| 文 · 王壇壇
2008年8月,中國第一條具有自主知識產(chǎn)權(quán)、當(dāng)時運(yùn)營速度最快的高速鐵路京津城際鐵路開通運(yùn)營;2017年6月,以“復(fù)興號”命名的由中國鐵路總公司牽頭組織研制、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組成功研制生產(chǎn)并上線運(yùn)營,標(biāo)志著中國鐵路技術(shù)裝備達(dá)到了“領(lǐng)跑世界”的先進(jìn)水平;2022年,智能復(fù)興號更是實現(xiàn)時速350公里自動駕駛……
交通運(yùn)輸部的數(shù)據(jù)顯示,到2021年年底,中國高鐵運(yùn)營里程超過4萬公里,總里程能夠圍繞地球赤道一周,鐵路已經(jīng)覆蓋全國81%的縣,高鐵通達(dá)93%的50萬人口以上城市,線路總長、運(yùn)營速度、運(yùn)載人次等均居世界首位,中國高鐵的發(fā)展速度為世界所驚嘆,被年輕人譽(yù)為“新四大發(fā)明”之一。
中國高鐵從無到有,并由“追趕者”一躍成為世界鐵路的“領(lǐng)跑者”。目前,我國已成為世界上高速鐵路系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營里程最長、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國家。
高鐵成就的取得,離不開日益強(qiáng)大祖國的堅強(qiáng)后盾,更離不開大批杰出科學(xué)家和科研技術(shù)人員多年的努力和奮斗。從普速鐵路到高速鐵路,從引進(jìn)消化吸收到自主創(chuàng)新,西南交通大學(xué)的科研團(tuán)隊一直帶著雄心與熱忱走在前列。作為國家高鐵研發(fā)的主要平臺之一,從動車、高鐵,到磁懸浮,西南交通大學(xué)見證了中國鐵路的每一次進(jìn)步和提速。
作為西南交通大學(xué)科研團(tuán)隊的一員,從提出“沈-赫追克-葉爾金斯”理論,到創(chuàng)建牽引動力國家重點實驗室,沈志云參與、推動和見證了中國高鐵技術(shù)從無到有、從追趕到領(lǐng)跑的發(fā)展歷程。
1929年,沈志云出生于湖南省長沙市。父親是鄉(xiāng)村小學(xué)教師,哥哥、姐姐都是中學(xué)教師。沈志云在良好的家庭氛圍中,從小求知上進(jìn),勤奮好學(xué)。1943年-1949年,沈志云就讀于湖南國立師范學(xué)院附中。艱苦的生活、嚴(yán)格的訓(xùn)練、名師的教導(dǎo),給他打下了堅實的基礎(chǔ),他每學(xué)期成績都在全校名列前茅,獲得了各種獎勵和榮譽(yù)。1949年8月長沙解放,沈志云赴武漢投考大學(xué),以優(yōu)異成績被唐山工學(xué)院(現(xiàn)西南交通大學(xué))、清華大學(xué)、武漢大學(xué)同時錄取,在武漢大學(xué)名列榜首。
3所名校,選誰?這成為擺在青年沈志云面前的一道“難題”。
當(dāng)時哥哥對沈志云說:“要學(xué)鐵路你就應(yīng)該選擇唐山工學(xué)院,它可是云集了國內(nèi)外鐵路專業(yè)知名專家學(xué)者?!?/p>
唐山工學(xué)院的前身是肇始于1896年的山海關(guān)北洋鐵路官學(xué)堂,擁有一套獨特的教學(xué)體系。最終,從小對鐵路和機(jī)車感興趣的沈志云聽從了哥哥的建議,就讀于唐山工學(xué)院機(jī)械系新中國成立后的第一班,從此與鐵路結(jié)下了一世之緣。
在唐山工學(xué)院“嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)”“嚴(yán)格要求”優(yōu)良校風(fēng)的熏陶中,在學(xué)術(shù)造詣高深的教授指導(dǎo)下,沈志云打下了深厚的專業(yè)理論功底,學(xué)習(xí)成績3年總平均名居前列。因當(dāng)時國家急需人才,他提前一年于1952年7月,結(jié)束了大學(xué)生活。
