真空网欢迎您!
时速可达1000公里!真空管道高速飞车试验线来了
2022-07-20  阅读

微信扫一扫分享

QQ扫一扫分享

微博扫一扫分享

  【康沃真空网】在大同市阳高县,总长2公里的国内首条完全自主知识产权的磁浮试验线项目一期正在如火如荼地建设中,这里将诞生世界上最快的地面交通工具,时速可达1000公里!此速度比普通民航客机的速度还快,接近子弹出膛时的速度。因此称它为“高速飞车”。

时速可达1000公里!真空管道高速飞车试验线来了

高速飞车大同(阳高)试验线工程基地,图源:中国中铁

  2021年5月24日,“高速飞车”山西省实验室揭牌暨大同(阳高)试验线工程开工奠基仪式在山西大同市举行,我国首条超高速低真空管道磁浮交通系统全尺寸试验线正式开工建设。

  这标志着“高速飞车”技术开启了研制新阶段,它也是为超高速地真空磁悬浮列车运行走向实用化进行预演。试验线工程完工后将实现我国相关核心技术和装备自主可控,为高速飞车由试验走向实际应用、形成成套技术奠定下坚实的基础。

时速可达1000公里!真空管道高速飞车试验线来了

高速飞车大同(阳高)试验线工程基地效果图,图源:中国中铁

  该试验项目是对管道飞行器系统集成功能的验证,施工技术精度高、标准严,要求低真空环境和足够的密闭性,涉及真空技术、新型材料及电磁设备。试验平台集合了NU管梁和钢管梁两种结构形式,解决了大直径长距离真空管道密封技术、管道温度变形补偿技术,以及钢筋混凝土线圈板的预制、安装和精调等技术方面的难题。

时速可达1000公里!真空管道高速飞车试验线来了

NU管梁试生产成品,图源:中国中铁

  高速飞车是国家级战略研发课题,全称“超高速低真空管道磁浮交通系统”。要实现时速1000公里的高速运行,需要克服两个问题:一是车轮与轨道间的摩擦,二是空气阻力和噪声。我们用理论来进行说明。

  在车辆系统中,阻力是限制速度提升和影响稳定性的重要因素,列车总阻力为F = a+bv+cv2(1),式中:a 为固有阻力;b 为机械摩擦阻力系数;c 为空气阻力系数;v 为列车与空气的相对运动速度。

  气动阻力经验计算式为Fair = 1/2 CρSv2 (2),式中:C 为空气阻力系数,表示受空气阻力的影响程度,主要与列车流线外形有关;ρ 为空气密度,正常的干燥空气可取1.293 g/l;S 为物体迎风面积。

  由式(1)(2)可知,车辆系统总阻力大部分来源于机械摩擦阻力和空气阻力,车轨机械摩擦阻力可以利用磁悬浮列车技术得以消除,但空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比,与速度平方成正比,速度越大,空气阻力越大。德国磁悬浮列车TransRapid (TR)和日本新干线轮轨列车的实测数据均表明,速度超过400 km/h,空气阻力占总阻力的比例将超过80%,因此列车牵引驱动动力主要用于克服气动阻力,能耗增加,经济性差。

  同时,在稠密大气中运行的高速列车也将带来严重的气动噪声问题,气动噪音随速度的7次或8次方急增。另外,我国的《城市区域环境噪声标准》(GB3096——1993)明确指出:穿越城区的铁路主次干线两侧区域的背景噪声最大值不超过标准值70dB,噪声问题成为制约轨道交通进一步发展的另一个重要因素。

  因此,要提高轨道交通的运行速度,突破400km/h 的最高经济速度,必须从改变运行环境介质的密度入手,即在地面上创造一个接近万米高空的低气压环境,因此,真空管道运输系统成为提高经济速度的必然选择。

时速可达1000公里!真空管道高速飞车试验线来了

由西南交通大学牵引动力国家重点实验搭建的室真空管道高温超导磁悬浮车实验平台Super-Maglev,图源《西南交通大学学报》

时速可达1000公里!真空管道高速飞车试验线来了

Super-Maglev 具体参数,图源:《西南交通大学学报》

  可能有人会问,如此快的速度,高速飞车怎么保证其安全性呢?对此我们大可放心,因为真空轨道一般都比较直,所以出现侧甩的可能性较小,在低真空管道中也不会受到外界强风、暴雨等突发性天气的影响,除掉了很多安全干扰因素,所以真空管道保证了高速飞车较高的安全性。

  而且,磁悬浮属于可再生清洁能源,只要使用电力,便可持续较长时间。管道内抽成真空,形成自然的隔音屏障,极大降低了对外界环境的噪声污染,十分环保。

  由于管道中是低气压环境,理论上说,当管道内气压足够低,列车在管道中运行的空气阻力可以忽略不计,列车在管道中甚至可以惯性运行,不需要连续推进供电,且维持真空的成本也很便宜。以罗茨真空为例,其抽气速度为4320m3/h,输出功率为11kW,抽空1km 长100m2截面积的管道,只需耗254 kW?h电能,约合153元,维持低压环境的耗能约为抽空的1/10。各种运输系统标煤能耗及成本对比如下图所示,在不考虑驱动能耗的前提下,相比于其它交通运输方式,真空运输系统更加高效经济。

时速可达1000公里!真空管道高速飞车试验线来了

各种运输系统能耗及成本对比

  未来,高速飞车有望与高铁、飞机共同组成全国立体交通干线网,打造全国“一小时经济圈”,形成“超级城市群”。这对优化我国资源配置,改善地区经济发展不平衡具有重要意义,为经济社会发展提供新动能。