在水里点一抹“朱砂”——北京冬奥会水下特种火炬研制背后的故事

2月20日，北京冬奥会正式闭幕。人们仍然记得18天前，两名“机器人”火炬手在水下悬停对接，火焰熊熊燃烧，火苗徐徐跳动，如朱砂般点亮冬奥公园河水的“眉心”。由中国航天科工集团有限公司三院31所研发的水下特种火炬被成功应用于“科技冬奥”多机器人跨域协同传递，体现了火焰在水中“水火相融”的神奇景象，这是奥运史上首次机器人与机器人之间在水下的火炬传递。

技术路线之争

2020年，冬奥组委以北京市科委和科技部立项的形式，定向委托31所负责机器人传递水下特种火炬的研发工作。研制团队早前已察觉到火炬固体燃料和气体燃料的较劲。但他们的选择很明确——要做出一个前所未有的、能够清洁燃烧的水下特种火炬。

燃烧技术是31所的看家本领。他们专业从事空天动力技术研究，拥有完整的设计研发、产品试制及试验验证能力体系。此前，该技术团队成功研制了2008年北京奥运会珠峰火炬等系列产品。

“这就是一块难啃的硬骨头。”团队骨干覃正说。

“难”体现在两方面。其一，在历史上，奥运火炬从未使用过气态燃料在水下传递，这是世界性的新课题；其二，针对水下特种火炬与机器人集成的难题，团队要开展火炬与机器人的多轮次匹配设计与集成优化，实现机器人对火炬燃料供给的自动控制和协同工作，这在技术上是一项挑战。

“气体燃料技术路线的选择和原理试验的开展，对我们来说都是从无到有。”覃正谈起气态燃料火炬的研制过程时介绍，他们从火炬燃烧基本原理出发，选择了多种氧化剂、燃料配比方案，反复开展试验研究和验证。

为快速建立试验条件，研制人员买来高1.5米、长2米的鱼缸，通过对火焰形态的观察，逐渐找出燃料配比的最优方案。最终他们仅用了3个月时间就拿出了一个可行的原理样机，实现气体火焰在水下的燃烧。

“这就是我们想要的样子。”在水下传火演示中，水下飘动的火焰让冬奥组委成员眼前一亮，现场爆发出热烈的掌声。

在冰上安营扎寨

眼看火炬传递日期临近，可靠性测试迫在眉睫。但当时北京的湖面刚开始结冰，测试条件受到限制。为模拟真实的水下传递环境，研制团队来到沈阳抚顺大伙房水库，在冰面上开展试验。

这一过程只能用“惊险”二字来形容。火炬研制团队成员高麟回忆，进入大伙房水库，所有的平面都是冰面，人行走在冰面上，车子开在冰面上，甚至连帐篷也搭建在冰面上。

有一天，气温稍高，水面渐阔，冰层渐薄，开始冰裂。冰层裂开的声音有节奏感，好像DJ音乐，有的如击鼓“咚咚咚”，有的如射击“砰砰砰”，响彻山谷。“走近才发现原来是车轮底下的冰在震，整个冰架都在震动。”高麟说，如果下面的水涌上来，就只好停工。

更多时候，他们都是在抢时间、赶进度。太阳落山之后，他们还要再多加做一两次试验。天黑之后冰面上尤其寒冷，团队成员在冰水中开展工作，即使戴着橡胶手套，不出1分钟，手也会冻得不灵活了。

“你会发现大家不存在笑与不笑的问题，因为已经基本冻僵了。”31所重点试验室主任李春光说，“大家身上贴着，手里拿着，甚至每个人的鞋垫里都放了暖宝宝来取暖。”

“虽然条件比较艰苦，但大家都是年轻人，事业心比较强，觉得试验成功比什么都值得。”李春光说。

2022年元旦，他们完成了同机器人联合开展的首次户外条件下的水下火炬传递，火炬燃烧器采用特殊设计，通过物理结构和气动特性对火焰进行保护，防止水对火炬火焰的破坏，克服了绿色能源在水下燃烧困难的技术难题，让奥运圣火呈现水下燃烧的盛景。

2月2日，北京冬奥会火炬接力活动首日，水下机器人传递圆满完成，向世界展示了科技奥运的独特魅力。

来源：中国航天报