北京奧運(yùn)會上的火炬和煙花.ppt

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1 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 北京奧運(yùn)會上的煙花 北京奧運(yùn)會上的火炬和煙花 2 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 北京奧運(yùn)會火炬名為 祥云 造型的設(shè)計(jì)來自中國傳統(tǒng)的紙卷軸 從科技含量上 北京奧運(yùn)會火炬在燃燒穩(wěn)定性與外界環(huán)境適應(yīng)性方面達(dá)到了新的技術(shù)高度 能在每小時(shí)65公里的強(qiáng)風(fēng)和每小時(shí)50毫米的大雨情況下保持燃燒 在工藝方面使用錐體曲面異型一次成型技術(shù)和鋁材腐蝕 著色技術(shù) 燃料采用丙烷 更加符合環(huán)保要求 順應(yīng) 綠色奧運(yùn) 的理念 北京奧運(yùn)會的火炬外形制作材料還是可回收的環(huán)保材料 3 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 祥云 的燃料選擇經(jīng)過多次模擬實(shí)驗(yàn) 最終確定為丙烷 丙烷燃燒后主要產(chǎn)物是二氧化碳和水 對環(huán)境的負(fù)面影響也可以降到最低 不但如此 丙烷還可以適應(yīng)比較大的溫度范圍 在零下40 時(shí)仍能產(chǎn)生1個(gè)以上的飽和蒸汽氣壓并形成燃燒 此外 由于丙烷燃燒產(chǎn)生的火焰呈亮黃色 在火炬手跑動(dòng)時(shí) 動(dòng)態(tài)飄動(dòng)的火焰在不同的背景下非常醒目 這樣的顏色便于識別和電視轉(zhuǎn)播 新聞攝影的需要 4 5 6 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 祥云 擁有極為出色的抗風(fēng)能力 在加滿燃料的情況下它可以燃燒15 20分鐘 即使在8級大風(fēng)和每小時(shí)50毫米的暴雨等情況下也能保持穩(wěn)定燃燒 高溫不褪色也是 祥云 的高強(qiáng)本領(lǐng)之一 火炬口涂的紅色顏料不僅代表了熊熊燃燒的火焰 還是一種蓄含高科技的產(chǎn)品 這種顏料耐得住1000攝氏度的高溫 并且這種溫度下也不褪色 7 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 在 祥云 極具古典韻味的外表下還跳動(dòng)著一顆有力的 心臟 其心臟的燃燒系統(tǒng)包含燃燒器 穩(wěn)壓裝置 燃?xì)夤奕糠?祥云 的燃燒器采用了創(chuàng)新的雙火焰方案 即預(yù)燃室加主燃室 預(yù)燃室和主燃室分開的做法在奧運(yùn)火炬的設(shè)計(jì)上尚屬首次 當(dāng)燃?xì)饬鞒龊?一部分進(jìn)入燃燒器的主燃室 形成擴(kuò)散的比較飽滿的火焰 另一部分則進(jìn)入預(yù)燃室 保持一個(gè)較小但十分穩(wěn)定的火焰 如果出現(xiàn)極端情況 主燃室火焰熄滅 埋在火炬頂端下方的預(yù)燃室仍不受影響 能保證火炬繼續(xù)燃燒 8 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 不滅的火焰 雙火焰方案火炬在傳遞過程中要求不能熄滅 而且不論刮風(fēng)還是下雨 都必須保持火炬燃燒的狀態(tài) 盡管大家過去也都想了很多方法 但是在奧運(yùn)會歷史上還是經(jīng)常出現(xiàn)意外 例如 上一屆雅典奧運(yùn)會在火炬?zhèn)鬟f的兩個(gè)最重要的儀式上都曾出現(xiàn)熄火現(xiàn)象 與此不同 在悉尼奧運(yùn)會上 奧運(yùn)火炬還首次實(shí)現(xiàn)在海底傳遞 對于一般的奧運(yùn)火炬來說 