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                      時速可達1000公里!真空管道高速飛車試驗線來了
                      2022-07-20  閱讀

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                        【康沃真空網】在大同市陽高縣,總長2公里的國內首條完全自主知識產權的磁浮試驗線項目一期正在如火如荼地建設中,這里將誕生世界上最快的地面交通工具,時速可達1000公里!此速度比普通民航客機的速度還快,接近子彈出膛時的速度。因此稱它為“高速飛車”。

                      時速可達1000公里!真空管道高速飛車試驗線來了

                      高速飛車大同(陽高)試驗線工程基地,圖源:中國中鐵

                        2021年5月24日,“高速飛車”山西省實驗室揭牌暨大同(陽高)試驗線工程開工奠基儀式在山西大同市舉行,我國首條超高速低真空管道磁浮交通系統全尺寸試驗線正式開工建設。

                        這標志著“高速飛車”技術開啟了研制新階段,它也是為超高速地真空磁懸浮列車運行走向實用化進行預演。試驗線工程完工后將實現我國相關核心技術和裝備自主可控,為高速飛車由試驗走向實際應用、形成成套技術奠定下堅實的基礎。

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                      高速飛車大同(陽高)試驗線工程基地效果圖,圖源:中國中鐵

                        該試驗項目是對管道飛行器系統集成功能的驗證,施工技術精度高、標準嚴,要求低真空環境和足夠的密閉性,涉及真空技術、新型材料及電磁設備。試驗平臺集合了NU管梁和鋼管梁兩種結構形式,解決了大直徑長距離真空管道密封技術、管道溫度變形補償技術,以及鋼筋混凝土線圈板的預制、安裝和精調等技術方面的難題。

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                      NU管梁試生產成品,圖源:中國中鐵

                        高速飛車是國家級戰略研發課題,全稱“超高速低真空管道磁浮交通系統”。要實現時速1000公里的高速運行,需要克服兩個問題:一是車輪與軌道間的摩擦,二是空氣阻力和噪聲。我們用理論來進行說明。

                        在車輛系統中,阻力是限制速度提升和影響穩定性的重要因素,列車總阻力為F = a+bv+cv2(1),式中:a 為固有阻力;b 為機械摩擦阻力系數;c 為空氣阻力系數;v 為列車與空氣的相對運動速度。

                        氣動阻力經驗計算式為Fair = 1/2 CρSv2 (2),式中:C 為空氣阻力系數,表示受空氣阻力的影響程度,主要與列車流線外形有關;ρ 為空氣密度,正常的干燥空氣可取1.293 g/l;S 為物體迎風面積。

                        由式(1)(2)可知,車輛系統總阻力大部分來源于機械摩擦阻力和空氣阻力,車軌機械摩擦阻力可以利用磁懸浮列車技術得以消除,但空氣阻力的大小與空氣阻力系數及迎風面積成正比,與速度平方成正比,速度越大,空氣阻力越大。德國磁懸浮列車TransRapid (TR)和日本新干線輪軌列車的實測數據均表明,速度超過400 km/h,空氣阻力占總阻力的比例將超過80%,因此列車牽引驅動動力主要用于克服氣動阻力,能耗增加,經濟性差。

                        同時,在稠密大氣中運行的高速列車也將帶來嚴重的氣動噪聲問題,氣動噪音隨速度的7次或8次方急增。另外,我國的《城市區域環境噪聲標準》(GB3096——1993)明確指出:穿越城區的鐵路主次干線兩側區域的背景噪聲最大值不超過標準值70dB,噪聲問題成為制約軌道交通進一步發展的另一個重要因素。

                        因此,要提高軌道交通的運行速度,突破400km/h 的最高經濟速度,必須從改變運行環境介質的密度入手,即在地面上創造一個接近萬米高空的低氣壓環境,因此,真空管道運輸系統成為提高經濟速度的必然選擇。

                      時速可達1000公里!真空管道高速飛車試驗線來了

                      由西南交通大學牽引動力國家重點實驗搭建的室真空管道高溫超導磁懸浮車實驗平臺Super-Maglev,圖源《西南交通大學學報》

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                      Super-Maglev 具體參數,圖源:《西南交通大學學報》

                        可能有人會問,如此快的速度,高速飛車怎么保證其安全性呢?對此我們大可放心,因為真空軌道一般都比較直,所以出現側甩的可能性較小,在低真空管道中也不會受到外界強風、暴雨等突發性天氣的影響,除掉了很多安全干擾因素,所以真空管道保證了高速飛車較高的安全性。

                        而且,磁懸浮屬于可再生清潔能源,只要使用電力,便可持續較長時間。管道內抽成真空,形成自然的隔音屏障,極大降低了對外界環境的噪聲污染,十分環保。

                        由于管道中是低氣壓環境,理論上說,當管道內氣壓足夠低,列車在管道中運行的空氣阻力可以忽略不計,列車在管道中甚至可以慣性運行,不需要連續推進供電,且維持真空的成本也很便宜。以羅茨真空為例,其抽氣速度為4320m3/h,輸出功率為11kW,抽空1km 長100m2截面積的管道,只需耗254 kW?h電能,約合153元,維持低壓環境的耗能約為抽空的1/10。各種運輸系統標煤能耗及成本對比如下圖所示,在不考慮驅動能耗的前提下,相比于其它交通運輸方式,真空運輸系統更加高效經濟。

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                      各種運輸系統能耗及成本對比

                        未來,高速飛車有望與高鐵、飛機共同組成全國立體交通干線網,打造全國“一小時經濟圈”,形成“超級城市群”。這對優化我國資源配置,改善地區經濟發展不平衡具有重要意義,為經濟社會發展提供新動能。

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