我國(guó)發(fā)展真空管道高速交通的戰(zhàn)略構(gòu)想

我國(guó)發(fā)展真空管道高速交通的戰(zhàn)略構(gòu)想

在致密的地面層中運(yùn)營(yíng)的高速交通工具的最大經(jīng)濟(jì)速度不應(yīng)超過(guò)400公里。然而，實(shí)現(xiàn)更高的目標(biāo)是客觀的，這也是汽車(chē)科技的夢(mèng)想。實(shí)現(xiàn)更高經(jīng)濟(jì)速度的一種可能性是使用真空管道。為了引起中國(guó)相關(guān)部門(mén)、公司和交通部工程專(zhuān)業(yè)人員的注意。1地面列車(chē)的噪聲與速度問(wèn)題限制地面高速交通最高經(jīng)濟(jì)速度的根本因素是稠密大氣,克服氣動(dòng)作用是地面高速交通的主要任務(wù).氣動(dòng)阻力與速度的二次方成正比,氣動(dòng)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(wú)法避免的客觀規(guī)律.文獻(xiàn)引用了德國(guó)磁浮列車(chē)和日本新干線(xiàn)輪軌列車(chē)實(shí)測(cè)的牽引曲線(xiàn),空氣阻力所占比例如表1所示.可見(jiàn)不管是磁浮還是輪軌列車(chē),當(dāng)速度達(dá)到400km/h以上時(shí),空氣阻力所占比例將超過(guò)80%。低速下磁浮列車(chē)的空氣阻力比例低于輪軌,除說(shuō)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(yīng)當(dāng)認(rèn)為是不經(jīng)濟(jì)的.高速帶來(lái)的噪音問(wèn)題則更嚴(yán)重.交通噪音的環(huán)保國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為距離鐵路外側(cè)軌道中心線(xiàn)30m處所測(cè)得的噪音水平一般不得超過(guò)70dB.噪音超標(biāo)常成為限制速度的關(guān)鍵因素.如上海浦東的常導(dǎo)磁浮列車(chē),速度達(dá)到400km/h時(shí),噪音高達(dá)89dB,在城鎮(zhèn)或人口密集地區(qū),只能降速到200km/h通過(guò).磁浮車(chē)的低噪音和振動(dòng)只是在低速之下才有可能.速度一高,以氣動(dòng)噪音為主,懸浮與否,已經(jīng)沒(méi)有實(shí)質(zhì)差別了.既然高速的障礙來(lái)自周?chē)橘|(zhì)——稠密大氣,根本途徑只能是改變介質(zhì)的密度.正如高速水運(yùn)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(lái),即水面效應(yīng)飛船,速度就可達(dá)到300～400km/h.干線(xiàn)飛機(jī)巡航高度達(dá)到萬(wàn)m,也是為了擺脫地表稠密大氣層的作用.地面列車(chē)當(dāng)然不能飛到萬(wàn)m高空,但可以利用密閉管道,降低管道內(nèi)壓強(qiáng),等于在列車(chē)周?chē)鷦?chuàng)造低密度介質(zhì)的環(huán)境,以擺脫阻力與噪音的困擾,理論上可實(shí)現(xiàn)任意高速度的運(yùn)行.事實(shí)上,1934年德國(guó)工程師肯佩爾獲得世界第一個(gè)磁浮列車(chē)專(zhuān)利時(shí),就是這樣想的.他提出在真空隧道中運(yùn)行磁浮列車(chē),速度達(dá)到1800km/h.半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),人們總認(rèn)為真空隧道難以實(shí)現(xiàn),極力探索在開(kāi)敞大氣中高速運(yùn)行磁浮列車(chē)的道路,可惜無(wú)一成功.歷史的結(jié)論很清楚,必須回到肯佩爾的道路上來(lái),不回避真空管道,才能實(shí)現(xiàn)400km/h以上超高速交通的夢(mèng)想.有人會(huì)認(rèn)為能實(shí)現(xiàn)300km/h高速鐵路就夠了,沒(méi)有必要在地面追求更高的速度.的確,發(fā)展航空運(yùn)輸給長(zhǎng)距離高速交通提供了很好的選擇.但是,航空需要耗費(fèi)大量高級(jí)汽油.在石油資源日趨緊缺的今天,作為科技任務(wù),已到了應(yīng)當(dāng)開(kāi)始尋找第二種選擇的時(shí)候了.