國慶70周年煙花燃放裝置的技術要點

李利 杜安坤 蔡朝陽 王強 高松松 劉增

[摘要]介紹國慶70周年聯(lián)歡活動上，“美好家園”和“牡丹盛開”兩個主題篇章共14套三維動態(tài)煙花燃放裝置的技術原理和設計原則。

[關鍵詞]國慶70周年;煙花樹;三維動態(tài)煙花燃放裝置;技術原理;機構設計;電氣控制技術

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.004

1前言

2019年10月1日晚，慶祝中華人民共和國成立70周年聯(lián)歡活動在北京天安門廣場舉行。七棵驚艷的煙花樹揭開神秘的面紗，三組動態(tài)焰火依次生動演繹“美好家園“牡丹盛開“欣欣向榮”三個主題，烘托出舉國同慶的熱烈氣氛。

“鐵樹銀花”的創(chuàng)意設計，由焰火總設計師蔡國強及其團隊完成。每棵煙花樹是一個三維動態(tài)煙花燃放裝置，高25m，在三個象限中安裝不同主題的煙花裝置。當共同表現(xiàn)一個主題畫面時，七棵樹統(tǒng)一旋轉到該主題象限，樹上的7套煙花裝置同時點燃。

北京東方高科舞臺科技有限公司承擔“美好家園”（圖1）和“牡丹盛開”（圖2）兩個主題篇章共14套三維動態(tài)煙花燃放裝置的研發(fā)設計、制作安裝、電氣控制、技術保障等工作，達到預期藝術效果，圓滿完成任務。

三維動態(tài)煙花燃放裝置，是一種專用于景觀煙花燃放的機械裝置，裝置中包含多個金屬網(wǎng)幕架，網(wǎng)幕架上鋪設特效景觀煙花管和點火線，通過電機驅動一系列機構，帶動網(wǎng)幕架實現(xiàn)各種三維運動，呈現(xiàn)出三維動態(tài)煙花效果。本文對三維動態(tài)煙花燃放裝置的技術原理進行解析。

2“美好家園”篇章的實現(xiàn)

“美好家園”主題用兒童畫的表現(xiàn)手法，引入花鳥魚蟲、人與環(huán)境等眾多元素，構成一幅自然和諧、生動活潑、天真爛漫的美好家園風光。為實現(xiàn)歡快的主題效果，要求每套裝置都能動起來，在12m×18m（寬×高）的范圍內盡情玩耍。元素不同，動作各不相同，運動形式有旋轉、開合、平移、升降、搖擺，以及各種動作組合，例如風箏搖擺，小孩邁步，水母一邊上升一邊擺動觸須，小鳥和蜻蜓一邊旋轉一邊扇動翅膀，鯨魚先在水面噴水然后下沉變成“蛟龍?zhí)枴睗撏А乇姸?、動作繁雜，正是這個主題實現(xiàn)的難點。所以說，“美好家園”主題是三個主題中技術難度最大的。

為解決上述難題，技術人員對技術方案進行反復的討論、嚴格的論證，將動作歸納為旋轉、開合、平移、升降、搖擺等幾類，分門別類制定適合的傳動方案，以達到以下幾個主要目標：

（1）采用成熟通用、安全可靠的傳動系統(tǒng)。

（2）電機數(shù)量最少，且工作過程中不換向。

（3）終端結構輕巧，根部結構堅固。

（4）分塊數(shù)量少，便于吊裝、拆卸、換藥、運輸。

“美好家園”主題裝置技術參數(shù)與實現(xiàn)方案見表1，效果圖和方案圖見圖3。

3“牡丹盛開”篇章的實現(xiàn)

國花牡丹，萬花之王，雍容華貴，國色天香，寓意吉祥富貴、幸福美滿。“牡丹盛開”這組畫面，將大小牡丹花以不同的高度、仰角、偏角、偏距安裝在七棵樹上（圖4），動作大開大合，此起彼伏，配合煙花變色，既富麗端莊又不失靈動，正是“唯有牡丹真國色，花開時節(jié)動京城”。

這組裝置中，包含5朵大牡丹花和4朵小牡丹花，以及鑲嵌有花苞、葉子的固定網(wǎng)幕架。大牡丹花重2.8t，分三層花瓣，每層6片，展開直徑約10.6m，合攏直徑約7m，外層花瓣開合62.5°，中層和內層花瓣隨動，全程開合4次。小牡丹花重1.2t，分兩層花瓣，每層6片，展開直徑約7.6m，合攏直徑約4.4m，外層花瓣開合62.5°，內層花瓣隨動，全程開合4次。