畢業(yè)后,沈志云留校當(dāng)助教。助教3年,沈志云天天寫教案,試講,做習(xí)題,輔導(dǎo)學(xué)生,雖然沒能正式上講臺,卻打下了扎實的理論力學(xué)功底,這對沈志云其后的科學(xué)研究非常有幫助。
1957年,沈志云被國家選派去蘇聯(lián)留學(xué),學(xué)習(xí)車輛修理專業(yè)。
初到蘇聯(lián)列寧格勒鐵道學(xué)院,導(dǎo)師契爾諾可夫教授列出數(shù)十個選題供沈志云選擇研究,立志要做實事的他決定“先跑工廠,做完普遍研究后,再選擇題目”。正是這個靈光乍現(xiàn)的構(gòu)想,為沈志云以后終身的工作思路埋下鋪墊?!懊恳粋€行當(dāng)在生產(chǎn)中都有自己的問題,去生產(chǎn)實踐現(xiàn)場,才能發(fā)現(xiàn)真問題,然后上升到理論高度予以研究,問題解決后,再返回生產(chǎn)實踐中去驗證?!鄙蛑驹普f。
當(dāng)時輔導(dǎo)沈志云的尼科拉耶夫教授,曾在一線工作17年。在學(xué)術(shù)造詣很高深的尼科拉耶夫教授的指導(dǎo)下,從幾十個研究課題中選擇“修理中的尺寸鏈”作為研究對象。“我跑各家工廠時,注意到有個落車的問題,車輛修理好后要落在轉(zhuǎn)向架上,需要四平八穩(wěn),否則只有重新弄?!碑?dāng)時,在他腦海里不斷思索的是怎樣才能解決一次落車問題。落車的最后高度由100多個尺寸鏈組織形成,“100多個尺寸鏈里頭都有誤差分布,這些誤差分布集中起來的最后誤差,如果能在允許范圍內(nèi),就能實現(xiàn)一次落車”。根據(jù)在工廠調(diào)研時調(diào)查、統(tǒng)計的數(shù)據(jù),沈志云做了嚴(yán)密的分析、計算,得出了解決辦法,最后完成的副博士論文廣受好評。
更讓沈志云欣慰的是,這套方法最終應(yīng)用于實踐?!昂髞砟切┕S采用我的方法,實現(xiàn)一次落車,我挺開心的?!庇纱?,他也逐漸得出“實踐-理論-實踐”這一套工作思路:“在實踐中找問題,用科學(xué)解決它,返回實踐驗證,這才是科學(xué)創(chuàng)新、科學(xué)應(yīng)用!這條路子是對的,我這輩子之后的工作,都是這樣搞?!?/p>
留學(xué)歸國后,沈志云仍在唐山鐵道學(xué)院任教,并主持開設(shè)了“車輛修理”等課程,長期致力于編寫教材和籌備實驗室,同時也確定了“車輛動力學(xué)”這一主攻方向。
1981年,沈志云在英國劍橋大學(xué)發(fā)表了近年來我國在國外正式發(fā)表的第一篇車輛動力學(xué)論文,受到高度評價。
1982年,沈志云前往美國麻省理工學(xué)院(MIT)做訪問學(xué)者。在MIT,他主要進(jìn)行了輪軌蠕滑力的計算問題研究,并取得了重大突破。
輪軌蠕滑力,是指車輪在鋼軌上滾動時產(chǎn)生的水平面的切向作用力。關(guān)于“輪軌蠕滑”,當(dāng)時很多業(yè)內(nèi)人士都熟悉但是敬而遠(yuǎn)之。1964年,劍橋大學(xué)的卡爾·約翰遜與沃爾繆倫聯(lián)名發(fā)表了蠕滑力與蠕滑率的三次漸進(jìn)曲線表達(dá)式,被稱為沃爾繆倫-約翰遜方法。1967年,荷蘭教授卡爾克提出了三維滾動接觸的蠕滑力計算方法,被稱為卡爾克蠕滑理論。這項理論權(quán)威但過于復(fù)雜,不便計算。
找到既快速又精確的輪軌蠕滑力計算方法是當(dāng)時學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的問題。
沈志云和MIT的指導(dǎo)教師赫追克都想在此有所突破。于是,這個任務(wù)就成了沈志云在MIT的研究任務(wù)。沈志云每周給赫追克匯報研究進(jìn)展。后來,為了得到現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),他們又和卡羅拉多州普耶勃羅實驗中心的總工程師葉爾金斯合作,由葉爾金斯提供現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)。沈志云提出,可用卡爾克的線性理論來改造沃爾繆倫-約翰遜的線性公式,再用沃爾繆倫-約翰遜的非線性化的曲線來修正誤差。他的這種設(shè)想得到了赫追克和葉爾金斯的贊同。于是,沈志云按照這個設(shè)想設(shè)計新的計算方法,將其制作成計算機(jī)程序。