總有一天,乘飛機(jī)會(huì)變成一般人難于負(fù)擔(dān)的奢侈消費(fèi),而超高速旅行的市場(chǎng)需求只會(huì)與日俱增,經(jīng)濟(jì)安全的地面超高速交通將突顯其市場(chǎng)魅力.另外,環(huán)保問(wèn)題日益突出,防止地球變暖,控制溫室氣體排放勢(shì)在必行.綜上所述,發(fā)展環(huán)保潔凈運(yùn)輸,即地面超高速軌道交通,從可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求出發(fā),也是十分必要的.由于研究開(kāi)發(fā)管道真空高速運(yùn)輸這一復(fù)雜的新型交通工具,使之達(dá)到能夠商業(yè)運(yùn)營(yíng)的程度,需要20～30a時(shí)間,能源和環(huán)保留給我們的時(shí)間已經(jīng)不多,立即開(kāi)始研究已嫌過(guò)晚,再也不能猶疑觀望,裹足不前了.2小型分散管道的運(yùn)行成本單純從技術(shù)上考慮,讓列車(chē)在密閉的、低壓強(qiáng)的管道中高速運(yùn)行,不存在不可克服的困難.何祚庥院士認(rèn)為,當(dāng)代高能粒子加速器,已能在長(zhǎng)達(dá)幾十km的真空管道里長(zhǎng)期運(yùn)行,壓強(qiáng)能長(zhǎng)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(qiáng)可以提高到10kPa量級(jí),所以在真空問(wèn)題上,不會(huì)存在原則性的困難(見(jiàn)何祚庥院士向四川(成都)院士咨詢(xún)服務(wù)中心和西南交通大學(xué)共同舉辦的“真空管道高速交通”院士研討會(huì)提交的書(shū)面材料).需要認(rèn)真考慮的是技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的可行性,以及建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用是否能為運(yùn)輸市場(chǎng)所接受.從全球范圍看,真空管道高速交通尚無(wú)先例可資參照,只有一些設(shè)想和初步估算.不妨列舉幾例,以窺一斑.美國(guó)ETT公司提出小型分散的管道“汽車(chē)”模式.每車(chē)設(shè)4～6個(gè)座位,單獨(dú)運(yùn)行.管內(nèi)徑與車(chē)外徑之間相差很小,2根管道上下排列,全自動(dòng)控制,管道內(nèi)壓強(qiáng)為0.1Pa,運(yùn)行幾無(wú)阻力,速度可達(dá)600km/h,加速所用能量可在制動(dòng)時(shí)回收.估算的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下:線(xiàn)路成本:125萬(wàn)美元/km;車(chē)輛成本:2.7萬(wàn)美元/輛;能耗:單位能耗J/(人·km)只有汽車(chē)的1%;運(yùn)能:一條管道相當(dāng)于80車(chē)道高速公路;優(yōu)點(diǎn):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(chē),壓強(qiáng)為10kPa,較易實(shí)現(xiàn).速度定為500km/h,單向運(yùn)能估計(jì)為21.6萬(wàn)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(guó)家實(shí)現(xiàn)地面高速的較好的方式.成本高、工期長(zhǎng)是其主要缺點(diǎn).建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用取決于技術(shù)方案.美國(guó)堪薩斯大學(xué)建議的PRT低壓管道磁浮列車(chē),就是在瑞士方案基礎(chǔ)上加以改進(jìn)形成的,壓強(qiáng)為20kPa,改雙隧道為地面管道,上下布置,車(chē)形改小.在功能相同的條件下,建設(shè)費(fèi)用將比瑞士方案下降37.5%.人們關(guān)注長(zhǎng)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(qiáng)需要的能耗;(2)解決旅客乘降及列車(chē)到發(fā)引起的壓強(qiáng)變化所需能耗;(3)線(xiàn)路(管道)泄漏帶來(lái)的附加能耗.