超級(jí)高鐵要實(shí)現(xiàn)“近地飛行”？

貢曉麗

6月19日，西南交通大學(xué)首席教授張衛(wèi)華在2018年世界交通運(yùn)輸大會(huì)上透露，世界上時(shí)速最快的超級(jí)高鐵試驗(yàn)線正在成都搭建，預(yù)計(jì)將在今年年底前建成并投入試驗(yàn)測(cè)試。

據(jù)介紹，中國(guó)版超級(jí)高鐵將采用“高溫超導(dǎo)磁懸浮+真空管道”技術(shù)，且目前已著手探討時(shí)速1500公里的可行性。

國(guó)家磁浮交通工程技術(shù)研究中心副主任林國(guó)斌曾對(duì)媒體表示，1500公里/小時(shí)只是目標(biāo)的試驗(yàn)性速度，是否可行尚有待驗(yàn)證，即便在試驗(yàn)線上達(dá)到了，能否載人、能否實(shí)際應(yīng)用等問(wèn)題仍然需要解決。從目前的研究階段來(lái)看，超級(jí)高鐵投入商業(yè)化運(yùn)行還有很長(zhǎng)的路要走。

“前瞻性基礎(chǔ)研究必須扎扎實(shí)實(shí)進(jìn)行，欲速則不達(dá)?！敝袊?guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院兩院院士、機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)專家沈志云告訴記者。

為后高鐵時(shí)代做準(zhǔn)備

“超級(jí)高鐵”的概念是特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克2013年在自己博客中提出來(lái)的。按照他的設(shè)計(jì)，“超級(jí)高鐵”車廂像一個(gè)膠囊，每一個(gè)膠囊被放置于真空管道中，像炮彈一樣被發(fā)射到目的地。

“超級(jí)高鐵”最高速度可達(dá)1200公里/小時(shí)，超過(guò)目前飛行速度最快的客機(jī)之一波音787（最高速度800公里/小時(shí)～1000公里/小時(shí)），從上海到北京僅需1小時(shí)。美國(guó)很多科技公司都在積極研制“超級(jí)高鐵”的相關(guān)技術(shù)，不過(guò)目前還在可行性分析和試驗(yàn)階段，尚未有一個(gè)成熟的項(xiàng)目。

“人類對(duì)提高地面交通速度的追求是一個(gè)永恒的歷史課題?！鄙蛑驹票硎?，在多年自主創(chuàng)新和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，中國(guó)鐵路成功實(shí)施“引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新”戰(zhàn)略，如今高鐵“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)”正逐漸超越過(guò)去的“歐標(biāo)”與“日標(biāo)”，被越來(lái)越多的國(guó)家采用。

沈志云認(rèn)為，人類地面交通的發(fā)展當(dāng)然不會(huì)就此止步于高鐵?！捌叫杏诟哞F發(fā)展的是不斷進(jìn)步的技術(shù)，例如采用磁懸浮技術(shù)，常導(dǎo)、超導(dǎo)，低速、高速等，層出不窮，人類創(chuàng)新的腳步，從未停止過(guò)。”

“受粘著、弓網(wǎng)和噪聲等制約，輪軌交通技術(shù)時(shí)速臨界線為600公里?！睆埿l(wèi)華認(rèn)為，下一步，高速磁懸浮軌道交通將成為未來(lái)軌道交通技術(shù)發(fā)展的主攻方向。

中國(guó)對(duì)高速列車的研究由來(lái)已久，后高鐵時(shí)代也早為學(xué)術(shù)界熱烈討論過(guò)。2004年，沈志云在中國(guó)科協(xié)舉辦的院士論壇上作了《真空管道高速交通》的報(bào)告。他在會(huì)上提出，真空（或低壓）管道式地面交通是達(dá)到超高速的唯一途徑，并認(rèn)為我國(guó)應(yīng)將目標(biāo)定位在發(fā)展時(shí)速600至1000公里的超高速地面交通上。

