為冬奧圣火“氫”力打造綠“心”

田源

2022年北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)圣火“飛揚(yáng)”除外觀之外所有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造都是由航天科技集團(tuán)公司第六研究院完成的，作為“液體動(dòng)力國(guó)家隊(duì)”一員，他們用心血將夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，將航天精神傳承發(fā)揚(yáng)。他們雖然不是冬奧會(huì)參賽選手，但是作為冬奧會(huì)手持火炬項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)的成員，他們是當(dāng)之無(wú)愧的科技擔(dān)當(dāng)，為北京冬奧會(huì)描摹上一抹亮麗的航天藍(lán)。

敢為人之不敢為，挺進(jìn)科研“無(wú)人區(qū)”

氫氣綠色、環(huán)保、無(wú)污染，但易燃、易爆、易泄漏，就像一匹“小野馬”總是讓人敬而遠(yuǎn)之，歷屆冬奧會(huì)還沒有成功使用氫氣作為火炬燃料的先例。2019年8月，在前期與冬奧相關(guān)合作商對(duì)接交流時(shí)，101所劉朝陽(yáng)副所長(zhǎng)大膽提出用氫作為火炬燃料的設(shè)想，可以體現(xiàn)冬奧“綠色”“科技”的概念。作為目前我國(guó)產(chǎn)能最大的液氫生產(chǎn)單位，也是目前國(guó)內(nèi)涉氫研究試驗(yàn)基礎(chǔ)條件最為完善的單位，101所從20世紀(jì)60年代起從事液氫生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)研究，并將液氫規(guī)模應(yīng)用于我國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，為長(zhǎng)征三號(hào)甲、長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征五號(hào)B、長(zhǎng)征7號(hào)甲系列運(yùn)載火箭奔赴太空，探索浩瀚宇宙，提供了可靠動(dòng)力試驗(yàn)保證。幾十年的科研成果和工程應(yīng)用，使101所擁有液氫、用氫安全等領(lǐng)域獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，氫火炬若研制成功，將首次實(shí)現(xiàn)冬奧會(huì)歷史上火炬的零碳排放。

我國(guó)氫能發(fā)展畢竟還處在初期階段，如何打消氫安全應(yīng)用的顧慮，是急需解決的一大難題。2019年12月，姜聯(lián)東副總工程師率先到北京冬奧組委進(jìn)行氫燃料火炬創(chuàng)新設(shè)想與可行性陳述，所黨委及時(shí)決策由經(jīng)營(yíng)處牽頭組織氫能安全應(yīng)用專項(xiàng)團(tuán)隊(duì)，開展奧會(huì)手持火炬以氫作為燃料的可行性論證工作，經(jīng)與冬奧組委數(shù)十次的有效溝通，可行性方案得到高度認(rèn)可，并牽頭組織開展《冬奧手持火炬原理樣機(jī)研制》在北京市科委的立項(xiàng)工作。

集團(tuán)和六院各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)高度重視，多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研指導(dǎo)，要求以航天品質(zhì)打造冬奧首支氫燃料火炬。為克服項(xiàng)目研制周期短、技術(shù)難點(diǎn)高、經(jīng)費(fèi)批復(fù)周期長(zhǎng)等困難，確保以航天標(biāo)準(zhǔn)，高質(zhì)、高量、高效完成冬奧火炬的研制及應(yīng)用，101所王成剛所長(zhǎng)高度重視，果斷決定自籌經(jīng)費(fèi)，率先開展冬奧會(huì)手持火炬項(xiàng)目的研制工作。經(jīng)所黨委決策借鑒航天型號(hào)管理模式，第一時(shí)間成立了以王成剛所長(zhǎng)為組長(zhǎng)的領(lǐng)導(dǎo)小組，劉朝陽(yáng)副所長(zhǎng)為總指揮，姜聯(lián)東副總工程師為項(xiàng)目總師的兩總系統(tǒng)。

研制團(tuán)隊(duì)接到任務(wù)后，絲毫不敢怠慢，收集了近一個(gè)世紀(jì)的歷屆冬奧會(huì)火炬的相關(guān)情況，借鑒各國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)比較分析，確定了氫燃料火炬原理樣機(jī)的技術(shù)方案。2020年7月9日，火炬原理樣機(jī)首次組合為一體，試火成功，標(biāo)志著以航天科技集團(tuán)公司第六研究院101所和11所（京）聯(lián)合開展的冬奧會(huì)手持氫燃料火炬工程化研制的正式開始，也意味著冬奧會(huì)圣火將擁有一顆綠色能源“心臟”，這顆“心臟”包括氫燃料儲(chǔ)存裝置、燃燒裝置、減壓裝置三部分，其中101所主要負(fù)責(zé)最能體現(xiàn)火炬特色的氫燃料儲(chǔ)存核心裝置的研制，并且為了這顆“心臟”正常搏動(dòng)且萬(wàn)無(wú)一失，101所創(chuàng)新提出對(duì)氫燃料火炬與特性測(cè)試方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證火炬的可靠性等特性，并設(shè)計(jì)搭建手持火炬綜合試驗(yàn)系統(tǒng)模擬風(fēng)、雨、雪、低氣溫、高海拔、高濕度等氣候條件及運(yùn)動(dòng)模擬裝置，以全覆蓋模擬火炬?zhèn)鬟f過(guò)程中的各種極端運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。原理樣機(jī)研制成功，項(xiàng)目研制團(tuán)隊(duì)每一個(gè)人臉上都露出了久違的笑容，大家心底的那團(tuán)圣火燒得更旺了。

