揚州水產運輸聯盟

超高速真空管道交通技術發展現狀與趨勢

科技中國2020-01-30 09:02:44


文|金茂菁 黃玲(科技部高技術研究發展中心),首發刊載于《科技中國》雜志2018年3月第3期 前沿。

  超高速真空管道交通是采用磁懸浮列車技術,利用密閉管道,通過抽取空氣達到接近真空的低氣壓環境,從而實現列車全天候在無輪軌阻力、低空氣阻力、低噪聲模式下超高速(1000km/h及以上速度)運行的新型軌道交通技術。本文對目前國際上超高速真空管道交通技術研究現狀與發展趨勢進行了梳理分析,并提出了我國的發展對策建議。

  一、關于超高速真空管道交通

  1.定義與特點

  超高速真空管道交通,是采用磁懸浮列車技術,利用密閉管道,通過抽取空氣達到接近真空的低氣壓環境,從而實現列車全天候在無輪軌阻力、低空氣阻力、低噪聲模式下超高速運行的新型軌道交通技術。

  制約輪軌高速發展的主要有輪軌阻力、空氣阻力以及噪聲三大因素。輪軌阻力及粘著力對高速列車運行安全起著決定性作用,但超高速輪軌關系與脫軌機理研究尚未突破;稠密大氣中氣動阻力與速度的2次方成正比,德國磁懸浮列車和日本新干線輪軌列車的實測數據表明,時速超過400km時,空氣阻力所占列車牽引力的比例超過80%;氣動噪音隨速度的7次或8次方劇增,旅客無法接受。因此,真空管道交通是未來綠色、節能、超高速軌道交通技術的重要發展方向。

  2.作用與意義

  民用領域,時速1000km的超高速軌道交通運輸,可以替代未來石油能源緊缺時代的航空運輸,實現長距離、洲際超長距離大運量客貨運輸。

  軍事領域,管道超高速軌道電磁炮、軌道電磁彈射等技術在航母飛機彈射、導彈發射等方面具有廣闊應用前景。

  航空航天領域,采用真空管道大功率、超高速軌道助推技術,可實現火箭空中點火、快速重復發射,克服目前井下發射成本高、周期長等缺點。

  因此,發展超高速真空管道軌道交通技術,對于引領未來超高速軌道交通技術發展、助力國防安全具有重大意義。

  二、國際發展現狀與趨勢

  目前,國際上具有代表性的真空管道交通技術方案有三種:一是采用常導電磁懸浮的瑞士SWISSMETRO方案,二是采用氣動/永磁懸浮和輪軌列車的美國Hyperloop系統計劃,三是采用高溫超導磁懸浮技術的美國ET3和我國西南交通大學的方案。

  1. 美國

  1904年,現代火箭之父Robert Goddard在演講中提到,要在波斯頓和紐約之間建一條真空管道鐵路線,這是最早的關于真空管道交通的設想。20世紀60年代,美國麻省理工學院的研究人員提出建設真空管道磁浮線路的設想;1978年,蘭德公司的研究人員提出,由電磁懸浮車輛和地下一定真空度的管道組成地下交通——運輸之星。

  1998年,美國公布21世紀交通公正法(Transportation Equity Act for the 21st Century,TEA-21),以法律形式規定要在美國發展磁懸浮交通技術,由聯邦鐵道部和交通部具體負責實施。

  1999年,美國佛羅里達機械工程師Daryl Oster獲得真空管道運輸系統發明專利,并在美國佛羅里達州注冊成立了Et3.com公司。2003年以來,美國鐵路員工Brad Swartzwelte提出了“美國地鐵”的思路,即在美國建設真空管道磁懸浮地下鐵路系統,使城市到城市之間直線聯接,形成暢通無阻的地下交通網絡。

  2013年,特斯拉汽車首席執行官艾倫?馬斯克提出超級膠囊高鐵(Hyperloop)的方案,并參與加州高鐵項目的競爭;2015年2月,Hyperloop Transportation Technologies公司準備在加州5號州際公路附近建設長約8公里的Hyperloop超級高鐵試驗線路,從2016年開工,預計將于2019年完工。

  2016年5月11日,美國超級高鐵公司Hyperloop one在內華達州荒漠首次對Hyperloop管道運輸中的推進系統進行公開測試,實現了1秒加速到96km/h,這使得超高速真空管道交通技術概念在全球范圍內產生了轟動效應。

  當前,美國以其雄厚的經濟實力和強大的科研能力,正積極發展超高速真空管道交通技術。以超級高鐵概念,成立的3家公司(Hyperloop One,Hyperloop Transportation Technologies和Space X)已經開始從事相關研發工作。另有一家名為Arrivo的初創公司,最近也決定加入開發超級鐵路Hyperloop的競爭行列。

  2. 瑞士

  瑞士工程師Nieth,于1974年提出在瑞士建設真空隧道超高速地鐵工程項目的建議;1981年,該建議得到洛桑理工學院專家們的支持,并進行了可行性研究。

  1992年,瑞士成立了專門從事真空管道開發的Swissmetro SA公司;1995年,提出了真空管道由兩個直徑5米的隧道組成、車體運行采用電磁懸浮方式的技術方案;1997年瑞士地鐵申請建設日內瓦到洛桑的試驗段,由于聯邦政府無法投入足夠資金,計劃暫時停止,目前的研究是盡快建立一條約15米的試驗線。

