冬奥都闭幕了，你还没搞懂火炬为什么能在水下燃烧？

2月20日，北京冬季奥运会闭幕，奥运圣火也随之熄灭。

那你们知道水下看火焰，这个超现实的场景竟然在北京冬奥火炬传递的过程中出现过吗？

我们来看一张动图。

冬奥火炬由水陆两栖机器人与水下变结构机器人在水下完成传递 / 图源：北京时间

可以看到，飞扬火炬完全浸没在水中，一没足够的氧气，二也没达到燃点，居然没被浇灭。

不是说燃烧三要素（可燃物、助燃物和燃点）缺一不可吗？它的助燃剂是从哪儿来的？又是如何克服冬日冰水的影响，让火焰常燃的。

水火怎么相容？

我们生活中常见的燃烧主要以氧作为助燃物，它包括游离的氧或化合物中的氧。空气中就含有大约21%的氧气，这对于一般的燃烧来说已经非常充足了。

火焰与炒菜 / 图源：纪录片《舌尖上的中国》

俗话说得好，水火不相容，这么矛盾的两个物质在什么样的条件才能共存呢？

水的分子式，大家应该已经很熟悉了，它由一个氧两个氢组成。

前面说过，作为助燃物的氧化剂也可以从含氧的化合物中获取。

真的说过，注意听讲 / 图源：作者自制

既然水是一种由氧元素组成的化合物，那水有没有可能也成为氧化剂，起到助燃的作用呢？

诡异的海底火源 / 图源：《海绵宝宝》

可以是可以，但水是一种化学性质很稳定的物质，水分子中的氧很难被拽出来，除非......

除非换“大力”一点的可燃物，把氧给强行“拽”出来。

确实有一群这样活泼的物质，活泼到可以把水分子中的氢氧根给“拽”出来。

在元素周期表第一列中，如锂、钠、钾、铷、铯的金属单质就以活泼著称

以金属钠为例，看看钠遇水能否发生燃烧？

图源：sohu.com

嗯。。。确实烧起来了。

钠这类碱金属的原子最外层只有1个电子，很容易失去，这种性质叫强还原性。

钠原子结构示意 / 图源：作者自制

因此钠的化学性质非常活泼，能够和大量无机物、绝大部分非金属单质和大部分有机物发生反应，其中就包括水。

不过，活泼到能够从水分子手中把氧给抢过来的物质，其能量也很强，甚至可以说有点能量过剩，使燃烧变成了爆炸，钠的兄弟们遇水后的反应也差不多。

所以，这种产生“燃烧”的方式对于火炬手来说或许不太安全，向水“借”氧这条路目前看来行不通。

火炬还是火箭？

那该怎么办呢？

让我们稍微转换思路，抬高亿点点视角，从冰冷的水面之下来到更加“冷酷”无情、让人“窒息”的太空。

咦？太空？太空可是近乎真空的环境，那不是更加缺少氧助燃了吗？

难道像太阳那样利用核聚变释放光和热？（显然不合理）

太阳是一个巨大的核聚变反应堆 / 图源：BBC

Wait！Wait！Wait！再仔细想想！

其实在近地外层空间中，有一种火焰大家应该不陌生。

天舟三号发射升空 / 图源：中国载人航天工程网

对，那就是火箭引擎喷涌而出的熊熊烈火，即使处于真空环境依然能稳定工作。

这火箭燃烧所需的氧是从哪儿来的？

我们来看看一种液体火箭引擎工作的模式：

一种液体火箭的工作模式 / 图源：https://everydayastronaut.com/raptor-engine

可以看到蓝色区域里写着OXIDIZER......

OXIDIZER？oxygen？难道和氧气有关？

好像发现了一件了不得的事，火箭是自带氧化剂的？！

没错，不同于绝大部分大气层内飞行器靠进气口吞入海量的空气，火箭的燃烧发生在内部，有时还需要到真空环境工作，并且发动机对于氧化剂的需求量要高得多。

通过“自然吸气或是涡轮增压”从大气中获取氧都不太可行，而是需要像燃料一样独立存储氧化剂，点火时再通过输送泵喷洒，将两种液体均匀地混合到一起后点燃，高速喷射。

难道奥运火炬的设计参考了液体火箭的工作原理？

火炬接力手们举着的是一支支小火箭？

窜天猴 / 图源：sohu.com

两者有关燃烧的系统从技术上来说确实很相似，只是在火箭上叫引擎或是发动机，在火炬中叫做“燃烧系统”。

虽然任务复杂程度无法与航天任务的要求相比，但使用场景的特殊性还是要求研发团队做出更符合火炬传递需求的产品。例如：

• 火炬不需要巨大的推力（很显然），那么则不需要使用能量密度太高的液体燃料；

• 火箭在短时间内经历入水、水下接力、出水，工作环境差异多变（应该很显然）；

• 虽然水下助燃剂的问题解决了，但冰水依然有可能侵入燃烧系统（应该很显然），从而影响火炬正常工作；

• 水下传递的火炬手它不是人（很显然），机器人对接操控复杂，火焰传递难度进一步提升。

面对如此多的难题，自然需要“大佬”来解决！

接下来隆重介绍研发“飞扬”火炬燃烧系统的专业团队，中国航天科工集团三院31所。

用航天“心”造奥运火

中国航天科工三院31所，创立于1957年，主要从事飞航动力装置研究。先后承担冲压发动机、液体火箭发动机、中小型固体火箭发动机等系列多个动力装置的研制和生产任务，并从事高科技民品开发工作（2008年北京奥运会“祥云”火炬，正是由该所技术团队承担燃烧系统研制）。

