冬奥火炬的详细参数 详解冬奥火炬飞扬

来源：中国石化

​​2021年2月4日，北京2022年冬奥会和冬残奥会火炬——“飞扬”问世。中国石化不仅全程参与火炬研发制作，还以北京冬奥会官方合作伙伴的身份，承担了火炬外飘带研制和整个火炬的量产任务。

中国石化上海石化作为火炬总成单位，除了提供碳纤维，还组织部件加工企业统筹推进，一个集部件制作、终端检测、产品交付于一体的总流程，在位于上海、北京、江苏、广东、河北等地的五大基地迅速建立并快速运转起来。

“飞扬”火炬不仅美，更重要的是兼具实用性。要耐火抗高温，而且要在极寒天气中能用，如何承受“冰与火”的双重考验？……种种挑战接踵而来，各种“黑科技”轮番上场“助攻”。

如果把火炬拆分开来，主要分为3个部分：外飘带、内飘带和氢气燃烧装置。每一个部分都“大有乾坤”。

外飘带

如果将冬奥火炬外飘带比作“钢筋混凝土”，那么碳纤维是“钢筋”，树脂则是“混凝土”。上海石化与中核集团核八所共同攻关，引入高性能树脂，与碳纤维一起做出了碳纤维复合材料。

往届奥运会的火炬外壳燃烧段一般采用金属制作，例如钢、铝合金等，但此次首次使用碳纤维复合材料制作的火炬外壳，不仅造型美观、手感舒适，而且与金属材质相比，重量减轻了30%左右，兼具轻、固、美的优点。

科技亮点

●树脂“加盟”破解耐高温难题

火炬的火从内部燃烧而出，一般的复合材料都经受不住高温的考验，一到500摄氏度就烧没了。碳纤维复合材料本身强度高、热膨胀系数小，但耐温一般不超过250摄氏度，因此最大的问题在于如何做到保证火炬耐燃烧且表面不开裂、起泡。

攻关团队通过工艺调整，将火炬上半段燃烧端在1000摄氏度以上高温中进行陶瓷化，有效解决了在高温制备过程中火炬外壳起泡、开裂等难题，达到了既能够耐高温又能够耐火的要求，实现了火炬在燃烧温度高于800摄氏度的氢气燃烧环境下正常使用。

●分段制作兼具实用美观

冬奥会火炬外飘带有“中部大两头小”特点，根据火炬外飘带耐燃烧及脱模的需求，攻关团队将火炬分为两段——上段燃烧段和下段普通段。上段采用陶瓷基复合材料，耐高温性能优异，可满足火炬在燃烧环境中使用；下段采用树脂基复合材料，力学强度高，可满足火炬的整体使用强度。上下段采用胶接的方式，形成火炬整体外飘带预制件。

为稳定控制外飘带上端尺寸，攻关团队采用了缠绕定性的方法制备出胚体，再进行数控机床加工得到火炬上端造型，最后用浸渍及陶瓷化工艺对胚体进行增密。在陶瓷化期间，他们采用三维坐标扫描测试和石墨工装定型的方法，解决了材料在成型过程中收缩变形的问题，得到了与设计尺寸一致、稳定的上端制件。

外飘带下端采用RTM工艺制备树脂基复合材料。攻关团队通过优化模具结构设计及成型工艺参数，使树脂在模腔内充分浸润，获得了表面光洁度好、尺寸精度高的外壳下端样件。

●高温银漆喷涂满足燃烧需求

陶瓷化材料孔隙率高，不利于喷漆。攻关团队通过反复浸渍工艺，获得了高密度的预制件；通过对预制件表面精磨、采用抛及连接封孔技术等措施，获得了高质量的表面；采用薄喷高温银漆的方式，解决了燃烧过程中表面易开裂、凸起、起泡等问题，满足了高温燃烧需求。

●三维编织让造型更为飘逸

为实现“飞扬”火炬旋转上升的造型，攻关团队几经周折，慕名找到东华大学三维编织团队。200多锭碳纤维从经向、纬向、法向3个维度像编织羊毛衫一样，成功塑造出如丝带飘舞的优美造型，而且织成的火炬外壳浑然一体，看不出丝毫接缝与孔隙。

●引入自动化设备确保图案清晰、颜色一致

外飘带制作的最后一步是镭雕、自动喷漆等工序。在激光加工前，火炬外飘带的外表面只有一层银色涂层，还需喷涂一层底漆、中间银漆、渐变色漆，这就要求激光雕刻的深度必须控制在稳定范围内。若加工深度过大，在露出基底的图案处，后喷的几道漆总厚度可能无法完全遮住基底，会形成缺陷；若加工深度过小，涂层的厚度可能会填满图案区域，将造成图案不清晰、不完整，甚至无法辨识。攻关团队根据外飘带表面的不规则变化，通过制定特殊的镭雕机器程序，实现了镭雕深度的有效控制。

此外，自动喷漆技术的使用，减少了人工干预，有效保证了火炬整体外观颜色的一致性和稳定性。

●深化设计体现人性化思考

在完成外飘带制作的基础上，攻关团队进一步深化设计，从使用者的舒适感、便利性等方面考虑，采用旋转拔插的方式连接内外飘带，并在外飘带内侧增加卡扣，以固定内飘带位置。同时，为体现残奥精神，他们还采用CNC工艺在残奥火炬底部雕刻了盲文，让“飞扬”更增添了人性化的关怀与尊重。

