兩院院士沈志雲與鐵路的一世情緣

高鐵領域的先驅科學家之一兩院院士沈志雲

他是中國鐵路運輸工程領域唯一的一位雙院士，他參與、推動和見證了中國高鐵技術從無到有的全部發展歷程，他是我國高鐵領域的先驅科學家之一兩院院士沈志雲。

他鄉求學 沈氏理論天下鳴

「文革」中，沈志雲被扣上了十八頂「高帽」，受到巨大衝擊。「文革」結束時，沈志雲已快五十歲了。為了趕上世界潮流，他如饑似渴地更新知識、閱讀專業文獻。他將每天的時間分成四塊，晚上10點以後的第四塊時間是他的學習時間，往往一學就到深夜兩三點。

1982年，沈志雲前往美國麻省理工學院（MIT）做訪問學者。在美國，53歲的沈志雲以「餓牛吃草」的狀態進行學習。一年多的時間，沈志雲聽了8門機械工程方面的課程，翻閱了美國MIT圖書館收藏的機械工程方面的全部論文。在MIT，他主要進行了輪軌蠕滑力的計算問題研究，並取得了重大突破。如何定量地確定輪軌蠕滑的力學特性，一直是車輛動力學的難題。國際學者沃爾妙倫、詹森等作了很多研究，其中卡爾克的研究最為突出。卡爾克將輪軌蠕滑理論由線性發展為三維的非線性理論，還設計出DUVOROL程序，是公認的最精確的蠕滑理論。但其計算量太大，又沒有顯式公式可以輸入，因此使用起來非常不方便，難以推廣。

找到既快速又精確的輪軌蠕滑力計算方法是當時學術界高度關注的問題。沈志雲和MIT的指導教師赫追克都想在此有所突破。於是，這個任務就成了沈志雲在MIT的研究任務。沈志雲每周給赫追克匯報研究進展。後來，為了得到現場測試數據，他們又和卡羅拉多州普耶勃羅實驗中心的總工程師葉爾金斯合作，由葉爾金斯提供現場測試數據。沈志雲提出，可用卡爾克的線性理論來改造沃爾妙倫-詹森的線性公式，再用沃爾妙倫-詹森的非線性化的曲線來修正誤差。他的這種設想得到了赫追克和葉爾金斯的贊同。於是，沈志雲按照這個設想設計新的計算方法，將其製作成電腦程式。

聖誕節至元旦的這一周美國學校放假，學生回家了。沈志雲就利用實驗室的二十幾臺計算機一起跑程序，二十四小時不間斷，做了整整一周。一方面，用卡爾克的方法做；另一方面，用沈志雲設想的修正方法做。整整一周，他不斷地巡視著每臺計算機，大門都沒出去過。整座大樓寂靜無聲。困了，沈志雲就在機房的沙發上打個盹，餓了就在走廊上的自動售賣機裡買杯咖啡、買點餅乾充飢。一周下來，主體計算基本完成了。

結果非常理想，在主要的計算中兩組數據差距都不超過10%，完全可以工程應用。而新方法的計算速度比卡爾克的方法快幾十倍。研究成功了！赫追克和葉爾金斯對沈志雲拼命工作的印象非常深刻，稱他不僅思路清晰，而且「每天工作24小時」。

國際輪軌蠕滑力研究權威卡爾克對沈志雲等發明的這一方法給予了高度評價，說解決了他一直想解決而未能解決的問題，並稱這「是鐵道車輛動力學中能夠採用的最好的非線性蠕滑力模型，是鐵道車輛系統動態仿真最適用的方法，是1983年世界蠕滑理論新發展的標誌」。後來卡爾克將這一方法命名為「沈-赫追克-葉爾金斯」理論，將其歸納為三維彈性體滾動接觸力學的第四大理論，並且說第四大理論是最適合於在車輛動力學中運用的理論。

1983年，沈志雲在美國發表非線輪軌蠕滑動計算理論至今，被當作「沈氏理論」在國際上廣泛使用。

迫導向轉向架 曲線段上零磨損

曲線區段上的鋼軌及輪緣磨損，是鐵路運營中遇到的一個嚴重問題，有時甚至影響行車安全。要解決這個問題，一是改造線路，加大曲線半徑；二是鋼軌塗油；三是改造轉向架結構。前二者成本大，施工難。第三種方法被視為安全可靠的技術手段。1985年，沈志雲受國際學者啟發，萌發了研究迫導向轉向架的想法，開始研製新型米軌用迫導向轉向架。

