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超级高铁要实现“近地飞行”?

来源:中国科学报 作者:贡晓丽 2018-07-05 13:47:37

  受粘着、弓网和噪声等制约,轮轨交通技术时速临界线为600公里。下一步,高速磁悬浮轨道交通将成为未来轨道交通技术发展的主攻方向。

  日前,西南交通大学首席教授张卫华在2018年世界交通运输大会上透露,世界上时速最快的超级高铁试验线正在成都搭建,预计将在今年年底前建成并投入试验测试。

  据介绍,中国版超级高铁将采用“高温超导磁悬浮+真空管道”技术,且目前已着手探讨时速1500公里的可行性。

  国家磁浮交通工程技术研究中心副主任林国斌曾对媒体表示,1500公里/小时只是目标的试验性速度,是否可行尚有待验证,即便在试验线上达到了,能否载人、能否实际应用等问题仍然需要解决。从目前的研究阶段来看,超级高铁投入商业化运行还有很长的路要走。

  “前瞻性基础研究必须扎扎实实进行,欲速则不达。”中国科学院和中国工程院两院院士、机车车辆动力学专家沈志云告诉《中国科学报》记者。

  为后高铁时代做准备

  “超级高铁”的概念是特斯拉创始人埃隆·马斯克2013年在自己博客中提出来的。按照他的设计,“超级高铁”车厢像一个胶囊,每一个胶囊被放置于真空管道中,像炮弹一样被发射到目的地。

  “超级高铁”最高速度可达1200公里/小时,超过目前飞行速度最快的客机之一波音787(最高速度800公里/小时~1000公里/小时),从上海到北京仅需1小时。美国很多科技公司都在积极研制“超级高铁”的相关技术,不过目前还在可行性分析和试验阶段,尚未有一个成熟的项目。

  “人类对提高地面交通速度的追求是一个永恒的历史课题。”沈志云表示,在多年自主创新和实践经验积累的基础上,中国铁路成功实施“引进消化吸收再创新”战略,如今高铁“中国标准”正逐渐超越过去的“欧标”与“日标”,被越来越多的国家采用。

  沈志云认为,人类地面交通的发展当然不会就此止步于高铁。“平行于高铁发展的是不断进步的技术,例如采用磁悬浮技术,常导、超导,低速、高速等等,层出不穷,人类创新的脚步,从未停止过。”

  “受粘着、弓网和噪声等制约,轮轨交通技术时速临界线为600公里。”张卫华认为,下一步,高速磁悬浮轨道交通将成为未来轨道交通技术发展的主攻方向。

  中国对高速列车的研究由来已久,后高铁时代也早为学术界热烈讨论过。2004年,沈志云在中国科协举办的院士论坛上作了《真空管道高速交通》的报告。他在会上提出,真空(或低压)管道式地面交通是达到超高速的唯一途径,并认为我国应将目标定位在发展时速600至1000公里的超高速地面交通上。

  “我们不主张急功近利,技术还未突破前绝不搞大量集资,搞工程化。”沈志云坦言,真空管道高速交通技术可能要到20到30年以后才能实现,“但这项技术对高铁来说是又一次颠覆,从现在起就要开始研究,才能确保中国能在引领高铁时代之后,继续引领后高铁时代”。

  技术路线选择明朗

  资料显示,今年年底前将建成并投入试验测试的全新的试验线是直径4.2米、长140米的特制管道,将在低气压环境中测试,实验车车底布满特制的高温超导材料,依靠液氮形成的低温达到超导和磁悬浮效果,悬浮高度10毫米,承重200公斤,测试时速最高可达400公里/小时。

  “实验室已验证过,‘磁悬浮+真空管道’创造的低阻运行环境,能有效提升未来高铁的速度。”张卫华向《中国科学报》透露。

  所谓高温超导,是指在零下196摄氏度的液氮环境中,特殊材料制成的超导体具有零电阻效应。低温超导是指在零下269摄氏度的液氦环境中,超导所具有的特性。高温超导磁悬浮有自稳定、自导向和能静浮的优点,换句话说,把高温超导体放在永磁轨道上后,可实现列车在低速甚至静止状态下,具有稳定的导向力和悬浮力。

  张卫华进一步介绍称,由西南交通大学承担的“多态耦合轨道交通动模试验平台”,是在1500米可模拟不同低气压环境的真空管道里,开展不同磁悬浮模式比例模型车运行测试,包括高温超导磁悬浮模式在内,试验速度超过音速。据张卫华透露,我国最快将于2021年4月达到1500公里试验时速。

  提到磁悬浮列车,不得不提的是世界上首条投入运营的磁悬浮线——上海浦东机场线,其采用的是德国常导磁悬浮技术。列车最高时速达430公里,平均运行时速380公里。

  “常导磁悬浮技术利用磁场吸引力实现悬浮,是一个不稳定系统,需要强大的人工控制设备,才能保证悬浮高度。任何控制都需要时间,称为时迟,运行速度越高,容许的时迟越小。偶有不慎,就可导致失稳。”沈志云介绍,德国试验线上就曾发生类似事故而烧毁了一辆车,故德国目前没有继续发展常导高速,并且连试验线都拆掉了。“常导高速磁悬浮在世界上唯一保存下来的运营线路只有上海浦东常导磁浮机场线了,能否有更大突破,还要拭目以待。”

  “超导利用的是同性磁极相斥原理,靠排斥力把车辆悬浮高达100毫米以上。它是自稳定系统,不需要任何控制装置,即可自动保持设计的悬浮高度。仅此一点,高速列车采用超导技术相对于常导技术的优势就不言自明了。”沈志云说。

  离商用还有时日

  从当前情况来看,我国最新研制的“复兴号”动车组最高设计速度为400公里/小时,在测试中速度曾达到420公里/小时,而在实际中,仍以350公里/小时的速度运行。

  “当时为了保证350公里/小时运营速度,我们建立了600—500—400公里/小时试验体系。即:地面模拟运行试验达到600公里/小时,使线路上的试验速度能达到500公里/小时,用以保证运营最高速度能达到400公里/小时。”沈志云介绍,对于超级高铁,要保证能以1000公里/小时的速度运营,地面模拟最高速度要拟定为1500公里/小时,这样不仅能确保初期1000公里/小时的运营速度,还可为以后运营速度的提高预留试验手段。

  1000公里的时速并非不可能实现,而是需要花费大量的人力、物力与财力。无论是真空技术还是磁悬浮技术,并非没有突破的可能,而是需要推动落地试点。“原理上行得通,但要加快发展工程,把商业运行和科学实验结合起来。”中国工程院院士、空气动力学专家乐嘉陵在一场有关海底真空磁悬浮列车项目的研讨会上建议。

  “超级高铁”在开始工程化以前,还有许多基础性研究要做。沈志云说:“我们已经取得小型环形线试验的突破,正在进行大管道(4.2米直径,140米长,0.05~5.0标准大气压)中加速到450公里/小时的动模风洞试验。已确定在成都市天府新区建设1.5公里管道,进行1500公里/小时超高速的动模风洞试验,研究解决‘超级高铁’一系列关键技术问题,然后才能够在铁路总公司领导下,进行工程化的1000公里/小时示范线建设。”

  中国工程院副院长、中国铁路总公司总工程师何华武表示,上海虹桥到杭州预留了“超级高铁”的条件,在这条线路上继续深化,十年内是有可能实现的。

  沈志云认为,真空管道高温超导磁浮沪杭线将是第一条示范线,建成后的发展是不可限量的,包括速度的提高。“应当说2000公里/小时,甚至4000公里/小时的超高速都是可以纳入视线之中的。”

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