我國發(fā)展真空管道高速交通的戰(zhàn)略構想

我國發(fā)展真空管道高速交通的戰(zhàn)略構想

在致密的地面層中運營的高速交通工具的最大經濟速度不應超過400公里。然而，實現更高的目標是客觀的，這也是汽車科技的夢想。實現更高經濟速度的一種可能性是使用真空管道。為了引起中國相關部門、公司和交通部工程專業(yè)人員的注意。1地面列車的噪聲與速度問題限制地面高速交通最高經濟速度的根本因素是稠密大氣,克服氣動作用是地面高速交通的主要任務.氣動阻力與速度的二次方成正比,氣動噪音隨速度七次或八次方而急增.這是任何形式的交通工具都無法避免的客觀規(guī)律.文獻引用了德國磁浮列車和日本新干線輪軌列車實測的牽引曲線,空氣阻力所占比例如表1所示.可見不管是磁浮還是輪軌列車,當速度達到400km/h以上時,空氣阻力所占比例將超過80%。低速下磁浮列車的空氣阻力比例低于輪軌,除說明其空氣阻力可能較小外,另外一種可能性是其空阻以外的阻力比輪軌的大.總之,80%以上的能耗用于克服空氣阻力,應當認為是不經濟的.高速帶來的噪音問題則更嚴重.交通噪音的環(huán)保國家標準為距離鐵路外側軌道中心線30m處所測得的噪音水平一般不得超過70dB.噪音超標常成為限制速度的關鍵因素.如上海浦東的常導磁浮列車,速度達到400km/h時,噪音高達89dB,在城鎮(zhèn)或人口密集地區(qū),只能降速到200km/h通過.磁浮車的低噪音和振動只是在低速之下才有可能.速度一高,以氣動噪音為主,懸浮與否,已經沒有實質差別了.既然高速的障礙來自周圍介質——稠密大氣,根本途徑只能是改變介質的密度.正如高速水運那樣,水的阻力是大氣的13倍,使船脫離水面,在空氣中飛起來,即水面效應飛船,速度就可達到300～400km/h.干線飛機巡航高度達到萬m,也是為了擺脫地表稠密大氣層的作用.地面列車當然不能飛到萬m高空,但可以利用密閉管道,降低管道內壓強,等于在列車周圍創(chuàng)造低密度介質的環(huán)境,以擺脫阻力與噪音的困擾,理論上可實現任意高速度的運行.事實上,1934年德國工程師肯佩爾獲得世界第一個磁浮列車專利時,就是這樣想的.他提出在真空隧道中運行磁浮列車,速度達到1800km/h.半個多世紀以來,人們總認為真空隧道難以實現,極力探索在開敞大氣中高速運行磁浮列車的道路,可惜無一成功.歷史的結論很清楚,必須回到肯佩爾的道路上來,不回避真空管道,才能實現400km/h以上超高速交通的夢想.有人會認為能實現300km/h高速鐵路就夠了,沒有必要在地面追求更高的速度.的確,發(fā)展航空運輸給長距離高速交通提供了很好的選擇.但是,航空需要耗費大量高級汽油.在石油資源日趨緊缺的今天,作為科技任務,已到了應當開始尋找第二種選擇的時候了.總有一天,乘飛機會變成一般人難于負擔的奢侈消費,而超高速旅行的市場需求只會與日俱增,經濟安全的地面超高速交通將突顯其市場魅力.另外,環(huán)保問題日益突出,防止地球變暖,控制溫室氣體排放勢在必行.綜上所述,發(fā)展環(huán)保潔凈運輸,即地面超高速軌道交通,從可持續(xù)循環(huán)經濟的要求出發(fā),也是十分必要的.由于研究開發(fā)管道真空高速運輸這一復雜的新型交通工具,使之達到能夠商業(yè)運營的程度,需要20～30a時間,能源和環(huán)保留給我們的時間已經不多,立即開始研究已嫌過晚,再也不能猶疑觀望,裹足不前了.2小型分散管道的運行成本單純從技術上考慮,讓列車在密閉的、低壓強的管道中高速運行,不存在不可克服的困難.何祚庥院士認為,當代高能粒子加速器,已能在長達幾十km的真空管道里長期運行,壓強能長期維持在0.1Pa甚至更低的范圍.真空管道高速交通所需要的壓強可以提高到10kPa量級,所以在真空問題上,不會存在原則性的困難(見何祚庥院士向四川(成都)院士咨詢服務中心和西南交通大學共同舉辦的“真空管道高速交通”院士研討會提交的書面材料).需要認真考慮的是技術經濟方面的可行性,以及建設成本和運營費用是否能為運輸市場所接受.從全球范圍看,真空管道高速交通尚無先例可資參照,只有一些設想和初步估算.不妨列舉幾例,以窺一斑.美國ETT公司提出小型分散的管道“汽車”模式.每車設4～6個座位,單獨運行.管內徑與車外徑之間相差很小,2根管道上下排列,全自動控制,管道內壓強為0.1Pa,運行幾無阻力,速度可達600km/h,加速所用能量可在制動時回收.