隨后,沈志云就利用實驗室的20多臺計算機(jī)一起跑程序,24小時不間斷,做了整整一周?!鞍滋齑蠹叶荚谟秒娔X,晚上大家走了,剩我一個,我把實驗室的二十幾臺電腦全開著,一起計算,這樣效率快很多?!?/p>
通過精密計算驗證“公式誤差不超過10%,工程上可以應(yīng)用”,他們最終成功研究出考慮自旋的非線性輪軌力簡化模型,并依據(jù)此模型寫成論文,在第八屆國際車輛動力學(xué)會議上發(fā)表。
會議現(xiàn)場,國際輪軌蠕滑理論權(quán)威卡爾克對沈志云等發(fā)明的這一方法給予了高度評價,說解決了他一直想解決而未能解決的問題,并稱這“是鐵道車輛動力學(xué)中能夠采用的最好的非線性蠕滑力模型,是鐵道車輛系統(tǒng)動態(tài)仿真最適用的方法,是1983年世界蠕滑理論新發(fā)展的標(biāo)志”。后來卡爾克將這一方法命名為“沈-赫追克-葉爾金斯”理論(國際上通稱“沈氏理論”),將其歸納為三維彈性體滾動接觸力學(xué)的第四大理論,并且說第四大理論是最適合于在車輛動力學(xué)中運(yùn)用的理論。
作為“高鐵夢”的牽引者之一,坐落于西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室的創(chuàng)新故事與助推中國高鐵及軌道交通產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展休戚相關(guān)。走入實驗室,機(jī)車車輛滾動振動試驗臺、牽引傳動試驗臺、高頻激振試驗臺和疲勞試驗臺的轟鳴聲不絕于耳,猶如一首首高鐵研發(fā)的交響曲。這里有針對機(jī)車車輛動力學(xué)和結(jié)構(gòu)可靠性的理論分析平臺、臺架試驗到線路試驗完整的測試系統(tǒng),幾乎每一種奔馳在高鐵線上的動車組車型都要在這里進(jìn)行仿真和臺架試驗,模擬動車組真實運(yùn)行環(huán)境,評估其高速運(yùn)行性能和安全可靠性,為高鐵安全運(yùn)行保駕護(hù)航。
20世紀(jì)80年代,沈志云把主攻方向定為中國鐵路的現(xiàn)代化建設(shè),開始研究高速列車。科學(xué)研究離不開實驗,沈志云敏銳地意識到,要更好地研究開發(fā)高速、重載鐵路的新技術(shù),就需要建設(shè)高水平的實驗平臺。
1988年,沈志云與同行們一道大膽提出在我國建立機(jī)車車輛整車滾動振動試驗臺的設(shè)想,得到原國家計委、原國家教委和原鐵道部的批準(zhǔn),立項為鐵路唯一國家重點實驗室。在國家的支持下,1989年,在西南交通大學(xué),沈志云主持籌建了中國鐵路系統(tǒng)第一個國家級重點科研實驗室——牽引動力國家重點實驗室。
從設(shè)計理念,到挑選骨干,沈志云作了周詳?shù)目紤]。1989年4月,原國家計委委派專家到西南交通大學(xué)對實驗室進(jìn)行現(xiàn)場評估。考察結(jié)束時專家問沈志云:“建這么大的實驗室,要承擔(dān)什么樣的風(fēng)險,你想過沒有?”沈志云一愣,只好如實回答說:“如此大的設(shè)備,如果搞成功了,非常有用;如果失敗了,那就是一堆廢鐵,是很大的浪費(fèi)?!睂<艺f:“這么巨大的浪費(fèi),恐怕你的性命難保哦?!贝撕髱啄?,沈志云時常感受到“提著腦袋”的壓力,未敢有絲毫懈怠。
1994年1月28日,試驗臺首次做車輛的滾動振動試驗。試驗臺是否成功,要看車輛在試驗臺上是否出現(xiàn)蛇形。在軌道運(yùn)行中,失穩(wěn)就是蛇形失穩(wěn),一旦出現(xiàn)蛇形,表明試驗臺成功地模擬了實際運(yùn)行情況,試驗臺就成功了。隨著沈志云一聲令下,大家屏住呼吸盯著控制屏幕。突然,蛇形出現(xiàn)了。大家不約而同歡呼:蛇形了!蛇形了!沈志云也笑開了,“腦袋別在褲腰帶上”的日子結(jié)束了,試驗臺終于建成了!他在日記中興奮地寫道:“幾年奮斗終于達(dá)到了目的!”
