| 文 · 王壇壇
2008年8月,中國(guó)第一條具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、當(dāng)時(shí)運(yùn)營(yíng)速度最快的高速鐵路京津城際鐵路開通運(yùn)營(yíng);2017年6月,以“復(fù)興號(hào)”命名的由中國(guó)鐵路總公司牽頭組織研制、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組成功研制生產(chǎn)并上線運(yùn)營(yíng),標(biāo)志著中國(guó)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(hào)更是實(shí)現(xiàn)時(shí)速350公里自動(dòng)駕駛……
交通運(yùn)輸部的數(shù)據(jù)顯示,到2021年年底,中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)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(guó)81%的縣,高鐵通達(dá)93%的50萬人口以上城市,線路總長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)速度、運(yùn)載人次等均居世界首位,中國(guó)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(guó)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(guó)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(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國(guó)家。
高鐵成就的取得,離不開日益強(qiáng)大祖國(guó)的堅(jiān)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(duì)一直帶著雄心與熱忱走在前列。作為國(guó)家高鐵研發(fā)的主要平臺(tái)之一,從動(dòng)車、高鐵,到磁懸浮,西南交通大學(xué)見證了中國(guó)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(duì)的一員,從提出“沈-赫追克-葉爾金斯”理論,到創(chuàng)建牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈志云參與、推動(dòng)和見證了中國(guó)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(zhǎng)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(guó)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),他每學(xué)期成績(jī)都在全校名列前茅,獲得了各種獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。1949年8月長(zhǎng)沙解放,沈志云赴武漢投考大學(xué),以優(yōu)異成績(jī)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(shí)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(shí)哥哥對(duì)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(guó)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(dú)特的教學(xué)體系。最終,從小對(duì)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(guó)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(jī)3年總平均名居前列。因當(dāng)時(shí)國(guó)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(tái),卻打下了扎實(shí)的理論力學(xué)功底,這對(duì)沈志云其后的科學(xué)研究非常有幫助。
1957年,沈志云被國(guó)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(gè)選題供沈志云選擇研究,立志要做實(shí)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(gè)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。“每一個(gè)行當(dāng)在生產(chǎn)中都有自己的問題,去生產(chǎn)實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng),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(shí)踐中去驗(yàn)證。”沈志云說。
當(dāng)時(shí)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(gè)研究課題中選擇“修理中的尺寸鏈”作為研究對(duì)象?!拔遗芨骷夜S時(shí),注意到有個(gè)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(shí),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(gè)尺寸鏈組織形成,“100多個(gè)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(shí)現(xiàn)一次落車”。根據(jù)在工廠調(diào)研時(shí)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),沈志云做了嚴(yán)密的分析、計(jì)算,得出了解決辦法,最后完成的副博士論文廣受好評(píng)。
更讓沈志云欣慰的是,這套方法最終應(yīng)用于實(shí)踐?!昂髞砟切┕S采用我的方法,實(shí)現(xiàn)一次落車,我挺開心的?!庇纱?,他也逐漸得出“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”這一套工作思路:“在實(shí)踐中找問題,用科學(xué)解決它,返回實(shí)踐驗(yàn)證,這才是科學(xué)創(chuàng)新、科學(xué)應(yīng)用!這條路子是對(duì)的,我這輩子之后的工作,都是這樣搞?!?/p>
留學(xué)歸國(guó)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(zhǎng)期致力于編寫教材和籌備實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)也確定了“車輛動(dòng)力學(xué)”這一主攻方向。
1981年,沈志云在英國(guó)劍橋大學(xué)發(fā)表了近年來我國(guó)在國(guó)外正式發(fā)表的第一篇車輛動(dòng)力學(xué)論文,受到高度評(píng)價(jià)。
1982年,沈志云前往美國(guó)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(jì)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平面的切向作用力。關(guān)于“輪軌蠕滑”,當(dāng)時(shí)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(dòng)接觸的蠕滑力計(jì)算方法,被稱為卡爾克蠕滑理論。這項(xiàng)理論權(quán)威但過于復(fù)雜,不便計(jì)算。
找到既快速又精確的輪軌蠕滑力計(jì)算方法是當(dāng)時(shí)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(gè)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(bào)研究進(jìn)展。后來,為了得到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù),他們又和卡羅拉多州普耶勃羅實(shí)驗(yàn)中心的總工程師葉爾金斯合作,由葉爾金斯提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(gè)設(shè)想設(shè)計(jì)新的計(jì)算方法,將其制作成計(jì)算機(jī)程序。
隨后,沈志云就利用實(shí)驗(yàn)室的20多臺(tái)計(jì)算機(jī)一起跑程序,24小時(shí)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(gè),我把實(shí)驗(yàn)室的二十幾臺(tái)電腦全開著,一起計(jì)算,這樣效率快很多?!?/p>
通過精密計(jì)算驗(yàn)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(jiǎn)化模型,并依據(jù)此模型寫成論文,在第八屆國(guó)際車輛動(dòng)力學(xué)會(huì)議上發(fā)表。