估算的主要技術經濟指標如下:線路成本:125萬美元/km;車輛成本:2.7萬美元/輛;能耗:單位能耗J/(人·km)只有汽車的1%;運能:一條管道相當于80車道高速公路;優(yōu)點:安全,環(huán)保,方便,快捷.比較接近常規(guī)鐵路的方案是瑞士的真空隧道高速列車,壓強為10kPa,較易實現.速度定為500km/h,單向運能估計為21.6萬人/a.單位能耗(J/(人·km))只有普通鐵路的一半.全部處于地下,適宜于多山地區(qū),這是瑞士多山國家實現地面高速的較好的方式.成本高、工期長是其主要缺點.建設成本和運營費用取決于技術方案.美國堪薩斯大學建議的PRT低壓管道磁浮列車,就是在瑞士方案基礎上加以改進形成的,壓強為20kPa,改雙隧道為地面管道,上下布置,車形改小.在功能相同的條件下,建設費用將比瑞士方案下降37.5%.人們關注長大管道抽成真空并加以保持所需的能耗.這種能耗由3部分組成:(1)維持管道低壓強需要的能耗;(2)解決旅客乘降及列車到發(fā)引起的壓強變化所需能耗;(3)線路(管道)泄漏帶來的附加能耗.總的來說,并不像人們擔心的那樣高不可及.根據上述特定車型所做的計算,采用80%效率的壓縮風機,對長達800km的管道保持20.0,10.0,1.0和0.1kPa的壓強,能耗為3.6,5.6,8.4和9.2TJ/a,或換算成單位能耗為360～920J/(人·km),不到0.000075美元/(人·km).在地面管道中實現20～30kPa的低壓強所需能耗只有飛機達到并保持萬m高度所需能耗的1/40.精心選擇技術方案,降低造價和運行費用,將為真空管道高速交通帶來現實的工程可行性.作為21世紀現代化交通運輸,采用真空管道不僅是必要的,也是完全可能的.3仿真計算中需要注意的幾個問題優(yōu)選技術方案,首先要對真空管道高速交通的基本問題有所了解,如壓強與速度的關系、遮擋系數的確定和其他關鍵技術.管道壓強的選擇是決定系統(tǒng)參數的首要問題.壓強與速度直接相關,應當進行相應的基礎研究,以科學地確定這種關系.飛機的商業(yè)運營提供了可靠標準:在9000～12000m高空以1000km/h左右的速度飛行是最經濟的.該處氣壓為20～30kPa.空氣阻力隨著速度提高而增加,但隨壓強降低而下降。圖1陰影區(qū)表示管道壓強和列車運行速度的優(yōu)選區(qū).優(yōu)選區(qū)之外為風阻和磁阻過大區(qū).圖中音速(1224km/h)附近為音障區(qū)(陰影區(qū)內的小三角形),應盡量避開.圖1表明,如果速度選為600～1000km/h(雙重陰影區(qū)),管道壓強可取10kPa左右,即可在地面創(chuàng)造10000～15000m高空的運行環(huán)境,在工程上比較容易實現,如果能實現更低的壓強,如0.1Pa,則等于在地面創(chuàng)造出宇宙空間,可實現技術所能達到的任意速度.不過要在長大管道中長期保持如此高度的低壓強,運營費用將大大增加,不易為運輸市場所接受.應當說明,圖1只是就一種特定車型的計算結果,并非普遍適用.管道壓強的選擇與列車類型、管道結構、運營方式、密封技術、客流大小等因素相關.需要進行多方位研究,才能正確選擇.第2個基本問題是選定遮擋系數,即列車橫截面與管道內截面之比.這是決定管道內徑的主要因素.遮擋系數α(coefficientofcoverage)的概念來自鐵路隧道設計.當高速列車通過鐵路隧道時引起氣壓變化,最高可達500～600kPa.在無法改變大氣密度條件下,只有加大隧道斷面來控制(見表2).在低壓管道中,對較高速度仍可取較大遮擋系數.如壓強為10～20kPa時,在600～800km/h速度之下,仍可取0.40～0.45.如使壓強降低到0.1Pa,則α可取到0.8～0.9,僅留運動空間即可.另一個影響α的因素是管壁阻力.隧道內行車阻力比在開敞大氣中大,這就是管壁效應.增大的幅度與車與管壁間的距離和管內氣壓相關.在10～20kPa,α=0.4左右時,管壁阻力約等于空氣阻力.加大α,管壁阻力將減小,但由此帶來建設及運營成本上升.這也是一個需要優(yōu)選的問題.為了科學地確定最佳壓強和遮擋系數,必須開展真空空氣動力學研究,對于真空管道中高速列車的氣動力學行為進行理論研究和試驗,找出各種因素對阻力影響的規(guī)律.仿真計算的結果還應通過實物模型試驗,加以檢驗.這些基礎性研究是確定管道壓強和遮擋系數的根據.第3個基本問題是真空管道高速交通的關鍵技術.列舉如下:(1)真空管道,包括材料及結構設計、真空管道密封技術和道岔及登車橋技術;(2)牽引電機,包括同步線性牽引電機技術、移動磁場控制技術和電機主動懸掛技術;(3)磁浮車,包括懸浮、導向及其控制技術和多磁轉向架車輛設計和車內氣壓控制技術.