2月2日，神聖的北京冬奧會和冬殘奧會火炬傳遞活動正式開始。冰火相約，氫舞飛揚。中空開放的形態、純氫燃燒零碳排放、內外飄帶纏繞、碳纖維材料首次應用……所有元素統一於火炬這個光明而充滿生機的意象，讓人不得不稱讚，“飛揚”火炬真是集“科技”與“美貌”於一身！
“飛揚”火炬暗藏哪些黑科技？科技日報記者專訪科技冬奧重點專項“冬奧會手持火炬關鍵技術系統”項目負責人、航天科技集團六院11所（京）熱能工程（節能環保）事業部總經理宋曉峰，為大家揭秘北京冬奧會火炬“飛揚”背後的科技含量！
科技日報記者：奧運聖火是奧林匹克精神的象徵，聖火傳遞則是奧運會召開最重要的儀式之一。2022年北京冬奧會火炬“飛揚”在外觀、結構、功能等方面有哪些獨特的創新之處？
宋曉峰：當我們看到火炬“飛揚”時，最吸引大家的應該是它絢麗的外觀和驚艷的設計。火炬的“高顏值”與它動感的造型關係密切，它是由兩條“飄帶”組成，銀白色的部分被稱作外飄帶，紅色的部分被稱作內飄帶，兩條飄帶相互纏繞，向上飄舞，激情昂揚！
很多觀眾第一次見“飛揚”火炬都會納悶兒，造型上看並沒有出火口，火焰是從哪裡冒出來的？答案就在內外飄帶的間隙里。火炬在設計時有一個浪漫的想法，火焰的造型作為火炬外形的延伸與火炬完美融合在一起。除此之外，還有一個引人注目的特點是，“飛揚”火炬採用的燃料不是傳統燃料丙烷，而是氫燃料，可以說“外有顏值，內有科技”。
科技日報記者：北京冬奧會火炬傳遞時天氣嚴寒，各賽區不僅寒冷多風，還有可能遇到降雪天氣。請問“飛揚”火炬燃燒系統是如何實現抗拒風雪的同時還能達到燃燒穩定、外形美觀？
宋曉峰：冬奧會與夏奧會不同，火炬工作的環境溫度很低，我們選用的高壓儲氫方案，具有天然的低溫優勢，能夠保證火炬在低溫環境下穩定釋放氫氣。
在延慶賽區、張家口賽區，火炬傳遞時的溫度有可能達到-20攝氏度甚至更低。為保證火炬傳遞萬無一失，設計之初我們就提出在極限低溫-40攝氏度時火炬燃料依舊能穩定燃燒的要求，這是合金儲氫方案、丙烷燃料方案所無法很好適應的。
高壓儲氫雖然工藝難度更大，但是我們在研發過程中做了大量實驗，將極易飄逸、極易擴散、極易泄露的氫燃料“馴服”在儲氣瓶內，實現了氫燃料在燃燒過程中的安全釋放，最終保證氫燃料在低溫環境下穩定燃燒。
而且，“飛揚”火炬的外形曲面複雜，火焰造型作為火炬外形的延伸，被強加了很多限制，我們提出採用曲面格柵結構作為穩焰措施，既兼顧了外形設計師的創意，又達到穩定燃燒的目的。
大量可靠性測試顯示，高壓儲氫方案不但能夠保證火炬在100公里/小時的風速、50毫米/小時的雨雪天氣下保持穩定燃燒（即能抗10級大風），而且火焰的飄動性、飄逸性也能得到完美體現。
科技日報記者：氫燃料的使用有一個“顯而易見”的弊端，強光照射下火炬的火焰是“透明”的，這將嚴重影響火炬傳遞的觀感。請問團隊是如何成功為火焰“上色”，又通過哪些設計與技術手段保障火炬燃料的安全性？
宋曉峰：的確，氫火焰在陽光照射狀態下，火焰是透明的，我們只能看到熱氣流的折射現象。為了給火焰加顏色，團隊費了很多周折。我們選擇焰色反應作為實現火焰顏色改變的技術手段。焰色反應的原理是“電子躍遷”的能量以光的形式釋放出來，這個過程是物理過程，不是化學過程，不會有新的物質產生，也不會導致環境的污染，這與我們利用清潔能源的願景是一致的。
