氧給強行「拽」出來。
確實有一群這樣活潑的物質，活潑到可以把水分子中的氫氧根給「拽」出來。
在元素周期表第一列中，如鋰、鈉、鉀、銣、銫的金屬單質就以活潑著稱
以金屬鈉為例，看看鈉遇水能否發生燃燒？
嗯。。。確實燒起來了。
鈉這類堿金屬的原子最外層只有1個電子，很容易失去，這種性質叫強還原性。
鈉原子結構示意
因此鈉的化學性質非常活潑，能夠和大量無機物、絕大部分非金屬單質和大部分有機物發生反應，其中就包括水。
不過，活潑到能夠從水分子手中把氧給搶過來的物質，其能量也很強，甚至可以說有點能量過剩，使燃燒變成了爆炸，鈉的兄弟們遇水後的反應也差不多。
所以，這種產生「燃燒」的方式對於火炬手來說或許不太安全，向水「借」氧這條路目前看來行不通。
火炬還是火箭？
那該怎麼辦呢？
讓我們稍微轉換思路，抬高億點點視角，從冰冷的水面之下來到更加「冷酷」無情、讓人「窒息」的太空。
咦？太空？太空可是近乎真空的環境，那不是更加缺少氧助燃了嗎？
難道像太陽那樣利用核聚變釋放光和熱？（顯然不合理）
太陽是一個巨大的核聚變反應堆 | BBC
Wait！Wait！Wait！再仔細想想！
其實在近地外層空間中，有一種火焰大家應該不陌生。
天舟三號發射升空 | 中國載人航天工程網
對，那就是火箭引擎噴湧而出的熊熊烈火，即使處於真空環境依然能穩定工作。
這火箭燃燒所需的氧是從哪兒來的？
我們來看看一種液體火箭引擎工作的模式：
一種液體火箭的工作模式 | everydayastronaut.com
可以看到藍色區域裏寫著OXIDIZER。。。。。。
OXIDIZER？oxygen？難道和氧氣有關？
好像發現了一件了不得的事，火箭是自帶氧化劑的？！
沒錯，不同於絕大部分大氣層內飛行器靠進氣口吞入海量的空氣，火箭的燃燒發生在內部，有時還需要到真空環境工作，並且發動機對於氧化劑的需求量要高得多。
通過「自然吸氣或是渦輪增壓」從大氣中獲取氧都不太可行，而是需要像燃料一樣獨立存儲氧化劑，點火時再通過輸送泵噴灑，將兩種液體均勻地混合到一起後點燃，高速噴射。
難道奧運火炬的設計參考了液體火箭的工作原理？
火炬接力手們舉著的是一支支小火箭？
竄天猴 | sohu.com
兩者有關燃燒的系統從技術上來說確實很相似，只是在火箭上叫引擎或是發動機，在火炬中叫做「燃燒系統」。
雖然任務複雜程度無法與航天任務的要求相比，但使用場景的特殊性還是要求研發團隊做出更符合火炬傳遞需求的產品。例如：
火炬不需要巨大的推力（很顯然），那麼則不需要使用能量密度太高的液體燃料；
火箭在短時間內經曆入水、水下接力、出水，工作環境差異多變（應該很顯然）；
雖然水下助燃劑的問題解決了，但冰水依然有可能侵入燃燒系統（應該很顯然），從而影響火炬正常工作；
水下傳遞的火炬手它不是人（很顯然），機器人對接操控複雜，火焰傳遞難度進一步提升。
面對如此多的難題，自然需要「大佬」來解決！
接下來隆重介紹研發「飛揚」火炬燃燒系統的專業團隊，中國航天科工集團三院31所。
用航天「心」造奧運火
中國航天科工三院31所，創立於1957年，主要從事飛航動力裝置研究。先後承擔沖壓發動機、液體火箭發動機、中小型固體火箭發動機等系列多個動力裝置的研制和生產任務，並從事高科技民品開發工作（2008年北京奧運會「祥雲」火炬，正是由該所技術團隊承擔燃燒系統研制）。
2008年北京奧運航天科工珠峰保障團隊（在劉興洲院士的帶領下，研發團隊為08年北京奧運會成功研制了火炬、火種燈、引火器和聖火台等系列產品，特種火炬成功登頂珠峰）| http://www.fhjs.casic.cn/
雖然早在悉尼奧運會和索契冬奧會就曾有運動員在水下進行火炬傳遞的先例，但在「科技冬奧」理念的指導下，「飛揚」火炬依舊創造了多個第一，世界上首支無煙燃燒的綠色清潔水空跨介質火炬 、首次由兩位「機器人」完成水下傳遞，創造了多項專利技術。
