北京奥运会珠峰特种火炬燃烧系统研制纪实

发布时间：2024-02-02 05:37:04| 来源：乐鱼平台登录

  7年前申奥成功时,中国人向世界庄严承诺:奥运火炬接力活动将把火炬送到世界最高峰——珠穆朗玛峰。如今,这个伟大的设想和承诺变为现实。

  北京奥运会“祥云”火炬克服低温、低压、缺氧、大风等极端不利条件,在珠峰之巅漂亮地燃烧,举世为之惊叹。在这史无前例的壮举背后,凝聚着中国航天人的智慧与辛劳。

  2001年7月13日,北京申奥成功的消息从莫斯科传来,中国航天科工集团公司副总经理薛利心中便萌生了一个念头:我们航天人要为这一中华民族的百年盛事做点贡献。

  “‘科技奥运’是北京奥运会的三大理念之一。航天事业是高科技的集中体现。因此,我们航天人一定不可以缺席。”薛利说。

  申奥成功后不久,航天科工集团就开始考虑开幕式、火炬、安保、智能交通、环境清洁等一切有可能为奥运会贡献力量的方面,并成立了一个科技奥运领导小组。

  2006年1月17日,机会终于降临——北京奥组委正式致函航天科工集团,委托其就奥运火炬珠峰燃烧技术进行科研攻关。航天科工集团随即成立了火炬研发部,抽调了其所属三院海鹰集团、31所、四院航天晨光股份公司等多家单位的80多名技术骨干参与项目攻关,并聘任中国工程院院士刘兴洲为该项目总设计师。

  现任北京奥运火炬珠峰传递领导小组火炬研发部部长的薛利介绍,研制珠峰火炬燃烧系统虽属民用项目,但航天科工集团把它当作一项国家重大工程,按照航天型号研制的管理模式,向承担主要攻关任务的集团三院院长下发了奥运火炬项目“责任令”。

  对于以往主要是做发动机研制的航天科工集团三院31所来说,火炬燃烧系统是个全新的项目。因此,研发人员在动手之前认真研究了历届奥运会的火炬设计的具体方案,他们对火炬的认识也由此由浅渐深。

  研制火炬燃烧系统,第一步是要确定燃料。刘兴洲院士介绍,从以往奥运火炬来看,火炬燃料一般有固态、液态和固液混合三种。燃料种类不同,燃烧系统的结构设计也会相应有所不同。

  研制团队最初选定丙烷作火炬燃料。刘兴洲院士解释说,丙烷燃烧后主要产生水蒸气和二氧化碳,不会对环境能够造成污染。更重要的是,丙烷适应的温度范围较广,在摄氏零下40度时仍能产生1个以上的饱和蒸气压,来保证低温度的环境下燃烧;而且,丙烷产生的火焰成亮黄色,火炬手跑动时,飘动的火焰在不同背景下都比较醒目。

  之后,研发团队开始着手燃烧系统的设计。往届奥运会的火炬传递过程中多次出现过火炬突然熄灭的尴尬场面。为避免“祥云”火炬重蹈覆辙,研发团队运用航空发动机的双火焰原理,设计了预混火焰与扩散火焰的“双火焰”燃烧方案,即一个火焰在外面“冲锋”,一个火焰在里面“值班”。

  “实际上,就是用一个小火点着一个大火。大火即使被吹灭了,但下面暗藏的小火能再次将大火点着。”刘兴洲院士解释说。

  位于北京西南郊丰台区的航天科工集团三院31所是火炬开发团队的“大本营”,这里有一个可以模拟大风、暴雨、低温、低压等各种真实自然环境的试验舱。尽管液态丙烷燃料火炬在这个试验舱内经受住了多次模拟测试,但航天人多年来形成的“严肃认真、周到细致、稳妥可靠、万无一失”的工作作风,促使他们决定赴珠峰进行实地测试。

  2006年9月,科工集团火炬研发部自掏腰包奔赴西藏珠峰大本营进行实地试验。结果,真的发现了问题——液态丙烷火炬在实际低压环境下燃烧时间太短,达不到要求。

  固体燃料点燃性能可靠,燃烧稳定;而液体丙烷燃料产生的火焰形态好。研发团队于是考虑,能不能将二者结合。队员们随后尝试着将固体预热剂与液化丙烷结合,进行了固液组合火炬的首次试验,结果发现抗低压性能和可视性均比液态燃料火炬有了明显改善。

  返回北京后,研发团队放弃了液态丙烷火炬的方案,将研制重点转向固液组合火炬和固态燃料火炬。

  2007年1月,一支由10多名研制人员组成的试验队奔赴祖国最北端的黑龙江漠河,对这两种火炬在低温、大风条件下的性能进行实地测试。在那里,研发团队再次遭遇了意外——“爆燃”。一天夜晚,固体燃料火炬点燃后,燃料猛地一下喷了出来,幸好当时没有试验队员正对着火炬,否则后果不堪设想。

  对于这次事故的原因,研发团队深入研究后发现,问题并非出在固态燃料火炬本身,主要是装药(固态燃料)的工艺有问题,药柱没有压实。他们随后将人工装药改为机械控制,保证每次装药量以及药柱的长度及直径完全一致。工艺改良后,“爆燃”现象再未发生过。