會(huì)議現(xiàn)場(chǎng),國(guó)際輪軌蠕滑理論權(quán)威卡爾克對(duì)沈志云等發(fā)明的這一方法給予了高度評(píng)價(jià),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(dòng)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(dòng)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(guó)際上通稱“沈氏理論”),將其歸納為三維彈性體滾動(dòng)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(dòng)力學(xué)中運(yùn)用的理論。
作為“高鐵夢(mèng)”的牽引者之一,坐落于西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新故事與助推中國(guó)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(shí)驗(yàn)室,機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、牽引傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、高頻激振試驗(yàn)臺(tái)和疲勞試驗(yàn)臺(tái)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(duì)機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)可靠性的理論分析平臺(tái)、臺(tái)架試驗(yàn)到線路試驗(yàn)完整的測(cè)試系統(tǒng),幾乎每一種奔馳在高鐵線上的動(dòng)車組車型都要在這里進(jìn)行仿真和臺(tái)架試驗(yàn),模擬動(dòng)車組真實(shí)運(yùn)行環(huán)境,評(píng)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(guó)鐵路的現(xiàn)代化建設(shè),開始研究高速列車??茖W(xué)研究離不開實(shí)驗(yàn),沈志云敏銳地意識(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
1988年,沈志云與同行們一道大膽提出在我國(guó)建立機(jī)車車輛整車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)想,得到原國(guó)家計(jì)委、原國(guó)家教委和原鐵道部的批準(zhǔn),立項(xiàng)為鐵路唯一國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。在國(guó)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(guó)鐵路系統(tǒng)第一個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)科研實(shí)驗(yàn)室——牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
從設(shè)計(jì)理念,到挑選骨干,沈志云作了周詳?shù)目紤]。1989年4月,原國(guó)家計(jì)委委派專家到西南交通大學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估??疾旖Y(jié)束時(shí)專家問沈志云:“建這么大的實(shí)驗(yàn)室,要承擔(dān)什么樣的風(fēng)險(xiǎn),你想過沒有?”沈志云一愣,只好如實(shí)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(shí)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(yàn)臺(tái)首次做車輛的滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)是否成功,要看車輛在試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)臺(tái)成功地模擬了實(shí)際運(yùn)行情況,試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)臺(tái)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過國(guó)家驗(yàn)收。實(shí)驗(yàn)室建成至今33年,參與了“和諧號(hào)”“復(fù)興號(hào)”高速列車研發(fā),提供核心軟件,承擔(dān)所有型號(hào)的參數(shù)和出廠實(shí)驗(yàn)。
沈志云說,這個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)高鐵崛起過程中起到了不可替代的作用,沒有這個(gè)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)高鐵就崛起不了。
2017年9月,“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組在京滬高鐵率先按照時(shí)速350公里運(yùn)營(yíng),中國(guó)成為世界上高鐵商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度最高的國(guó)家。2022年6月20日起,京廣高鐵北京至武漢段實(shí)現(xiàn)常態(tài)化按時(shí)速350公里高標(biāo)運(yùn)營(yíng)。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(shí)不行,要搞就搞CR500,跑450公里/小時(shí);還要跑CR600,甚至可以跑到500公里/小時(shí)。我在外面有一個(gè)不好的名聲,說沈院士腦子里只有高速度,這個(gè)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(gè)速度就可以代表高鐵的技術(shù)水平。我們第一個(gè)目標(biāo)是要繼續(xù)領(lǐng)跑世界,長(zhǎng)遠(yuǎn)領(lǐng)跑下去。”
2021年1月13日,采用西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)線在成都正式啟用,這標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從無到有的突破,具備了工程化試驗(yàn)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(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的同時(shí),培養(yǎng)了一支國(guó)家級(jí)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。
1989年,沈志云在西南交通大學(xué)主持籌建牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)室不僅是我國(guó)高鐵發(fā)展道路上一塊極具分量的、堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基石,也成為了沈志云培養(yǎng)人才的最佳平臺(tái)。
當(dāng)年,沈志云從各系為實(shí)驗(yàn)室挑選了22個(gè)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(gè)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(shí)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(qǐng)實(shí)驗(yàn)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(jiǎng),鼓勵(lì)他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中積極創(chuàng)新”。然而這個(gè)新專業(yè),報(bào)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(cuò)了。”沈志云反思道,在本科畢業(yè)生范圍內(nèi)面向全國(guó)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(gè)設(shè)想在2010年后就實(shí)現(xiàn)了。
1996年,已經(jīng)67歲的沈志云辭去牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)下,將試驗(yàn)臺(tái)由4軸擴(kuò)為6軸,還將模擬時(shí)速由450公里提高到600公里,實(shí)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(shí)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。”