冰火相約，激情飛揚(yáng)
——揭秘“飛揚(yáng)”火炬里的科技與文化元素

河北省承德市營(yíng)子區(qū)教體局 張學(xué)軍

2022 年2 月4 日晚8 點(diǎn)，萬(wàn)眾矚目 的第24 屆冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)開(kāi)幕式在中國(guó)北京國(guó)家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）拉開(kāi)帷幕。人們?cè)谛蕾p以“構(gòu)建人類命運(yùn)共同體”為核心表達(dá)，融入科技創(chuàng)新、低碳環(huán)保和運(yùn)動(dòng)健康理念的美輪美奐的視覺(jué)盛宴的同時(shí)，也關(guān)注到了另一個(gè)極具視覺(jué)沖擊力的亮點(diǎn)——“飛揚(yáng)”火炬。

氫氣作燃料，還為火焰“上了色”

北京冬奧會(huì)一改往屆奧運(yùn)會(huì)用丙烷作火炬燃料的通用做法，改用氫氣作燃料。氫氣是最清潔環(huán)保的燃料，燃燒的產(chǎn)物只有水，沒(méi)有二氧化碳，能實(shí)現(xiàn)完全的零排放，并充分體現(xiàn)北京冬奧會(huì)低碳環(huán)保的理念。那將氫氣作為燃料，需要破解哪些難題呢？

首先是火焰的顏色。我們都知道氫氣的火焰是無(wú)色的，若選用這樣的奧運(yùn)火炬肯定不能滿足大家視覺(jué)和拍攝的需求。這里給同學(xué)們補(bǔ)充一個(gè)高中階段的化學(xué)知識(shí)——焰色反應(yīng)，它是指某些金屬或它們的化合物在無(wú)色火焰中灼燒時(shí)使火焰呈現(xiàn)特殊顏色的反應(yīng)。其中，鈉（Na）為黃色、鋰（Li）為紫紅色、鉀（K）為淺紫色、銣（Rb）為紫色、銫（Cs）為紫紅色、鈣（Ca）為磚紅色、鍶（Sr）為洋紅色、銅（Cu）為綠色、鋇（Ba）為黃綠色。節(jié)日或其他喜慶日子燃放的五顏六色的煙花，就是根據(jù)不同顏色的需要，在火藥中加入上述不同金屬化合物，從而產(chǎn)生五彩繽紛的效果的。在“飛揚(yáng)”火炬的研制過(guò)程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用焰色反應(yīng)研發(fā)了一種可以調(diào)節(jié)氫氣火焰顏色的配方，讓它在日光下具有可見(jiàn)的火焰顏色。

第二是火焰的穩(wěn)定性問(wèn)題。在冬奧會(huì)的火炬?zhèn)鬟f過(guò)程中，會(huì)遇到很多高速風(fēng)或者大風(fēng)的環(huán)境。研發(fā)團(tuán)隊(duì)解決了火炬在時(shí)速100 千米的大風(fēng)中的燃燒穩(wěn)定性問(wèn)題。

第三是高壓儲(chǔ)氫問(wèn)題。手持火炬的內(nèi)部空間是非常狹小的，在這樣一個(gè)空間里，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)高達(dá)幾百倍的大比例減壓，也是一個(gè)非常難的問(wèn)題。因此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制了一款輕量化、小型化的氫氣減壓裝置，來(lái)對(duì)高壓的氫氣進(jìn)行減壓。

碳纖維作外殼，還為外殼穿“護(hù)身甲”

以往奧運(yùn)會(huì)的火炬都是金屬材料。北京冬奧組委提出一個(gè)新概念：用新材料。專家認(rèn)為碳纖維很合適，能夠替代傳統(tǒng)金屬材料。那么，什么是碳纖維？它有什么特點(diǎn)呢？

碳纖維，顧名思義就是含碳的纖維。它的含碳量非常高，達(dá)到90%以上。碳纖維的密度只有鋼的1/4，強(qiáng)度卻是鋼的6～7 倍，這樣計(jì)算下來(lái)，碳纖維的比強(qiáng)度（強(qiáng)度除以密度）就是鋼的20 倍以上。因此，“輕而強(qiáng)”是碳纖維的最大特點(diǎn)。同時(shí)，它既耐腐蝕又耐各種環(huán)境，是一個(gè)高科技的產(chǎn)品。

