关于我国发展真空管道高速交通的思考

第40卷 第2期2005年4月 西 南 交 通 大 学 学 报J OURNAL OF SOUTHW EST JI A OTONG UN I VERSI T Y

V o.l 40 N o .2A pr .2005收稿日期:2005-01-25

作者简介:沈志云(1929-),男,教授,中国科学院和中国工程院院士.

文章编号:0258-2724(2005)02-0133-05

关于我国发展真空管道高速交通的思考

沈志云

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都610031)

摘 要:论述了我国发展真空管道高速交通的必要性和可行性.就管道压强、遮挡系数及其关键技术等基本问题展开讨论.重点论述我国发展真空管道高速交通的战略方针和技术方案.提出采用高温超导磁浮导向,同步线性电机牵引和低压强管道所组成的系统.建议立即开始研究试验,以期能于2030年前实现600~1000km /h 超高速真空管道磁浮列车的商业运行.

关键词:真空管道高速交通;管道压强;遮挡系数;关键技术

中图分类号:U 29 文献标识码:A

On D evel opi ng H i gh -Speed Evacuated Tube Transportati on i n China

S HEN Zhi -yun

(T raction Powe r Sta te K ey Labo ra t o ry ,South w est Ji ao t ong U n i ve rs i ty ,Chengdu 610031,Ch i na)

Abst ract :The necessity and feasibility of evacuated tube high -speed transportation w ere discussed.

The f u nda m ental proble m s o f this techno l o gy ,e .g .pressure in the tube ,coefficient of coverage and other related techn i q ues ,w ere analyzed i n detai.l M ore discussed w ere the strategy and techn ical cho ice of deve l o ping th is k i n d o f transportation i n Ch i n a .The syste m consisted of partia l pressure in

tube ,h i g h -te m perature super conducti n g m agnetic l e v itati o n and synchr onic li n ear m o tor traction is proposed to be the variant of develop i n g research ,so that the 600-1000km /h h i g h -speed evacuated

tube train m ight be able to run co mm erc ially by 2030.

K ey w ords :

evacuated tube h i g h -speed transportation;t u be pressure ;coefficient o f coverage ;key techniques

在地表稠密大气层中运行的高速交通工具,最高经济速度不超过400km /h [1-3].然而,实现更高速度确有客观需要,也是交通科技工作者孜孜以求的梦想.实现更高经济速度的一个可能的途径是采用真空管道.笔者拟就此发表一些思考和观点,以期引起我国有关部门、企业以及交通界学者工程技术人员的关注.1 发展真空管道高速交通的必要性

限制地面高速交通最高经济速度的根本因素是稠密大气,克服气动作用是地面高速交通的主要任务.气动阻力与速度的二次方成正比,气动噪音随速度七次或八次方而急增.这是任何形式的交通工具都无法避免的客观规律.

文献[1]引用了德国磁浮列车和日本新干线轮轨列车实测的牵引曲线,空气阻力所占比例如表1所示.可见不管是磁浮还是轮轨列车,当速度达到400km /h 以上时,空气阻力所占比例将超过80%。低速下磁浮列车的空气阻力比例低于轮轨,除说明其空气阻力可能较小外,另外一种可能性是其空阻以外的阻力比轮轨的大.总之,80%以上的能耗用于克服空气阻力,应当认为是不经济的.

西南交通大学学报第40卷

高速带来的噪音问题则更严重.交通噪音的环保国家标准为距离铁路外侧轨道中心线30m处所测得的噪音水平一般不得超过70dB[4].噪音超标常成为限制速度的关键因素.如上海浦东的常导磁浮列车,速度达到400k m/h时,噪音高达89dB,在城镇或人口密集地区,只能降速到200km/h通过.磁浮车的低噪音和振动只是在低速之下才有可能.速度一高,以气动噪音为主,悬浮与否,已经没有实质差别了.

表1空气阻力在总阻力中所占的比例

T ab.1P ropo rti on o f a ir res i stance

i n tota l resi stance%

列车种类及经济性

速度/(k m#h-1)

200300400500德国磁浮列车TR0653728392日本新干线轮轨高速

列车S-100系

67808792经济性经济运行不经济运行

既然高速的障碍来自周围介质)))稠密大气,根本途径只能是改变介质的密度.正如高速水运那样,水的阻力是大气的13倍,使船脱离水面,在空气中飞起来,即水面效应飞船,速度就可达到300~400km/h.干线飞机巡航高度达到万m,也是为了摆脱地表稠密大气层的作用.地面列车当然不能飞到万m高空,但可以利用密闭管道,降低管道内压强,等于在列车周围创造低密度介质的环境,以摆脱阻力与噪音的困扰,理论上可实现任意高速度的运行.事实上,1934年德国工程师肯佩尔获得世界第一个磁浮列车专利时,就是这样想的.他提出在真空隧道中运行磁浮列车,速度达到1800km/h.半个多世纪以来,人们总认为真空隧道难以实现,极力探索在开敞大气中高速运行磁浮列车的道路,可惜无一成功.历史的结论很清楚,必须回到肯佩尔的道路上来,不回避真空管道,才能实现400k m/h以上超高速交通的梦想.

有人会认为能实现300km/h高速铁路就够了,没有必要在地面追求更高的速度.的确,发展航空运输给长距离高速交通提供了很好的选择.但是,航空需要耗费大量高级汽油.在石油资源日趋紧缺的今天,作为科技任务,已到了应当开始寻找第二种选择的时候了.总有一天,乘飞机会变成一般人难于负担的奢侈消费,而超高速旅行的市场需求只会与日俱增,经济安全的地面超高速交通将突显其市场魅力.另外,环保问题日益突出,防止地球变暖,控制温室气体排放势在必行.

综上所述,发展环保洁净运输,即地面超高速轨道交通,从可持续循环经济的要求出发,也是十分必要的.由于研究开发管道真空高速运输这一复杂的新型交通工具,使之达到能够商业运营的程度,需要20~30a时间,能源和环保留给我们的时间已经不多,立即开始研究已嫌过晚,再也不能犹疑观望,裹足不前了.

2发展真空管道高速交通的可能性

单纯从技术上考虑,让列车在密闭的、低压强的管道中高速运行,不存在不可克服的困难.何祚庥院士认为,当代高能粒子加速器,已能在长达几十km的真空管道里长期运行,压强能长期维持在0.1Pa甚至更低的范围.真空管道高速交通所需要的压强可以提高到10kPa量级,所以在真空问题上,不会存在原则性的困难(见何祚庥院士向四川(成都)院士咨询服务中心和西南交通大学共同举办的/真空管道高速交通0院士研讨会提交的书面材料).

需要认真考虑的是技术经济方面的可行性,以及建设成本和运营费用是否能为运输市场所接受.从全球范围看,真空管道高速交通尚无先例可资参照,只有一些设想和初步估算.不妨列举几例,以窥一斑.

美国ETT公司提出小型分散的管道/汽车0模式[5].每车设4~6个座位,单独运行.管内径与车外径之间相差很小,2根管道上下排列,全自动控制,管道内压强为0.1Pa,运行几无阻力,速度可达600km/h,加速所用能量可在制动时回收.估算的主要技术经济指标如下:

线路成本:125万美元/km;

车辆成本:2.7万美元/辆;

能耗:单位能耗J/(人#km)只有汽车的1%;

运能:一条管道相当于80车道高速公路;

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