真空管道超高速磁浮交通換乘與安全環(huán)境分析

范俊懷，黃 強(qiáng)

（1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路站場設(shè)計(jì)院，天津 300308；2.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 城市軌道與建筑設(shè)計(jì)院，天津 300308)

列車在地面高速運(yùn)行所產(chǎn)生的巨大空氣阻力、強(qiáng)噪聲和高能耗，是軌道交通運(yùn)行速度進(jìn)一步提升無法逾越的障礙。為了進(jìn)一步提高軌道交通的運(yùn)行速度，人類社會(huì)必然會(huì)追求更高效的交通運(yùn)輸工具，克服傳統(tǒng)鐵路存在的黏著極限、氣動(dòng)阻力及輪軌噪聲問題，必須改變列車運(yùn)行方式和環(huán)境，而真空管道磁浮系統(tǒng)可以提供一種可能性選擇[1-2]。超高速真空管道交通技術(shù)時(shí)速可以達(dá)到上千公里，具有比飛機(jī)能耗和環(huán)境污染小、安全性高、運(yùn)載量大的優(yōu)點(diǎn)。雖然低真空管道高速磁浮系統(tǒng)已經(jīng)提出數(shù)十年，但作為提供封閉運(yùn)行環(huán)境的交通管道，迄今為止還沒有十分成熟的應(yīng)用[3]，在交通領(lǐng)域的應(yīng)用仍然停留在試驗(yàn)設(shè)備上。實(shí)現(xiàn)真空超高速磁浮涉及很多的關(guān)鍵技術(shù)，其中乘客換乘車站內(nèi)真空與常壓的轉(zhuǎn)換、真空管道環(huán)境乘客應(yīng)急疏散及救援、真空管道散熱安全環(huán)境是真空超高速磁浮軌道交通需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 真空管道超高速磁浮交通乘客換乘轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)

真空管道超高速磁浮交通是在密閉管道環(huán)境下，列車懸浮在真空管道中實(shí)現(xiàn)無空氣阻力超高速運(yùn)行，而車站和列車內(nèi)部為保證乘客安全則處于常壓環(huán)境中，乘客如何安全、快速地從常壓環(huán)境的車站經(jīng)過真空管道后進(jìn)入列車內(nèi)，實(shí)現(xiàn)乘客上、下車換乘轉(zhuǎn)換是需要重點(diǎn)考慮的問題。以下提出利用乘客換乘連接通道方案和利用管道內(nèi)隔離門方案2 種真空與常壓之間轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方案。

1.1 利用乘客換乘連接通道方案

乘客換乘系統(tǒng)借鑒民航的登機(jī)橋方式，通過車站內(nèi)設(shè)置連接通道與列車密封對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)換乘。連接通道主體材料采用可伸縮的鋼結(jié)構(gòu)，接口處采用橡膠材料密封圈。當(dāng)列車抵達(dá)車站以后，停靠在固定的位置，然后連接通道由常壓的車站向真空環(huán)境的管道內(nèi)伸出，直至與列車車門無縫對(duì)接，接口處采用密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，實(shí)現(xiàn)與真空環(huán)境的隔離，然后對(duì)連接通道進(jìn)行恢復(fù)大氣壓，在候車站臺(tái)、連接通道與車體內(nèi)氣壓均滿足常壓情況，并達(dá)到平衡后，列車門開啟、通道門打開，最后乘客通過通道完成上下車。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)方案簡單、成熟，通道的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，制作容易，成本低等。運(yùn)營期僅需對(duì)通道本身結(jié)構(gòu)和密封接口進(jìn)行維護(hù)。同時(shí)，該方案限于本身材料特點(diǎn)，乘客無法直接觀察到列車，體驗(yàn)性較差，且通道伸縮機(jī)構(gòu)與密封接口長期使用，構(gòu)件損耗應(yīng)重點(diǎn)排查。

1.2 利用管道內(nèi)隔離門方案

與通道連接理念不同的另一種方案為利用隔離門在隧道內(nèi)進(jìn)行真空與常壓之間的相互轉(zhuǎn)換。該方案車站候車站臺(tái)區(qū)域?yàn)槌涵h(huán)境，僅提供乘客休息與換乘場所，不再提供轉(zhuǎn)換空間或轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。具體方案如下。