  3. 日本

  近年,日本的超高速真空管道交通技術取得了突破性進展。2015年4月21日,山梨磁懸浮試驗線“L0系”列車實現603km/h載人運行最高速度,該記錄至今仍為地面軌道交通工具的世界紀錄。

  東京至大阪設計時速505km/h的低溫超導磁懸浮工程已經開工建設,計劃在2027年投入運營。

  4. 其它方面

  1994年,時任美國國家宇航局(NASA)高級概念研究所主管的John Mankins提出了“MagLifter”系統,該系統主要由推進系統、電源系統、支撐系統和供給系統4部分組成,相當于代替了傳統運載火箭的第一級,在沿山體修建的真空管道中使用電磁推進裝置,從而省去了大量的化學能推進劑。

  類同于MagLifter線路結構,美國Prof. James Powell等人提出的StarTram星際列車方案,也是一種將真空管道技術應用于航空航天的設想,分為Gen-1載物航天系統和Gen-2載人航天系統。StarTram方案擬采用低溫超導磁懸浮技術,重點考慮了多種真空管道發射出口方案,包括可伸縮隔板,50mm厚的沖破式塑料薄膜,磁流體動力泵和氣體動力噴射器等,從而實現低成本、可重復發射。

  綜上可見,美國、日本在超高速真空管道交通技術的工程化研究方面已走在國際前列,并就“超級高鐵”概念開展多項國際合作,并在國家、軍事和民用等多層面投入。

  三、我國發展現狀與水平

  早在20世紀70年代,我國就對美國科學家提出的真空管道運輸系統設想作過報道;1988年,鐵道工程專家郝瀛教授在其《中國鐵路建設》一書中,把真空管道運輸系統視為未來鐵路發展的一種模式作了介紹。

  2004年1月,西南交通大學在國際上首次提出時速600km及以上載人超高速真空管道高溫超導磁懸浮列車技術方案,并通過了包括14位院士在內的50余位專家的論證;2004年12月,四川院士咨詢中心首次院士論壇再次研討了真空管道高溫超導磁懸浮車重大技術和應用前景。與會院士和專家一致建議,應大力支持具有我國自主知識產權的高溫超導磁懸浮車技術開發及產業化;何祚庥院士也提交了書面意見,認為在石油能源高度緊張的情況下,開展超高速磁懸浮列車技術研究,更具特殊意義,在管道真空度問題上也不會存在原則性技術困難。

  我國雖然研究起步較晚,但發展迅速。2014年6月,西南交通大學牽引動力國家重點實驗室研制成功世界首條真空管道高溫超導磁懸浮車環形試驗線“Super-Maglev”(見圖1),并計劃于2017年底建成430km/h真空管道高速比例模型試驗線(見圖2),進一步開展真空管道系統、高速高溫超導磁懸浮列車等工程化關鍵技術的研究。

  2014年7月,IEEE Spectrum(美國電氣電子工程師學會旗艦出版物)以“The Big Picture News”的形式報道了我國高溫超導磁懸浮技術在真空管道中的最新研究成果。英國BBC、德法ARTE、瑞士SRF電視欄目也專題報道,引發了國際對高溫超導磁懸浮列車技術,以及真空管道交通的發展趨勢,及其對社會和商業影響的深入探討。

  四、我國進一步發展重點與對策建議

  我國高速鐵路系統技術已經引領世界,但隨著“一帶一路”、高鐵“走出去”戰略的深入實施,面對日本505km/h超導磁懸浮交通工程,和美國“超級高鐵”等更高速度軌道交通技術的挑戰,以及我國國防安全所面臨的嚴峻考驗,我們認為,應在國家層面大力支持充分發揮我國原創技術優勢,加快開展1000km/h及以上真空管道超高速軌道交通關鍵技術研究與工程示范,搶占制高點,引領未來真空管道超高速軌道交通技術發展,助力國防安全。

  超高速真空管道高溫超導磁懸浮交通技術涉及交通運輸、土木、機械、電氣、材料、通信與信息、控制、力學等十多個學科,是一項復雜的系統工程。為了有效推動該項技術的發展,我們建議:

  一是,在科學研究方面,應進一步加強真空管道車-軌-管-氣-熱耦合作用機理和試驗研究;加強高效抽真空新原理與技術、車體的強度及輕量化設計、超高速真空管道運行安全技術等關鍵技術研發;突破大推力高速直線電機設計與制造、超高速通信信號等關鍵技術;最終建設20公里左右的真空管道磁懸浮試驗線,開展全尺寸模型的工程化和商業化研究。

  二是,在政策引導方面,可通過國家重點研發計劃、地方政府重點科技項目、產學研合作項目、顛覆性創新類項目,分別布局超高速真空管道交通技術的有關基礎研究、關鍵技術攻關,以及產業化培育項目。

  三是,支持建設超高速真空管道高溫超導磁懸浮交通技術創新基地,凝聚和培養多學科交叉的世界一流科學家團隊。

  本報告為科技創新戰略研究專項項目“重點科技領域發展熱點跟蹤研究”(編號:ZLY2015072)研究成果之一。


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