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解密冬奥会开幕式的台前幕后 (三) \\r\\n主火炬执行机构与三个场外火炬

2022-02-11

2月4日,国家体育场“鸟巢”,北京2022年冬奥会开幕式上,晶莹剔透的“冰雪五环”到浪漫唯美的雪花火炬台,从夺目多变的冰瀑到创意无限的点火仪式,以科技赋能艺术,实现了理念创意创新与科技力量的完美融合,再次惊艳全球!


奥运开幕式上圣火点燃瞬间,是最激动人心的一刻。它既凝聚了东道主的文化沉淀和理念传递,也彰显了自身的国家创意科技综合实力。点火仪式,成为历届奥运会开幕式上最受瞩目的重头戏。

在此次北京冬奥会开幕式上,为了传递低碳环保的绿色奥运理念,导演组以“不点火”代替“点燃”,以“微火”取代熊熊燃烧的大火,用“百年未有”的点火仪式创新,彰显了新时代中国的文化自信,成就了奥运史上的又一个经典瞬间。

本届冬奥会的主火炬是直径14.89米的“大雪花”。在点火仪式上,主火炬“大雪花”在40米的高空,完成翻转、提升、360度旋转等一系列高难度动作,实现了科技与艺术的完美融合,尽显中国式浪漫。从而成就了开幕式上那个独特而又浪漫的点火仪式。

每一次文体盛事活动,尤其是奥运会开闭幕式,都是检验我国舞台机械行业发展水平和自主创新能力的重要舞台,也是最新舞台科技与艺术深度融合的展示台和企业实力比拼的竞技场。
别具一格的点火仪式背后,是多家航天机构与优秀舞台工程团队的同心协力、创新奋进。在中国航天科技集团公司中国运载火箭技术研究院牵头抓总下,其下第十一所担纲主火炬总体负责、氢气燃烧系统设计及供货,北京北特圣迪科技有限公司(以下简称:北特圣迪)负责主火炬姿态调整执行机构、场外火炬双转台等工程项目及部分核心设施设备,发挥了极为重要的作用,用智慧和技术实力为这场国之盛典贡献了力量。


主火炬姿态调整执行机构

在此,解密北特圣迪设计研发的主火炬姿态调整执行机构——在距离鸟巢地面45米空中、悬挂于上空威亚上的一个神秘“黑盒子”,如何让直径14.89米的主火炬——“大雪花”翻转、提升、360度旋转,从而成就了独特而又浪漫的点火仪式。

主要功能及技术指标 

主火炬姿态调整执行机构吊挂在上空威亚小车之上,承担了开幕式主火炬的供电、信号传输、供气、提升和旋转功能。在“点火仪式”环节,整个执行机构在威亚小车的带动下,从表演区北侧备场移动至中心表演区。随后,下放钢索、氢气管道和电缆与主火炬相连,通过先进的姿态控制技术,使主火炬完成一系列动作。



姿态调整执行机构设备由移动供电索系统、提升驱动系统、氢气和电缆组合卷线器系统、结构支承系统、控制系统、燃料供应及控制系统等部分组成。所有系统均高度集成在一起,实现了可卷伸氢气管道、可卷伸电缆、可卷伸控制线缆和主火炬的快速对接,以及氢、强电、控制信号在特殊表演场景下的连续、稳定、可靠供应与传输,可以和着主火炬的节拍一起上下伸展,确保了“结构不失稳,烧的起来,亮的起来,动的起来”。

 姿态调整执行机构结构组成

姿态调整执行机构系统参与主火炬点火时,位于中央表演区正上方45米处,平时备场位置在表演区北侧上空,吊挂在上空威亚系统之上。

这一属性,决定了执行机构系统的整体重量需要限制在4200kg以内。在表演阶段,提升钢索、氢气管道、电缆和控制线缆的最大提升和下降速度为0.4m/s,最大旋转速度为2r/min,在风力不大于6级、风速不大于13.8m/s的条件下均可正常运行。

 姿态调整执行机构上的2200kg和1000kg卷扬机

 姿态调整执行机构上的气、电组合卷线器

为验证姿态调整执行机构方案的合理性,检验系统的安全性和可靠性,在设备设计实施阶段,还加工制作了一套试验件,并进行了全要素试验测试。




设计重点及难点 

设备系统高可靠性设计



姿态调整执行机构与主火炬的正常运行息息相关,一旦发生故障将导致开幕式最重要的环节——点火仪式无法顺利进行,其结果将是灾难性的。因此,在设计时,采用相同能力且独立的两套卷线器来进行供电、信号传输和供气。同时,所有驱动、电滑环、气滑环、控制系统均采用冗余设计,确保仪式万无一失。


整备重量轻量化设计



姿态调整执行机构一直吊挂在威亚系统上,在设备悬垂高度不得低于40米、设备重量不大于4200kg的限制条件下,设计必须“斤斤计较”,既要满足主火炬的姿态调整需求,又要确保整体结构的稳定。为此,设备采用铝合金材质,并通过计算和仿真模拟,不断对其结构进行优化迭代,按等强度设计理念,以达到轻量化的要求。


