論述了我國發(fā)展真空管道高速交通的必要性和可行性. 就管道壓強、遮擋系數(shù)及其關(guān)鍵技術(shù)等基本問題展開討論. 重點論述我國發(fā)展真空管道高速交通的戰(zhàn)略方針和技術(shù)方案. 提出采用高溫超導(dǎo)磁浮導(dǎo)向,同步線性電機牽引和低壓強管道所組成的系統(tǒng). 建議立即開始研究試驗,以期能于2030年前實現(xiàn)600～1000 km /h超高速真空管道磁浮列車的商業(yè)運行.

　　在地表稠密大氣層中運行的高速交通工具,最高經(jīng)濟速度不超過400 km/h^[1-3] . 然而,實現(xiàn)更高速度確有客觀需要,也是交通科技工作者孜孜以求的夢想. 實現(xiàn)更高經(jīng)濟速度的一個可能的途徑是采用真空管道. 筆者擬就此發(fā)表一些思考和觀點,以期引起我國有關(guān)部門、企業(yè)以及交通界學(xué)者工程技術(shù)人員的關(guān)注.

1、發(fā)展真空管道高速交通的必要性

　　限制地面高速交通最高經(jīng)濟速度的根本因素是稠密大氣, 克服氣動作用是地面高速交通的主要任務(wù). 氣動阻力與速度的二次方成正比,氣動噪音隨速度七次或八次方而急增. 這是任何形式的交通工具都無法避免的客觀規(guī)律.

　　文獻^[1]引用了德國磁浮列車和日本新干線輪軌列車實測的牽引曲線,空氣阻力所占比例如表1所示. 可見不管是磁浮還是輪軌列車,當(dāng)速度達到400 km /h以上時,空氣阻力所占比例將超過80%。低速下磁浮列車的空氣阻力比例低于輪軌,除說明其空氣阻力可能較小外,另外一種可能性是其空阻以外的阻力比輪軌的大. 總之, 80%以上的能耗用于克服空氣阻力,應(yīng)當(dāng)認為是不經(jīng)濟的.

表1　空氣阻力在總阻力中所占的比例

　　高速帶來的噪音問題則更嚴重. 交通噪音的環(huán)保國家標(biāo)準(zhǔn)為距離鐵路外側(cè)軌道中心線30 m處所測得的噪音水平一般不得超過70 dB^[4] . 噪音超標(biāo)常成為限制速度的關(guān)鍵因素. 如上海浦東的常導(dǎo)磁浮列車,速度達到400 km /h時,噪音高達89 dB,在城鎮(zhèn)或人口密集地區(qū),只能降速到200 km /h通過.磁浮車的低噪音和振動只是在低速之下才有可能.速度一高,以氣動噪音為主,懸浮與否,已經(jīng)沒有實質(zhì)差別了.

　　既然高速的障礙來自周圍介質(zhì)———稠密大氣,根本途徑只能是改變介質(zhì)的密度. 正如高速水運那樣,水的阻力是大氣的13 倍, 使船脫離水面, 在空氣中飛起來, 即水面效應(yīng)飛船, 速度就可達到300～400km /h. 干線飛機巡航高度達到萬m,也是為了擺脫地表稠密大氣層的作用. 地面列車當(dāng)然不能飛到萬m高空,但可以利用密閉管道,降低管道內(nèi)壓強,等于在列車周圍創(chuàng)造低密度介質(zhì)的環(huán)境,以擺脫阻力與噪音的困擾,理論上可實現(xiàn)任意高速度的運行. 事實上, 1934年德國工程師肯佩爾獲得世界第一個磁浮列車專利時,就是這樣想的. 他提出在真空隧道中運行磁浮列車,速度達到1 800 km /h. 半個多世紀(jì)以來,人們總認為真空隧道難以實現(xiàn),極力探索在開敞大氣中高速運行磁浮列車的道路,可惜無一成功. 歷史的結(jié)論很清楚,必須回到肯佩爾的道路上來,不回避真空管道,才能實現(xiàn)400 km /h以上超高速交通的夢想.

　　有人會認為能實現(xiàn)300 km /h高速鐵路就夠了,沒有必要在地面追求更高的速度. 的確,發(fā)展航空運輸給長距離高速交通提供了很好的選擇. 但是,航空需要耗費大量高級汽油. 在石油資源日趨緊缺的今天,作為科技任務(wù),已到了應(yīng)當(dāng)開始尋找第二種選擇的時候了. 總有一天,乘飛機會變成一般人難于負擔(dān)的奢侈消費,而超高速旅行的市場需求只會與日俱增,經(jīng)濟安全的地面超高速交通將突顯其市場魅力. 另外,環(huán)保問題日益突出,防止地球變暖,控制溫室氣體排放勢在必行.

　　綜上所述,發(fā)展環(huán)保潔凈運輸,即地面超高速軌道交通,從可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟的要求出發(fā),也是十分必要的. 由于研究開發(fā)管道真空高速運輸這一復(fù)雜的新型交通工具,使之達到能夠商業(yè)運營的程度,需要20～30 a時間,能源和環(huán)保留給我們的時間已經(jīng)不多,立即開始研究已嫌過晚,再也不能猶疑觀望,裹足不前了.

2、發(fā)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問題

4、我國發(fā)展真空管道高速交通的戰(zhàn)略方針和技術(shù)方案

　　我國真空管道高速交通的戰(zhàn)略定位應(yīng)為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補充.