總的來(lái)說(shuō),并不像人們擔(dān)心的那樣高不可及.根據(jù)上述特定車(chē)型所做的計(jì)算,采用80%效率的壓縮風(fēng)機(jī),對(duì)長(zhǎng)達(dá)800km的管道保持20.0,10.0,1.0和0.1kPa的壓強(qiáng),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(shí)現(xiàn)20～30kPa的低壓強(qiáng)所需能耗只有飛機(jī)達(dá)到并保持萬(wàn)m高度所需能耗的1/40.精心選擇技術(shù)方案,降低造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用,將為真空管道高速交通帶來(lái)現(xiàn)實(shí)的工程可行性.作為21世紀(jì)現(xiàn)代化交通運(yùn)輸,采用真空管道不僅是必要的,也是完全可能的.3仿真計(jì)算中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題優(yōu)選技術(shù)方案,首先要對(duì)真空管道高速交通的基本問(wèn)題有所了解,如壓強(qiáng)與速度的關(guān)系、遮擋系數(shù)的確定和其他關(guān)鍵技術(shù).管道壓強(qiáng)的選擇是決定系統(tǒng)參數(shù)的首要問(wèn)題.壓強(qiáng)與速度直接相關(guān),應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)研究,以科學(xué)地確定這種關(guān)系.飛機(jī)的商業(yè)運(yùn)營(yíng)提供了可靠標(biāo)準(zhǔn):在9000～12000m高空以1000km/h左右的速度飛行是最經(jīng)濟(jì)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(qiáng)降低而下降。圖1陰影區(qū)表示管道壓強(qiáng)和列車(chē)運(yùn)行速度的優(yōu)選區(qū).優(yōu)選區(qū)之外為風(fēng)阻和磁阻過(guò)大區(qū).圖中音速(1224km/h)附近為音障區(qū)(陰影區(qū)內(nèi)的小三角形),應(yīng)盡量避開(kāi).圖1表明,如果速度選為600～1000km/h(雙重陰影區(qū)),管道壓強(qiáng)可取10kPa左右,即可在地面創(chuàng)造10000～15000m高空的運(yùn)行環(huán)境,在工程上比較容易實(shí)現(xiàn),如果能實(shí)現(xiàn)更低的壓強(qiáng),如0.1Pa,則等于在地面創(chuàng)造出宇宙空間,可實(shí)現(xiàn)技術(shù)所能達(dá)到的任意速度.不過(guò)要在長(zhǎng)大管道中長(zhǎng)期保持如此高度的低壓強(qiáng),運(yùn)營(yíng)費(fèi)用將大大增加,不易為運(yùn)輸市場(chǎng)所接受.應(yīng)當(dāng)說(shuō)明,圖1只是就一種特定車(chē)型的計(jì)算結(jié)果,并非普遍適用.管道壓強(qiáng)的選擇與列車(chē)類(lèi)型、管道結(jié)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)方式、密封技術(shù)、客流大小等因素相關(guān).需要進(jìn)行多方位研究,才能正確選擇.第2個(gè)基本問(wèn)題是選定遮擋系數(shù),即列車(chē)橫截面與管道內(nèi)截面之比.這是決定管道內(nèi)徑的主要因素.遮擋系數(shù)α(coefficientofcoverage)的概念來(lái)自鐵路隧道設(shè)計(jì).當(dāng)高速列車(chē)通過(guò)鐵路隧道時(shí)引起氣壓變化,最高可達(dá)500～600kPa.在無(wú)法改變大氣密度條件下,只有加大隧道斷面來(lái)控制(見(jiàn)表2).在低壓管道中,對(duì)較高速度仍可取較大遮擋系數(shù).如壓強(qiáng)為10～20kPa時(shí),在600～800km/h速度之下,仍可取0.40～0.45.如使壓強(qiáng)降低到0.1Pa,則α可取到0.8～0.9,僅留運(yùn)動(dòng)空間即可.另一個(gè)影響α的因素是管壁阻力.