完成這個“變魔術”般的物理過程，需要兩個前提。第一，尋找一種合適的焰色反應劑配方，能夠實現較為明顯的焰色改變，使火焰呈現黃色；第二，探索更為合適的反應劑加載方式，能夠使反應的加載工藝便利、易於實現，抗雨水沖刷能力。我們測試了大量的鹼金屬配方，最終將注意力集中在以鈉鹽為基礎的配方上，實現了通過焰色明亮、加載工藝簡單、抗雨水沖刷能力好的焰色改變技術。
手持火炬的安全性由儲氫裝置安全性、氫密封能力、火炬整體安全性三個維度組成。
火炬的氫燃料放置在一個小氣瓶中，因為結構受限，一定要做到高壓，不然氫氣儲存量不足，火炬燃燒的時間就達不到要求。為此，團隊專門制定了針對性的企業標準，並通過國家評標委評審。按照標準規定嚴格執行了水壓試驗、爆破試驗、疲勞試驗、火燒試驗等十餘項測試，以保證儲氫裝置的安全性。
而且，氫氣難以進行密封，我們團隊在氫密封方面做了大量工作，能夠保證瓶口閥的氫泄漏率≤0.2mg/h（即每小時小於0.2毫克），這意味着即使在一個相對較小的空間內，氫氣的爆炸濃度也達不到它的爆炸極限，如此低的泄漏率給火炬的安全存放和運輸提供了保障。
此外，火炬整體安全如何考量？答案是，在綜合環境模擬試驗平台進行實驗測試，包括低溫、風、雨雪、高海拔等使用環境的測試，也包含跌落、倒置、大幅輪轉等安全性測試。所有測試通過，才能確保冬奧會手持火炬安全可靠。
科技日報記者：手持火炬的個頭不大，存放燃料的空間更加有限，請問我們在內部設計中，是如何保障燃料夠用？
宋曉峰：火炬外形設計力求“苗條”，這極大地壓縮了內部燃料的儲存空間，需要整個燃燒系統全面改進。初次的匹配結果讓團隊很有壓力，燃料儲存的空間根本不能滿足燃燒5分鐘的有效傳遞時間。
怎麼辦？我們燃燒系統團隊的工程師放棄假期、加班加點迭代圖紙，不放過任何1mm的尺寸縮減，最終我們突破此前設計的極限，把燃燒系統的總體尺寸縮減了1/3，為完成匹配打下基礎。
科技日報記者：據了解，飛揚火炬的外殼是用碳纖維與樹脂形成的複合材料製作而成，也是世界首創。為什麼要選擇這種材料製作火炬，它給火炬帶來了哪些優越性？為什麼碳纖維材料的火炬外殼不懼高溫？
宋曉峰：密度只有鋼的1/4，強度卻是鋼的6至7倍，輕而強是碳纖維最大的特點。整個手持火炬的內部有儲氫罐、減壓閥、複雜的燃燒系統以及格柵等裝置，它本身的重量與儲存氫氣的重量疊加以後，都要包腹在內飄帶里，如果外殼再用常規材料的話，整體重量就會大大增加，這給火炬傳遞帶來不好的體驗。
氫火炬在燃燒時，火焰溫度是很高的，經測試，火炬燃燒狀態時，殼體表面最高溫度大約為650℃。而“飛揚”火炬的外殼採用碳纖維複合材料，這是前所未有的創新與嘗試，首先要攻克的難題是碳纖維在有氧環境下的耐高溫問題。
碳纖維本身可以耐高溫，但在有氧環境下，高溫的碳纖維會與氧氣產生燃燒反應，這是一件很棘手的難題。項目團隊的碳纖維專家提出了採用陶瓷基前驅體作為基體樹脂及陶瓷化成型技術，使樹脂能在高溫條件下可轉化為“陶瓷”，使火炬碳纖維外殼在規定燃燒時間內不燃燒，最終達到輕質、耐燃燒的目的。測試結果顯示，處理后的碳纖維能夠耐800℃甚至更高的高溫火焰灼燒，而且，高溫只在火焰口袋的幾百毫米範圍內，火炬的其他部位並無變化。
其次，為了適應複雜的火炬曲面外形，碳纖維外殼採用了先進的三維立體編製成型技術，變厚度三維自動編製技術等先進技術，該技術製備的複合材料相較於傳統編製技術具有更好的整體性。