首先，在車站范圍內(nèi)設(shè)置4 道可關(guān)閉開啟的隔離門，隔離門1 和4 為開啟狀態(tài)，隔離門2 和3為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)列車由真空A 區(qū)間管道進(jìn)站時(shí)，隔離門2 保持關(guān)閉，隔離門1 打開，列車緩緩駛?cè)胲囌劲賲^(qū)域，然后隔離門1 關(guān)閉，隔離門2 開啟，車輛滑行至站臺(tái)②區(qū)域，隨后隔離門2 關(guān)閉，此時(shí)站臺(tái)區(qū)域恢復(fù)至常壓環(huán)境，車站屏蔽門打開，此時(shí)此處包括列車內(nèi)、外均處于同一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，乘客進(jìn)行上下車。然后，車門關(guān)閉，車站屏蔽門關(guān)閉，出站時(shí)，隔離門4 保持關(guān)閉，隔離門3 開啟，列車滑行至③區(qū)域；隔離門3 關(guān)閉，隔離門4 開啟，利用真空泵組系統(tǒng)快速維持所需的真空度，列車駛出車站。真空與常壓轉(zhuǎn)換平面布置示意圖如圖1 所示，真空與常壓轉(zhuǎn)換立面示意圖如圖2 所示。

該方案優(yōu)點(diǎn)是真空與常壓的轉(zhuǎn)換在真空隧道內(nèi)進(jìn)行，而不是設(shè)置在車站范圍，乘客上下車與高速鐵路或地鐵的形式基本一樣，在站臺(tái)等候列車即可，便于乘客使用，且乘客的體驗(yàn)性較好；缺點(diǎn)是設(shè)置在真空管道內(nèi)的隔離門維護(hù)與檢修沒有連接通道方便。

2 真空管道超高速磁浮交通環(huán)境乘客應(yīng)急疏散及救援

真空管道超高速磁浮交通具有低真空的運(yùn)行環(huán)境和超高的運(yùn)營速度。當(dāng)列車在超長低真空的管道環(huán)境內(nèi)出現(xiàn)故障時(shí)，首先面臨的是人員救援問題[4-5]。由于真空管道內(nèi)列車內(nèi)外部存在較大的大氣壓差，運(yùn)營中途故障停車時(shí)乘客無法由常壓環(huán)境的車內(nèi)直接進(jìn)入真空管道逃生，如何快速將管道內(nèi)真空度恢復(fù)到安全大氣壓提供乘客應(yīng)急疏散的安全環(huán)境成為需要重點(diǎn)解決的問題[6]。與現(xiàn)有隧道的疏散方式進(jìn)行對(duì)比分析，考慮其固有的特點(diǎn)，需要一個(gè)轉(zhuǎn)換空間或通道進(jìn)行疏散，實(shí)現(xiàn)乘客安全救援逃生。以下對(duì)地面管道疏散方式和山嶺隧道疏散方式進(jìn)行分析[7]。

圖1 真空與常壓轉(zhuǎn)換平面布置示意圖Fig.1 Schematic layout of vacuum and atmospheric pressure conversion

圖2 真空與常壓轉(zhuǎn)換立面示意圖Fig.2 Vacuum and atmospheric pressure conversion elevation diagram

圖3 陸域段應(yīng)急疏散平面示意圖Fig.3 Schematic plan view of emergency evacuation on land

2.1 地面管道疏散方式

可將整個(gè)管道劃分若干逃生單元，每個(gè)單元之間設(shè)置隔離門，管道頂部設(shè)置復(fù)壓閥門，上、下行管道之間采用常閉聯(lián)絡(luò)通道連接。若上行管道發(fā)生事故，車體內(nèi)迅速落下氧氣面罩，制動(dòng)停車，車輛所在的管道單元兩端隔離門關(guān)閉，頂部復(fù)壓閥門開啟，大氣快速進(jìn)入，緊急復(fù)壓，待恢復(fù)常壓后，乘客可通過聯(lián)絡(luò)通道或逃生通道至安全地帶。陸域段應(yīng)急疏散平面示意圖如圖3 所示，陸域段應(yīng)急疏散立面示意圖如圖4 所示。

2.2 山嶺隧道疏散方式

山嶺段隧道，在上下行隧道進(jìn)、出洞口各設(shè)置一個(gè)隔離門和一組真空泵組系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)和維持山嶺隧道的真空環(huán)境。若2 條單洞單線隧道，可在上、下行隧道之間設(shè)置1 條常態(tài)常壓的服務(wù)隧道兼疏散通道，上下行隧道之間根據(jù)隧道長度可設(shè)置若干應(yīng)急聯(lián)絡(luò)通道，連通疏散隧道。若隧道內(nèi)發(fā)生事故，車體內(nèi)迅速落下氧氣面罩，制動(dòng)停車，隧道進(jìn)出洞口的應(yīng)急隔離門關(guān)閉，然后快速對(duì)事故隧道進(jìn)行復(fù)壓，待恢復(fù)至常壓后，乘客可通過聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)入常壓環(huán)境的服務(wù)隧道兼疏散通道內(nèi)至安全地帶。對(duì)于管道和短隧道復(fù)壓以大氣直接進(jìn)入的方式為主，對(duì)于長大隧道可配備復(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)壓。也可以根據(jù)疏散要求，將隧道斷面做大，混凝土二襯與鋼殼分離設(shè)置。若發(fā)生應(yīng)急響應(yīng)，車體內(nèi)迅速落下氧氣面罩，制動(dòng)停車，隧道進(jìn)口和出口隔離門關(guān)閉，迅速復(fù)壓隧道環(huán)境，待恢復(fù)常壓后，乘客離開鋼殼區(qū)域，進(jìn)入常壓的混凝土隧道斷面內(nèi)，利用疏散通道進(jìn)行逃離。山嶺隧道應(yīng)急疏散平面示意圖如圖5 所示。