沈志雲在學校的車輛實驗室專門設計一個半圓型的軌道試驗臺，目的是檢驗所設計的迫導向機構能否發揮作用，使通過曲線時，輪對軸線指向軌道曲線半徑的方向，收集各種數據，改進設計。他們以齊齊哈爾工廠所試製的A3型轉向架為基礎，加裝了一系橡膠堆和槓桿式導向架。改裝完成後，新迫導向轉向架模型在試驗臺測試效果不錯。1987年8月，齊齊哈爾車輛廠按照他們的設計參數，改裝米軌用的迫導向轉向架，並裝入C30型4618號敞車。9月，該車送至昆明進行實地試驗。12月，1輛同型號、技術狀態相同的常規轉向架敞車（C30型4673號車），也送到同一路段運行，以便對比。

改裝後的迫導向轉向架效果很明顯。迫導向轉向架試驗車4618運行兩年多，輪緣最大磨耗為1.5mm，最小為0.5mm；輪軌有些部位的黑皮都沒磨掉。對比車4673僅運行半年多，輪緣最大磨損就達3.5mm。迫導向轉向架的研製獲得了成功。1989年，該研究通過了鐵道部的驗收，並列入1990年鐵道部示範性推廣計劃。同年，該成果榮獲鐵道部科技獎三等獎。

「提著腦袋」建國際一流的試驗臺

科學研究離不開實驗。早在1978年沈志雲就提出了建立一個試驗臺的想法。1988年國家計委啟動了第二批國家重點實驗室的建設申報，沈志雲再次提出建設國際一流的車輛振動滾動試驗臺。他說輪軌關係雖然看似簡單，但科技發展到今天，人類依然無法準確地把握輪軌相互作用，「要使上百噸的機車車輛在試驗臺上自由滾動和振動，其難度可想而知。但是，非如此不能解開輪—軌這個黑匣子」。德國的慕尼黑研究所試驗臺世界最先進，其試驗時速達到了500公裡，我們若做不到500公裡，可以先做450公裡，「在精度上、在功能上超過他們」。當時列車的一般時速為60~70公裡，450公裡顯然是很多人都未曾認真思考過的速度。沈志雲所在的西南交通大學力排眾議，支持沈志雲聯合校內各方力量申報機車車輛滾動振動試驗臺。這次國家重點實驗室全國共有275家申報，只有50個指標。沈志雲領銜的機車車輛滾動振動試驗臺在申報評審中脫穎而出。

西南交通大學讓沈志雲全面負責實驗室的建設。從設計理念，到挑選骨幹，沈志雲作了周詳的考慮。1989年4月，國家計委委派專家到西南交通大學對實驗室進行現場評估。考察結束時專家問沈志云：「建這麼大的實驗室，要承擔什麼樣的風險，你想過沒有？」沈志雲一愣，只好如實回答說：「如此大的設備，如果搞成功了，非常有用；如果失敗了，那就是一堆廢鐵，是很大的浪費。」專家說：「這麼巨大的浪費，恐怕你的性命難保哦。」此後幾年，沈志雲時常感受到「提著腦袋」的壓力，未敢有絲毫懈怠。

在實驗室建設過程，試驗臺的建設方案進行了很大的調整。首先，試驗臺從原本的一軸試驗臺發展為四軸試驗臺。只有四軸才能做整車試驗，才能在國家科技及經濟發展中發揮更大的作用。國家重點實驗室的世行貸款經費為135萬美元，要建成國際領先的實驗室，經費捉襟見肘。試驗臺功能擴大，意味著經費投入增加，不僅增加人民幣，還需要增加外匯。在20世紀90年代初，大筆外匯都靠指標調配，其難度可想而知。沈志雲踏上了找經費的道路。他和助手拿著報告，到科委、計委、教委等單位找領導匯報，請求支援。鐵道部更是他們重點爭取的對象。為了節約經費，他們居住在鐵道部附近招待所的地下室，和七八個素不相識的旅客住在一個房間，吃飯也是在小攤上隨便對付幾口。好在鐵道部領導非常認可建設國際一流的整車試驗臺的思想，想方設法投入120萬美元作為實驗室的建設配套外匯。

其次，試驗臺延長成了三車可以一起做試驗的平地試驗臺。在試驗臺設計的時候，沈志雲充分考慮到了試驗的方便性，要求試驗臺與地面齊平。這樣不僅做試驗方便，且試驗臺兩頭還可以延伸，這樣中間放試驗車，兩邊各放一輛車。三輛車在一起，一是動力學的運行模擬，可以考慮連掛車的影響。二是可以進行法國鉸接式兩車共用一臺轉向架的高速列車的試驗。這一功能在國際上是唯一的，德國慕尼黑試驗臺也不能做這種試驗。