014年索契冬奧會水下火炬傳遞 | Sochi2014
具體采用了哪些新技術呢？
01 采用清潔能源氫氣作為燃料
據了解，之前的水下火炬采用固體燃料或有機化合物燃料（將35%丙烷和65%丁烷的混合物作為燃料），存在明顯的汙染。研發團隊此次選擇氫氣作為燃料，不僅消除燃燒產生的汙染，還可以讓火焰更具動態、飄逸的美感。
02 新型燃燒組織結構和氣動旋流火焰結構
為了讓氣體燃料在水下穩定燃燒，同時克服水壓和水流擾動的影響，設計人員借鑒了航天發動機的設計理念。
燃燒器采用燃料和氧化劑的多層噴注設計，火焰的中心通過預混燃燒提高火焰溫度，火焰的周圍采用類似航空發動機氣膜式熱防護的方法形成一個動態的「保護罩」，克服了綠色能源在水下燃燒困難的技術難題。
03 雙模態燃燒機制
為了保證火焰在空氣中和水下的美觀、以及冬季嚴寒條件下的長時間工作，水下火炬還自帶了「大氣火焰和水下火焰雙模態燃燒機制」 「燃料熱管理技術」等關鍵技術。火炬在下水前會進行自主補氧，保證水下助燃劑能夠自給自足，出水後則切換為大氣供氧的模式。火炬甚至擁有在真空中燃燒的能力。
麻雀雖小，五髒俱全。可以說，「飛揚」從技術原理上看水下火炬就是一個小型的氣體火箭發動機，
當然，如此複雜的大系統是由各個子系統組成的，成功的背後還站著許許多多個「大佬」。
空天材料「氫」力相助
31所的兄弟單位，航天科工三院306所同樣承擔著重要的任務。
306所是專門負責航空航天相關新型材料研發的單位。在讓大家倍感自豪的「天問一號」任務中，為著陸的火星車保駕護航的新型隔熱保溫氣凝膠材料，就是由306所自主研發的，避免其受到極端溫度的傷害。
氣凝膠 | 北京青年報
而在此次「飛揚」火炬任務中，306所的團隊負責火炬儲氣瓶的設計制造。別看就是一金屬小瓶子，它也是妥妥的黑科技。
儲氣瓶的幾大挑戰：
為了保證火炬手持的舒適性，其內部留給儲氫氣瓶的安裝空間十分狹小；為最大可能降低火炬整體重量，儲氫氣瓶重量要求控制在400g範圍之內（一個雞蛋大約60g）。
在氣瓶體積和重量嚴重受限的情況下，為保證不低於5分鐘的燃燒時長，必須使氣瓶使用壓力達到42兆帕（1兆帕約等於9.86個標准大氣壓），而為了保證其安全可靠，其極限壓力更是達到了驚人的126兆帕（馬裏亞納海溝壓強約為111兆帕）。
此外，由於氫氣分子質量輕、體積小極易引起滲漏，對氣瓶密封、耐壓等方面的要求在可燃氣中也最為嚴苛（氫滲透）。
根據整個火炬研制周期安排，研制團隊需要在短短1個月的時間內拿出首批試制儲氫氣瓶（一個月可能還不夠做寒假作業）。
那又是怎麼解決的呢？
首先，306所采用雙旋輪對輪旋壓專利技術進行內膽壁厚僅1mm的超小口徑、超薄壁內膽收口成型，解決低剛度氣瓶內膽無縫成型難題，進而降低氣瓶重量、提高密封性和可靠性。
旋壓技術示意 | DISCOVERY紀錄片
「飛揚」火炬儲氫氣瓶內膽收口旋壓 |http://www.fhjs.casic.cn/
接著，團隊采用超高性能的航天級碳纖維材料進行纏繞，在滿足氣瓶使用壓力42MPa、極限爆破壓力126MPa的嚴苛要求的同時，減少材料重量，縮小氣瓶體積。
「飛揚」火炬儲氫氣瓶內膽碳纖維纏繞 | http://www.fhjs.casic.cn/
最後，按照航天「零缺陷」理念設計系統的檢測、驗證方案，全力確保產品的可靠性。在高度接近真實情況的數值模擬基礎上，高效統籌原材料供應、生產試制及各級試驗檢測等環節和資源。
306所創新研發的輕量化高壓儲氫氣瓶，通過了最嚴苛的考驗，於2021年9月交付首批，並順利通過現場試裝及火炬燃燒試驗考核，實現了 「氫」舞「飛揚」。
在火炬順利傳遞的背後，我們看到的是科技冬奧的體現，北京冬季奧運盛會雖然落幕，聖火也已熄滅。但聖火仍會重新燃起，由科技之火點燃，由不滅的真理之火點燃。