隧道內(nèi)行車(chē)阻力比在開(kāi)敞大氣中大,這就是管壁效應(yīng).增大的幅度與車(chē)與管壁間的距離和管內(nèi)氣壓相關(guān).在10～20kPa,α=0.4左右時(shí),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(lái)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本上升.這也是一個(gè)需要優(yōu)選的問(wèn)題.為了科學(xué)地確定最佳壓強(qiáng)和遮擋系數(shù),必須開(kāi)展真空空氣動(dòng)力學(xué)研究,對(duì)于真空管道中高速列車(chē)的氣動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行理論研究和試驗(yàn),找出各種因素對(duì)阻力影響的規(guī)律.仿真計(jì)算的結(jié)果還應(yīng)通過(guò)實(shí)物模型試驗(yàn),加以檢驗(yàn).這些基礎(chǔ)性研究是確定管道壓強(qiáng)和遮擋系數(shù)的根據(jù).第3個(gè)基本問(wèn)題是真空管道高速交通的關(guān)鍵技術(shù).列舉如下:(1)真空管道,包括材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、真空管道密封技術(shù)和道岔及登車(chē)橋技術(shù);(2)牽引電機(jī),包括同步線(xiàn)性牽引電機(jī)技術(shù)、移動(dòng)磁場(chǎng)控制技術(shù)和電機(jī)主動(dòng)懸掛技術(shù);(3)磁浮車(chē),包括懸浮、導(dǎo)向及其控制技術(shù)和多磁轉(zhuǎn)向架車(chē)輛設(shè)計(jì)和車(chē)內(nèi)氣壓控制技術(shù).在技術(shù)發(fā)展到今天的情況下,解決這些問(wèn)題,應(yīng)不存在原則上的困難.有些技術(shù)已相當(dāng)成熟,如飛機(jī)用的艙內(nèi)氣壓控制、常導(dǎo)磁浮列車(chē)用的同步線(xiàn)性電機(jī)及控制等.有些可在現(xiàn)有新材料、新工藝及相關(guān)信息技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā),如管道設(shè)計(jì)、低氣壓的建立和保持等.有些新問(wèn)題,如道岔、登車(chē)橋等,也不難試驗(yàn)開(kāi)發(fā).最困難的是各種技術(shù)方案的優(yōu)選和集成,使構(gòu)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(wèn)題尚無(wú)定論,許多方案比較尚缺乏根據(jù),國(guó)內(nèi)外均無(wú)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(guó)真空管道高速交通的戰(zhàn)略定位應(yīng)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(bǔ)充.當(dāng)前正在開(kāi)發(fā)的輪軌高速鐵路,速度為300～350km/h,是現(xiàn)有鐵路網(wǎng)提速的必然趨勢(shì).上海浦東引進(jìn)德國(guó)常導(dǎo)磁浮列車(chē),速度為400～450km/h,不失為磁浮列車(chē)技術(shù)工程化的大膽嘗試.這2項(xiàng)已列入我國(guó)中長(zhǎng)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(shù)難度更大,是交通應(yīng)對(duì)幾十年后能源、環(huán)保嚴(yán)重問(wèn)題的重要措施,將成為20～30a以后交通運(yùn)輸市場(chǎng)的亮點(diǎn).就當(dāng)前來(lái)說(shuō),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(yīng)當(dāng)是研究領(lǐng)先,試驗(yàn)開(kāi)路,分階段實(shí)現(xiàn)工程化,以2020年拿出最優(yōu)工程方案,2030年開(kāi)通首條運(yùn)營(yíng)線(xiàn)為目標(biāo).