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开启中国“超级高铁”的新长征
[发布时间:2016/10/27 作者:办公室]

开启中国“超级高铁”的新长征

——西南交通大学赵勇团队自主创新纪实

来自铁路部门的数据显示,目前我国高铁里程已经突破两万公里,居世界第一,运营的高铁占世界高铁总里程的六成以上。而科学家们的下一个目标则是磁悬浮。

日前,美国创业公司“Hyperloop One”对其设计的“超级高铁”推进系统成功进行了首次户外测试实验。

实际早在2003年,西南交通大学超导与新能源研究开发中心,就开展了“超级高铁”相关核心技术的实验研究。而西南交通大学赵勇团队通过不断自主创新、卓越攻关,克服了一个又一个难题,实现了一个又一个跨越,向中国“超级高铁”梦不断前进、前进、前进。

第一代真空管道全景

一、回到祖国到“最适合搞超导磁浮研究的地方”

“超级高铁”最初由PayPal、特斯拉和Space X创始人伊隆•马斯克于2013年提出,目的是解决现存高铁技术造价成本高、速度受限的缺点,被认为是未来高速地面交通运输系统发展的终极解决方案。

目前,该技术主要结合了真空管道技术和磁悬浮列车技术,即真空管道磁悬浮列车。当磁浮列车在真空管道中高速行驶时,能够极大的减弱空气阻力对列车的影响,因而在提高列车运行时速后,不会带来巨大的能耗和噪音,被誉为人类未来的“第五种交通方式”。

教育部长江学者特聘教授、首批国家杰出青年基金(外籍)获得者、西南交通大学首席教授、物理科学与技术学院院长、超导与新能源研究开发中心主任赵勇教授是真空管道磁悬浮列车应用研究领域的专家。

李树深院士参观指导

上世纪80年代后期,赵勇成为我国高温超导领域第一个博士。辗转意大利、澳大利亚和日本13年后,他回到了祖国。但他选择的,既不是故乡武汉,也不是同时向他抛出橄榄枝的北京、南京等城市。他选择了成都,来到了西南交通大学,因为“这里是最适合搞超导磁浮研究的地方”。

二、研制出全球首个真空环形管道磁浮列车系统

基于真空管道磁浮列车系统的理论研究,赵勇团队于2011年率先研制出全球第一个真空环形管道磁浮列车系统,该系统轨道直径3m,管道最低压强2000Pa,磁浮车采用线性电机驱动。但受轨道半径的限制,磁浮车只能在低速下行驶。第二代真空环形管道磁浮列车系统首次采用“壁挂”式运行,即将直径6.5m的环形轨道铺设在环形金属壁面上,使磁浮车沿壁面高速行驶。在结构力学上,有效增大了磁浮车沿环线运行时的向心力,并防止磁浮车沿轨道切向脱轨,从而使磁浮车获得更高的运行时速和安全稳定性。

 

赵勇介绍,“超级高铁”核心模块主要包括真空管道系统、磁悬浮系统及驱动系统,各模块单独来看都具有相应的成熟技术,但针对完整系统的研究却几乎是空白。较成熟的磁悬浮技术主要包括中低速电磁悬浮和高速电动悬浮(低温超导磁浮)技术,前者已经实现商业化应用,后者在户外常压试验运行下,更是达到了整车时速近603km。基于高温超导磁浮技术的磁浮列车,相对于电磁悬浮和电动悬浮技术,不需要复杂的电力控制系统,理论上时速可高达3000km,更适合在真空管道中行驶。但高温超导磁悬浮列车仍处于实验室研究阶段。

测浮列车特写

目前高温超导磁悬浮列车实际最高运行时速为150km,即二代真空环形管道磁浮列车系统第二阶段调试运行的最高时速,其更高时速及动态稳定性还尚需实验验证。同时,低压环境下的超导磁悬浮及线性电机驱动特性也缺乏相关实验研究,除考虑磁浮列车高速下的悬浮稳定性外,还需要考虑磁浮列车驱动系统在低压环境下的稳定性。

赵勇认为,真空管道磁悬浮列车的关键技术问题是:“如何保证磁浮列车在真空管道中高速运行时的稳定性和可靠性”,研究这一关键技术的两个基本试验条件是低压和高速。

第二代高速管道全景

三、第二代系统为“超级高铁”提供核心技术平台

赵勇团队研制的第二代真空管道磁悬浮列车试验系统,通过“壁挂”的运行方式,在小半径环线轨道上同时实现了低压和高速。在第一代设备的基础上,管道内的最低压强进一步降低到647Pa(相当于抽掉了管道内约99.5%的气体),磁浮车的最大时速提高到150km。

相关试验人员表示,磁浮列车在低压高速条件下运行的驱动性能区别于常压低速下的常规特性,在低压高速下可能存在电力设备的真空击穿现象,导致驱动系统的瘫痪。此外,磁浮列车在真空管道内高速行驶时,还会导致管道内局部气压的不稳定,从而降低磁浮列车高速行驶下的动态稳定性。相信“超级高铁”从理论到实际应用的过程中,还有更多的技术难点等待发现和解决。

第二代真空管道磁悬浮列车实现全系统调试,为“超级高铁”核心技术研究提供了试验研究平台,有效推动了高速地面交通运输系统的发展。在该试验系统的第三阶段调试中,磁浮车将有望突破时速300km,进一步对“超级高铁”可行性和关键技术进行深入研究。同时,赵勇表明团队将开展直线运行方面的研究,希望能将磁浮车运行时速提高到1000km,这将是超越飞机的速度。

赵勇说,“超级高铁”虽然面临着诸多难题,但仍具有良好的发展前景,会为未来的交通提供很大的便利,将是未来满足人们地面高速出行的一种交通方案。但是,要真正投入应用,还取决于社会的进步,经济的发展,也取决于社会的需求。赵勇表示欢迎对超导磁悬浮方面感兴趣的同仁来共同研究,一起把这美好的蓝图变成现实。

侧挂轨道特写

团队大事记:

2003年,赵勇团队开始真空管道高温超导磁浮列车系统研究;

2009年,赵勇同其他专家合著《速车系统概论》,对真空管道交通进行了深入讨论;

2011年,赵勇团队研制出全球首个真空管道高温超导磁浮列车试验系统;

2016年1月,第二代真空管道高温超导磁浮列车系统建成,即中国版“超级高铁”;

2016年5月,中国“超级高铁”系统完成第一阶段调试,时速达到108km;

2016年10月,中国“超级高铁”系统完成第二阶段调试,时速达到150km。