浅析北京奥运火炬燃烧技术

燃 烧 的 梦 幻——浅析北京奥运火炬燃烧技术物理学院 班博颢关键词：火炬 文化 燃料 技术2008年8月8日，这个特殊的日子将永远被所有人所铭记。

112年来第一次，奥运的圣火在东方这片辽阔而神奇的土地上熊熊燃起，圣洁的五环旗帜在文明古国的夜空中徐徐飘扬，共同见证了中华民族百年奥运梦想的实现。

这一辉煌的时刻映射出这个曾经多灾多难的国家今日的繁荣与强大。

奥运的历史从此进入了新的篇章，人类的史册上从此留下了属于中国人浓重而光辉的一页。

当我们仰望圣火盆中象征激情与勇气的冲天烈焰，脑海中总会浮现出那红色祥云之上洋溢着热情与希望的火苗在一位位不同性别，不同年龄，不同国籍的火炬手手中一路传承，游历五湖四海，将光明与祥和洒遍世界每一个角落的动人场景。

作为奥运传统中最古老的部分，圣火的传递象征着奥运精神对人类的鼓舞与启迪，是奥运会最引人注目的元素之一。

而奥运火炬的设计制作也自然成为与此关联最紧密也最重要的技术保障。

圣火的传递是一项全球性的活动，途中需要横跨辽阔的地域，历经多变的气候与天气状况。

恶劣的自然条件以及各种人文不确定因素都有可能成为威胁火炬传递的隐患。

因此，传递活动对奥运火炬拥有极高的技术要求。

如果说新时代的奥运精神是“更高、更快、更强”，那么新时代的奥运火炬则要求“更安全、更轻盈、更环保”。

具体来说，首先，火炬在传递过程中要始终保持燃烧状态，其次，火炬要易于传递，最后，火炬要符合环保标准。

寥寥数语的要求无疑蕴含着巨大的困难。

然而北京奥运会使用的火炬经过了科学、严格而细致的设计，拥有高额技术含量，成功突破了各道技术难关。

在它的呵护下，圣火经受住了重重考验，在世人的瞩目中胜利抵达了终点。

一、文化内涵传递环节的文化内涵是火炬设计要考虑的第一要素。

作为一项仪式，圣火的传递应当重点突出“光明、和平、友谊、进步、和谐”的奥运精神和主办国独有的文化风情。

火炬外观的设计要鲜明而醒目，能够在人数众多的传递现场脱颖而出，向注视它的人们彰显自身的文化内涵与精神底蕴；火炬的形态设计则要符合人体工学原理，尽量让身体条件各不相同的火炬手都能舒适地传递；而在制作工艺方面则要求火炬安全、坚固、耐用，使用的材料必须符合环保标准。

北京奥运会火炬外型的设计采取了征集方案的形式，最终选择了联想(北京)有限公司创新设计中心的设计方案。

本届奥运火炬的设计明显区别于以往，整支火炬外形修长，线条流畅，造型略微弯曲，远远望去酷似中国古典的纸卷轴，这一造型设计自然取材于属于中国古代四大发明之一，为世界文明的传播做出了卓越的贡献的纸，它具有深厚的文化内涵，是极具代表性的中国元素。

火炬的主体以银红两色为主，上半部以银色为基色，立体浮雕有红色祥云花纹，顶端印有奥运五环标志、会徽“中国印”及“Beijing2008”的字样，下半部则全部为中国红色。