极端天气环境设计




姿态调整执行机构要在鸟巢露天环境下工作,对雨雪、低温等环境影响极为敏感。为此,设备所有电气元件均达到IP66级别以上,并全部通过-20℃低温测试,保证了极端天气环境下的正常运行。


在柔性索上移动的供电系统




姿态调整执行机构工作前,需在上空威亚的悬吊下,从鸟巢北侧碗边快速向中心位置移动。同时,还要保证控制室和姿态调整执行机构系统之间的电、控制信号传输的连续、稳定。由于电和控制系统线路的独一性、复杂性,再加之柔性索上荷载重量的限制,专门设计了一套移动供电索系统。该系统由24套电缆小车、与威亚小车之间的连接件,以及安放在鸟巢北侧下层结构的收揽卷扬机、若干转向滑轮组、起重附件等组成。



三个场外火炬如何化身“动态雕塑”

为场外火炬注入”动力“ 

北京冬奥会共分北京、延庆、张家口三个赛区,除了鸟巢内的主火炬台外,还分别在鸟巢与水立方之间的中心区、北京延庆冬奥城市文化广场、张家口崇礼太子城小镇中心广场三地,设置了三个场外火炬台。
2月4日晚,在主火炬被点亮后,这三个场外火炬台也依次被点燃。晶莹的“雪花”和灵动的“飘带”相向旋转,犹如冰面上挥舞长袖、翩翩起舞的舞者,在光影的映照下,呈现出流光溢彩的梦幻效果,令观者为之惊叹。
▲ 北京场外火炬台

▲ 延庆场外火炬台

▲ 张家口场外火炬台

三个场外火炬台采用动态双旋转雕塑造型,由“雪花”及“飘带 ”组成,寓意团结和凝聚。为了呈现冬奥会的运动之美,增加场外火炬台的动态视觉美感,三个场外火炬台下分别安装了一套双转台装置,用以带动火炬形成内外不同的旋转效果。

这套由北特圣迪专为北京冬奥会项目设计研发的装置,由直径22米的外转台和直径18米的内转台两部分组成。在中间构件的连接和相互支撑下,安装“飘带”的外转台和连接“雪花” 的内转台,既可独立旋转又能双向同步旋转,从而使场外火炬台在不同角度下呈现出高低起伏的动态。

通过这种方式,为三个场外火炬台注入了“运动灵魂”,营造出冬奥运动强烈的速度感、节奏感和冰雪的圣洁感。


场外火炬技术难关——攻克
作为奥运精神的体现和传承,位于室外的三个场外火炬台必须抵御严寒、强风、雨雪等不利气候条件的影响,在此次冬奥会冬残奥会期间不间断运行15天。同时,为了践行简约、精彩、可持续利用的原则,场外火炬台在赛后还将作为永久雕塑留存,以新城市景观之姿供广大民众共享。而这些,都给双转台装置的整体方案设计增加了不小的难度。


为了克服低温、雨雪天气可能对双转台功能性、稳定性、可靠性造成的不利影响,北特圣迪采取了一系列技术手段。
在材料和设备的选用上,做出特殊要求,所用到的钢结构、挂胶轮及密封材料、润滑油等均选用耐低温材料,并在电气柜内配装加热系统,确保电机、变频器等设备能够抵御零下三十度的低温。
在结构设计上,所有结构的设计计算、仿真模拟均按照30m/S的风载荷、零下30度、大雪载荷的极端条件设定。根据“雪花”和“飘带”的特殊布置,采取了内外转台相互独立的布置方案。
其中,“飘带”通过三点刚性固结在特殊处理的外转台固定点上,由外转台的旋转带动“飘带”转动。“雪花”的下端通过十字轴万向节与内转台铰接,上端则通过“雪花”虚拟球轴承与“飘带”连接。“雪花”旋转是绕上下两铰接点构成的虚拟轴,由内转台进行驱动转动。“雪花”构成的虚拟轴又是“飘带”的支撑轴。
两个转台的旋转相互独立,能在整体结构受力时,实现对“飘带”的部分支撑,从而有效改善了场外火炬台的“飘带”受力情况,大大提高了整个系统的刚度和强度。
在供电供气方面,利用氢气的特点,首次把氢气环和电滑环上下串联,满足了防爆目的,避免了因氢气泄漏造成的危险。
双转台采用多项新的技术集成,可以在实现防爆、满足低噪音、低振动、低温、30m/s以下大变形下的情况下进行旋转,是一套全天候运行的典范设备。
结合具备满足审美要求的“飘带”,主火炬造型的这种装置的研究成功,将有望应用到一些复杂的装置或设备中,可谓是机械转动和动态造型的典型案例,对于城市雕塑和复杂机构的运用也具有重大意义。


图文素材来源于北特圣迪资讯、冬奥视效团队、央视频等网络

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