然而，碳纖維要跟樹(shù)脂復(fù)合做成復(fù)合材料，才能做出火炬的形狀。復(fù)合材料要實(shí)現(xiàn)耐火、耐溫，對(duì)技術(shù)的要求非常高。上海石化牽頭多家科研單位共同研發(fā)了新型復(fù)合材料，讓碳纖維外殼無(wú)懼火煉，在解決復(fù)雜難題的同時(shí)，兼顧了輕量化、小型化的要求。

具體的研發(fā)過(guò)程有如下步驟：第一是它的編制。研發(fā)人員用的是三維編制的方法，它是當(dāng)下最先進(jìn)的技術(shù)，能夠編制出各種形狀，而且可以按照設(shè)計(jì)師要求的尺寸進(jìn)行編制。這是碳纖維成型過(guò)程中的一個(gè)技術(shù)突破。第二是它的模具設(shè)計(jì)。成型模具的設(shè)計(jì)要用到組合型的模具，即各種特殊設(shè)計(jì)的模具，這是為了滿足不同曲面成型的要求。第三，就是選用一種非常特殊的可以耐高溫的樹(shù)脂。最后，樹(shù)脂的成型技術(shù)也是專門為它開(kāi)發(fā)的。

所以，“飛揚(yáng)”的外殼是由碳纖維及其復(fù)合材料制造而成，呈現(xiàn)出了“輕、固、美”的特點(diǎn)，突破了碳纖維復(fù)合材料在極端條件下的應(yīng)用瓶頸。

火炬燃燒像火龍，自下而上“盤旋走”

傳統(tǒng)的火炬燃燒就是一團(tuán)火，而“飛揚(yáng)”火炬的燃燒方式也是特別創(chuàng)新的：火焰像火龍一樣盤旋向上，火焰的大小可以通過(guò)一些設(shè)計(jì)的小細(xì)節(jié)來(lái)控制，從小慢慢變大，所以到頂端的時(shí)候就會(huì)變得更有活力。

外觀設(shè)計(jì)有內(nèi)涵，奧運(yùn)文化“巧融合”

“飛揚(yáng)”火炬的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)的精神。同時(shí)，它還體現(xiàn)了北京的地域特點(diǎn)、中國(guó)風(fēng)格。例如，造型上的祥云圖案向上延伸，逐漸向雪花圖案的一個(gè)過(guò)渡，就體現(xiàn)了人文北京的風(fēng)格；又如，火炬的色彩是紅色漸變到銀色，這兩個(gè)主色象征了“純潔的冰雪，激情的約會(huì)”，是冰和火相交融。整體有一個(gè)紅色的主線，從頂部到底部，貫穿了整個(gè)火炬。線條本身非常動(dòng)感，有點(diǎn)像賽道，也有山巒的感覺(jué)，還有點(diǎn)像長(zhǎng)城，這暗示了主辦地的環(huán)境。

“飛揚(yáng)”火炬的外觀設(shè)計(jì)上，祥云傳達(dá)吉祥的寓意，是2008 年北京奧運(yùn)會(huì)的延續(xù)；雪花則表現(xiàn)冬奧會(huì)特征，是2022 年北京冬奧會(huì)的創(chuàng)新。

火炬交接時(shí)，兩支火炬的頂部可以緊密相扣，這既是設(shè)計(jì)上的奇妙創(chuàng)新，又象征著不同文明交流互鑒、讓世界更加相知相融的冬奧愿景。

國(guó)際奧委會(huì)執(zhí)委會(huì)盛贊“飛揚(yáng)”火炬的設(shè)計(jì)，稱它既有文化傳承又有科技創(chuàng)新。這不僅是對(duì)我國(guó)崇尚奧運(yùn)精神的盛贊，更是對(duì)“執(zhí)著專注、精益求精、一絲不茍、追求卓越”的中國(guó)工匠精神的致敬！