首頁 > 公益新聞 > 正文

超級高鐵:從歷史到現實

2018年07月11日 16:04   來源:北京日報   王麟

  日前,主題為“交通讓世界更美好”的2018世界交通運輸大會在北京國家會議中心召開。會上,眾多備受關注的未來交通新概念和新思路紛紛登場,展示了交通領域日新月異的新科技將改變人們生活的美好願景。其中的超級高鐵技術發展尤為引人注目。

  真空管道是超高速不二法門

  超級高鐵與大眾的出行密切相關,它最吸引人之處,就是其運作速度遠超輪軌式高鐵列車,時速可達600千米至1200千米,甚至有很多人斷言能夠達到4000千米以上。

  這類超級高鐵有一個共同的特點,就是列車必須在密封的真空或者低氣壓管道中運作。具體而言就是通過抽取空氣達到接近真空的低氣壓環境,採用氣動懸浮或者磁懸浮驅動技術,讓列車在全天候、無輪軌阻力、低空氣阻力和低噪聲模式下超高速運作。這種新式交通模式也稱為“真空管道運輸”,俗稱“超級高鐵”。

  與時速800千米的飛機相比,當超級高鐵達到該速度之時,飛機耗能是後者的6倍;在耗能相等的情況下,超級高鐵的速度是地面其他交通工具的5倍以上。真空管道列車一般採用電能,清潔無污染,比飛機、汽車這類耗油大戶更環保;由於管道密封,深埋地下或者高架空中,採用雙管道設置,列車來回不受干擾,只要解決了列車的安全制動問題,系統的安全系數還是很高的。

  氣動懸浮技術難獲進展

  總結起來,超級高鐵列車主要有兩種類型,分別是氣動懸浮列車和磁懸浮列車。

  氣動懸浮列車又分為“氣墊懸浮”和“氣膜懸浮”兩大類。“氣墊懸浮”的技術原理是通過燃氣輪機輸出壓縮空氣,在車輛底部形成氣墊,使得列車懸挂在導軌的上方,再通過車輛後面的馬達驅動列車前進。氣墊懸浮列車最早出現在法國,該領域的技術先驅就是法國科學家吉恩·伯庭,1974年3月5日,他研發的氣墊列車創造了平均時速417千米的記錄,暫態最高速度達到了430.4千米/小時。但是這款高速列車生不逢時,無法解決噪聲和振動缺陷,又遭遇了世界性的石油饑荒,最後被政府撤資拋棄。除了法國之外,英國、美國和日本也曾經組織研發氣墊懸浮列車。

  氣墊懸浮列車問世已經40多年,始終沒有形成氣候,這是因為它們都有一個致命的缺陷,就是運作不穩定。列車的穩定性解決不了,實用就是空談。

  而氣膜懸浮列車的技術原理,是通過安裝在車底的氣腿噴射空氣形成的氣膜,從而支撐懸浮列車。相比之下,氣墊列車形成的氣墊厚度是百毫米級,而氣膜懸浮列車形成的氣膜厚度是毫米級,後者比前者運作更加穩定。

  值得一提的是,氣膜懸浮列車是我國科學家首次發明的,其核心技術就是氣膜形成技術,在1998年被首次開發應用,2002年研製成功氣膜懸浮樣車,試驗速度可達600千米/小時,在2004年通過了專家鑒定。然而,如今已經過去了14年,這項技術由於實用性難以達到要求,仍舊沒有商用化,也鮮有新的進展。

  磁懸浮技術多有斬獲

  引起全球熱炒的“超級回路”超高速列車,由美國億萬富翁埃隆·馬斯克在2013年首次提出,最初的構想也是利用氣動懸浮技術,但是在實驗中認為不可行,最後改成了磁懸浮技術。

  和屢敗屢戰的氣動懸浮列車不同,磁懸浮技術經過四十多年的發展,如今已經實現了商用化,並且形成了三大獨立的技術,分別是電磁懸浮、電動懸浮和高溫超導磁懸浮。上述三項技術的代表國家是德國、日本和中國。

  談起磁懸浮技術的起源,可以追溯到114年前。在1904年,美國火箭先驅羅伯特·戈達德作為一名大學新生,發表了一篇論文,提出可以通過電磁排斥力讓列車懸浮在導軌上,進而在真空管道中高速運作,這是對真空管道磁浮列車概念的首次提出。對磁懸浮列車技術做出開創性貢獻的,是德國磁浮列車技術先驅赫爾曼·肯佩爾,他是全世界第一個將磁浮列車當成嚴肅科學並認真對待的科學家,被稱為“磁浮列車之父”。赫爾曼從1922年開始研究磁浮列車技術,10年的艱苦攻關之後,他向柏林專利局申請了一項磁浮列車的專利並獲批准。德國的磁浮列車就是基於赫爾曼的發明而發展來的。