1993年初夏，試驗臺安裝調試成功。試驗臺由兩部分組成，下面是基礎平臺，按時速600公裡以上的要求設計，重量就達4000多噸。支撐這個基礎平臺的是65根鋼筋混凝土灌注樁，每根樁直徑600mm，打入地下近25米深。基礎平臺上面是機械臺，由廣州重型機械廠投標承建，製成後運到成都安裝，整個機械臺重達532噸。

1994年1月28日，試驗臺首次做車輛的滾動振動試驗。試驗臺是否成功，要看車輛在試驗臺上是否出現蛇形。在軌道運行中，失穩就是蛇形失穩，一旦出現蛇形，表明試驗臺成功地模擬了實際運行情況，試驗臺就成功了。隨著沈志雲一聲令下，大家屏住呼吸盯著控制屏幕。突然，蛇形出現了。大家不約而同歡呼：蛇形了！蛇形了！沈志雲也笑開了，腦袋別在褲腰帶上的日子結束了，試驗臺終於建成了！他在日記中興奮地寫道：「幾年奮鬥終於達到了目的！」

1995年11月，國家重點實驗室通過國家驗收。實驗室建成後，完成了大量試驗任務。實驗室第三任主任張衛華說：「除了正常的檢修，試驗臺從1995年正式啟用以來，試驗任務應接不暇，從未停止過試驗，而且這一試驗技術在幾乎所有的機車車輛主機工廠得到推廣，這是在設計之初始料不及的。」實驗室對促進鐵路技術大發展，尤其是中國高速列車技術的發展方面作出了突出貢獻。1999年，由沈志雲領銜的「機車車輛滾動振動試驗臺」獲國家科技進步獎一等獎。

高鐵衛士 高鐵高速的堅定捍衛者

對於高鐵今後的發展念念不忘，沈志雲提出了兩條院士建言。

其中之一是，要有計劃地探索輪軌高速列車最高運營速度，應該在2020年後的十五年之內，研製設計速度500km/h、運營時速400公裡及以上的高速列車；探索、研製設計速度600km/h的高鐵，進而實現上述目標。

用沈志雲的話說，這叫「突破速度極限，進行顛覆性創新」。

「隨著交通科技的迅猛發展，上千公裡時速的地面交通呼之欲出，我國高鐵引領世界格局，如不奮起直追，不斷提高運營速度，就有技術落後的風險，更談不上繼續引領世界發展的設想了。」

沈志雲這一喊，動靜不小，很快傳到了北京，被報送中央領導參閱。

實現最高商業運營時速350公裡的技術突破，是沈志雲總結的中國高鐵三大突破之首（其他兩大突破是理論突破和試驗突破），他的依據是世界上迄今還沒有國家能超過320公裡運營時速的現實。

但這並不是他最感到滿足的時速，他追問：輪軌高鐵的速度極限在哪裡，最高可以達到什麼程度？

目前中國的高鐵CRH380在試驗中充分跑起來的設計時速可以達到400公裡/小時，這是一個極限。根據沈院士團隊的試驗來看，跑上600公裡，技術上也是沒有問題的，關鍵是輪軌高鐵在開敞的稠密空氣中極速飛馳，會產生高阻力、高噪音和高汙染。

「要回答輪軌高鐵最高極限速度這個世界難題，就必須採用最新技術，對已處世界頂峰、達到350km/h運營速度的復興號CR400高速列車進行顛覆性技術創新，繼續提高運營速度。」

沈志雲告訴網易科技（ID：tech_163）《科學大師》記者，他認為可以先研究智慧復興號CR500，使運營速度提高到400到450km/h。再嘗試CR600, 看能否達到500公裡運營時速。

據他看，500公裡時速會是輪軌高速列車運營的極限。

沈志雲的第二條建議，重點就在於求解怎樣讓速度跨過600km/h。

他提出的對策是不用輪軌，改用真空管道磁懸浮，通俗來講就是讓磁浮列車在全封閉的真空管道裡面運行。

早在2010年，他們就從技術可行性、成本、能耗等方面進行了研究。當時提到要為下一步開發600到1000公裡每小時的磁浮列車開闢道路，報告公開後，被媒體解讀為項目已經啟動上馬，引起輿論風波，惹出事來。最後通過正式聲明澄清，才把風暴平息。

在由沈志雲一手打造的鐵道系統第一個國家重點實驗室——西南交通大學牽引動力國家重點實驗室裡，2014年搭建了一條「多功能高溫超導磁懸浮環形實驗線」，這條室內實驗線全長45米，在為下一步研究450公裡時速的大型試驗臺和達到時速1500公裡的實車試驗線打基礎。