花開又遭風(fēng)雨，從來(lái)好事多磨難

氫燃料火炬原理樣機(jī)研制成功后，在隨后的幾次測(cè)試中，無(wú)論是火焰的形狀，還是氣瓶的可靠性、安全性都得到了初步的驗(yàn)證。2020年8月17日晚10點(diǎn)，看著火炬原理樣機(jī)在臺(tái)鉗上又一次成功點(diǎn)火，姜聯(lián)東毫不猶豫地把火炬握在了手里，這一刻，參與項(xiàng)目研制的所有成員都無(wú)比激動(dòng)，信心劇增。大家馬不停蹄地開始啟動(dòng)立項(xiàng)工作，白天忙著做測(cè)試，晚上寫報(bào)告，進(jìn)行匯總討論，就在每一個(gè)環(huán)節(jié)都有序向前推進(jìn)時(shí)，冬奧會(huì)火炬外形設(shè)計(jì)最終定稿，火炬的內(nèi)外飄帶，如絲帶飄舞，旋轉(zhuǎn)上升，最后呈現(xiàn)為飛揚(yáng)的火焰。而這樣飽含著美好寓意的火炬造型，卻給火炬燃燒系統(tǒng)帶來(lái)了前所未有的難題。火炬內(nèi)外飄帶的造型，使得儲(chǔ)氫氣瓶不可能像外形一樣上粗下細(xì)，若減少儲(chǔ)氫氣瓶尺寸必然不能滿足氫氣的燃燒用量。想著之前的努力都要白費(fèi)了，項(xiàng)目研制成員有人深深地嘆了一口氣，愣愣地看著圣火“飛揚(yáng)”的造型出了神。

“我們可以做一節(jié)大的儲(chǔ)氫氣瓶再連接一個(gè)小的?！?/p>

“不行不行，連接結(jié)構(gòu)也占空間，根本沒節(jié)約出多少尺寸。”

會(huì)上，研制團(tuán)隊(duì)成員你一言我一語(yǔ)，激烈地討論了起來(lái)，剛剛陰沉的氣氛很快就被一掃而空，每個(gè)人都出謀劃策。經(jīng)討論，大家很快達(dá)成一致意見，決定縮小儲(chǔ)氫氣瓶的尺寸，提高設(shè)計(jì)壓力，而這也意味著有無(wú)數(shù)個(gè)未知和難關(guān)等待研制團(tuán)隊(duì)去發(fā)現(xiàn)和攻破。

儲(chǔ)氫氣瓶設(shè)計(jì)從一開始的35MPa、560mL到42MPa、350mL，僅僅兩個(gè)數(shù)據(jù)的更改，就讓研制團(tuán)隊(duì)付出了巨大的心血。大家常常因?yàn)?mm的技術(shù)方案更改，連續(xù)加班到凌晨?jī)扇c(diǎn)，要核算充氣量，既要滿足火炬的燃料時(shí)間，又要保證儲(chǔ)氫氣瓶安全可靠。“光是協(xié)調(diào)所里與11所（京）和外形設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)召開技術(shù)方案對(duì)接會(huì)就不下20次。”經(jīng)營(yíng)處項(xiàng)目主管于茂杰說(shuō)道。儲(chǔ)氫氣瓶壓力提高強(qiáng)度怎么保證？為了滿足要求，保證使用安全性，姜聯(lián)東和項(xiàng)目實(shí)施組組長(zhǎng)李山峰多次去廠家調(diào)研協(xié)調(diào)，研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量計(jì)算，最后確定纏繞層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)選用高強(qiáng)度鋁內(nèi)膽T800型碳纖維纏繞氣瓶。