在技術發(fā)展到今天的情況下,解決這些問題,應不存在原則上的困難.有些技術已相當成熟,如飛機用的艙內氣壓控制、常導磁浮列車用的同步線性電機及控制等.有些可在現有新材料、新工藝及相關信息技術基礎上開發(fā),如管道設計、低氣壓的建立和保持等.有些新問題,如道岔、登車橋等,也不難試驗開發(fā).最困難的是各種技術方案的優(yōu)選和集成,使構成的系統(tǒng)具有最佳性能和最大的工程可行性.如前所述,許多基本問題尚無定論,許多方案比較尚缺乏根據,國內外均無成熟系統(tǒng)可資參照.這些因素決定著自主發(fā)展真空管道高速交通的戰(zhàn)略方針.4小比例模型分析我國真空管道高速交通的戰(zhàn)略定位應為600～1000km/h超高速地面交通,是目前地面高速交通的延伸和補充.當前正在開發(fā)的輪軌高速鐵路,速度為300～350km/h,是現有鐵路網提速的必然趨勢.上海浦東引進德國常導磁浮列車,速度為400～450km/h,不失為磁浮列車技術工程化的大膽嘗試.這2項已列入我國中長期交通科技發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略研究.真空管道高速交通速度更高,技術難度更大,是交通應對幾十年后能源、環(huán)保嚴重問題的重要措施,將成為20～30a以后交通運輸市場的亮點.就當前來說,研究真空管道高速交通是最具前瞻性、前沿性的前期研究,與其他高速交通的研究并行不悖,相輔相成.因此,真空管道高速交通的戰(zhàn)略方針應當是研究領先,試驗開路,分階段實現工程化,以2020年拿出最優(yōu)工程方案,2030年開通首條運營線為目標.對于真空管道高速交通這樣的高技術項目,必須進行多方案比較試驗,優(yōu)選各個子系統(tǒng)的技術,還要反復進行系統(tǒng)綜合評估,才能找出最佳結構方案及參數.所以,不能急功近利,過早考慮實際工程實施,盲目追求市場效應.分階段發(fā)展的初步設想是用5a(2005～2010)時間進行小比例模型研究,主要是探討壓強、遮擋系數和速度之間的關系,確定管道內徑及車輛外部尺寸.然后,再用5a,即在今后10a(2005～2015)之內,進行全尺寸模型試驗,同時建造試驗線路并進行運行試驗.總共大約需要15a(2005～2020),才能確定最佳的工程化方案.在其后的10a內(2020～2030)有望建成一條足夠長度的運營示范線.爭取能在2030年以前開始商業(yè)運營.關鍵是技術方案的選擇.應鼓勵多單位參與,各自選擇1個或若干方案開展試驗研究.2020年進行全國性的方案評比,取長補短,共同確定一個最佳方案.管道壓強的基本選擇有2種:超低氣壓管道或低氣壓管道.前者壓強可取1.0Pa或更低,后者一般可取10～20kPa.各有短長,通過對比分析才能決定取舍.管道結構可以是圓形(最省材料)或在凹形整體道床上的半圓形;雙向管道可以并列,也可以上下排列;2管道之間可以分隔,也可以相互連通,以減小遮擋系數.管道不一定都高架,鋪于地面可省支撐結構.進入隧道時可利用隧道做真空管道,以縮小隧道斷面.管道材料可選防漏水泥,也可考慮鋼板、塑料等新型建材.管道內降低壓強可選用高效率的抽風機,沿管道建設自動抽氣站.抽氣站間的距離和抽風機功率由計算確定.關于道岔,如采用非包邊的磁浮車,可通過導向機構的自動控制而避免轍岔的移動,這樣可使管道分岔十分簡單.列車進出站可采用登車橋機構,一端與車站開敞部分相通,另一端與車門緊密貼合后,開啟車門,即可供旅客上下.列車選擇的范圍更大.牽引動力看來采用大功率同步線性電機已成共識,或可有更好的方案,如超導牽引等.懸浮及導向則可在更多可能方案中選擇,輪軌也是可以考慮的.輪軌系統(tǒng)如不承擔牽引(牽引仍用線性電機),只用于支承和導向,則在很高速度下也能很好工作.用于貨運的管道多采用滾輪支承就是一例.當然采用磁懸浮將更方便.磁浮技術種類繁多,有常導、超導、高溫超導、磁浮飛機、永磁補償等等.最近航天部第二研究院又推出氣浮車技術,他們發(fā)現航天器上使用的發(fā)汗冷卻技術產生的推力,可用來將車懸浮,這也是一種可以考慮的方案.從國內外磁浮技術的發(fā)展來看,西南交通大學研制的高溫超導磁浮車最有可能成為600～1000km/h超高速真空管道交通的載體.這一技術利用常規(guī)永磁體的磁場在高溫超導體中引起屏蔽電流實現懸浮,導向由高溫超導體釘扎中心對永磁導軌磁