为传递绿色环保、清洁与可持续的高质量发展理念，2022年北京冬奥会火炬完全采用氢气作为燃料。这是冬奥会历史上的第一次，也是我国航天科技助力奥运的精彩呈现。
氢气是世界公认的最清洁能源之一，其燃烧产物为水，能量密度是石油的3倍、煤炭的4.5倍。在国家碳中和、碳达峰的战略规划下，氢作为比传统烷烃更契合“简约、安全、精彩”原则的奥运火炬燃料，成为“绿色冬奥”、“科技奥运”的理想选择。
2020年夏季奥运会上日本部分使用氢能源火炬，而本届冬奥会我国全套采用高压储氢火炬，首次实现了奥运会历史上火炬的零碳排放。在奥运会的历史上，火炬从木材到镁块，燃料从丙烯、丙烷、丁烷到氢气，火炬的技术迭代和运动员的奋力拼搏一样体现了更高、更快、更强、更团结的奥运精神。
燃烧的北京冬奥会火炬|来源@航天科技集团六院
1.火炬燃料：航天的“家族血统”
提起氢能源，很多人会想到芯级采用氢氧发动机的长征五号运载火箭。
的确，氢能源的诞生与航天工业、尤其是液体火箭发动机的研制历程密不可分。相比于偏二甲肼、煤油、汽油、甲烷这些听起来很古典的燃料，液氢才是齐奥尔科夫斯基等航天先驱者们在一百年前构想的火箭最佳燃料。
氢被用作奥运火炬燃料，主要原因在于其绿色环保、燃烧稳定的特性。然而，火箭发动机燃料之所以选择氢，更多考虑的是其热值大、比冲高的特点。
1903年是莱特兄弟代表人类征服天空的元年。在地球的另一端，俄国的齐奥尔科夫斯基在一本名为《科学评论》的杂志上发表了文章《利用反作用装置探索太空》，明确指出液氢加液氧是理想的火箭推进剂组合。（火炬能够利用大气中的氧气燃烧，因此只需要携带液氢燃料，而在大气层中飞行时间极短、最终离开大气层的火箭必须同时携带燃烧剂和氧化剂供发动机使用。）
阿波罗计划与土星五号|来源@我们的太空
1909年，美国的航天先驱戈达德也认为液氢液氧是理想的火箭发动机推进剂，但是迫于液氢制备、储存、运输、应用的现实困难，他只能使用汽油和液氧开展试验。此后的半个世纪里，科学家们又尝试了无数种推进剂组合，直到二十世纪六十年代阿波罗登月计划中的土星五号运载火箭，液氢液氧的火箭发动机才最终实现。
各国液氢液氧发动机|来源@我们的太空
美国阿波罗计划启动的1961年，在钱学森的建议下，我国也开始了液氢液氧发动机的研制。1965年3月，发动机研制相关单位与中国科学院力学所合作，设计了200千克推力的液氧气氢（注意不是液氢，液氢沸点为-253℃）推力室，并进行多次点火燃烧试验。这成为我国氢氧发动机走向工程研制的起点。
之后，我国陆续研制了YF-73、YF-75等一系列液氢液氧火箭发动机，并在“九五”计划期间开始了50吨级补燃循环氢氧发动机,也就是长征五号采用的YF-77发动机的预研，以及高效涡轮泵、高压推力室等多项关键技术攻关工作。随着YF-77液氢液氧发动机及YF-100液氧煤油发动机陆续研制成功，长征五号起飞推力突破千吨级，近地轨道的运载能力达到25吨，比长征三号甲系列火箭运载能力提高了2.5倍以上。
2.火炬工艺：航天的重器精工
作为集成一国工业整体实力的系统工程，航天的许多技术在石化、交通、机械等其行业得到呈现，奥运火炬也不例外。某种意义上可以说，火箭就是一个自带氧化剂、加压利用反作用力推进的大火炬。
本届冬奥会的“飞扬”火炬采用高压储氢方案，从底部到顶部分别是气瓶、控氢阀和燃烧器。其中控氢阀和燃烧器来自曾经研制工业火炬的航天科技集团六院11所（京）节能环保部，气瓶（氢燃料储存装置）则由航天科技集团六院101所研制。
