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  • 超级高铁:从历史到现实

    2018-07-11 08:55:23
       来源: 北京日报

      据超级高铁公司Hyperloop发布的消息,将在阿布扎比和迪拜之间建设首条商业性超级高铁,预计在2020年投入运营。
     
     

        四川成都全球首个真空管道高温超导磁悬浮车试验平台。

        新闻背景

        日前,主题为“交通让世界更美好”的2018世界交通运输大会在北京国家会议中心召开。会上,众多备受关注的未来交通新概念和新思路纷纷登场,展示了交通领域日新月异的新科技将改变人们生活的美好愿景。其中的超级高铁技术发展尤为引人注目。

        真空管道是超高速不二法门

        超级高铁与大众的出行密切相关,它最吸引人之处,就是其运行速度远超轮轨式高铁列车,时速可达600千米至1200千米,甚至有很多人断言能够达到4000千米以上。

        这类超级高铁有一个共同的特点,就是列车必须在密封的真空或者低气压管道中运行。具体而言就是通过抽取空气达到接近真空的低气压环境,采用气动悬浮或者磁悬浮驱动技术,让列车在全天候、无轮轨阻力、低空气阻力和低噪声模式下超高速运行。这种新式交通模式也称为“真空管道运输”,俗称“超级高铁”。

        与时速800千米的飞机相比,当超级高铁达到该速度之时,飞机耗能是后者的6倍;在耗能相等的情况下,超级高铁的速度是地面其他交通工具的5倍以上。真空管道列车一般采用电能,清洁无污染,比飞机、汽车这类耗油大户更环保;由于管道密封,深埋地下或者高架空中,采用双管道设置,列车来回不受干扰,只要解决了列车的安全制动问题,系统的安全系数还是很高的。

        气动悬浮技术难获进展

        总结起来,超级高铁列车主要有两种类型,分别是气动悬浮列车和磁悬浮列车。

        气动悬浮列车又分为“气垫悬浮”和“气膜悬浮”两大类。“气垫悬浮”的技术原理是通过燃气轮机输出压缩空气,在车辆底部形成气垫,使得列车悬挂在导轨的上方,再通过车辆后面的马达驱动列车前进。气垫悬浮列车最早出现在法国,该领域的技术先驱就是法国科学家吉恩·伯庭,1974年3月5日,他研发的气垫列车创造了平均时速417千米的记录,瞬时最高速度达到了430.4千米/小时。但是这款高速列车生不逢时,无法解决噪声和振动缺陷,又遭遇了世界性的石油饥荒,最后被政府撤资抛弃。除了法国之外,英国、美国和日本也曾经组织研发气垫悬浮列车。

        气垫悬浮列车问世已经40多年,始终没有形成气候,这是因为它们都有一个致命的缺陷,就是运行不稳定。列车的稳定性解决不了,实用就是空谈。

        而气膜悬浮列车的技术原理,是通过安装在车底的气腿喷射空气形成的气膜,从而支撑悬浮列车。相比之下,气垫列车形成的气垫厚度是百毫米级,而气膜悬浮列车形成的气膜厚度是毫米级,后者比前者运行更加稳定。

        值得一提的是,气膜悬浮列车是我国科学家首次发明的,其核心技术就是气膜形成技术,在1998年被首次开发应用,2002年研制成功气膜悬浮样车,试验速度可达600千米/小时,在2004年通过了专家鉴定。然而,如今已经过去了14年,这项技术由于实用性难以达到要求,仍旧没有商用化,也鲜有新的进展。

        磁悬浮技术多有斩获

        引起全球热炒的“超级回路”超高速列车,由美国亿万富翁埃隆·马斯克在2013年首次提出,最初的构想也是利用气动悬浮技术,但是在实验中认为不可行,最后改成了磁悬浮技术。

        和屡败屡战的气动悬浮列车不同,磁悬浮技术经过四十多年的发展,如今已经实现了商用化,并且形成了三大独立的技术,分别是电磁悬浮、电动悬浮和高温超导磁悬浮。上述三项技术的代表国家是德国、日本和中国。

        谈起磁悬浮技术的起源,可以追溯到114年前。在1904年,美国火箭先驱罗伯特·戈达德作为一名大学新生,发表了一篇论文,提出可以通过电磁排斥力让列车悬浮在导轨上,进而在真空管道中高速运行,这是对真空管道磁浮列车概念的首次提出。对磁悬浮列车技术做出开创性贡献的,是德国磁浮列车技术先驱赫尔曼·肯佩尔,他是全世界第一个将磁浮列车当成严肃科学并认真对待的科学家,被称为“磁浮列车之父”。赫尔曼从1922年开始研究磁浮列车技术,10年的艰苦攻关之后,他向柏林专利局申请了一项磁浮列车的专利并获批准。德国的磁浮列车就是基于赫尔曼的发明而发展来的。