對(duì)于真空管道高速交通這樣的高技術(shù)項(xiàng)目,必須進(jìn)行多方案比較試驗(yàn),優(yōu)選各個(gè)子系統(tǒng)的技術(shù),還要反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)綜合評(píng)估,才能找出最佳結(jié)構(gòu)方案及參數(shù).所以,不能急功近利,過(guò)早考慮實(shí)際工程實(shí)施,盲目追求市場(chǎng)效應(yīng).分階段發(fā)展的初步設(shè)想是用5a(2005～2010)時(shí)間進(jìn)行小比例模型研究,主要是探討壓強(qiáng)、遮擋系數(shù)和速度之間的關(guān)系,確定管道內(nèi)徑及車(chē)輛外部尺寸.然后,再用5a,即在今后10a(2005～2015)之內(nèi),進(jìn)行全尺寸模型試驗(yàn),同時(shí)建造試驗(yàn)線(xiàn)路并進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn).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(nèi)(2020～2030)有望建成一條足夠長(zhǎng)度的運(yùn)營(yíng)示范線(xiàn).爭(zhēng)取能在2030年以前開(kāi)始商業(yè)運(yùn)營(yíng).關(guān)鍵是技術(shù)方案的選擇.應(yīng)鼓勵(lì)多單位參與,各自選擇1個(gè)或若干方案開(kāi)展試驗(yàn)研究.2020年進(jìn)行全國(guó)性的方案評(píng)比,取長(zhǎng)補(bǔ)短,共同確定一個(gè)最佳方案.管道壓強(qiáng)的基本選擇有2種:超低氣壓管道或低氣壓管道.前者壓強(qiáng)可取1.0Pa或更低,后者一般可取10～20kPa.各有短長(zhǎng),通過(guò)對(duì)比分析才能決定取舍.管道結(jié)構(gòu)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(shù).管道不一定都高架,鋪于地面可省支撐結(jié)構(gòu).進(jìn)入隧道時(shí)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(nèi)降低壓強(qiáng)可選用高效率的抽風(fēng)機(jī),沿管道建設(shè)自動(dòng)抽氣站.抽氣站間的距離和抽風(fēng)機(jī)功率由計(jì)算確定.關(guān)于道岔,如采用非包邊的磁浮車(chē),可通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制而避免轍岔的移動(dòng),這樣可使管道分岔十分簡(jiǎn)單.列車(chē)進(jìn)出站可采用登車(chē)橋機(jī)構(gòu),一端與車(chē)站開(kāi)敞部分相通,另一端與車(chē)門(mén)緊密貼合后,開(kāi)啟車(chē)門(mén),即可供旅客上下.列車(chē)選擇的范圍更大.牽引動(dòng)力看來(lái)采用大功率同步線(xiàn)性電機(jī)已成共識(shí),或可有更好的方案,如超導(dǎo)牽引等.懸浮及導(dǎo)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(dān)牽引(牽引仍用線(xiàn)性電機(jī)),只用于支承和導(dǎo)向,則在很高速度下也能很好工作.用于貨運(yùn)的管道多采用滾輪支承就是一例.當(dāng)然采用磁懸浮將更方便.磁浮技術(shù)種類(lèi)繁多,有常導(dǎo)、超導(dǎo)、高溫超導(dǎo)、磁浮飛機(jī)、永磁補(bǔ)償?shù)鹊?最近航天部第二研究院又推出氣浮車(chē)技術(shù),他們發(fā)現(xiàn)航天器上使用的發(fā)汗冷卻技術(shù)產(chǎn)生的推力,可用來(lái)將車(chē)懸浮,這也是一種可以考慮的方案.從國(guó)內(nèi)外磁浮技術(shù)的發(fā)展來(lái)看,西南交通大學(xué)研制的高溫超導(dǎo)磁浮車(chē)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(shù)利用常規(guī)永磁體的磁場(chǎng)在高溫超導(dǎo)體中引起屏蔽電流實(shí)現(xiàn)懸浮,導(dǎo)向由高溫超導(dǎo)體釘扎中心對(duì)永磁導(dǎo)軌磁