冬奧會火炬。受訪者供圖
2022年北京冬奧會火炬有一個充滿動感的名字——“飛揚”。外形酷似兩條交織舞動的絲帶，不僅在設計上具有美感和力量，背靠的更是中國企業的潛心研發與匠心打造。
此次火炬“飛揚”采用了三維編織技術，這是碳纖維成型過程中的一個技術突破。中國石化上海石化公司副總經理、冬奧火炬量產項目領導小組副組長黃翔宇向新京報貝殼財經記者講述，生產車間里，一條條黑色絲束，每一束都包含著1.2萬根碳纖維絲。經過三維立體編織，最終就像“織毛衣”一樣織成了火炬外殼。
中國企業的創新突破遠非如此。3D打印、高壓儲氫、火焰顯色……小小的一支火炬，凝結了大量科技和工程成果，體現了綠色低碳的環保理念。
中國石化上海石化碳纖維生產車間。受訪者供圖
“飛揚”又輕又美有秘訣
火炬接力預示著奧運會的開始，也是奧運會的重要元素。點火，擊掌，起跑，火炬手們不斷接力，手擎“飛揚”，跑過了北京奧林匹克森林公園、北京冬奧公園、首鋼園、延慶八達嶺長城、河北張家口陽原泥河灣遺址公園……
陳小兵是冬奧公園里的第260棒火炬手，他對新京報貝殼財經記者表示，火炬“飛揚”材質較輕，單手拿不吃力。這是“飛揚”筒身黑科技——碳纖維復合材料的功勞，北京冬奧會也是全球首次以碳纖維復合材料制作奧運火炬外殼。
本屆北京冬奧會，由中國石化牽頭負責火炬外殼研發及火炬量產工作，中國石化上海石化承制。黃翔宇接受新京報貝殼財經記者采訪時回憶，在尋找火炬外殼材料的過程中，為了契合“綠色辦奧”理念，體現藝術設計與科技創新的完美融合，研發團隊將目光投向了碳纖維。
碳纖維的密度只有鋼的1/4左右，但是強度是鋼的7-9倍，用碳纖維制成的火炬很輕，火炬外殼重量較鋁合金外殼輕20%以上，而且很牢固，“隨便怎么摔也摔不壞”。
不過，碳纖維雖然具有輕巧牢固的優點，但也帶來一些難題，其中就包括不耐高溫。“飛揚”的燃燒口在內殼和外殼之間，這要求外殼能夠經受住800℃以上的高溫。
黃翔宇告訴貝殼財經記者，碳纖維復合材料本身強度高、熱膨脹系數小，但耐溫一般不超過250℃，所以怎么做到保證火炬耐燃燒且表面不開裂、起泡，成為一大難點。
通過上海市經信委材料處介紹，上海石化火炬研發團隊尋到突破口——上海金山區一家企業研發了一種樹脂，耐火、耐高溫，研發團隊經過一番測試分析后，將其與碳纖維一起制成碳纖維復合材料。最終，通過反復調整工藝，使火炬外殼材料達到了既能夠耐高溫又能夠耐火的要求，在800℃、900℃的燃燒環境下都可以正常使用。
火炬“飛揚”實現旋轉上升的不規則造型，也是碳纖維成型過程中的一個技術突破。黃翔宇稱，“飛揚”采用了三維編織技術，生產車間里，一條條黑色絲束，每一束都包含著1.2萬根碳纖維絲。經過三維立體編織，最終就像“織毛衣”一樣織成了火炬外殼，看不出任何接縫與孔隙，整個造型渾然一體。
中國石化冬奧火炬團隊正在組裝火炬，為北京冬奧提供保障。受訪者供圖
1200支火炬量產，歷時近5個月
火炬面世，凝聚了科研人員和工程師的智慧和心血。
手持火炬的內部空間比較狹小，要裝入保證足夠長燃燒時間的氫氣，需要實現一個高達幾百倍的大比例減壓。為此，中國航天科技集團等研制了一款輕量化小型化的氫氣減壓裝置。此外氫氣燃燒火焰呈淡藍色，在日光下不易顯色，研發團隊研發了一種可以調節氫氣火焰顏色的配方，讓它在日光下具有可見的紅黃色。
黃翔宇對貝殼財經記者進行技術上拆解，火炬分為外飄帶、內飄帶和氫氣燃燒裝置三個組成部分，每一部分均有大量科技成果。外飄帶主要采用了陶瓷化成型技術、三維編織技術、RTM成型技術、鐳雕技術、自動噴涂技術等。火炬內飄帶成品要求有絲綢飄逸質感，納米級陶瓷涂層厚度，耐受800℃-1000℃高溫，主要采用3D打印、打磨、噴砂等技術。火炬的燃燒裝置由中國航天科技集團研制，解決了火焰顏色與穩定性、高壓儲氫、氫能安全利用等多項技術難題。