在大小牡丹花的設計過程中，采取的設計思路和技術措施如下。

（1）模塊化設計，采用相同的結構形式，便于制作和安裝。底盤統(tǒng)一采用六邊形結構，周邊安裝封閉傳動軸系，傳動軸上安裝六個外層大花瓣。

（2）外層大花瓣呈雙曲面形式，既要美觀，又不能干涉。采用三維動態(tài)設計手段進行花瓣曲面外觀設計，同時進行運動干涉檢查和動力學機構分析，為驅動和傳動機構設計提供參數(shù)依據(jù)。

（3）一臺電機實現(xiàn)18個花瓣同時動作，減少電機數(shù)量，電機不換向。采用曲柄搖桿機構，電機單向連續(xù)旋轉，帶動傳動軸往復搖動，實現(xiàn)6個大花瓣同步往復開合。在底盤上安裝中層、內層小花瓣各6個，外層與中層、中層與內層之間采用雙搖桿機構，通過大花瓣的往復運動帶動中層和內層小花瓣的往復搖擺。

（4）底盤采用鋼結構制作，花瓣采用鋁合金型材折彎焊接，做到輕重適宜。采用有限元分析軟件對花瓣在各個角度、各種負載工況進行計算，確保強度上留有足夠大的安全系數(shù)，但剛度上允許較大的變形（圖5～圖6）。

4電氣控制技術

4.1控制系統(tǒng)總要求

立足穩(wěn)定、可靠、安全，采用成熟可靠的技術和產(chǎn)品。為保障國家大型活動演出成功，必須做到萬無一失，杜絕一失萬無。

環(huán)境適應性強，要求防火、防水、防振、防塵、防漏電、防雷、防靜電、防誤操作，軟硬件系統(tǒng)都要堅固健壯。

4.2技術路線

采取電機驅動雙備份、電氣系統(tǒng)雙冗余的技術路線。

控制站點按樹配置，每棵樹的站點經(jīng)網(wǎng)關集線器獨立分配。過程控制與電氣單動、手動操作相結合，聯(lián)動模式下的全自動過程中，允許對單個設備的啟停進行干預，做到快速、準確的切換操作。同時，在樹底提供就地應急操作功能。

4.3集成與制作

系統(tǒng)整體結構包括UPS不間斷電源、控制核心的操作臺、能量供給的樹下配電箱、遠程站點的樹上控制箱、執(zhí)行驅動的電機和制動器、檢測位置的開關傳感器等。電氣控制系統(tǒng)概略圖見圖7。

動力回路、控制回路、檢測回路、網(wǎng)絡回路等電路電纜，均采用全屏蔽阻燃軟電纜，設備與設備均經(jīng)過電纜兩端的重載連接器和網(wǎng)絡專用連接器進行連接。

操作臺有冗余PLC、觸摸屏、操作界面的操作按鈕、網(wǎng)絡集線器;控制箱有遠程站點、低壓電器及其線路?？刂葡浜团潆娤錇槿荛]箱體。整個系統(tǒng)采用一點接地、一點接零，零地分開。設備、零部件、材料等均采取降額設計，裕量均大于50%。

4.4系統(tǒng)程序軟件

依據(jù)煙花創(chuàng)意腳本，單個設備的運行過程按時間軸統(tǒng)一運行。依照初始狀態(tài)、啟動延時、停頓等參量設置，過程分解為子任務。人機界面設有控制模式、畫面選擇、禁用、狀態(tài)顯示、一鍵啟動、程控單動等操作（圖8）。

5總結

在三維動態(tài)煙花燃放裝置的研發(fā)設計中，始終遵循以下設計原則。

（1）總體：簡單、可靠、安全、穩(wěn)定。

（2）結構：在兼顧安全的要求下，優(yōu)先選用輕質材料（鋁合金），以減輕裝置質量。

（3）機構：減速電機單向旋轉帶動機構實現(xiàn)裝置往復運動;盡量通過機構實現(xiàn)動力和運動傳遞，減少電機數(shù)量。

（4）電氣控制：電氣控制系統(tǒng)盡可能簡化，不使用變頻器、編碼器等設備，盡可能減少制動器、零位開關的數(shù)量。

（5）冗余：所有電機、開關、鋼絲繩、鏈條等都有備份，其他部件有足夠的安全系數(shù)。

（6）操作：合理分塊，便于運輸、組裝、拆卸、吊裝、換藥等操作。

在后期的制作安裝、調試演練、技術保障過程中，確實體現(xiàn)出由于遵循上述設計原則而帶來的各種便利和優(yōu)勢。

（編輯：王芳）