其中，花纹的灵感来自“渊源共生，和谐共融”的“祥云”图案，这一具有悠久历史的图样也是典型的中国文化符号。

而火炬主体上源于汉代的漆红色不但强烈突出了颜色上的中国特征，红银色彩的对比同时也产生了显著的视觉效果。

因此，这只充满中国文化气息的火炬最终被命名为“祥云”。

祥云火炬上下比例分割均匀，祥云图样和立体浮雕式的工艺使整个火炬高雅华丽、内涵厚重。

火炬总长72厘米，重985克，制作材料采用了可回收的轻薄高品质铝合金和中空塑件，符合环保标准。

工艺方面则综合使用了锥体曲面异型一次成型技术和铝材腐蚀、着色技术。

整支火炬体积小巧，质量轻盈，下方的手持部喷涂有高触感塑胶漆，手感舒适易于持握，任何身体条件的人都能轻松传递。

尤其值得一提的是，北京奥运会火炬完全是自主设计研发的产物，中国对此拥有全部的知识产权。

二、燃料选取燃烧依靠燃料，火炬燃料的性能直接决定了火焰的质量和燃烧效果，对火炬的工作状态也有一定程度的影响。

因此，燃料同属火炬设计工作中一道重要的环节，需要慎重考虑，科学选择。

首先，火炬燃料要能在充分燃烧的基础上最大程度地保持火焰温度，维持火焰的颜色和亮度，取得良好的燃烧效果；其次，燃料要拥有优良的物理性质，对多变的外界条件有良好的适应性；最后，燃料应当质量轻盈，易于储存。

除此之外，燃料的安全性能也同样是一项重要的指标。

奥运火炬的燃料一般分为液态、固态、固液混合三种。

奥运历史上，三种的燃料都曾有所采用。

1936年柏林奥运首次使用了以固体镁作为燃料的奥运火炬。

镁燃烧时能放出耀眼的光芒，火焰明亮，燃烧效果好，因此，1948年伦敦奥运会和1952年赫尔辛基奥运会采取了相同的选择。

但是，固体燃烧生成的高温氧化物粉末会从火炬上部散落，容易使传递者受到伤害。

1956年墨尔本奥运会，采用镁和铝做燃料的最后一棒火炬落下的氧化镁、氧化铝灰烬灼伤了传递者，因此，1960年罗马奥运会的火炬改用天然树脂松香作燃料。

到了1972年慕尼黑奥运会时，火炬设计者首次尝试了气态燃料，这次的火炬燃料选用了能持续燃烧20分钟的液化气，而1976年蒙特利尔奥运会的燃料则回归到了经过特殊处理的橄榄油。

自从1984年洛杉矶奥运会至今，除2004年雅典奥运会采用丙烯和丁烷的混合物外，奥运火炬采用的燃料都以丙烷作为主要成分。

性质决定用途。

丙烷的分子式为C3H8，属于非极性分子，碳原子以sp3杂化轨道成键，分子量为 44.10 。

纯净的丙烷没有气味，微溶于水。

在273.15K，一个标准大气压下，丙烷为无色气体，熔点为85.55K，沸点为231.05K，燃烧热可达2217.8 KJ/MOL，爆炸上限为9.5，爆炸下限为2.1 。

在空气中稳定燃烧，方程式为C3H8 + 5O2 =点燃= 3CO2 + 4H20。

化学性质方面，丙烷自身稳定，碳氢比高，燃烧热大，在空气中燃烧生成亮黄色火焰，无论是在强光还是日照条件下都比较醒目，且燃烧产物仅为水和二氧化碳，不会对环境造成污染。

物理性质方面，丙烷的沸点低，普通条件较难液化，极端自然温度和压强下也能保证燃料供应正常，对环境适应性好。

正因为这些出色的物化特性，北京奥运会将纯丙烷作为了最终的燃料方案。

三、燃烧工艺飘逸的祥云在人们眼中化成了一道靓丽的风景，奔腾的圣火沿着传递路线一路舞动，向人们播撒着欢乐与热情。

充满活力的烈焰自然拥有一颗强健的心，华美的外观下火炬先进的燃烧系统造就了火焰豪迈的激情。

作为火炬的核心技术保障。

燃烧系统直接决定着火炬的性能，火炬的技术水平很大程度上也由燃烧系统的设计工艺来衡量。

睿智的中国科学工作者们出色地完成了这一关键部位的设计任务，在奥运历史上创造性地解决了一系列世界性的难题，制造出了一支充满中国特色，具有世界领先水平的奥运火炬。

性能优异的燃料从性质角度确保了理想化燃烧的可能性，火炬的燃烧系统则从工艺层面实现了一切美好的愿景。

祥云火炬的燃烧系统采用航天科工集团的设计方案，研发过程综合空气动力学、材料科学、流体力学、热力学、制造学等多项技术学科，同时融合了我国先进的火箭发动机技术，将火炬燃烧的稳定性提升到了前所未有的新高度，充分彰显了中国新时代的技术水平。