知识科普

RTM技术：树脂传递模塑（RTM）成型工艺是一种环保高效、成本低、高精度的闭模成型工艺。RTM的工艺过程是在一定温度压力下，低黏度树脂、固化剂及催化剂的树脂体系通过注射设备注入已放置好增强纤维预制体的闭合模具中，经过树脂的流动使纤维增强材料完全浸透，固化后脱模可得到先进树脂基复合材料。

三维编织技术：使用球面三环编织机，采用特殊的控制方式及增纱与减纱工艺来实现不同截面、不同壁厚的织物编织。在编织过程中，要对纱线上的张力进行实时检测与调控，结合所设计的锭子特定运动方式，达到厚度、截面大小不同的碳纤维预制体稳定高效编织的目的。

镭雕技术：也被称为激光雕刻，是一种基于数控技术和热效应、以激光为媒介的冷加工技术。

自动喷涂技术：采用机器人自动喷漆的方法，主要包括自动除尘、机器人自动喷涂、烘干等工序。

内飘带

火炬内飘带由内飘带主体、格栅、燃烧管、卡扣等四部分组成，主要采用了3D打印、打磨、喷砂等技术。

为100%还原设计师“飘”和“亮”的理念，除了颜色上要呈现出“中国红”，内飘带的形状还要表现出“国旗在空中飘扬”的感觉，有丝绸般的顺滑质感。同时，为保证内飘带在800~1000摄氏度高温下5~10分钟不变形，攻关团队需在其表面均匀地薄涂纳米级陶瓷涂层，这就要求内飘带基材一定要做到零瑕疵。

科技亮点

●传统工艺实现“丝滑”质感

3D打印的材质本身表面很粗糙，因此，在火炬内飘带的制作上要去除这种“原汁原味”才能保证效果。攻关团队经过多方研究，决定采用传统手工工艺进行打磨，用做工艺品的匠心来实现工业品的量产，最终呈现出内飘带的“丝滑”质感。

●精准制作让火炬完美“复刻”

手工打磨让内飘带更飘逸，但也带来了制作成品难以保证完全一致的问题。在打磨厂车间琢磨了几天之后，攻关团队摸透了内飘带3D打印坯件的内部结构，根据合格品的制作过程，编写了精确细致的工作手册，分发给负责打磨的师傅，并统一进行培训和试制，确保坯件打磨、抛光过程万无一失。

新闻链接

参与内飘带制作的北京圣火传承公司，自2001年广州九运会起，已多次承担火炬生产任务。2008年北京奥运、2010年广州亚运会、2019年武汉军运会，该公司都是手持火炬整体和核心配套设备的制造单位。

燃烧装置

除了内外飘带，冬奥火炬的燃烧装置也有很多意想不到的“黑科技”。

火炬的内部空间比较狭小。当氢气燃烧时，要在这样小的空间内将瓶内压力从420公斤力/平方厘米减为接近标准大气压（约1公斤力/平方厘米），难度着实不小。

为实现高达几百倍的大比例减压，中国航天科技集团研制出一款轻量化、小型化的氢气减压装置，并解决了火焰颜色与稳定性、高压储氢、氢能安全利用等多项技术难题，极大地提高了“飞扬”燃烧装置的安全可靠性，使其抗风能力达到了10级，能在极寒天气中使用。

●氢气“染色”提升观看体验

北京冬奥会践行绿色办奥理念，火炬采用氢气作为燃料，实现了“零碳排放”。但氢气燃烧的火焰是接近透明的淡蓝色，在日光下很难被观察到。

为了让观众能更好地看到火炬燃烧时的火焰，火炬研发团队在红色内飘带的格栅处涂了一层显色剂（主要成分是含钠元素的盐，钠元素在被火焰灼烧时会呈现黄光）。当火焰流经显色剂时会发生焰色反应，原本淡蓝色的火焰变为鲜艳明亮的金黄色，更容易被观察到。

●严格检测让“飞扬”如期绽放

在“上岗”前，“飞扬”经过了一轮又一轮严格的检验检测。在中国特检院和航天科技101所，冬奥火炬经过了在静态、风中、雨中、风雨交加、交接等多种场景的燃烧试验，随后又完成了热态水平跌落、热态竖直跌落等测试，其燃烧时间、火焰高度等测试结果均满足奥组委要求。

对于量产，最大的难度是要保证每把火炬的外形尺寸统一且满足性能要求。因此，与单个试装测试不同，火炬量产测试还需进行质量一致性的试验，比如型式试验、批量抽检、逐个检验等，以保证火炬安全燃烧的功能。

相关技术

超薄壁气瓶内胆制造技术：实现了壁厚0.9毫米超薄壁内胆整体制造，解决了封头和封底增厚及瓶口复杂结构难题。

低刚度气瓶内胆热处理技术：通过特殊工装及专用热处理工艺设计，实现了超薄壁气瓶内胆热处理变形控制。

超小容积气瓶缠绕设计技术：通过仿真分析、数模等手段，实现了带封底、封头超小容积气瓶缠绕线型设计、校核等关键技术。

超薄气瓶缠绕技术：设计专用缠绕、固化工装，解决了超薄壁、低刚度气瓶整体缠绕的难题。

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