  2007年4月下旬,航天科工集团珠峰火炬试验队二赴西藏。这一次他们要进行珠峰火炬登顶的测试与试验。

  2007年5月7日,登山队员带着固体燃料火炬和固液结合火炬开始登顶测试。大本营(5200米)、6500米、7028米、8300米、8844米,登山队员在每一个高度都要重复完成试验的“规定动作”。5月9日,登山队员成功登顶,并顺利点燃了携带的3支固体火炬。然而,由于操作失误,他们未能点燃固液结合火炬。没有经过最后这一道测试,也给固液结合火炬的可靠性打了一个问号。

  考虑到固态火炬操作更为简便,航天科工集团研发团队将固体燃料火炬确定为珠峰火炬燃烧系统最终设计方案。

  珠峰恶劣的自然条件不仅对火炬性能要求非常高,对火种灯、引火器、圣火盆等配套设备的性能同样要求很高。刘兴洲院士介绍说,珠峰火种灯的研制过程,其艰辛程度一点不亚于珠峰特种火炬。

  以往奥运会的火种灯都采用液体航空煤油为燃料。航天科工集团的火炬开发团队经试验后发现,这种煤油灯在海拔6500米以下的地区都能正常工作,但在更高海拔的地方,由于气压低、氧气含量低,就无法正常工作了。

  为了寻找可靠的燃料源,研发人员可谓费尽心思。他们先后尝试过多种常用燃料,但一一被否定。终于有一次,退休研究员任国周看到一个用碳作热源的暖手炉后突发灵感:能不能用碳做火种?然而,第一次进藏试验效果不理想:一是燃烧时间短,二是排灰不畅。

  大家刚刚看到一线希望,由于这次挫折又变得有些沮丧。此时,生活中的一个小发现再次使他们看到了柳暗花明。任国周上街时看到一个烧饼摊旁摆着蜂窝煤炉,顿生联想:将碳柱像蜂窝煤一样上下摞放在火种灯内,下面的碳柱燃尽化成灰,上面的碳柱自动落下来;这样通过不断添加碳柱就可保持火种灯不灭,而且排灰问题也能解决。一个大难题就这样通过生活中的两个小发现而迎刃而解。

  从海拔8300米的突击营地登上珠峰峰顶,大约需要7到8个小时。登山队员由此提出,珠峰火种灯应至少能保持稳定燃烧14个小时。

  为达到这一要求,任国周和同事们反复对碳柱的配方做试验,力图将其燃烧速度降至最低。最终,在他们的努力下,珠峰火种灯装上5节50毫米高的特殊碳柱,实现持续工作20个小时。第二次进藏测试时,经改进的珠峰火种灯完全经受住了大风、低温、低压的考验。

  在航天科工集团的企业文化里有这样一种精神——载人航天精神:特别能吃苦,特别能战斗,特别能攻关,特别能奉献。在珠峰特种火炬燃烧系统的设计过程中,航天科工人把这种精神发扬得淋漓尽致。

  研制团队80多个人,每个人都承担着多种职责。父亲去世,爱人生孩子,婚期一拖再拖……一些研制人员一边要处理家庭问题,一边还要全身心投入到紧张的研制过程中。薛利说,支持大伙儿的正是执着的航天精神和奥运情结。

  由于研制时间紧,节假日不休息是家常便饭。一位年轻的研发人员说:“有好几个月我们大多数都是在试验现场和车间里度过的。”有一次,研发团队对珠峰火炬进行一项关键测试。为了节约上厕所那区区几分钟的时间,技术人员竟然半天多没喝过一口水。

  奥林匹克运动的格言是“更快、更高、更强”。在中国航天人的身上,也有一股子“精益求精、追求完美”的精神。

  2007年5月,火炬登顶珠峰试验取得圆满成功。消息传来,珠峰大本营内所有人都沉浸在喜悦之中。然而,细心的薛利在欣喜之余发现,电视画面上火炬燃烧时火焰不那么漂亮。于是,她暗自琢磨:要是火焰形态能再好看些就完美了。与此同时,一位电视转播人员自言自语:要是火炬燃烧的时间能再长一些,那成功拍摄到火炬在珠峰上燃烧的把握性就更大了。言者无心,听者有意。薛利回到北京后,陷入一种矛盾的心情。“我们的研制人员已经很辛苦,我实在不忍心再向他们提额外要求,毕竟我们的火炬已达到要求了,完全没必要再给自己找麻烦。”薛利说。但航天人一贯追求完美的品格,终究是促使她将自己的想法和那位电视台工作人员的感慨向研制人员和盘托出。

  4个多月后,薛利接到了研发团队打来的电话——问题都解决了。研制人员在对固体燃料的配方进行了100多次试验后,终于找到了一种解决途径,成功地将珠峰火炬的燃烧时间由6分钟延长至7分半到8分钟,同时火焰的颜色也比以前更加明亮、饱满和飘曳。

  2007年10月,北京奥组委组织召开珠峰特种火炬系统研制评审委员会会议。参加会议的专家认为,科工集团研制的珠峰火炬、珠峰火种灯、引火器等各项技术指标均达到规定的技术方面的要求,各系统均能满足火炬登顶珠峰的需要。

  消息传来,众人颇感欣慰。刘兴洲院士自信地说:“就算珠峰再长高几百米,我们的火炬一样能够点燃!”

  两年心血,终于凝成一颗可靠的珠峰火炬航天“芯”,将奥运圣火和中华民族的奥运激情第一次点燃在地球的最高点。新华社记者高鹏(完)2008/05/08 10:39