2008年北京奥运航天科工珠峰保障团队（在刘兴洲院士的带领下，研发团队为08年北京奥运会成功研制了火炬、火种灯、引火器和圣火台等系列产品，特种火炬成功登顶珠峰） / 图源：http://www.fhjs.casic.cn/

虽然早在悉尼奥运会和索契冬奥会就曾有运动员在水下进行火炬传递的先例，但在“科技冬奥”理念的指导下，“飞扬”火炬依旧创造了多个第一，世界上首支无烟燃烧的绿色清洁水空跨介质火炬 、首次由两位“机器人”完成水下传递，创造了多项专利技术。

2014年索契冬奥会水下火炬传递 / 图源：Sochi2014

具体采用了哪些新技术呢？

01 采用清洁能源氢气作为燃料

据了解，之前的水下火炬采用固体燃料或有机化合物燃料（将35%丙烷和65%丁烷的混合物作为燃料），存在明显的污染。研发团队此次选择氢气作为燃料，不仅消除燃烧产生的污染，还可以让火焰更具动态、飘逸的美感。

02 新型燃烧组织结构和气动旋流火焰结构

为了让气体燃料在水下稳定燃烧，同时克服水压和水流扰动的影响，设计人员借鉴了航天发动机的设计理念。

燃烧器采用燃料和氧化剂的多层喷注设计，火焰的中心通过预混燃烧提高火焰温度，火焰的周围采用类似航空发动机气膜式热防护的方法形成一个动态的“保护罩”，克服了绿色能源在水下燃烧困难的技术难题。

03 双模态燃烧机制

为了保证火焰在空气中和水下的美观、以及冬季严寒条件下的长时间工作，水下火炬还自带了“大气火焰和水下火焰双模态燃烧机制” “燃料热管理技术”等关键技术。火炬在下水前会进行自主补氧，保证水下助燃剂能够自给自足，出水后则切换为大气供氧的模式。火炬甚至拥有在真空中燃烧的能力。

麻雀虽小，五脏俱全。可以说，“飞扬”从技术原理上看水下火炬就是一个小型的气体火箭发动机，

当然，如此复杂的大系统是由各个子系统组成的，成功的背后还站着许许多多个“大佬”。

空天材料“氢”力相助

31所的兄弟单位，航天科工三院306所同样承担着重要的任务。

306所是专门负责航空航天相关新型材料研发的单位。在让大家倍感自豪的“天问一号”任务中，为着陆的火星车保驾护航的新型隔热保温气凝胶材料，就是由306所自主研发的，避免其受到极端温度的伤害。

气凝胶 / 图源：北京青年报官网

而在此次“飞扬”火炬任务中，306所的团队负责火炬储气瓶的设计制造。别看就是一金属小瓶子，它也是妥妥的黑科技。

储气瓶的几大挑战：

为了保证火炬手持的舒适性，其内部留给储氢气瓶的安装空间十分狭小；为最大可能降低火炬整体重量，储氢气瓶重量要求控制在400g范围之内（一个鸡蛋大约60g）。 在气瓶体积和重量严重受限的情况下，为保证不低于5分钟的燃烧时长，必须使气瓶使用压力达到42兆帕（1兆帕约等于9.86个标准大气压），而为了保证其安全可靠，其极限压力更是达到了惊人的126兆帕（马里亚纳海沟压强约为111兆帕）。 此外，由于氢气分子质量轻、体积小极易引起渗漏，对气瓶密封、耐压等方面的要求在可燃气中也最为严苛（氢渗透）。 根据整个火炬研制周期安排，研制团队需要在短短1个月的时间内拿出首批试制储氢气瓶（一个月可能还不够做寒假作业）。‍

那又是怎么解决的呢？

首先，306所采用双旋轮对轮旋压专利技术进行内胆壁厚仅1mm的超小口径、超薄壁内胆收口成型，解决低刚度气瓶内胆无缝成型难题，进而降低气瓶重量、提高密封性和可靠性。

旋压技术示意 / 图源：DISCOVERY纪录片

“飞扬”火炬储氢气瓶内胆收口旋压 / 图源：http://www.fhjs.casic.cn/

接着，团队采用超高性能的航天级碳纤维材料进行缠绕，在满足气瓶使用压力42MPa、极限爆破压力126MPa的严苛要求的同时，减少材料重量，缩小气瓶体积。

“飞扬”火炬储氢气瓶内胆碳纤维缠绕 / 图源：http://www.fhjs.casic.cn/

最后，按照航天“零缺陷”理念设计系统的检测、验证方案，全力确保产品的可靠性。在高度接近真实情况的数值模拟基础上，高效统筹原材料供应、生产试制及各级试验检测等环节和资源。

306所创新研发的轻量化高压储氢气瓶，通过了最严苛的考验，于2021年9月交付首批，并顺利通过现场试装及火炬燃烧试验考核，实现了 “氢”舞“飞扬”。

在火炬顺利传递的背后，我们看到的是科技冬奥的体现，北京冬季奥运盛会虽然即将落幕，圣火也终将熄灭。但圣火仍会重新燃起，由科技之火点燃，由不灭的真理之火点燃。

参考文献

[1] 中国航天科工三院306所《航天技术共舞“飞扬” 空天材料“氢”力相助》http://www.fhjs.casic.cn/n7160835/n7161141/c22804455/content.html

[2] 三院航天“心” 再托奥运“火”，“水火相容”闪耀北京冬奥

作者：上海科技馆展教中心课程教育主管 蔡一超

编辑：一人白

鸣谢：中国科学院上海天文台研究员 刘庆会 为本文提供科学指导

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本文转载自《上海科技馆》微信公众号