        日本研发的低温超导电动悬浮技术借鉴自美国。在1966年,美国两位磁浮先驱詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比联合发表了一篇关于超导磁悬浮的论文,阐述了一种利用超导磁体产生的磁场来悬浮和移动列车的方式,列车的速度可达每小时592千米。日本受此启发,独立研发出低温超导高速磁浮列车技术。在2003年,日本的低温超导高速磁浮列车试验速度达到581千米/小时,保持记录12年。到了2015年4月16日,磁浮列车的速度突破了590千米/小时。仅仅5天之后的4月21日,列车的速度就达到了603千米/小时,创造了高速交通系统的世界新记录。

        对于高温超导磁悬浮技术,我国的技术研发具有代表性。2000年西南交通大学研制成功世界首台高温超导磁悬浮实验车“世纪号”,2013年建成高温超导磁悬浮测试环线。在“十三五”期间,我国启动了“国家先进轨道交通重点专项”的研究,开始了对时速200千米、时速400千米和时速600千米的高速、超高速磁浮列车的联合技术攻关。预计在2020年左右,实用化的高速磁浮样车就会问世。

        真空管道运输设想由来已久

        谈及真空管道运输的技术发展,需要回顾一下在19世纪早期出现的管道气动客货列车。在当时,蒸汽机车尚未普及,电力和内燃牵引更是杳无踪迹,那些智慧满满的技术先驱们,就尝试在密封的管道内通过压缩空气作动力驱动列车运行,称之为“管道气动运输系统”,此时的密封管道还无法做成真空。

        进入20世纪之后,真空管道运输的概念才出现,首次提出这个设想的是美国火箭专家罗伯特·戈达德。到了20世纪30年代,德国的科学家赫尔曼·肯佩尔提出将磁悬浮列车系统放置于低压环境的密闭管道中,设想列车运行速度将会达到1800千米/小时。20世纪50年代,美国麻省理工学院的科学家们也提出了建设真空管道线路的计划。

        1978年,美国兰德公司的技术专家提出建造名为“运输之星”的交通运输系统,由建设在地下的具有低压环境的管道和磁悬浮列车系统构成。1999年,美国著名工程师达里尔·奥斯特取得真空管道交通系统的发明专利。

        对真空管道磁浮列车技术,我国的研发不算晚。在2004年12月,我国召开了由8名两院院士参与、多名国内权威专家出席的“真空管道高速交通”研讨会。2005年,牵引动力专家沈志云院士撰文阐述了真空管道高速列车的技术方案和实现途径。2011年,西南交通大学研发出“真空管道磁浮车实验系统”,系统压力达到0.012个标准大气压,这是全球第一个同时结合真空管道、磁悬浮及线性驱动技术的完整真空管道试验设备。

        2014年,西南交大建成全球首个真空管道超高速磁悬浮列车环形实验线平台和国内第一个载人高温超导磁悬浮环形实验线,研究并验证了“真空管道+高温超导磁悬浮”的可行性,列车测试速度达到了400千米/小时。根据研发计划,在2018年年底,世界上时速最快的真空高温超导磁悬浮比例模型车实验线将在成都建成并投入试验测试。

        特别关注

        “超级高铁”需要解决一系列技术难点

        超级高铁跃跃欲试,想崭露头角,掀起一场交通技术革命,但是面临的技术问题也是空前的,对这种技术能否实现的质疑始终存在。业内专家们就提出了四大技术难点,代表了很多质疑者的看法。

        第一个技术难点是如何实现管道的真空环境,最关键的问题就是管道的密封性很难保证,同时对管道的设备维护也是一大挑战;

        第二个技术难点是如何保证真空管道中设备的正常使用,也就是说,真空环境下一些设备是否会罢工,这需要多方试验才能确定;

        第三个技术难点是如何解决真空管道列车的制动难题,以及一旦运营故障,旅客如何安全疏散。毕竟,如此高的运行速度,一旦制动失控将会带来可怕后果;

        第四个技术难点是如何保证真空管道的线型满足列车亚音速甚至超音速的要求。因为列车速度越高,线路的曲线半径就越大,半径大小与速度的平方成正比。复杂的地形条件,使得线位的控制因素极多,让实现和维持列车的超高速成了最大的难题。

        然而,超级高铁是一种面向未来的技术,代表了先进的技术发展方向,即使面临诸多的技术难题,也值得我们为此拼搏一把。

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