「好多反對的說，有那個必要嗎，搞那麼高速度？」沈志雲注意到了外間的非議，「我講的是技術水平要提高到這個程度。基礎性研究跟新技術的開發實驗必須要走在前頭。就是先要搞前瞻性基礎研究，引領性原創成果的重大突破，突破了以後再去搞工程化。」

相關部門給他的學校寫了感謝信，告知，他的建議已經被呈送進北京了。沈志雲將此當作一件很值得紀念的事情，特意把蓋了官方紅印戳的感謝信和自己的建議全文一併拿鏡框裝起來，擺在客廳的壁爐上。

痴迷於速度的沈志雲，曾為速度這個事心情低落過、灰黯過。

2011年7月23日，兩列動車組列車在甬溫線浙江省溫州市境內發生追尾。事後查明，雷擊和車站設備控制缺陷等原因導致綠燈一直保持，發生了事故。

受此影響，高鐵運營速度普遍被調低，350公裡時速降到300公裡，300公裡降到250公裡，降速以50公裡間隔依次類推。後續在建和擬建的高鐵項目也被暫時叫停，重新評估。

兩個月後，沈志雲在華東交通大學的一場學術大會上公開發言，主張只有一個，必須繼續發展高鐵，不能因噎廢食、自廢武功。

「提高速度是交通運輸永恆的主題，研究開發時速350公裡及以上的高速鐵路是21世紀世界共同的趨勢，我們已經先於別人在這個高地上安全站了兩三年，為什麼不繼續站下去」、「檢討高鐵的安全保障技術體系，才是根本之途，不是降低速度就能解決問題的，不確保安全，就是降到綠皮車的水平，照樣要發生重大事故。」

沈志雲把報告名稱定為「退一步，進兩步」，意指暫時的退步，是為將來的大跨步蓄力。

先後在不同場合做了8次報告，聽者擠滿門口，他這種逆向而動的做法，也被網友罵成臉皮厚，不識時務。

沈志雲當時也很迷茫，眼見高鐵「前景未卜，了猶未了」、「心中的鬱悶，只有自己知道。」

直到一年後，形勢反轉，媒體報導當年新通車高鐵裡程將進一步大幅增加，數千億巨額基建投資恢復，35條高鐵重新開工，沈志雲形容，自己焦灼的心裡點燃了一束希望之光。

從四縱四橫到八縱八橫，高鐵網建設不斷推進，中國高鐵運營裡程迄今已達2.9萬公裡，累計運輸90億人次，先有和諧號，後有復興號，每天4000多列的開行，在廣袤的國土上飛奔呼嘯，來去穿梭。

如今，高速鐵路已經成為了中國最響亮的名片，走向世界，改變人們的生活方式。而沈志雲近二十年為中國高鐵發展奔走呼籲，其高鐵戰士、高鐵衛士的形象在中國高鐵發展史上躍然紙上。

作者：田永秀

人物名片：

沈志雲，1929年出生，湖南長沙人。1952年畢業於唐山鐵道學院。西南交通大學教授，機車車輛動力學專家。1991年當選中國科學院院士，1994年當選中國工程院院士。他在機車車輛動力學尤其是輪軌動力學、運動穩定性、曲線通過理論和隨機響應等研究方面成績卓著。其標誌性成果有三：創建了輪軌非線性蠕滑力模型，即「沈氏理論」；主持研製成功中國第一臺迫導向貨車轉向架，開創了無輪緣磨損新紀錄；主持建立的機車車輛整車滾動振動試驗臺，達到國際先進水平。晚年一直堅持為發展高鐵奔走呼籲。

1943—1949年，在湖南國立師範學院附中就讀。

1949年9月—1952年7月，在唐山鐵道學院機械工程系學習，畢業後獲得學士學位。

1952年1月—1957年1月，擔任唐山工學院助教。

1957年11月—1961年4月，在蘇聯列寧格勒鐵道學院機械工程系學習，畢業後獲得副博士學位。

1961年1月—1982年1月，先後擔任西南交通大學（原唐山鐵道學院）機械車輛教研室主任、基礎課副主任。

1982年—1984年，到美國麻省理工學院訪問。

1984年1月，先後擔任擔任西南交通大學應用力學研究所所長、機械工程二系副系主任、機車車輛研究所長、牽引動力國家重點實驗室主任、牽引動力國家重點實驗室學術委員會副主任。

1991年，當選為中國科學院技術科學部委員（院士）。

1994年，當選為中國工程院院士。

（資料來源於百度文庫）