小平臺(tái)，大能量

本刊記者 胡 敬

小平臺(tái)，大能量

本刊記者 胡 敬

中國(guó)高鐵，被譽(yù)為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的奇跡，頻頻刷新著世界紀(jì)錄。它創(chuàng)造了若干個(gè)世界第一，例如運(yùn)營(yíng)時(shí)速最高、輪軌試驗(yàn)時(shí)速最高等。從引進(jìn)到自主創(chuàng)新，中國(guó)用短短10年時(shí)間實(shí)現(xiàn)了超越，贏得了世界的贊許。在這其中，縮比模型尺寸最大、運(yùn)動(dòng)時(shí)速高達(dá)500公里以上的世界上最先進(jìn)的高速列車(chē)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，為我國(guó)高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究和未來(lái)高速列車(chē)的研制奠定了實(shí)驗(yàn)?zāi)M基礎(chǔ)。

顛覆傳統(tǒng)，讓列車(chē)動(dòng)起來(lái)

我國(guó)最初引進(jìn)的動(dòng)車(chē)組時(shí)速大約為200～300公里，在引進(jìn)的基礎(chǔ)上，科研人員通過(guò)對(duì)其不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新，使得我國(guó)自主研發(fā)的CRH380系列時(shí)速達(dá)到380公里。

速度的提升意味著需要克服的空氣阻力越大。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“力學(xué)所”）研究員楊國(guó)偉介紹，對(duì)于運(yùn)行時(shí)速為350公里的高速列車(chē)，氣動(dòng)阻力占總阻力的85%以上。因此，研究高速列車(chē)的氣動(dòng)特性是高速列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中節(jié)能降噪的關(guān)鍵。

過(guò)去，人們一般在低速風(fēng)洞中研究和測(cè)試高速列車(chē)的氣動(dòng)性能。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)已有150余年的歷史，它是以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流，采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，模擬飛行器或?qū)嶓w周?chē)鷼怏w的流動(dòng)情況，是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試最常用、最有效的工具之一。隨著工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)逐漸在交通運(yùn)輸、房屋建筑、風(fēng)能利用等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中氣體的流動(dòng)狀態(tài)必須與實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)相似。即必須滿(mǎn)足“相似律”的要求。其中“幾何相似”是最基本的相似條件之一，也就是模型和實(shí)物必須按照比例縮小或放大。而“動(dòng)力學(xué)相似”條件則對(duì)實(shí)驗(yàn)氣流的速度提出更高的要求。

由于汽車(chē)和高速列車(chē)均在在地面行駛，與飛機(jī)相比，它們都具有更為復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境：地面效應(yīng)、明線(xiàn)交會(huì)、橫風(fēng)效應(yīng)、隧道通過(guò)和隧道會(huì)車(chē)等。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方面，相對(duì)于汽車(chē)，高速列車(chē)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M需要實(shí)驗(yàn)氣流具有更高的速度。而且，高速列車(chē)的長(zhǎng)細(xì)比更大。因此，現(xiàn)有的汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣流大多不能滿(mǎn)足模擬高速列車(chē)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的要求。一方面，風(fēng)洞只能用于高速列車(chē)的明線(xiàn)單向運(yùn)行模擬。另一方面，在世界上現(xiàn)有的高速列車(chē)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，列車(chē)模型的尺寸都比較?。s比在1/16以下），而且模型尺寸越大，速度越低（一般時(shí)速在300公里）。為了滿(mǎn)足我國(guó)高速列車(chē)氣動(dòng)測(cè)試和各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的迫切需求，力學(xué)所決定發(fā)展大型的高速列車(chē)雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)不同，動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)是讓列車(chē)模型以真實(shí)的列車(chē)運(yùn)行速度在軌道上動(dòng)起來(lái)，然后在運(yùn)動(dòng)的模型上測(cè)量相關(guān)的氣動(dòng)參數(shù)。

