真空管道高速交通必須「三步走」

2020-12-23 科學網
專訪兩院院士、西南交通大學教授沈志云：
真空管道高速交通必須「三步走」

 

「科學研究不能靠起鬨，時速為400～600公裡的真空管道都還沒開始研製，哪來1000公裡甚至更高。」

 

□彭麗

 

最近有報導稱，我國正在研製時速1000公裡甚至2萬公裡的真空磁懸浮列車。對於這類帶有浮誇風式的炒作，兩院院士、西南交通大學牽引動力國家重點實驗室教授沈志雲有些憤怒。

 

「科學研究不能靠起鬨，時速為400～600公裡的真空管道都還沒開始研製，哪來1000公裡甚至更高。」沈志雲在接受《科學時報》記者專訪時表示，真空管道高速交通雖是未來的發展趨勢，但仍需立足現實，一步一個腳印分階段規劃實施，真正實現真空管道高速交通還有很長的路要走。

 

改變介質密度是地面超高速交通唯一出路

 

「當速度增加時，氣動阻力會隨速度的平方上升，氣動噪音則會隨速度的7次或8次方急增，這是任何形式的交通工具都無法避免的客觀規律。」沈志雲告訴《科學時報》，在地表稠密大氣層中運行的地面高速交通，最高經濟時速不能超過400公裡，否則列車的能耗和對環境的破壞將大大增加，導致它根本無法實現商業運營。

 

沈志雲引用德國磁懸浮列車和日本新幹線輪軌列車實測數據說明，不管是磁懸浮還是輪軌列車，當時速達到400公裡以上時，空氣阻力在總阻力中所佔比重將超過80%，而噪音則高達89分貝，大大高於交通噪音的環保國際標準。因此，克服稠密大氣層的阻力成為地面超高速交通的主要任務。

 

那麼，怎樣才能擺脫地表稠密大氣層的作用？沈志雲給出了兩種思路：一是讓列車在萬米高空上運行，以擺脫大氣層的作用；二是為列車創造一個低密度介質環境，以擺脫阻力與噪音困擾。「實際上，列車當然不能飛到萬米高空，但可以利用密閉的真空管道，改變介質密度，實現任意高速度的運行。」

 

「我國上海的磁懸浮列車時速雖達到430公裡，但在大城市和人口稠密的地區，也只能降低到時速300公裡甚至200公裡及以下，才能通過環保大關。」沈志雲表示，只有不迴避真空管道，改變列車運行介質，才能大幅度降低能耗和環境汙染，實現時速400公裡以上超高速交通夢想。

 

真空管道並非天方夜譚

 

事實上，早在1934年，德國工程師赫爾曼·肯培爾在獲得世界第一個磁懸浮列車專利時，就設想在抽成接近真空的密閉隧道中運行磁懸浮列車，使列車時速達1800公裡。「但半個多世紀以來，人們試圖迴避真空隧道，嘗試在開敞的稠密大氣層中實現磁懸浮列車的高速度，但無一成功。」沈志雲對此頗感遺憾。

 

從全球範圍看，現階段還沒有人對真空管道技術進行實質性研究，有的只是一些設想和規劃。在美國，Daryl Oster提出將管道內抽成10～6個標準大氣壓，從而達到任意速度，不過，這也僅僅是設想，並沒有實現。瑞士則設想把隧道抽成低氣壓真空，雖作了很詳細的設計和研究規劃，但也只是紙上談兵，至今沒有具體行動。

 

「目前，真空管道高速交通雖沒先例可參照，但並非高不可及。」沈志雲以京滬鐵路為例，描述了他對建設真空管道的構想：在京滬鐵路條件較好的區段，可利用現有的整體無砟道床，在隔音牆上面加一個罩，形成密封的管道，通過抽氣站將管道抽成低氣壓真空。

 

「單純從技術層面考慮，讓列車在密閉的、抽成真空或部分真空的管道中高速運行，不存在不可克服的困難。」沈志雲說，真正需要認真考慮的，是技術經濟方面的可行性，建設成本和運營費用是否能為運輸市場所接受。「當然，從現階段看，還有很多技術問題需要突破，比如罩子應採用何種材料和結構才能承受外部大氣壓的擠壓等等。但總的來說，建真空管道具有實現的可能性」。

 

路漫漫而修遠

 

能不能利用真空管道技術使我國「和諧號」高速列車實現時速400～600公裡的商業運營？這是沈志雲今年初開始思考的一個問題。這個設想的萌發，與「和諧號」高速列車將展開時速達500公裡的線路試驗有關。

 

「和諧號」高速列車是我國自主研發的世界品牌，運行時速已達350～380公裡，處於世界頂峰位置。為確保「和諧號」技術穩定，提高「和諧號」品質，研究人員決定進行時速達500公裡的高速列車試驗。

 

「試驗的目的，一方面是為了指導當下400公裡以下的高速鐵路的運行，這就像是人負重一樣，如果我們有背100公斤的能力，那麼背50公斤就肯定沒有問題；另一方面是為未來的真空管道高速列車作準備。」據沈志雲介紹，在線路上進行時速500公裡測試前，還會在試驗臺上進行高速列車失穩臨界速度的測試。只有在試驗臺上確認試驗車的失穩臨界時速在600公裡以上，才能確保在線路上進行時速500公裡的測試。

 

一旦在線路上測試成功，沈志雲希望「和諧號」能以最高時速500公裡甚至600公裡運營。「列車運營時速超過400公裡，就必須採用真空管道技術。」沈志雲表示，如果這一設想能夠實現，就能使真空管道技術與現有高速列車技術兼容。

 

沈志雲把真空管道研究定位為3步：第一階段，利用現有的「和諧號」列車進行真空管道研究，以達到時速500～600公裡；第二階段，利用前一階段的真空管道技術，進行高溫超導磁懸浮列車研究，以達到時速600～1000公裡；第三階段再研究高真空技術，以達到更高的運行速度。

 

「科學研究是一環扣一環的，不能搞虛假的東西。」沈志雲反覆強調，對於真空管道高速交通這樣的高技術項目，一定不能急功近利，過早考慮上馬實際工程、盲目追求市場效應，必須進行多方案比較試驗，優選各個層次上的技術，反覆進行系統綜合評估，找出最佳結構方案及參數。

 

《科學時報》 (2010-8-12 A1 要聞)

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