要保證火焰不滅 那么必須要能夠始終足夠的產(chǎn)生大量的熱才能維持火焰的在各種極端情況下 相應(yīng)的要求氣體燃料足夠多 燃燒室中產(chǎn)生火焰熱量足夠大才能抵御各種情況 這樣以來勢必要求燃燒系統(tǒng)所占的體積很大 相應(yīng)火炬的重量也會增加 但是對于奧運(yùn)火炬?zhèn)鬟f手來說 從安全的角度考慮 不希望火焰的熱量過大 同時(shí)為了使用方便 也不希望火炬的體積和重量過大的 因此 技術(shù)系統(tǒng)中對同一參數(shù)出現(xiàn)了完全相反的要求 在TRIZ理論中將這種情況稱為 物理矛盾 在TRIZ理論中 由第41號到51號創(chuàng)新原理來專門解決物理矛盾 9 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 在奧運(yùn)火炬歷史上 曾經(jīng)出現(xiàn)過使用鎂 火藥 樹脂 橄欖油 各種材料作為火炬的燃料 關(guān)于各屆奧運(yùn)火炬情況參見附錄中的表格 1936年柏林奧運(yùn)會制作了第一把火炬 由鎂為主的燃料供燃 但是在1956年奧運(yùn)會火炬的最后一棒 采用鎂和鋁做燃料 火焰很亮 但劇烈燃燒產(chǎn)生的灰燼卻灼傷了火炬手的手臂 因此 這種采取固體鎂的燃燒方式 逐漸被替代 1960年羅馬奧運(yùn)會的火炬用天然樹脂松香作燃料 天然的樹脂是一種彈性體 后來 到1972年慕尼黑奧運(yùn)會首次引入了液體燃料 在壓力作用下 燃料以液態(tài)存貯 燃燒時(shí)則是氣體 這樣既安全又易于儲存 以后的奧運(yùn)會火炬大都采用了這種方式 10 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 祥云 之 芯 分三部分美麗的祥云 火熱的漆紅 古樸的紙卷軸 2008奧運(yùn)會火炬 祥云 有著完美的外表 在美麗的外表下 祥云 跳動(dòng)著一顆有力的 心臟 為了給火炬提供可靠的燃燒系統(tǒng) 航天科工集團(tuán)為奧運(yùn)圣火貢獻(xiàn)了一顆可靠的 芯 這顆 芯 的燃燒系統(tǒng)包含燃燒器 穩(wěn)壓裝置 燃?xì)夤奕糠?其中燃燒器采用了創(chuàng)新的雙火焰方案 即預(yù)燃室加主燃室 預(yù)燃室與主燃室分開的做法在奧運(yùn)火炬的設(shè)計(jì)上尚屬首次 預(yù)燃室的火焰將保證火炬 火種不熄 即便遇到大風(fēng)天氣 埋在火炬頂端下方的預(yù)燃室仍不受影響 而主燃室衍生出的火焰將使整支火炬的火苗熊熊燃燒 保證火炬的視覺效果 11 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 亮黃 火焰不會忽高忽低 祥云 的設(shè)計(jì)采用了穩(wěn)壓閥 它用于保持氣體的壓力 從而使火焰高度得以穩(wěn)定 與往屆奧運(yùn)會火炬的混合燃料不同 北京2008奧運(yùn)會火炬的燃料采用丙烷 這是一種價(jià)格低廉的常用燃料 而且溫度范圍比較寬 丙烷燃燒只形成水蒸氣和二氧化碳 沒有其他物質(zhì) 不會對環(huán)境造成污染 符合綠色奧運(yùn)的要求 丙烷氣體燃燒的火焰顏色為亮黃色 這樣的顏色便于識別和電視轉(zhuǎn)播 新聞攝影的需要 12 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 不用保溫車燃料穩(wěn)定供應(yīng)當(dāng)火炬的燃料溫度至20 時(shí) 燃料罐內(nèi)的丙烷燃料會產(chǎn)生10個(gè)左右大氣壓的壓力 而結(jié)實(shí)的 祥云 的燃料罐可以承受150個(gè)大氣壓 因此 完全不必?fù)?dān)心火炬燃料因壓力過大產(chǎn)生外泄 當(dāng)外界溫度低至 20 時(shí) 丙烷燃料產(chǎn)生的大氣壓僅為2個(gè) 在如此低的大氣壓下 如何保證火炬的能源供給源源不斷呢 穩(wěn)壓閥和回?zé)峁軐⒔鉀Q這一問題 以往的奧運(yùn)會火炬采用的是混合燃料 需要配備保溫車以保持燃料的溫度和產(chǎn)生的壓力 北京2008奧運(yùn)會火炬使用回?zé)峁?