2013年年底，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在北京懷柔力學(xué)所錢(qián)學(xué)森工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地建成。該平臺(tái)的最高實(shí)驗(yàn)速度可達(dá)500公里/小時(shí)，具有雙向?qū)﹂_(kāi)運(yùn)行模式，可以安裝隧道模型（具備了模擬列車(chē)穿越隧道和建筑物、在隧道內(nèi)交會(huì)等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能）。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了相關(guān)的測(cè)試技術(shù)，開(kāi)展了一系列的高速列車(chē)氣動(dòng)性能評(píng)估測(cè)試實(shí)驗(yàn)，初步完成單車(chē)隧道通過(guò)、明線(xiàn)及隧道會(huì)車(chē)場(chǎng)景下的隧道壁面和列車(chē)模型表面的壓力分布數(shù)據(jù)，取得了寶貴的有關(guān)高速列車(chē)運(yùn)行方面的實(shí)驗(yàn)資料。

獨(dú)創(chuàng)加速和減速“秘方”

在數(shù)十米的距離內(nèi)，如何讓放置在模型軌道上的列車(chē)模型能夠迅速達(dá)到300～500公里的時(shí)速，并且在完成數(shù)據(jù)測(cè)試后，迅速減速，完整地回到靜止?fàn)顟B(tài)，這是一般動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要解決的兩大難題。

在世界上現(xiàn)有的中小型動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，加速方式分為兩種：一是彈射方式發(fā)射。動(dòng)力來(lái)源于伸長(zhǎng)的彈性繩索內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性勢(shì)能。將它放松后，彈性勢(shì)能迅速釋放，轉(zhuǎn)換為模型的動(dòng)能。但是，由于受到彈性繩索回彈速度的限制，模型難以達(dá)到比300公里更高的時(shí)速。即使使用動(dòng)滑輪倍速技術(shù)，由于在加速過(guò)程中，多個(gè)滑輪的轉(zhuǎn)速需要達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速，列車(chē)模型才能達(dá)到所希望的速度。因此隨著模型速度的升高，能量利用率大幅度降低，速度提升難度加大。另一種方式是利用管內(nèi)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)列車(chē)模型。這種方式雖然可以達(dá)到較高的速度，但是缺點(diǎn)也很明顯：一是由于列車(chē)模型在直接在管內(nèi)加速，列車(chē)模型的尺寸受到管道內(nèi)徑的限制；二是，由于列車(chē)模型和壓縮空氣在相同軸線(xiàn)上，來(lái)自加速管的壓縮空氣會(huì)嚴(yán)重干擾模型的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試過(guò)程。

因此，楊國(guó)偉團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，發(fā)明了壓縮空氣驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)。從字面上看，它似乎與前面提到的“壓縮空氣”如出一轍，但實(shí)際上它是一種新穎的“壓縮空氣間接驅(qū)動(dòng)列車(chē)模型”的模式。一根牽引索可以巧妙地將管道內(nèi)壓縮空氣的膨脹能量“轉(zhuǎn)移”到一個(gè)與列車(chē)模型相連接的管道外的“拖車(chē)”上。在結(jié)構(gòu)上，平臺(tái)分為上下兩層軌道，在下層軌道，壓縮空氣直接推動(dòng)置于加速管中的活塞，再通過(guò)牽引繩索將加速管外的拖車(chē)加速，在下層軌道上加速的拖車(chē)通過(guò)環(huán)形軟連接繩索將上層軌道的列車(chē)模型加速。這種間接驅(qū)動(dòng)方式，不僅化解了管道內(nèi)直接驅(qū)動(dòng)加速方式的所有弊病，而且為不受外形和尺寸限制的列車(chē)模型提供了強(qiáng)大的加速動(dòng)力。