研發只是火炬生產的第一步，量產同樣打起持久戰。
中國石化上海石化先進材料創新研究院總經理林生兵對貝殼財經記者表示，經過前期開展大量深化設計和產品驗證等工作，2021年8月份，上海石化正式啟動量產工作，至當年12月底基本完成量產任務，整個量產過程用了近5個月時間。2022年1月27日，1200支北京冬奧會火炬“飛揚”正式交付北京冬奧組委。
到此時，上海石化的任務并沒有結束。林生兵稱，2月2日至4日三天火炬傳遞時間，上海石化冬奧火炬團隊全程參與火炬傳遞保障工作，整個團隊分成組裝和現場服務保障兩個小組。
火炬在每位火炬手中間傳遞，還有著這樣一段鮮為人知的旅程：在火炬組裝基地，上海石化的組裝團隊從1月28日開始組裝火炬，每支火炬組裝完成后要點火10秒左右進行檢漏，確認氫氣沒有泄漏。每一天，傳遞所用的火炬當天凌晨發貨，由火炬組裝基地運輸到各個傳遞點位。而每一棒火炬手傳遞完，會由現場服務保障團隊進行燃燒裝置的拆卸和回收。此后，火炬會贈送給火炬手作為紀念，燃燒裝置則被運送回火炬組裝基地，進行循環利用。
氫燃料“時間”：日供氫能力5000公斤
往屆奧運會大量使用液化天然氣或丙烷等氣體，北京冬奧會是奧運歷史上首次使用氫能作為火炬燃料。
北京冬奧會的主火炬氫氣燃料由中國石化燕山石化供應。中國石化燕山石化首席專家、新能源辦公室主任李軍良接受貝殼財經記者采訪時稱，氫氣是最潔凈環保的燃料。傳統的液化天然氣或丙烷等燃料，其主要組成是甲烷、乙烷、丙烷等低碳烷烴。與之相比，氫氣燃燒的時候只產生水，不產生二氧化碳，更不會發生燃燒不充分冒煙的現象，可實現完全的零排放。同時，氫的沸點很低，可在極低的溫度下穩定燃燒。選用氫氣作為奧運火炬燃料，能夠真正體現北京冬奧會綠色、低碳、可持續原則，真正實現奧林匹克精神與“綠色”、“環保”的進一步結合。
除了為主火炬提供氫燃料之外，中國石化燕山石化還保障冬奧會賽事氫燃料電池車用氫。李軍良介紹，為服務于北京冬奧會氫氣保供，燕山石化新建了氫氣新能源裝置。燕山石化氫氣新能源裝置于2019年3月獲得中國石化批復，8月完成基礎設計批復，10月進場開展施工準備，于2020年1月2日中期交工，3月27日實現一次開車成功。該裝置設計規模為2000標準立方米/小時，采用變壓吸附（PSA）工藝，產出可以滿足燃料電池所用氫氣，純度達99.999%。
當時，我國氫氣市場尚處于起步階段，市場需求量小，行業經驗也比較少，燕山石化氫氣新能源裝置的建設過程需要克服很多技術難點。李軍良表示，為了盡快完成建設，該裝置采用模塊化設計，縮短現場作業時間。由于裝置初期不能長周期運行，設計時還設置了快速啟停程序。另外，燃料電池所用氫氣品質要求高，特定雜質含量要控制在PPm（毫克級）甚至PPb（微克級）級別，并且產品充裝是連續的，對分析檢驗提出更高要求。為此，裝置配置了先進的在線分析儀，隨時跟蹤產品質量，確保產品品質。
談及冬奧會所需氫氣的生產與運輸，李軍良告訴貝殼財經記者，燕山石化氫氣新能源裝置將粗氫提純凈化，得到純度達99.999%且特定雜質符合標準的燃料電池用氫氣。裝置氫氣通過加壓到20兆帕充入專用長管拖車，與加氫站緊密聯系，晝夜作業，確保氫氣準時運送到奧運車輛氫氣加注站。中國石化在北京、河北建設了4座服務冬奧加氫站，日供氫能力共計5000公斤。以慶園街加氫站為例，占地面積2500平方米，日供氫能力1500公斤，每天可為80輛12米公交巴士提供加氫服務，是由中國石化與北京公交集團聯手打造的集加氫、光伏、便利店、易捷咖啡于一體的綜合能源服務站。
新京報貝殼財經記者 顧志娟
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