將火炬燃燒所產(chǎn)生的熱量用以加熱燃料 這樣 燃料罐不用借助外部加熱裝置的幫忙 就能使燃料產(chǎn)生足夠的壓力 支持火炬熊熊燃燒 13 北京奧運(yùn)會火炬 祥云 跌落遇雨火炬繼續(xù)燃燒為了確保祥云燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定 每一個(gè)細(xì)節(jié)都得到了充分考慮 燃?xì)夤薏捎寐菁y連接 避免安裝疏忽造成無法點(diǎn)燃 同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了火炬意外跌落時(shí)仍會繼續(xù)燃燒 北京2008奧運(yùn)會火炬在燃燒穩(wěn)定性與外界環(huán)境適應(yīng)性方面達(dá)到了新的技術(shù)高度 能在每小時(shí)65公里的強(qiáng)風(fēng)和每小時(shí)50毫米的大雨情況下保持燃燒 14 一 鞭炮和爆竹我國人民有一個(gè)傳統(tǒng)習(xí)慣 在喜慶吉日 喬遷開業(yè)之時(shí) 都要放鞭炮 爆竹 以示慶賀 增添喜慶氣氛 爆竹內(nèi)的火藥是以1硫2硝3碳的黑色火藥為基礎(chǔ)發(fā)展而來的 一般配方是 硝酸鉀 KNO3 3克硫磺 S 2克炭粉 C 4 5克蔗糖 C12H22O11 5克鎂粉 Mg 1 2克點(diǎn)燃后的爆炸反應(yīng)主要是 S 2KNO3 3C K2S N2 3CO2 707千焦 15 爆炸反應(yīng)的特點(diǎn)有 反應(yīng)速度極快 產(chǎn)生大量熱并導(dǎo)致高溫 體積急劇膨脹 低敏感度 一 鞭炮和爆竹 16 二 煙花 煙花即花炮 彩色煙火 禮花 常用于節(jié)日之夜 也可用作照明彈 信號彈 結(jié)構(gòu) 由底部和頂端兩部分組成 底部為一大爆竹 裝黑色火藥 爆炸時(shí)將頂端推向空中 頂端為一圓球 裝有燃燒劑 主要成分為黑色火藥 助燃劑 主要成分為鋁鎂合金 硝酸鉀 硝酸鋇等 其中硝酸鹽分解放出大量氧 使燃燒更旺 發(fā)光劑 鋁粉或鎂粉 燃燒時(shí)放出白熾光 發(fā)色劑 為各種金屬鹽 是產(chǎn)生色彩的關(guān)鍵成分 笛音劑 高氯酸鉀和苯甲酸的混合物 燃燒時(shí)發(fā)出美聲 17 成分 不同顏色煙花的配方見表表常見焰色煙花配方焰色配方組成 克 紅焰氯酸鉀2 5硫磺粉2 5木炭粉1硝酸鍶8綠焰氯酸鉀3硫磺粉1 5木炭粉0 5硝酸鍶6藍(lán)焰硫磺粉2硝酸鉀9三硫化二銻2黃焰氯酸鉀3硫磺粉12木炭粉2硝酸鈉5白焰硫磺粉3木炭粉2硝酸鉀12鎂粉1紫焰氯酸鉀7硫磺粉5硝酸鉀7蔗糖2 18 焰色來源于高溫下金屬離子的焰色反應(yīng) 在實(shí)驗(yàn)室里我們可利用焰色反應(yīng)來鑒定金屬離子 見下表 離子鋰鈉鉀銣銫鈣鍶鋇銅焰色紅黃紫紫紅紫紅橙紅紅黃綠綠除上述發(fā)色劑外 還有硝酸銫 天藍(lán) 硝酸銣 紫紅 氯化鉈 綠 硫酸銅 藍(lán) 硝酸銦 藍(lán)靛色 等 高級煙花中有笛音劑 19 奧運(yùn)會上的煙火 開幕式鳥巢焰火燃放 共有16000枚煙花在鳥巢上空競相斗艷 閉幕式8000枚 不論是燃放數(shù)量 還是燃放時(shí)長以及燃放地點(diǎn)選擇 均超過往屆奧運(yùn)會 而且還將采用空氣發(fā)射 植入芯片等最新燃放技術(shù) 奧運(yùn)會開幕式上的焰火盛宴 同時(shí)也是世界焰火史的一次革命 20 奧運(yùn)會上的煙火 開幕式和閉幕式上的焰火表演震撼了全世界 震撼 不僅因其恢宏的場面和對燃放過程的精確控制 而且因其綻放地清爽 煙花燃放數(shù)量雖大 卻沒有紙屑?xì)堅(jiān)h落 也沒有刺鼻異味 燃放成功則要?dú)w功于多項(xiàng)世界首創(chuàng)的技術(shù) 