列車(chē)模型加速后，如何讓其迅速停下來(lái)，傳統(tǒng)上采用的是直接接觸摩擦制動(dòng)方式、靜止物體通過(guò)軟性碰撞吸收模型動(dòng)能方式或兩類(lèi)方式結(jié)合的方法。但這些方式可能會(huì)因列車(chē)模型巨大的動(dòng)能使接觸材料磨損嚴(yán)重甚至破壞和飛濺，從而大大縮短實(shí)驗(yàn)中相關(guān)部件的壽命而導(dǎo)致高昂的實(shí)驗(yàn)成本和引起系列的安全問(wèn)題。

他們采用了非接觸式磁流制動(dòng)減速技術(shù)，即利用永久磁鐵和鐵質(zhì)剎車(chē)地板之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的非接觸阻尼力作為制動(dòng)力，使得列車(chē)模型和配套的拖車(chē)實(shí)現(xiàn)安全的穩(wěn)定減速剎車(chē)。

有了這兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，整個(gè)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是怎樣運(yùn)行的呢？楊國(guó)偉解釋道，壓縮空氣預(yù)先儲(chǔ)存在高壓氣罐中，利用空氣炮將高壓的壓縮空氣從氣罐中釋放出來(lái)，隨后進(jìn)入加速管推動(dòng)活塞向前方運(yùn)動(dòng)，活塞通過(guò)拖繩將加速管外的拖車(chē)牽引沿著下層軌道向前方滑動(dòng)，拖車(chē)也通過(guò)拖繩來(lái)牽引列車(chē)模型沿著上層軌道滑動(dòng)。

動(dòng)模型在加速段內(nèi)基本是做勻加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加速管中的活塞通過(guò)泄氣孔后，活塞后的壓縮空氣從孔中泄出，加速過(guò)程停止。此時(shí)拖車(chē)進(jìn)入拖車(chē)剎車(chē)地板的區(qū)域內(nèi)，拖車(chē)的磁流制動(dòng)機(jī)制開(kāi)始起作用使之減速，同時(shí)動(dòng)模型依靠自身慣性自動(dòng)與拖車(chē)分離（即二者間的拖繩解離），并憑借慣性繼續(xù)沿上層軌道向前做勻速運(yùn)動(dòng)。這樣，列車(chē)模型進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)段，運(yùn)行相關(guān)的氣動(dòng)性能測(cè)試。

當(dāng)拖車(chē)開(kāi)始憑借磁流制動(dòng)機(jī)制進(jìn)行減速時(shí)，由于拖車(chē)、牽引索和活塞相互相連，三者一起減速，最終會(huì)停止下來(lái)。當(dāng)列車(chē)模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)段以后，它開(kāi)始在上層軌道的剎車(chē)地板區(qū)間運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的磁流制動(dòng)減速過(guò)程啟動(dòng)，列車(chē)模型開(kāi)始減速直至完全平穩(wěn)停止。

為了校驗(yàn)這些關(guān)鍵技術(shù)是否可行，楊國(guó)偉研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明：在180米長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置上，可以把34.8千克的列車(chē)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷撵o止基本均勻地加速至350千米/小時(shí)以上，并能基本以勻減速將其安全回收。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)原理性實(shí)驗(yàn)提供的相關(guān)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研制了世界上實(shí)驗(yàn)速度最高、模型縮尺比例最大（總長(zhǎng)約300米、縮比為1/8，實(shí)驗(yàn)速度快至500公里/小時(shí)）的大型雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

利用該平臺(tái)，已開(kāi)展了CRH380A和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組等高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)參與設(shè)計(jì)的CRH380系列高速列車(chē)以其氣動(dòng)性能優(yōu)良，被國(guó)際相關(guān)組織評(píng)為“目前世界上設(shè)計(jì)最好的十種高速列車(chē)之首”。楊國(guó)偉領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)取得的研究成果有：2014年獲第五屆中國(guó)僑界創(chuàng)新成果貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，2015年作為“京滬高速鐵路工程”項(xiàng)目參與單位獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)，2015年獲中國(guó)力學(xué)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。