北京奥运会珠峰特种火炬燃烧系统研制纪实
2008年5月8日9时17分,见证了奥林匹克历史上的一个伟大壮举。北京奥运火炬接力珠峰传递登山队队员将北京奥运会火炬、火种送上海拔8844.43米的珠穆朗玛峰峰顶。象征着光明、和平、友谊、进步、和谐的奥林匹克圣火首次在地球之巅燃起。
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。
按照研制航天型号的模式来研制火炬
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,我们航天人一定不能缺席。”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(600501行情,股吧)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”。
燃料方案一波三折
对于以往主要从事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,首先需要确定燃料。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,从而保证低温环境下燃烧;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,研制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,研制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所是火炬研发团队的“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。研制团队于是考虑,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,研制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,研制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,研制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。
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