燃放每一個(gè)瞬間都由電腦計(jì)算完成 而芯片煙花的采用 使操控可精確到每個(gè)火花 制造煙花的材料也獨(dú)樹一幟 環(huán)保材料代替 紙殼壓力艙 壓縮空氣取代火藥 這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用 解決了煙花的環(huán)保問題 21 奧運(yùn)會上的煙火 讓焰火構(gòu)成一個(gè)腳印的圖案是世界范圍內(nèi)的首創(chuàng) 在15公里內(nèi)布放29個(gè)腳印 每兩個(gè)腳印之間的距離就要控制在500米左右 從永定門開始 向北每隔500米就布設(shè)了一個(gè)焰火發(fā)射系統(tǒng) 而腳印之間的時(shí)間間隔是兩秒 每個(gè)腳印大概在空中170到180米的高度綻放 每個(gè)腳印在空中持續(xù)的時(shí)間是五六秒鐘 如果那時(shí)站在中軸線上的任一位置 能看到前 中 后三個(gè)腳印 之后的腳印離你太遠(yuǎn)就看不到了 22 奧運(yùn)會上的煙火 我們中國人看煙火的機(jī)會并不是很少 但是這次奧運(yùn)會上的煙火還是讓大家都為之驚嘆的 奧運(yùn)會的煙火和以往的傳統(tǒng)的煙火有了哪些重大的突破呢 第一是體現(xiàn)出來了這么大規(guī)模的燃放 它很安全 藥物的配方 使用了安全的氧化劑代替了過去不安全的氯酸鉀的氧化劑 這是一個(gè)突破 第二個(gè)突破就是這一次煙花多數(shù)是用了開發(fā)研制出來的無煙的或者微煙的這種煙花技術(shù) 第三個(gè)突破就是科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新 23 奧運(yùn)會上的煙火 綠色奧運(yùn) 不能讓大家看夠玩夠后 留下一地殘?jiān)?滿場黑煙 所以 研究小組改變了煙花的金屬可燃物和色焰劑 這樣 沒有燃燒完全的殘?jiān)蚣?xì)小燃燒產(chǎn)物即使彌漫在空中 也難以形成肉眼能見的煙霧 更不會產(chǎn)生過多的殘?jiān)碗s質(zhì) 最要緊的是 這種焰火燃燒后 產(chǎn)生的是二氧化碳 一氧化氮 氮?dú)?水蒸氣等氣體 而不產(chǎn)生一氧化碳 二氧化氮和微粒狀固體可吸入顆粒物 對人體和環(huán)境絕對無害 24 奧運(yùn)會上的煙火 動(dòng)態(tài)焰火帶給全世界觀眾無與倫比的驚喜與贊嘆 而這些動(dòng)態(tài)焰火的主要研發(fā)者 就是北京理工大學(xué)宇航科學(xué)技術(shù)學(xué)院的趙家玉老師 他身兼北京奧運(yùn)會開閉幕式焰火團(tuán)隊(duì)專家組組長 這也是繼1949年開國大典負(fù)責(zé)煙花燃放之后 北京理工大學(xué)對國人的又一次巨型獻(xiàn)禮 奧運(yùn)期間燃放的焰火 具備無殘?jiān)?無煙或少煙 環(huán)保無公害的要求 相關(guān)技術(shù)均已達(dá)到世界領(lǐng)先水平 而動(dòng)態(tài)焰火的研發(fā)在全球更是首次 25 奧運(yùn)會上的煙火 與以往靜態(tài)燃燒的奧運(yùn)五環(huán)焰火圖案不同 本屆奧運(yùn)開幕式的奧運(yùn)五環(huán)焰火第一次 動(dòng) 了起來 紅 綠 白 藍(lán) 黃五色圓環(huán)從不同方位升上天空 在114米高空開始套在一起 隨即逐步形成 奧運(yùn)五環(huán) 圖案并運(yùn)行到170米的高空 26 奧運(yùn)會上的煙火 冷焰火就是采用燃點(diǎn)較低的金屬粉末 經(jīng)過一定比例加工而成的冷光無煙焰火 冷焰火燃點(diǎn)低 燃點(diǎn)在60 80 外部溫度30 50 對人體無傷害 適用于舞臺表演和各種造型設(shè)計(jì) 而普通焰火燃點(diǎn)在500 800 之間 燃燒時(shí)容易對人體造成傷害 冷焰火科技含量高 以環(huán)保無污染而倍受人們青睞 27 奧運(yùn)會上的煙火 