　　當(dāng)前正在開發(fā)的輪軌高速鐵路,速度為300～350 km /h,是現(xiàn)有鐵路網(wǎng)提速的必然趨勢. 上海浦東引進德國常導(dǎo)磁浮列車,速度為400～450 km /h,不失為磁浮列車技術(shù)工程化的大膽嘗試. 這2項已列入我國中長期交通科技發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略研究. 真空管道高速交通速度更高,技術(shù)難度更大,是交通應(yīng)對幾十年后能源、環(huán)保嚴重問題的重要措施,將成為20～30 a以后交通運輸市場的亮點. 就當(dāng)前來說,研究真空管道高速交通是最具前瞻性、前沿性的前期研究,與其他高速交通的研究并行不悖,相輔相成. 因此,真空管道高速交通的戰(zhàn)略方針應(yīng)當(dāng)是研究領(lǐng)先,試驗開路,分階段實現(xiàn)工程化,以2020年拿出最優(yōu)工程方案, 2030年開通首條運營線為目標(biāo). 對于真空管道高速交通這樣的高技術(shù)項目,必須進行多方案比較試驗,優(yōu)選各個子系統(tǒng)的技術(shù),還要反復(fù)進行系統(tǒng)綜合評估,才能找出最佳結(jié)構(gòu)方案及參數(shù). 所以,不能急功近利,過早考慮實際工程實施,盲目追求市場效應(yīng).

　　分階段發(fā)展的初步設(shè)想是用5年 (2005～2010)時間進行小比例模型研究,主要是探討壓強、遮擋系數(shù)和速度之間的關(guān)系,確定管道內(nèi)徑及車輛外部尺寸. 然后,再用5年,即在今后10 年(2005～2015)之內(nèi),進行全尺寸模型試驗,同時建造試驗線路并進行運行試驗. 總共大約需要15 年(2005～2020) ,才能確定最佳的工程化方案. 在其后的10 年內(nèi)(2020～2030)有望建成一條足夠長度的運營示范線. 爭取能在2030年以前開始商業(yè)運營.

　　關(guān)鍵是技術(shù)方案的選擇. 應(yīng)鼓勵多單位參與,各自選擇1個或若干方案開展試驗研究. 2020年進行全國性的方案評比,取長補短,共同確定一個最佳方案.管道壓強的基本選擇有2種:超低氣壓管道或低氣壓管道. 前者壓強可取1. 0 Pa或更低,后者一般可取10～20 kPa. 各有短長,通過對比分析才能決定取舍.

　　管道結(jié)構(gòu)可以是圓形(最省材料)或在凹形整體道床上的半圓形;雙向管道可以并列,也可以上下排列; 2管道之間可以分隔,也可以相互連通,以減小遮擋系數(shù). 管道不一定都高架,鋪于地面可省支撐結(jié)構(gòu).進入隧道時可利用隧道做真空管道,以縮小隧道斷面. 管道材料可選防漏水泥,也可考慮鋼板、塑料等新型建材. 管道內(nèi)降低壓強可選用高效率的抽風(fēng)機,沿管道建設(shè)自動抽氣站. 抽氣站間的距離和抽風(fēng)機功率由計算確定.

　　關(guān)于道岔,如采用非包邊的磁浮車,可通過導(dǎo)向機構(gòu)的自動控制而避免轍岔的移動,這樣可使管道分岔十分簡單. 列車進出站可采用登車橋機構(gòu),一端與車站開敞部分相通,另一端與車門緊密貼合后,開啟車門,即可供旅客上下.

　　列車選擇的范圍更大. 牽引動力看來采用大功率同步線性電機已成共識,或可有更好的方案,如超導(dǎo)牽引等. 懸浮及導(dǎo)向則可在更多可能方案中選擇,輪軌也是可以考慮的. 輪軌系統(tǒng)如不承擔(dān)牽引(牽引仍用線性電機) ,只用于支承和導(dǎo)向,則在很高速度下也能很好工作. 用于貨運的管道多采用滾輪支承就是一例. 當(dāng)然采用磁懸浮將更方便. 磁浮技術(shù)種類繁多,有常導(dǎo)、超導(dǎo)、高溫超導(dǎo)、磁浮飛機、永磁補償?shù)鹊? 最近航天部第二研究院又推出氣浮車技術(shù),他們發(fā)現(xiàn)航天器上使用的發(fā)汗冷卻技術(shù)產(chǎn)生的推力,可用來將車懸浮,這也是一種可以考慮的方案.

　　從國內(nèi)外磁浮技術(shù)的發(fā)展來看,西南交通大學(xué)研制的高溫超導(dǎo)磁浮車最有可能成為600～1 000 km /h超高速真空管道交通的載體. 這一技術(shù)利用常規(guī)永磁體的磁場在高溫超導(dǎo)體中引起屏蔽電流實現(xiàn)懸浮,導(dǎo)向由高溫超導(dǎo)體釘扎中心對永磁導(dǎo)軌磁力線的釘扎作用實現(xiàn). 懸浮高度和導(dǎo)向力一般不需要額外的自動控制系統(tǒng),懸浮距離大,導(dǎo)向力強,結(jié)構(gòu)簡單. 非包邊結(jié)構(gòu)便于采用半圓罩以形成管道. 缺點是用永磁軌道,不便維修養(yǎng)護,但在密閉的真空管道中運行,就不存在這個問題了.

　　采用高溫超導(dǎo)懸浮和導(dǎo)向, 同步線性電機牽引, 在10～20 kPa壓強的管道中, 運行速度為600～1 000 km /h,可以作為目前進行試驗研究的一個基本方案.

　　沒有行動任何戰(zhàn)略方針都是空話. 實現(xiàn)超高速真空管道交通雖然是20～30年以后的事,但研發(fā)工作如不現(xiàn)在就啟動,再等多少年也只能是夢想. 如果本文能夠引起社會的關(guān)注和學(xué)術(shù)界的支持,展開討論,則是作者的最大希望了.

參考文獻:

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