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"超级高铁"时速达4000公里 "第五种交通方式"可行吗?

http://internal.dbw.cn/ | 2017-09-06 07:11:25
 作者:俞慧友    来源:科技日报    频道主编:吕小忱

  原标题:“第五种交通方式”可行吗? ——从时速四千公里的“超级高铁”看磁浮技术“星球争霸”

  8月的最后一天,一条科技新闻引发了舆论场“海啸”:中国航天科工集团公司宣布,正在推进结合了超声速飞行技术与轨道交通技术的“高速飞行列车”项目,时速有望高达4000公里。一旦实现,国内超级城市群便能形成1小时经济圈。

  被称为“第五种交通方式”的“高速飞行列车”是个什么“鬼”?4000公里的时速,是否考虑过乘车群众“小心脏”的承受力?科技日报记者就此采访了有关专家。

  有理论与技术基础尚缺试验数据支撑

  “在真空管道中运行4000公里时速,是基于现有技术基础上的推断,有一定理论和技术基础,但缺乏实验依据。”西南交通大学超导中心教授赵勇说。

  国防科技大学磁浮技术工程研究中心教授李杰也认为,依据磁浮原理,磁浮列车速度确实可以“无极限”。4000公里时速,理论上可行。

  不过,理想很丰满,现实仍“骨感”。

  赵勇介绍,要实现目标速度,至少有三大问题待解:如何低成本获得真空管道以及管道维护;如何确保高速运动下磁浮系统的动力学稳定性;如何保证高速运动下的直线驱动效率。“这些都需要实验数据支撑。”

  磁浮列车主要涉及悬浮、导向、牵引等核心关键技术。时速1000公里以上的超高速列车,如何稳定悬浮、且“不跑偏”,如何获得与超高速相匹配的牵引技术,都需要一步步向前推进。

  根据我国轨道交通国家标准,中低速磁浮列车,每10米允许的“跑偏”误差不超过3毫米。高速磁浮列车每跨“跑偏”误差必须控制在1毫米以内。对于1000公里以上的“超级高铁”,其误差控制精度,则更高。

  如何让它“不跑偏”?

  航天科工集团三院三部主任助理、高速飞行列车项目技术负责人毛凯介绍,目前开展的多项关键技术攻关中,有一项高温超导磁悬浮技术正是要解决这个问题。

  2014年,西南交通大学搭建了全球首个真空管超高速磁悬浮列车原型测试平台,实验环线半径为6米。有两个课题组开展了在真空管道中的高温超导磁浮问题研究。其中,一组偏重载人磁浮系统研究,目前在平台中载人运行可达时速30公里。另一组则偏重高速运动下的动力学行为,在平台中运行可达时速160公里。

  “我们的高温超导磁浮技术,是基于高温超导体与永磁体间的抗磁和磁通钉扎作用,是一种由材料内在特性决定的被动悬浮。它具有结构简单、安全、自导向、节能环保等优势。”赵勇说。正因为其“自导向性”,确保了在合理轨道设计下列车沿轨道稳定运行的可能。“严格说,它是‘非理想第二类超导体的迈斯纳效应、磁通钉扎’与‘量子磁浮记忆效应’的结合。”

  1000公里时速以上的磁浮成熟技术还没出现

  按悬浮形式,磁浮技术可分为常导与超导两类。

  日本采用了基于电磁动态悬浮的低温超导磁浮技术,这一技术业已成熟,载人速度可达时速600多公里。2014年,日本开工建设世界首条最高时速达505公里的超导磁悬浮高速铁路,预期2027年建成通车。而上海430公里时速的磁浮列车,则采用了德国的常导磁浮技术,利用的是电磁吸引悬浮原理。目前全球尚未形成1000公里时速以上的磁浮成熟技术。

  中车株洲电机有限公司牵引电机研发部副经理何云风介绍,根据速度,磁浮列车有高速和中低速之分。中低速磁浮列车,一般采用短定子直线感应电机牵引,如长沙磁浮列车。高速磁浮列车中,上海磁浮列车采用了长定子同步直线电机牵引,日本高速磁浮列车则采用了低温超导直线电机牵引。“国内对长定子直线电机尚未实现工程化应用,且有同步,永磁、超导等技术路线之分,国内正在开展长定子直线电机工程化研究。不过目前主要是针对400—600公里时速的直线同步电机,600公里以上的还在前期研究中。”

  赵勇补充解释,所谓航天技术与磁浮技术的结合,是指将其空气动力学方面的优势,运用于高速运动的稳定性、气动设计等方面,并非简单的“航天技术+磁浮技术”。

  全球磁浮技术的“星际争霸”

  “高速飞行列车”为真空管道列车,实质也是“Hyperloop超级高铁”概念。千公里时速的超级高铁架构由特斯拉创始人埃隆·马斯克提出,被称为“第五种交通方式”。这一概念提出后,吸引了国际广泛关注,包括Space X、HTT、Hyperloop One等在内的大企业,均参与了研究。

  对超级高铁这一前沿技术的研究,多家公司正处于一种类似“太空竞赛”般的激烈竞争中,显示出对这一可能改变世界的交通技术的极大热情。

  他们看好“超级高铁”的形势,也丝毫不回避诸多技术难题。退休物理学家、超导磁悬浮概念的联合提出者詹姆士·鲍威尔曾警示,轨道误差必须非常小,如果轨道墙壁位置差之毫厘,都可能导致灾难。此外,长真空管道如何维持低压,甚至接近真空状态极为困难。

  “整套系统非常脆弱,哪怕一个点失败,都可能引发灾难。”鲍威尔说。譬如,假设有人在管壁穿孔,或地震导致管道稍微移位,都可能导致乘客舱崩溃。

  超级高铁成本一点也不“平民”,但没有挡住这些大企业探索的脚步。HTT正在搭建长达8公里的全球首个全尺寸Hyperloop模型,可对该交通方式的系统和技术进行全局测试和考量。这段仅8公里长的测试轨道预估需耗资1亿美元——还只是最初期测试轨道的铺设花费。

  来自研发团队rLoop的莱纳德的说法看起来既务实又乐观。他说,超级高铁能在未来5年到10年成为现实已非常了不起,但在任何形式的公共使用之前,将会有大量的测试和监管问题有待解决。(记者俞慧友)

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