“我們不主張急功近利，技術(shù)還未突破前絕不搞大量集資，搞工程化?！鄙蛑驹铺寡裕婵展艿栏咚俳煌夹g(shù)可能要到20到30年以后才能實(shí)現(xiàn)，“但這項(xiàng)技術(shù)對(duì)高鐵來(lái)說(shuō)是又一次顛覆，從現(xiàn)在起就要開(kāi)始研究，才能確保中國(guó)能在引領(lǐng)高鐵時(shí)代之后，繼續(xù)引領(lǐng)后高鐵時(shí)代?！?/p>

技術(shù)路線選擇明朗

資料顯示，今年年底前將建成并投入試驗(yàn)測(cè)試的全新的試驗(yàn)線是直徑4.2米、長(zhǎng)140米的特制管道，將在低氣壓環(huán)境中測(cè)試，實(shí)驗(yàn)車車底布滿特制的高溫超導(dǎo)材料，依靠液氮形成的低溫達(dá)到超導(dǎo)和磁懸浮效果，懸浮高度10毫米，承重200公斤，測(cè)試時(shí)速最高可達(dá)400公里。

“實(shí)驗(yàn)室已驗(yàn)證過(guò)，‘磁懸浮+真空管道創(chuàng)造的低阻運(yùn)行環(huán)境，能有效提升未來(lái)高鐵的速度?！睆埿l(wèi)華向記者透露。

所謂高溫超導(dǎo)，是指在零下196攝氏度的液氮環(huán)境中，特殊材料制成的超導(dǎo)體具有零電阻效應(yīng)。低溫超導(dǎo)是指在零下269攝氏度的液氦環(huán)境中，超導(dǎo)所具有的特性。高溫超導(dǎo)磁懸浮有自穩(wěn)定、自導(dǎo)向和能靜浮的優(yōu)點(diǎn)，換句話說(shuō)，把高溫超導(dǎo)體放在永磁軌道上后，可實(shí)現(xiàn)列車在低速甚至靜止?fàn)顟B(tài)下，具有穩(wěn)定的導(dǎo)向力和懸浮力。

張衛(wèi)華進(jìn)一步介紹稱，由西南交通大學(xué)承擔(dān)的“多態(tài)耦合軌道交通動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)”，是在1500米可模擬不同低氣壓環(huán)境的真空管道里，開(kāi)展不同磁懸浮模式比例模型車運(yùn)行測(cè)試，包括高溫超導(dǎo)磁懸浮模式在內(nèi)，試驗(yàn)速度超過(guò)音速。據(jù)張衛(wèi)華透露，我國(guó)最快將于2021年4月達(dá)到1500公里試驗(yàn)時(shí)速。

提到磁懸浮列車，不得不提的是世界上首條投入運(yùn)營(yíng)的磁懸浮線—上海浦東機(jī)場(chǎng)線，其采用的是德國(guó)常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。列車最高時(shí)速達(dá)430公里，平均運(yùn)行時(shí)速380公里。

“常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)利用磁場(chǎng)吸引力實(shí)現(xiàn)懸浮，是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)，需要強(qiáng)大的人工控制設(shè)備，才能保證懸浮高度。任何控制都需要時(shí)間，稱為時(shí)遲，運(yùn)行速度越高，容許的時(shí)遲越小。偶有不慎，就可導(dǎo)致失穩(wěn)?！鄙蛑驹平榻B，德國(guó)試驗(yàn)線上就曾發(fā)生類似事故而燒毀了一輛車，故德國(guó)目前沒(méi)有繼續(xù)發(fā)展常導(dǎo)高速，并且連試驗(yàn)線都拆掉了?！俺?dǎo)高速磁懸浮在世界上唯一保存下來(lái)的運(yùn)營(yíng)線路只有上海浦東常導(dǎo)磁浮機(jī)場(chǎng)線了，能否有更大突破，還要拭目以待?！?/p>

