“祥云”火炬中的物理知识

工作报告 |

时间:

2021-06-28 10:33:04

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北京2008奥运会火炬“祥云”设计理念来自蕴含“渊源共生,和谐共融”的华夏传统“云纹”符号,通过“天地自然,人本内在,宽容豁达”的东方精神,借祥云之势,传播祥和文化,传递东方文明。它的设计有许多地方体现了物理知识与高科技产品的结合。

“点燃激情,传递梦想”,2008年3月24日希腊女祭司在希腊奥林匹亚通过一面大凹面镜点燃了"祥云"火炬,由此展开了奥运圣火在全世界的传递活动。

“祥云”火炬,其外观图案为红色的祥云图纹从炬身中部向上升腾,具有浓厚的中国特色,设计的灵感来自中国传统的纸卷轴。炬身下半部喷涂的是高触感橡胶漆,这不仅使手感舒适,还能增大摩擦使人握之不易滑落。这是首次创造性的在奥运火炬上使用这一材料。火炬外壳采用密度较小的高品质铝合金和中空塑件等可回收材料制造,体积虽大(长度72cm)而质量只有985g,并有一定的硬度。在工艺方面使用锥体曲面异型一次成型技术和铝材腐蚀、着色技术,显得轻盈高贵。

“祥云”利用液态丙烷(C3H8)作燃料,热值高(8.0×107J/kg)、轻质、绿色环保。为了便于储存或携带,常温下呈气态的丙烷采用加压的方法使其液化。丙烷主要成分是碳和氢,燃烧的火焰颜色为亮黄色,在燃烧稳定性与外界环境适应性方面达到了新的技术高度,能在每小时65公里的强风和每小时50毫米的大雨情况下保持燃烧。无风条件下火焰高度25cm至30cm,在强光和日光下均可识别和拍摄,燃料燃烧的产物为二氧化碳和水。这种燃料不仅价格低廉,还具有环保无污染的优点。

燃料供应系统的主要构成部件是稳压装置和燃料瓶,都是采用国内先进工艺和技术自主研发的。燃料瓶采用无缝冷拉工艺,直径为32毫米,非常耐压(达14兆帕),相当于可承受水下1400多米的压力。从燃料瓶里出来的气体压力是不稳定的,随着温度降低而减小。而火炬的燃烧需要一个稳定的流量,稳压装置的作用就是提供一定压力,一定流量的燃料供应。气态的燃料以相对较高的压力进入稳压装置的进口,以高出环境压力一定范围的压力流出,保证燃烧所需的燃料压力和流量。就是在意外跌落的情况下,还能确保火炬继续燃烧,不会发生危险。燃料瓶和稳压装置采用螺纹连接,防止气体压力过大,顶得很紧,用起来费劲;或压力过小,由于使用时的振动,容易松脱,造成漏气。

在火炬传递中,我国登山运动员高举圣火成功登上了世界第一高峰珠穆朗玛峰。燃料在低温状态下,蒸汽压会降低,有可能会影响火炬燃烧性能。所以,利用火炬自身的火焰热量--燃料出来后不是直接进燃烧室,而是通过回热系统给燃料瓶进行加热,减缓温度降低的速度,满足燃烧时间。

双火焰是一个核心设计,并在国内第一次运用。燃料经过回热之后,一路进入预燃室,一路进入主燃室,预燃室中燃料和空气混合后再燃烧,火焰像我们家里的煤气灶一样,掺混得比较好,燃烧充分,火焰温度比较高,形状短,是蓝色的,在强光下不易看见。而主燃室的燃料没有经过预混,燃料喷出后和空气混合,先扩散再燃烧,火焰温度稍低些,呈不透明的橙色。预燃室相当于一个稳定的火源,保证它始终不灭,即使外面的主燃室火焰熄灭,它会马上把主火焰点燃。

“祥云”火炬的设计体现了科学、艺术与环保的融合。作为一个中国人,我们感到无比的骄傲和自豪。

(栏目编辑王柏庐)

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