燃放焰火雖然是我國舉行慶典的傳統(tǒng)項(xiàng)目 但是現(xiàn)有的焰火品種在材料和燃放上存在很大的安全隱患 為此 奧運(yùn)焰火材料的選擇突出了安全環(huán)保 比如在黏合劑材料上 使用賽璐珞 環(huán)氧樹脂等新材料取代了容易吸濕霉變的淀粉材料 既能增強(qiáng)煙花制品的安全性 又能提高焰火的亮度和色度 還不容易出現(xiàn) 啞炮 現(xiàn)象 傳統(tǒng)焰火燃放時(shí)產(chǎn)生的大量煙塵和有害氣體 會對環(huán)境及人體造成損害 燃放有害焰火也有悖于北京奧組委對世界人民的承諾 但是 以當(dāng)前的科技水平還不可能實(shí)現(xiàn)無煙燃放 無煙煙花一直是焰火科技有待解決的難題 南京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)突破了制作無煙或微煙焰火關(guān)鍵技術(shù)的障礙 研制出了焰火的微煙引線 使用這種微煙引線引燃雖然也有煙霧 但煙霧濃度要比目前廣泛使用的有煙引線帶來的煙霧濃度低73 可以在最大程度上避免污染 28 奧運(yùn)會上的煙火 從唐代記載的 一硝二磺三木炭 1000多年來 我國的常規(guī)煙花產(chǎn)品主要成分都包含黑火藥 其主要成分是硝酸鉀 硫磺 木炭 這些物質(zhì)燃燒后會產(chǎn)生硫化鉀 二氧化硫等成分 既有濃煙 也對環(huán)境和人體有害 而且 硝酸鉀也容易吸潮 今天 煙花產(chǎn)品所用藥劑主要由主燃劑 色焰劑 火花與火花分枝劑組成 其中 主燃劑由含碳 氫 氧 氮的硝基化合物組成 色焰劑由鍶 鋇 銅 鈉 鈣等化合物組成 火花劑主要由金屬可燃物組成 奧運(yùn)會所用煙花在藥劑原材料選擇和藥劑配方上作了改進(jìn) 29 奧運(yùn)會上的煙火 首先 在藥劑原材料選擇方面 采用硝基化合物 多基化合物等可燃物質(zhì)取代硫磺 以鐵鈦合金等輕金屬粒子 氧化鉍氧化劑 替代了鎂 汞 鉛等物質(zhì) 由于所用的原料不吸潮 點(diǎn)燃溫度在230 到250 之間 增強(qiáng)了在生產(chǎn) 運(yùn)輸 使用過程中的安全性 并且原料純度要求均在95 以上 其次 通過藥劑配方研究 使焰火燃放時(shí) 產(chǎn)生二氧化碳 一氧化氮 氮?dú)?水蒸氣等氣體 而不產(chǎn)生一氧化碳 二氧化氮和微粒狀固體可吸入顆粒物 實(shí)現(xiàn)對人體和環(huán)境無害 30 奧運(yùn)會上的煙火 這樣 金屬可燃物和色焰劑在燃燒過程中最終形成的金屬氧化物和氯化物粒子小于1 m 可以防止或減少未燃燒完全的殘?jiān)蚣?xì)小燃燒產(chǎn)物彌漫在空中 形成肉眼能見的煙霧 煙花燃燒時(shí)不會產(chǎn)生過多的殘?jiān)碗s質(zhì) 不會出現(xiàn)殘留物 彈片 紙屑飛下等情況 31 奧運(yùn)會上的煙火 奧運(yùn)會煙花科技的創(chuàng)新亮點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面 新材料的應(yīng)用 新品種的研發(fā)與新技術(shù)的使用 新材料的應(yīng)用突出的安全環(huán)保 近年來 國內(nèi)煙花科技工作者已開發(fā)研究出了不少經(jīng)濟(jì)適用和安全環(huán)保的新材料 比如在粘合劑材料上 使用賽璐珞 環(huán)氧樹脂 酚醛樹脂 蟲膠清漆 聚乙烯醇等取代易吸濕霉變的淀粉材料 既增強(qiáng)了煙花制品的安全性 又提高了發(fā)光星體的著火率 燃燒性以及亮度和色度 材料科學(xué)革命誕生出的納米材料 用于煙花的呼聲也越來越高 32 奧運(yùn)會上的煙火 承擔(dān)建國60周年焰火表演科研任務(wù)專家講 用焰火打出漢字的慶賀標(biāo)語已經(jīng)不太遙遠(yuǎn)了 也許十月一日國慶節(jié)大家就能看到 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 謝謝