“超導(dǎo)利用的是同性磁極相斥原理，靠排斥力把車輛懸浮高達(dá)100毫米以上。它是自穩(wěn)定系統(tǒng)，不需要任何控制裝置，即可自動(dòng)保持設(shè)計(jì)的懸浮高度。僅此一點(diǎn)，高速列車采用超導(dǎo)技術(shù)相對(duì)于常導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就不言自明了。”沈志云說(shuō)。

離商用還有時(shí)日

從當(dāng)前情況來(lái)看，我國(guó)最新研制的“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組最高設(shè)計(jì)速度為400公里/小時(shí)，在測(cè)試中速度曾達(dá)到420公里/小時(shí)，而在實(shí)際中，仍以350公里/小時(shí)的速度運(yùn)行。

“當(dāng)時(shí)為了保證350公里/小時(shí)運(yùn)營(yíng)速度，我們建立了600—500—400公里/小時(shí)試驗(yàn)體系，即：地面模擬運(yùn)行試驗(yàn)達(dá)到600公里/小時(shí)，使線路上的試驗(yàn)速度能達(dá)到500公里/小時(shí)，用以保證運(yùn)營(yíng)最高速度能達(dá)到400公里/小時(shí)。”沈志云介紹，對(duì)于超級(jí)高鐵，要保證能以1000公里/小時(shí)的速度運(yùn)營(yíng)，地面模擬最高速度要擬定為1500公里/小時(shí)，這樣不僅能確保初期1000公里/小時(shí)的運(yùn)營(yíng)速度，還可為以后運(yùn)營(yíng)速度的提高預(yù)留試驗(yàn)手段。

1000公里的時(shí)速并非不可能實(shí)現(xiàn)，而是需要花費(fèi)大量的人力、物力與財(cái)力。無(wú)論是真空技術(shù)還是磁懸浮技術(shù)，并非沒(méi)有突破的可能，而是需要推動(dòng)落地試點(diǎn)。“原理上行得通，但要加快發(fā)展工程，把商業(yè)運(yùn)行和科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)。”中國(guó)工程院院士、空氣動(dòng)力學(xué)專家樂(lè)嘉陵在一場(chǎng)有關(guān)海底真空磁懸浮列車項(xiàng)目的研討會(huì)上建議。

“超級(jí)高鐵”在開(kāi)始工程化以前，還有許多基礎(chǔ)性研究要做。沈志云說(shuō)：“我們已經(jīng)取得小型環(huán)形線試驗(yàn)的突破，正在進(jìn)行大管道（4.2米直徑，140米長(zhǎng)，0.05～5.0標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）中加速到450公里/小時(shí)的動(dòng)模風(fēng)洞試驗(yàn)。已確定在成都市天府新區(qū)建設(shè)1.5公里管道，進(jìn)行1500公里/小時(shí)超高速的動(dòng)模風(fēng)洞試驗(yàn)，研究解決‘超級(jí)高鐵一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，然后才能夠在鐵路總公司領(lǐng)導(dǎo)下，進(jìn)行工程化的1000公里/小時(shí)示范線建設(shè)。”

中國(guó)工程院副院長(zhǎng)、中國(guó)鐵路總公司總工程師何華武表示，上海虹橋到杭州預(yù)留了“超級(jí)高鐵”的條件，在這條線路上繼續(xù)深化，十年內(nèi)是有可能實(shí)現(xiàn)的。

沈志云認(rèn)為，真空管道高溫超導(dǎo)磁浮滬杭線將是第一條示范線，建成后的發(fā)展是不可限量的，包括速度的提高?！皯?yīng)當(dāng)說(shuō)2000公里/小時(shí)，甚至4000公里/小時(shí)的超高速都是可以納入視線之中的?！?/p>

（本文轉(zhuǎn)自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》）