关于我国发展真空管道高速交通的思考

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西南交通大学牵引动力国家重点实验室 作者:沈志云

  论述了我国发展真空管道高速交通的必要性和可行性. 就管道压强、遮挡系数及其关键技术等基本问题展开讨论. 重点论述我国发展真空管道高速交通的战略方针和技术方案. 提出采用高温超导磁浮导向,同步线性电机牵引和低压强管道所组成的系统. 建议立即开始研究试验,以期能于2030年前实现600~1000 km /h超高速真空管道磁浮列车的商业运行.

  在地表稠密大气层中运行的高速交通工具,最高经济速度不超过400 km/h[1-3] . 然而,实现更高速度确有客观需要,也是交通科技工作者孜孜以求的梦想. 实现更高经济速度的一个可能的途径是采用真空管道. 笔者拟就此发表一些思考和观点,以期引起我国有关部门、企业以及交通界学者工程技术人员的关注.

1、发展真空管道高速交通的必要性

  限制地面高速交通最高经济速度的根本因素是稠密大气, 克服气动作用是地面高速交通的主要任务. 气动阻力与速度的二次方成正比,气动噪音随速度七次或八次方而急增. 这是任何形式的交通工具都无法避免的客观规律.

  文献[1]引用了德国磁浮列车和日本新干线轮轨列车实测的牵引曲线,空气阻力所占比例如表1所示. 可见不管是磁浮还是轮轨列车,当速度达到400 km /h以上时,空气阻力所占比例将超过80%。低速下磁浮列车的空气阻力比例低于轮轨,除说明其空气阻力可能较小外,另外一种可能性是其空阻以外的阻力比轮轨的大. 总之, 80%以上的能耗用于克服空气阻力,应当认为是不经济的.

表1 空气阻力在总阻力中所占的比例

空气阻力在总阻力中所占的比例

  高速带来的噪音问题则更严重. 交通噪音的环保国家标准为距离铁路外侧轨道中心线30 m处所测得的噪音水平一般不得超过70 dB[4] . 噪音超标常成为限制速度的关键因素. 如上海浦东的常导磁浮列车,速度达到400 km /h时,噪音高达89 dB,在城镇或人口密集地区,只能降速到200 km /h通过.磁浮车的低噪音和振动只是在低速之下才有可能.速度一高,以气动噪音为主,悬浮与否,已经没有实质差别了.

  既然高速的障碍来自周围介质———稠密大气,根本途径只能是改变介质的密度. 正如高速水运那样,水的阻力是大气的13 倍, 使船脱离水面, 在空气中飞起来, 即水面效应飞船, 速度就可达到300~400km /h. 干线飞机巡航高度达到万m,也是为了摆脱地表稠密大气层的作用. 地面列车当然不能飞到万m高空,但可以利用密闭管道,降低管道内压强,等于在列车周围创造低密度介质的环境,以摆脱阻力与噪音的困扰,理论上可实现任意高速度的运行. 事实上, 1934年德国工程师肯佩尔获得世界第一个磁浮列车专利时,就是这样想的. 他提出在真空隧道中运行磁浮列车,速度达到1 800 km /h. 半个多世纪以来,人们总认为真空隧道难以实现,极力探索在开敞大气中高速运行磁浮列车的道路,可惜无一成功. 历史的结论很清楚,必须回到肯佩尔的道路上来,不回避真空管道,才能实现400 km /h以上超高速交通的梦想.

  有人会认为能实现300 km /h高速铁路就够了,没有必要在地面追求更高的速度. 的确,发展航空运输给长距离高速交通提供了很好的选择. 但是,航空需要耗费大量高级汽油. 在石油资源日趋紧缺的今天,作为科技任务,已到了应当开始寻找第二种选择的时候了. 总有一天,乘飞机会变成一般人难于负担的奢侈消费,而超高速旅行的市场需求只会与日俱增,经济安全的地面超高速交通将突显其市场魅力. 另外,环保问题日益突出,防止地球变暖,控制温室气体排放势在必行.

  综上所述,发展环保洁净运输,即地面超高速轨道交通,从可持续循环经济的要求出发,也是十分必要的. 由于研究开发管道真空高速运输这一复杂的新型交通工具,使之达到能够商业运营的程度,需要20~30 a时间,能源和环保留给我们的时间已经不多,立即开始研究已嫌过晚,再也不能犹疑观望,裹足不前了.

2、发展真空管道高速交通的可能性

3、真空管道高速交通的基本问题

4、我国发展真空管道高速交通的战略方针和技术方案

  我国真空管道高速交通的战略定位应为600~1 000 km /h超高速地面交通,是目前地面高速交通的延伸和补充.