圖4 陸域段應(yīng)急疏散立面示意圖Fig.4 Schematic elevation diagram of emergency evacuation on land

3 真空管道超高速磁浮交通散熱安全環(huán)境分析

在真空管道環(huán)境下，空氣的傳熱性能相對(duì)于常壓環(huán)境會(huì)有顯著的降低，列車散熱系統(tǒng)的工況比常壓運(yùn)行條件下更惡劣。除了磁浮列車自身設(shè)備散熱外，磁浮列車的軌道系統(tǒng)發(fā)熱也會(huì)增加管道內(nèi)散熱的負(fù)擔(dān)，對(duì)列車運(yùn)營和車內(nèi)人員安全環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。因此，保證管道內(nèi)和列車上設(shè)備在自身允許的工作溫度下運(yùn)行的散熱安全環(huán)境，成為真空管道高速磁浮列車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)。對(duì)真空管道內(nèi)系統(tǒng)散熱保證列車運(yùn)行和旅客乘車安全環(huán)境的研究包括：真空管道內(nèi)超高速磁浮列車車體熱平衡研究及超高速磁浮真空管道系統(tǒng)熱平衡研究。

3.1 真空管道內(nèi)超高速磁浮列車車體熱平衡

在真空管道交通系統(tǒng)中，超高速磁浮列車車體散熱量主要包含：①磁浮列車自身的設(shè)備散熱。針對(duì)具體的發(fā)熱設(shè)備，利用冰蓄冷或液氮等，直接冷卻；或者采用由吸熱系統(tǒng)、熱管系統(tǒng)和散熱冷卻系統(tǒng)3 部分組成的系統(tǒng)散熱至真空管道內(nèi)[8]。②保證人體舒適性的空調(diào)散熱。對(duì)于保證人體舒適性的空調(diào)，也可利用冰蓄冷或液氮等，直接冷卻；或者冷凝器直接蒸發(fā)(自身攜帶的冷卻劑從車體表面噴出)，熱量散發(fā)至真空管。③氣動(dòng)熱。物體與空氣或其他氣體作高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的高溫氣體對(duì)物體的加熱，稱為氣動(dòng)熱。列車在低真空管道中超高速運(yùn)行，與管道中的稀薄空氣劇烈摩擦出現(xiàn)高溫，產(chǎn)生氣動(dòng)熱。氣動(dòng)加熱會(huì)使車體結(jié)構(gòu)的剛度下降，強(qiáng)度減弱，同時(shí)引起車體內(nèi)部溫度升高，惡化車內(nèi)工作環(huán)境。因此，氣動(dòng)熱是真空管道超高速磁浮交通設(shè)計(jì)中必須考慮的問題[9-10]。

針對(duì)列車在真空管道內(nèi)產(chǎn)生氣動(dòng)熱的特點(diǎn)，保證列車散熱安全環(huán)境采取措施：①真空管道抽真空時(shí)選取合適的阻塞比、真空度和馬赫數(shù)，以減少氣動(dòng)熱。②被動(dòng)熱防護(hù)。只依靠防熱結(jié)構(gòu)和材料本身，將熱量吸收或輻射出去，使材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合。③主動(dòng)熱防護(hù)。依靠冷卻工質(zhì)帶走絕大部分熱流，熱反射掉一小部分，通常采用蒸發(fā)式(自身攜帶的冷卻劑從車體表面噴出)。④半主動(dòng)熱防護(hù)。利用其周圍區(qū)域加熱程度較輕的部位，熱量在強(qiáng)加熱區(qū)域被熱管吸收，并將工質(zhì)汽化為蒸汽流，然后流到較冷端冷凝并釋放熱量，最后冷凝后的工質(zhì)利用毛細(xì)作用滲過管壁返回嚴(yán)重受熱區(qū)繼續(xù)重復(fù)這一過程，從而達(dá)到循環(huán)冷卻作用[11-12]。

