奥运火炬科技之旅

发布时间：2024-07-28 05:14 浏览量：40

历届奥运会最宏大的格局和最壮阔的场景，莫过于举世瞩目的开幕仪式了。这是一个时代人类社会组织能力和文明水准的标志。而点燃圣火则是开幕式的“点睛之笔”。随着主体育场美丽的火焰冲天而起，“奥运之龙”便“破壁而飞”了。

难道是原始祖先进行群体活动时围着的那堆篝火，今天仍在奥运赛场上照耀着我们？人类使用火的历史可以追溯到100万年之前，是火启动了人类的全部文明，甚至造就了人类本身。普罗米修斯是唯一因为“偷盗”而受到顶礼膜拜的英雄，而钻木取火的燧人氏则更加朴素和接近真实。古奥运会风尘仆仆的火炬手在伯罗奔尼撒城邦间宣示“神圣休战”的消息，现代奥运会的火炬则是1928年在阿姆斯特丹体育场正式点燃的。1936年柏林奥运会后，火炬接力传递便成了每届奥运会的先声和序曲。人们为此倾注了无限智慧、心血和情感，冀望于和平、团结、友爱的奥林匹克精神在全世界薪火相传。

奥林匹亚的赫拉神殿是奥运圣火永远的故乡。高雅美丽的希腊少女在这里用日光点燃第一支火炬，这种古老的取火方式能唤起我们许多遥远的记忆。传说中阿基米德曾经发动希腊百姓用镜子反射日光烧毁敌人的战船，中国人在西周时期便发明了阳燧，崔豹在《古今注》中描述道：“阳燧，以铜为之，形如镜，照物则影倒，向日则火生，以艾炷之则得火。”今天奥林匹亚女祭司们为奥运会采集圣火的“锅”，应该是中国古代阳燧的“升级版”。

当抛物线沿着对称轴旋转，就能得到一个抛物面。这便是“取火器”的几何形状。平行光线经过反射后能被抛物面“聚焦”，使镜面接收到的辐射能量高度集中。我们知道，太阳从1亿5千万公里外把光线投向地球，大气层顶端与阳光垂直的每平方米每秒便接受1368瓦的辐射，这称为太阳常数。由于大气和云层遮挡，阳光来到地面后的照射强度会降低，不同纬度和季节的日照也有很大差异。点燃圣火的镜面必须有足够的采光面积并对准太阳，使焦点部位的温度达到火炬的着火点。这也是为什么遇到阴天圣火无法点燃时，就只能启用晴朗天气预先采好的火种了。从日常生活中的太阳灶到碟形卫星天线和反射式天文望远镜，我们时常能看到大大小小抛物面在“仰天张望”。而探照灯则把光源放在抛物镜面的焦点上，从而投射出平行光线。

今天人类社会使用能量的90%以上仍来自燃烧。不管奥运圣火如何“神圣”，要在地球上燃烧就必须满足三个要素。那便是燃料、助燃剂和温度，人称“火三角”。1772年，法国化学家拉瓦锡第一次揭示了火的秘密，提出可燃物质的氧化学说。燃烧是强烈放热和发光的快速化学反应过程，高于着火点的温度使燃料“强迫着火”，引起分子的化学键断裂，在燃烧区内和助燃剂发生原子间的交换和重组，放出的热量使氧化反应在点火源移走后能够继续“自持”进行。奥运火炬不能像实验室里的本生灯那样“有热无光”而应该鲜艳明亮。历届奥运会曾经使用过火药、硫黄、树脂、萘、橄榄油、四氮六甲圜做火炬的燃料，柏林、伦敦、墨尔本奥运会进入主体育场的火炬燃料都选择了金属镁，虽然能发出炫目的光辉，但火星四溅以致烫伤运动员手臂的场面敦促着人们对火炬加以改进。

1972年慕尼黑奥运会首次将24%丙烷和76%丁烷压缩成液态装在罐中做火炬燃料，此后液化气成了奥运火炬的上选。其实任何火焰中燃烧的物质都是气态。液体燃烧前必须先行蒸发，固体燃烧则是经过热解后释放出来的挥发成分参加反应。所以风中火焰的形状总是闪烁跳跃、飘忽不定了。按“恰当比例”完全燃烧的火焰是几乎无色的，正是火焰中的碳微粒如同千万个小小的“灯丝”辐射出光和热。浓烟则是燃烧中“残碳”过多的表征。