在突破高壓儲(chǔ)氫這一關(guān)鍵技術(shù)難題后，研制項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)沒等歇口氣，新的問(wèn)題又?jǐn)[在了他們的面前。冬奧圣火“飛揚(yáng)”要批量生產(chǎn)，氣瓶就必須有一致性，后續(xù)要有檢測(cè)方法和檢測(cè)方案，對(duì)于最后氣瓶批產(chǎn)沒有標(biāo)準(zhǔn)可依是不行的。為了起草企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，姜聯(lián)東帶著研制團(tuán)隊(duì)多方拜訪行業(yè)專家，多次向浙江大學(xué)鄭津洋院士請(qǐng)教，李山峰更是把標(biāo)委會(huì)跑了個(gè)便，請(qǐng)專家出謀劃策。這中間，為了模擬一般火焰溫度，考核氣瓶的耐火燒性能，團(tuán)隊(duì)科研人員周博文、楊曉陽(yáng)等一點(diǎn)點(diǎn)摸索，反反復(fù)復(fù)比對(duì)方案，直至選定燃燒溫度和恒定值一致的合適材料。為了找到極限值，氣瓶一遍遍地試，一遍遍地爆，因?yàn)闆_擊大，每次火燒試驗(yàn)的架子都燒得變形。除了火燒試驗(yàn)，氣瓶還要經(jīng)受水壓、氣壓、氣密、跌落等十余種測(cè)試考驗(yàn)，前前后后歷經(jīng)1年多的時(shí)間，批產(chǎn)一致性等檢驗(yàn)條款才被一項(xiàng)項(xiàng)寫進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，2021年9月18日，標(biāo)準(zhǔn)備案評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)的這一天，大家懸著的心才終于放下。

千錘百煉鑄圣火，責(zé)任扛肩“火焰藍(lán)”

為了確保項(xiàng)目進(jìn)度和手持火炬的可靠性，在初步設(shè)計(jì)完成后，研制團(tuán)隊(duì)對(duì)手持火炬開展了綜合性能試驗(yàn)研究，全覆蓋、全方位對(duì)手持火炬試驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，搭建綜合試驗(yàn)臺(tái)，艙內(nèi)可以模擬高海拔、高濕度狀態(tài)，外部可以模擬大風(fēng)、大雨、大雪等氣候條件，同時(shí)為了手持火炬在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下保證穩(wěn)定燃燒，有良好的可拍攝性能，研制團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)、倒置、搖擺等多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬。由于研制周期緊、要給批產(chǎn)讓出時(shí)間，每一次試驗(yàn)，研制團(tuán)隊(duì)都要倒排計(jì)劃，每一天，大家都是分秒必爭(zhēng)，僅在2021年6月至7月這短短兩個(gè)月的時(shí)間里，研制團(tuán)隊(duì)就完成手持火炬可靠性試驗(yàn)300余次，完成充放氣、耐壓等各類性能測(cè)試千余次。每每試驗(yàn)完，走出試驗(yàn)間，只有道路兩側(cè)的路燈和頭頂上方的明月依舊陪伴。

“當(dāng)初搭建試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，因?yàn)橐咔?，設(shè)備供貨不暢，周期很緊張，所以只要設(shè)備一到，我們就加緊安裝，有一回正好趕上北京極寒天氣，在將近零下20℃的冷風(fēng)里，大家在室外丈量尺寸，晚上又連忙調(diào)試設(shè)備。那段時(shí)間還要經(jīng)常在30m/s的風(fēng)速下進(jìn)行測(cè)試，可沒有一個(gè)人有怨言。到現(xiàn)在，大家也都是克服困難，所有研制人員都是做好了吃苦的準(zhǔn)備的。”手持火炬綜合試驗(yàn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人王淮英說(shuō)這話時(shí)還在準(zhǔn)備著手持火炬批產(chǎn)檢測(cè)試驗(yàn)。

在冬奧手持火炬關(guān)鍵技術(shù)研制驗(yàn)收會(huì)上，研制團(tuán)隊(duì)向奧組委及科技部領(lǐng)導(dǎo)展示了手持火炬的靜態(tài)燃燒及動(dòng)態(tài)燃燒，以及在極端狀態(tài)下的燃燒狀態(tài)。氫燃料手持火炬在10級(jí)強(qiáng)風(fēng)、零下40℃低溫、暴雨和5000米高海拔等環(huán)境下的燃燒狀態(tài)都十分穩(wěn)定，領(lǐng)導(dǎo)和專家們都報(bào)以了熱烈的掌聲。101所也成為唯一一家冬奧組委指定的2022年北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)氫燃料火炬產(chǎn)品鑒定與綜合試驗(yàn)基地。

一路走來(lái)，一路風(fēng)雨，堅(jiān)韌和執(zhí)著凝結(jié)著航天人的責(zé)任和使命，拼搏和創(chuàng)新讓這支團(tuán)隊(duì)越戰(zhàn)越勇。從高壓儲(chǔ)氫的設(shè)計(jì)、加工、制造，再到檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)全產(chǎn)業(yè)鏈全部打通，實(shí)現(xiàn)了氫氣作為冬奧火炬燃料的世界首創(chuàng)，成為國(guó)家氫能應(yīng)用推廣的一張閃亮名片。當(dāng)“飛揚(yáng)”火炬?zhèn)鬟f著奧運(yùn)圣火的那一刻，每一名為之奮斗的航天人心中都點(diǎn)燃著一支火炬，那就是奧林匹克精神和航天精神相融之火。

（作者單位：中國(guó)航天科技集團(tuán)六院）8C60BF70-EA75-4867-BD76-67969822BDA5