气瓶的研制使用了薄壁气瓶内胆制造、低刚度气瓶内胆热处理、超小容积气瓶缠绕、超薄气瓶缠绕等航天工艺，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、超薄壁气瓶内胆热处理变形控制、超薄壁、低刚度气瓶整体缠绕等难题。最终，42MPa的高压成功将12克氢气压缩进350毫升的气瓶中，氢气体积被压缩了约400倍。
控氢阀的研制则参考了液氢液氧火箭发动机的减压阀门技术。高精度的减压阀将42MPa的高压降低至1kPa，使得氢气在使用时能够安全减压、稳定供给。燃烧器除了焰色反应格栅，还参考了液氢液氧发动机的燃烧室，使得火炬不熄火、不回火、不脱火。
为了配合本次冬奥会火炬的研制，科技部专门立项《冬奥手持火炬关键技术系统》课题，北京市科委也配套了《手持氢气火炬原理样机研制》课题为火炬保驾护航。
3.火炬测试：航天的质量严控
相较于普通工业，航天工业更重视高可靠性，在对成功精益求精的追求中孕育出高标准的质量管理要求与环境试验流程。
航天工程项目一般分为初样、模样、正样三个阶段，每个阶段都要经过一系列的测试，才能成功转入下一个阶段；任何一个环节出现问题，都会触发整个项目的归零。这一次，为了测试冬奥会火炬，航天科技集团六院不仅用上了曾经测试中国首个火星探测器“天问一号”的试验场，还专门搭建了新的试验基地。
围绕高安全性、高稳定性要求，研制团队对整个燃烧系统进行了300多次可靠性测试，包括但不限于-40℃的极寒环境、100km/h的十级狂风、行进中50mm/h的雨雪天气等环境试验。此外，火炬还从2米的高度被丢向地面，并在阵风时速超过65km/h的模拟环境中经受了5000m以上的高海拔测试。
正是航天级的质量管理流程，保障了冬奥会火炬的完美亮相。承载着“更快、更高、更强、更团结”奥运精神的“飞扬”火炬，在世界人民面前再一次展示了中国的科技和文化，也向全球传播了绿色奥运、科技奥运的新理念。
2022年2月20日，燃烧了17天的北京第二十四届冬季奥林匹克运动会主火炬将在国家体育场徐徐熄灭。航天技术精工锻造的火炬、氢能源释放的低碳绿色环保理念、前所未有的“微火”主火炬创意将在人类奥运记忆中“永不熄灭”！
科学性审核：
杨宇光，中国航天科工集团研究员，国际宇航联空间运输委员会副主席，《航天员》、《太空探索》杂志编委，中国航天科普大使。
参考文献：
[1]蔡国飙, 李家文, 田爱梅. 液体火箭发动机设计[M]. 北京航空航天大学出版社 [等], 2011.
[2]J.D克拉克. 液体火箭推进剂史话[M]. 《低温工程》编辑部, 1986.
[3]（苏）В.А.马欣等著, 王迺琦译. 液体火箭发动机试验研制的理论基础[M]. 国防工业出版社, 1978.
[4]杨杰."北京冬奥会火炬是这样变“小”的"中国青年报 2022-02-05,005,世界看东方 一起向未来.
[5]于良坤.2022年京张冬奥会火炬设计研究.2018.北京理工大学,MA thesis.
[6]马丽娜.航天六院火炬研制团队：为您揭秘冬奥会火炬家族.中国航天科技集团六院公众号
[7] 孟俊文.航天六院11所（京）：为了崇高而精彩的时刻.中国航天科技集团六院公众号
本文来自：中国数字科技馆
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