几乎每一届奥运会主办国都会搜索枯肠，奇计百出，让圣火传递不同凡响。除了迈开双腿奔跑，从自行车、独木舟、大篷车、汽车、火车、轮船到超声速协和飞机，从马背、骆驼、狗拉雪橇到跳台滑雪和空中跳伞，奥运圣火跨越千山万水的旅行也几乎穷尽了人类的运载手段。这里至高无上的使命是确保圣火历尽“八十一难”也不会熄灭，否则就要重新“回西天取经”了。1976年蒙特利尔奥运会，一场瓢泼大雨浇灭了奥林匹克体育场的主火炬，场地监督布歇耳情急之下掏出打火机“非法点燃”圣火的故事家喻户晓，这次熄火的真正原因是雨水将“火三角”中的温度降到了燃点以下。水是比热容仅次于氨的液体，每千克水升高1℃要吸收4.2×10焦耳热量，而水在100℃汽化时吸收的热量是水从0℃上升到100℃所需热量的5倍，难怪消防部门把水当作最好的灭火材料了。2004年雅典奥运会，帕纳辛纳克体育场的大风吹熄了奥组委官员点燃的全球接力火炬，这是因为“火三角”中的“燃料”被风带走而来不及补充。因此火炬设计的基本原则是对“火三角”的巩固和加强。

1996年亚特兰大奥运会火炬采用双火焰结构，燃气从储气罐中出来后“兵分两路”，一路“大火焰”在火炬顶端光芒四射并栉风沐雨，另一路“小火焰”躲在“大火焰”下面的“挡风墙”中“养精蓄锐”和“保驾护航”，使“主气流”随时受到“小火焰”不间断地点燃。2000年悉尼奥运会的火炬以65%的丁烷和35%的丙烷为燃料，利用火焰的回热管保温，克服液态燃料汽化吸热引起的燃料罐压力降低，并用极易散热的金属薄片制成火炬外壳防止雨水在上面汽化。根据测试，火炬在每小时65公里的大风和倾盆大雨中依然会熊熊燃烧。至于每届奥运会特别精心呵护的“圣火种子”安全灯，也正是营造了最安全的燃烧“小环境”，将“火三角”变成了“铁三角”。

水下火炬传递是悉尼奥运会大胆而浪漫的尝试，生物学家邓肯在大堡礁海域4米深的水下手擎火炬潜泳3分钟，创造了“水火交融”的一大奇观。为确保燃气在深水下顺利喷出并形成稳定的燃烧区，燃料罐内必须达到很高的压力，由于水下没有氧气助燃，火炬必须“自带”氧气和燃料进行预先混合，并点燃主要发光燃料镁。在地面上这种火炬燃烧温度超过2000℃，亮度相当于35000根蜡烛亮度的总和。水下火炬的制造工艺虽然复杂，但基本原理并不难进行演示，中国科技大学火灾实验室就曾经重现了火炬在水下燃烧的过程。

进入航天时代的人类曾经按捺不住心中的豪迈和冲动，想把奥运火炬传递扩展到太空。1976年蒙特利尔奥运会就别出心裁，在雅典帕纳辛纳克体育场将来自奥林匹亚的圣火直接“传递”到北美大陆。这是一个特制的传感器用来收集火焰离子的全息信号并将能量进行储存，然后转化为声波信号代码，通过卫星传送到渥太华，再通过地面接收器将这些声波信号解调，最后转换成对应的激光束点燃起火焰。这一“高科技”手段虽然最近似“上帝的礼物”但却备受非议，前后仅仅5天的过程有负公众的长久期待，况且洲际间的传递失去了“火”的实体而只剩下“火”的信息，未免过于虚无缥缈并偏离圣火传递的初衷。1996年亚特兰大奥运会组织者的构思要现实得多，他们设想把火炬送上航天飞机，但出于安全考虑，美国宇航局只批准哥伦比亚号搭载熄灭的火炬。我们不妨设想，如果火焰真的在航天飞机上燃烧会是何种情景，失重环境下没有冷热气体的对流，火焰将不再是一条稳定向上的“火舌”，而会变成一团渐次膨大和黯淡的“火球”。

2008年北京奥运会火炬的最大“亮点”，是登上世界“第三极”珠穆朗玛峰。在海拔8844米的“世界屋脊”，温度常在-40℃，风速达到10级，含氧量仅为海平面的1/3。但火炬凭着先进的回热功能，双火焰设计和燃料预混装置，完全能在如此恶劣严酷的自然条件下大放光明。而真正的困难在于火炬手和电视转播人员背囊负重跨越生命的极限，这是一个群威群胆的系统工程。