  当前正在开发的轮轨高速铁路,速度为300~350 km /h,是现有铁路网提速的必然趋势. 上海浦东引进德国常导磁浮列车,速度为400~450 km /h,不失为磁浮列车技术工程化的大胆尝试. 这2项已列入我国中长期交通科技发展规划战略研究. 真空管道高速交通速度更高,技术难度更大,是交通应对几十年后能源、环保严重问题的重要措施,将成为20~30 a以后交通运输市场的亮点. 就当前来说,研究真空管道高速交通是最具前瞻性、前沿性的前期研究,与其他高速交通的研究并行不悖,相辅相成. 因此,真空管道高速交通的战略方针应当是研究领先,试验开路,分阶段实现工程化,以2020年拿出最优工程方案, 2030年开通首条运营线为目标. 对于真空管道高速交通这样的高技术项目,必须进行多方案比较试验,优选各个子系统的技术,还要反复进行系统综合评估,才能找出最佳结构方案及参数. 所以,不能急功近利,过早考虑实际工程实施,盲目追求市场效应.

  分阶段发展的初步设想是用5年 (2005~2010)时间进行小比例模型研究,主要是探讨压强、遮挡系数和速度之间的关系,确定管道内径及车辆外部尺寸. 然后,再用5年,即在今后10 年(2005~2015)之内,进行全尺寸模型试验,同时建造试验线路并进行运行试验. 总共大约需要15 年(2005~2020) ,才能确定最佳的工程化方案. 在其后的10 年内(2020~2030)有望建成一条足够长度的运营示范线. 争取能在2030年以前开始商业运营.

  关键是技术方案的选择. 应鼓励多单位参与,各自选择1个或若干方案开展试验研究. 2020年进行全国性的方案评比,取长补短,共同确定一个最佳方案.管道压强的基本选择有2种:超低气压管道或低气压管道. 前者压强可取1. 0 Pa或更低,后者一般可取10~20 kPa. 各有短长,通过对比分析才能决定取舍.

  管道结构可以是圆形(最省材料)或在凹形整体道床上的半圆形;双向管道可以并列,也可以上下排列; 2管道之间可以分隔,也可以相互连通,以减小遮挡系数. 管道不一定都高架,铺于地面可省支撑结构.进入隧道时可利用隧道做真空管道,以缩小隧道断面. 管道材料可选防漏水泥,也可考虑钢板、塑料等新型建材. 管道内降低压强可选用高效率的抽风机,沿管道建设自动抽气站. 抽气站间的距离和抽风机功率由计算确定.

  关于道岔,如采用非包边的磁浮车,可通过导向机构的自动控制而避免辙岔的移动,这样可使管道分岔十分简单. 列车进出站可采用登车桥机构,一端与车站开敞部分相通,另一端与车门紧密贴合后,开启车门,即可供旅客上下.

  列车选择的范围更大. 牵引动力看来采用大功率同步线性电机已成共识,或可有更好的方案,如超导牵引等. 悬浮及导向则可在更多可能方案中选择,轮轨也是可以考虑的. 轮轨系统如不承担牵引(牵引仍用线性电机) ,只用于支承和导向,则在很高速度下也能很好工作. 用于货运的管道多采用滚轮支承就是一例. 当然采用磁悬浮将更方便. 磁浮技术种类繁多,有常导、超导、高温超导、磁浮飞机、永磁补偿等等. 最近航天部第二研究院又推出气浮车技术,他们发现航天器上使用的发汗冷却技术产生的推力,可用来将车悬浮,这也是一种可以考虑的方案.

  从国内外磁浮技术的发展来看,西南交通大学研制的高温超导磁浮车最有可能成为600~1 000 km /h超高速真空管道交通的载体. 这一技术利用常规永磁体的磁场在高温超导体中引起屏蔽电流实现悬浮,导向由高温超导体钉扎中心对永磁导轨磁力线的钉扎作用实现. 悬浮高度和导向力一般不需要额外的自动控制系统,悬浮距离大,导向力强,结构简单. 非包边结构便于采用半圆罩以形成管道. 缺点是用永磁轨道,不便维修养护,但在密闭的真空管道中运行,就不存在这个问题了.

  采用高温超导悬浮和导向, 同步线性电机牵引, 在10~20 kPa压强的管道中, 运行速度为600~1 000 km /h,可以作为目前进行试验研究的一个基本方案.

  没有行动任何战略方针都是空话. 实现超高速真空管道交通虽然是20~30年以后的事,但研发工作如不现在就启动,再等多少年也只能是梦想. 如果本文能够引起社会的关注和学术界的支持,展开讨论,则是作者的最大希望了.

参考文献:

  [1]  沈志云. 高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较[J] ,交通运输工程学报, 2001, 1 (1) : 126.
  [2]  沈志云. 京沪高速铁路技术方案的探讨[J]. 交通运输工程学报, 2001, 1 (2) : 10213.
  [3]  沈志云. 对磁悬浮高速列车认识的两个错误观点[J]. 交通运输工程学报, 2004, 4 (1) : 122.
  [4]  马大猷,孙家麒,程明昆,等. 噪声与振动控制工程手册[M]. 北京:机械工业出版社, 2002. 137.

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