1995年11月,國家重點實驗室通過國家驗收。實驗室建成至今33年,參與了“和諧號”“復(fù)興號”高速列車研發(fā),提供核心軟件,承擔(dān)所有型號的參數(shù)和出廠實驗。
沈志云說,這個重點實驗室在中國高鐵崛起過程中起到了不可替代的作用,沒有這個實驗室,中國高鐵就崛起不了。
2017年9月,“復(fù)興號”動車組在京滬高鐵率先按照時速350公里運(yùn)營,中國成為世界上高鐵商業(yè)運(yùn)營速度最高的國家。2022年6月20日起,京廣高鐵北京至武漢段實現(xiàn)常態(tài)化按時速350公里高標(biāo)運(yùn)營。沈志云說,想要領(lǐng)跑世界,就要繼續(xù)提速。
沈志云介紹:“光350公里/小時不行,要搞就搞CR500,跑450公里/小時;還要跑CR600,甚至可以跑到500公里/小時。我在外面有一個不好的名聲,說沈院士腦子里只有高速度,這個問題我要澄清一下,我不是說什么情況之下都是高速度就好,它首先必須保證安全、平穩(wěn)、環(huán)保、節(jié)能,這些基本要求都必須要滿足。滿足這些要求就靠技術(shù),所以這個速度就可以代表高鐵的技術(shù)水平。我們第一個目標(biāo)是要繼續(xù)領(lǐng)跑世界,長遠(yuǎn)領(lǐng)跑下去?!?/p>
2021年1月13日,采用西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室原創(chuàng)技術(shù)的世界首條高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗線在成都正式啟用,這標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從無到有的突破,具備了工程化試驗示范條件。
有人問沈志云一生中最滿意的事情是什么,他回答,是在建成牽引動力國家重點實驗室的同時,培養(yǎng)了一支國家級科研創(chuàng)新團(tuán)隊。
1989年,沈志云在西南交通大學(xué)主持籌建牽引動力國家重點實驗室,該實驗室不僅是我國高鐵發(fā)展道路上一塊極具分量的、堅實的科學(xué)基石,也成為了沈志云培養(yǎng)人才的最佳平臺。
當(dāng)年,沈志云從各系為實驗室挑選了22個青年碩士生,大家一面搞研究,一面結(jié)合研究寫博士論文。到1999年最后一位博士通過答辯,沈志云完成了“每個人都要拿到博士學(xué)位”的承諾。
培養(yǎng)青年學(xué)術(shù)人才,一直是沈志云的愿望。在他看來,從科研實踐中培養(yǎng)高水平人才,當(dāng)是不二之法。
其間,沈志云也曾有過一次失敗的嘗試。1999年,沈志云申請實驗室自己辦本科,設(shè)想是本碩連讀,或本碩博連讀,“當(dāng)年招了‘載運(yùn)工具運(yùn)用工程’本科第一班,60人,我每年拿出2萬元設(shè)立創(chuàng)新獎,鼓勵他們在實驗中積極創(chuàng)新”。然而這個新專業(yè),報名者并不多,學(xué)生多是從別的專業(yè)調(diào)劑過來,沈志云坦言,水平和素質(zhì)都不甚理想?!斑@次嘗試之所以失敗,從思路上講就錯了?!鄙蛑驹品此嫉?,在本科畢業(yè)生范圍內(nèi)面向全國招收研究生,遠(yuǎn)比從自己培養(yǎng)的60多人挑選要廣闊得多。
2004年后,沈志云提出每年招收研究生100人,達(dá)到300多人的規(guī)模,這個設(shè)想在2010年后就實現(xiàn)了。
1996年,已經(jīng)67歲的沈志云辭去牽引動力國家重點實驗室主任職務(wù),他的學(xué)生張衛(wèi)華繼任。如今,在張衛(wèi)華帶領(lǐng)的團(tuán)隊下,將試驗臺由4軸擴(kuò)為6軸,還將模擬時速由450公里提高到600公里,實現(xiàn)了沈志云的夙年心愿。
作為鐵路高等教育領(lǐng)域的代表性人物,沈志云也向新時代的高校科研人才表達(dá)了自己的期望:“高速軌道交通前景廣闊,要研究解決的問題多如牛毛,青年科學(xué)工作者大有用武之地。”