  日本研發的低溫超導電動懸浮技術借鑒自美國。在1966年,美國兩位磁浮先驅詹姆斯·鮑威爾和戈登·丹比聯合發表了一篇關於超導磁懸浮的論文,闡述了一種利用超導磁體産生的磁場來懸浮和移動列車的方式,列車的速度可達每小時592千米。日本受此啟發,獨立研發出低溫超導高速磁浮列車技術。在2003年,日本的低溫超導高速磁浮列車試驗速度達到581千米/小時,保持記錄12年。到了2015年4月16日,磁浮列車的速度突破了590千米/小時。僅僅5天之後的4月21日,列車的速度就達到了603千米/小時,創造了高速交通系統的世界新記錄。

  對於高溫超導磁懸浮技術,我國的技術研發具有代表性。2000年西南交通大學研製成功世界首臺高溫超導磁懸浮實驗車“世紀號”,2013年建成高溫超導磁懸浮測試環線。在“十三五”期間,我國啟動了“國家先進軌道交通重點專項”的研究,開始了對時速200千米、時速400千米和時速600千米的高速、超高速磁浮列車的聯合技術攻關。預計在2020年左右,實用化的高速磁浮樣車就會問世。

  真空管道運輸設想由來已久

  談及真空管道運輸的技術發展,需要回顧一下在19世紀早期出現的管道氣動客貨列車。在當時,蒸汽機車尚未普及,電力和內燃牽引更是杳無蹤跡,那些智慧滿滿的技術先驅們,就嘗試在密封的管道內通過壓縮空氣作動力驅動列車運作,稱之為“管道氣動運輸系統”,此時的密封管道還無法做成真空。

  進入20世紀之後,真空管道運輸的概念才出現,首次提出這個設想的是美國火箭專家羅伯特·戈達德。到了20世紀30年代,德國的科學家赫爾曼·肯佩爾提出將磁懸浮列車系統放置於低壓環境的密閉管道中,設想列車運作速度將會達到1800千米/小時。20世紀50年代,美國麻省理工學院的科學家們也提出了建設真空管道線路的計劃。

  1978年,美國蘭德公司的技術專家提出建造名為“運輸之星”的交通運輸系統,由建設在地下的具有低壓環境的管道和磁懸浮列車系統構成。1999年,美國著名工程師達裏爾·奧斯特取得真空管道交通系統的發明專利。

  對真空管道磁浮列車技術,我國的研發不算晚。在2004年12月,我國召開了由8名兩院院士參與、多名國內權威專家出席的“真空管道高速交通”研討會。2005年,牽引動力專家沈志雲院士撰文闡述了真空管道高速列車的技術方案和實現途徑。2011年,西南交通大學研發出“真空管道磁浮車實驗系統”,系統壓力達到0.012個標準大氣壓,這是全球第一個同時結合真空管道、磁懸浮及線性驅動技術的完整真空管道試驗設備。

  2014年,西南交大建成全球首個真空管道超高速磁懸浮列車環形實驗線平臺和國內第一個載人高溫超導磁懸浮環形實驗線,研究並驗證了“真空管道+高溫超導磁懸浮”的可行性,列車測試速度達到了400千米/小時。根據研發計劃,在2018年年底,世界上時速最快的真空高溫超導磁懸浮比例模型車實驗線將在成都建成並投入試驗測試。

  特別關注

  “超級高鐵”需要解決一系列技術難點

  超級高鐵躍躍欲試,想嶄露頭角,掀起一場交通技術革命,但是面臨的技術問題也是空前的,對這種技術能否實現的質疑始終存在。業內專家們就提出了四大技術難點,代表了很多質疑者的看法。

  第一個技術難點是如何實現管道的真空環境,最關鍵的問題就是管道的密封性很難保證,同時對管道的設備維護也是一大挑戰;

  第二個技術難點是如何保證真空管道中設備的正常使用,也就是説,真空環境下一些設備是否會罷工,這需要多方試驗才能確定;

  第三個技術難點是如何解決真空管道列車的制動難題,以及一旦運營故障,旅客如何安全疏散。畢竟,如此高的運作速度,一旦制動失控將會帶來可怕後果;

  第四個技術難點是如何保證真空管道的線型滿足列車亞音速甚至超音速的要求。因為列車速度越高,線路的曲線半徑就越大,半徑大小與速度的平方成正比。複雜的地形條件,使得線位的控制因素極多,讓實現和維持列車的超高速成了最大的難題。

  然而,超級高鐵是一種面向未來的技術,代表了先進的技術發展方向,即使面臨諸多的技術難題,也值得我們為此拼搏一把。


(責任編輯 :韓璐)

分享到:
35.1K
·延深閱讀