圖5 山嶺隧道應(yīng)急疏散平面示意圖Fig.5 Emergency evacuation of mountain tunnel

3.2 超高速磁浮真空管道系統(tǒng)熱平衡

列車設(shè)計(jì)運(yùn)行速度與真空度有直接關(guān)系，列車行駛速度越高，要求的真空度也越高。當(dāng)列車速度達(dá)到1 000 km/h 以上時(shí)，真空度須達(dá)到大氣壓0.01 atm ～ 0.02 atm，空氣的傳熱性能相對(duì)于常壓環(huán)境有顯著的降低。保證管道內(nèi)和列車上設(shè)備在自身允許的工作溫度下運(yùn)行的散熱尤為重要。管道區(qū)間內(nèi)的熱量主要來源為磁浮列車車體發(fā)熱及少量的管道內(nèi)線纜發(fā)熱等。

針對(duì)低真空管道環(huán)境，空氣密度低、空間狹長，以輻射換熱為主，熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱為輔，實(shí)現(xiàn)改善低真空管道的熱環(huán)境，解決方案如下：①低溫冷輻射供冷。結(jié)合疏散井設(shè)置制冷站，在制冷站前后若干距離的低真空管道壁面內(nèi)埋設(shè)供冷管，通過列車的活塞風(fēng)效應(yīng)，達(dá)到管道區(qū)間溫度基本均勻(管道為低真空，有一定的空氣流動(dòng))，以滿足運(yùn)營要求。②埋設(shè)熱管。全低真空管埋設(shè)熱管，利用土壤和水源散熱。熱管的超強(qiáng)導(dǎo)熱系數(shù)是一般金屬的萬倍左右，換熱效率高達(dá)98%以上。③分段設(shè)置液氮站(或干冰等)。結(jié)合低真空管道的疏散井分段設(shè)置液氮站，把整個(gè)低真空管營造成低溫空間，車體采用航空材料。④采用相變吸熱系統(tǒng)+熱管系統(tǒng)+散熱冷卻系統(tǒng)[8]。低真空管內(nèi)可全面敷設(shè)或分段敷設(shè)采用相變材料的吸熱系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)中利用傳統(tǒng)的制冷機(jī)組或者冷卻塔將熱量帶至室外。當(dāng)?shù)驼婵展軆?nèi)溫度高于設(shè)計(jì)熱控系統(tǒng)的溫度時(shí)，熱量將由真空管傳遞至吸熱系統(tǒng)的相變材料使其完全融化后相變材料溫度上升，熱管啟動(dòng)將熱量傳遞給散熱系統(tǒng)(制冷機(jī)組或者冷卻塔)。結(jié)合低真空管道的疏散井設(shè)置冷凍站或冷卻塔。⑤采用對(duì)熱輻射吸收率高的結(jié)構(gòu)材料。管道區(qū)間由結(jié)構(gòu)壁面通過熱輻射吸收熱量，再通過熱傳導(dǎo)，傳遞至土壤或者水。⑥車體采用耐高溫材料，真空管道內(nèi)不做降溫處理或者簡單降溫處理?？筛鶕?jù)航空航天領(lǐng)域反向思維，航空航天是低真空低壓力低溫度，低真空管道超高速磁浮是低真空低壓力高溫度，兩者的環(huán)境差異在于低溫和高溫。航空航天的處理方式是適應(yīng)環(huán)境，低真空管道超高速磁浮也可以積極適應(yīng)環(huán)境，列車車體采用隔熱材料，保證車廂內(nèi)人員的舒適環(huán)境和車體內(nèi)電器設(shè)備的安全運(yùn)行環(huán)境，真空管內(nèi)采用耐高溫的設(shè)備及材料。以上從理論上分析解決低真空管道散熱安全環(huán)境問題方法的可行性和可實(shí)施性，待真空管道超高速磁浮正式實(shí)施階段還需具體分析研究，最終確定采用何種方式，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、方便、可實(shí)施的要求。

4 結(jié)束語

真空管道超高速磁浮交通是未來先進(jìn)地面軌道交通的發(fā)展方向。圍繞真空管道超高速磁浮交通“關(guān)鍵技術(shù)—裝備研制—工程試驗(yàn)—工程應(yīng)用”，全鏈條開展科技攻關(guān)，攻克超高速磁浮交通的懸浮導(dǎo)向與驅(qū)動(dòng)、真空管道、超導(dǎo)磁體和安全保障等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)超高速磁浮工程試驗(yàn)系統(tǒng)的牽引、供電、運(yùn)控、車輛等裝備并進(jìn)行工程試驗(yàn)，其工程化研究必將帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的飛躍。通過對(duì)真空管道超高速磁浮交通關(guān)鍵技術(shù)的分析，為后續(xù)該領(lǐng)域提速至1 000 + km/h 的技術(shù)突破提供參考，同時(shí)為其他關(guān)鍵技術(shù)的跟進(jìn)提供研究依據(jù)。