祥云火炬的燃烧系统由火炬上部的燃烧器和下部的燃料供应装置组成。

其中，燃料供应装置自下而上包含燃料罐，多功能稳压装置和回热管道三重体系。

作为燃料的丙烷全部以液态形式储存在燃料瓶中。

为增加燃料储量，提高安全性能并与火炬外形匹配，燃料罐由整块耐高压材料经由无缝冷拉工艺直接制作成型，瓶壁厚度小于一毫米，长细比为7.5，但却可以承受高达14兆帕的压强，在极端外部环境下也十分安全。

多功能稳压装置与燃料罐以螺纹接口的方式紧密相连，不但实现了精确定位密封，同时也增加了装置的可靠性。

液体丙烷从燃料罐中被直接抽入稳压装置，之后因温度和压强的剧变而汽化。

稳压装置在此过程中起到减压和稳压的作用，维持稳定的燃料流量。

除此之外，稳压装置上还集成有火炬开关，而气相稳压技术的应用则使稳压装置具备了应急保护的功能，即使火炬跌落也能保持圣火的正常燃烧。

而回热管道则环绕在整个燃烧系统周围，稳压装置流出的气态燃料首先经由燃料分配器进入回热系统，利用火焰的热量对燃料罐进行加温，之后才会抵达燃烧器。

这一过程同时也提高了管内气体的温度，防止低温状态下燃料蒸汽压降低影响燃烧性能，保证储存的燃料能够得到充分利用。

作为产生火焰的核心部件，燃烧器的设计历来是火炬制造的核心。

为了获得维持而稳定的火焰，在燃料充分供应的基础上，燃烧器要拥有可靠的防风系统和应急装置，以防圣火意外熄灭。

近几届奥运会火炬都采用了保持燃烧的先进技术。

1996年亚特兰大奥运会的火炬在燃料喷口处采取了散射式燃烧技术，同时配备有源自洛克希德公司的飞机发动机技术的最新式防风系统，而2004年雅典奥运会一体化的火炬则装备有独特的燃烧室和自燃保护装置，火焰即使熄灭也能在燃烧室中被重新点燃。

与以往的设计方案相比，北京奥运会火炬的燃烧器博采众长，同时却更为别具一格。

祥云火炬同时拥有预燃室和主燃室两套燃烧系统，在火炬设计的历史上首次采用了预燃火焰与主燃火焰相结合的“双火焰”式结构。

稳定供应的燃料在经过回热后会以接近1：2的比例分别被送入预燃室和主燃室进行燃烧。

预燃室位于燃烧器下部，燃料供应部位采用了喷气式发动机的引射原理，当位于底部中心的喷嘴喷射出气态燃料时，气体的流动使压强减小，带动大量空气沿喷嘴周围的进气道涌入，与燃料充分混合，之后混合气体才会被点燃。

预燃火焰总体呈亮蓝色，火焰形状小，温度高，隐藏于火炬内部，不受外界环境影响。

而主燃室位于燃烧器上部，与预燃室相比，燃料喷出后并不与空气预先混和，而是经过充分的自然扩散后再点火燃烧，生成温度稍低，但视觉效果良好的橙色火焰，其高度和亮度都有充分的保证。

“双火焰”结构将稳定的预燃火焰设置为火炬的核心火焰，即使上层主燃火焰意外熄灭，下层的预燃火焰也能立即将其重新点燃，这一设计为圣火的持续燃烧提供了安全而可靠的保障。

最终，前卫的设计理念和一系列先进技术的采用使得北京奥运会火炬在正常状况下能够维持25-30CM的火焰高度，并能在每小时40英里的强风和降雨量接近2英寸的暴雨中持续燃烧，同时对温度拥有宽广的适应范围，并具备可靠的应急保护功能，为圣火的成功传递提供了核心保障。

在北京奥运圣火传递的路线中，珠峰的圣火传递尤为引人瞩目。

让圣火抵达世界最高峰是既悉尼奥运将圣火的光芒引入大海，雅典奥运让圣火的足迹走遍全球之后，北京奥运对这项神圣运动的独特贡献。

然而，主脉平均海拔超过6000米的喜马拉雅山脉上严酷的自然条件却对圣火的传递造成了巨大的困难。

与平原地区相比，火炬在珠峰的传递面临着一系列具有高原特征的气候挑战。

珠穆朗玛峰上空气中氧气含量仅占零海拔地区氧气含量的20%，气压仅占零海拔地区的50%，而气温往往低达零下30摄氏度，温度、压强、氧气这三项维持燃烧必不可少的条件都得不到充分的保证。