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中央纪委国家监委网站 王珍

“贴地飞行”神器如何实现又快又稳

我国具有完全自主知识产权的时速600公里高速磁浮交通系统日前在青岛下线。(中车四方股份公司供图)

我国具有完全自主知识产权的时速600公里高速磁浮交通系统日前在青岛正式下线,引起国内外广泛关注。网友纷纷点赞,称其为“地表最快”、“贴地飞行”神器。

“这是世界首套设计时速达600公里的高速磁浮交通系统。”高速磁浮项目技术总师、中车四方股份公司副总工程师丁叁叁介绍,这标志着我国在高速磁浮领域取得重大突破,掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力。

作为一种新兴高速交通模式,高速磁浮具有高速快捷、安全可靠、运输力强、舒适准点、绿色环保等优点。目前高铁的最高运营时速为350公里,飞机巡航时速为八九百公里,时速600公里高速磁浮交通系统的问世,可以说是填补了高铁和飞机之间的速度空白,助推我国立体交通网络的构建。

那么,什么是磁浮列车,我国磁浮交通发展现状如何,“贴地飞行”如何又快又稳又安全,我们何时能够坐上高速磁浮列车?记者带您一探究竟——

国内三条磁浮线正在运营,走出一条从技术合作到自主创新之路

磁浮,一般是指磁悬浮技术,即利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。通俗地讲,就是“同性相斥、异性相吸”的原理。

磁浮列车就是通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触悬浮和导向,再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。不同于轮轨列车,磁浮列车在行驶时无需接触轨道,只受来自空气的阻力,因此可以实现较高速度运行。高速磁浮列车的速度可达每小时400公里以上,中低速磁浮列车则多数在每小时100至200公里。

磁浮列车的诞生始于人们对轮轨列车极限速度的认知。

20世纪初,以蒸汽机为动力的轮轨交通工具早已越过顶峰,人们开始看好内燃机。比蒸汽机速度更快、重量更轻、功率更大的内燃机一时成为“提速”的关键。汽车、飞机、轮船……新一轮“提速”热潮在全世界掀起。

然而,有科学家透过内燃机看到了轮轨之间摩擦的矛盾,通过精密计算,认为轮轨系统的极限速度很难超过350km/h。

那么,能否放弃车轮?抱着这一想法,1922年,德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理,继而申请了专利。

20世纪70年代以后,为提高交通运输能力以适应其经济发展和民生的需要,德国、日本、美国等国家相继开展了磁浮运输系统的研发。

我国对这一领域的研究始于20世纪80年代。当时正从事自动化控制研究的国防科大教授常文森被“磁浮列车”的概念所吸引。

1985年春,在日本参观国际科技博览会的常文森,一眼便认出了被称为21世纪交通工具的磁浮列车,并用身上仅有的500日元购票试乘了一次。

列车启动,轻轻地浮了起来,在300米运行轨道上,以平稳的速度向前行驶。车到站了,他仍久久不愿离去,一会儿摸摸这儿,一会儿看看那儿,下了车,又俯下身子观看车底和轨道。他的心久久难以平静。

“要让国产磁浮列车飞驰中华大地!”后来,常文森带着科研团队走上了一条漫长的探索之路。

目前,国内有三条磁浮交通线路正在运营——

2002年,上海,世界首条高速磁浮商业运营线试运行。该线路连接龙阳路和浦东机场,全长30公里,最高时速可达430公里,由上海与德国合作。

如今,已过去近20年。在国家磁浮科研项目的支持下,上海磁浮交通发展有限公司成功研发了12类200多种磁浮关键国产替代产品:列车440V电网分配单元改造、ASG信号测试仪、涡旋无油空压机……走出了一条从技术合作到自主创新之路。

“快!”在上海工作的何女士告诉记者,乘坐磁浮线从龙阳路到浦东机场仅需七八分钟,如果乘坐地铁则需要40多分钟,对于赶时间的商务人士“非常友好”。

长沙,2016年5月开通我国拥有完全自主知识产权的第一条中低速磁浮快线,全长18.55公里,运营时速为100公里。今年7月1日,这条线路实现新的突破——全线提速,既有磁浮列车运营时速由100公里提升至110公里,新的磁浮列车按时速140公里上线运营,成为世界上首条按时速140公里投入商业运营的中低速磁浮线路,仅需16分钟便可驶完全程。

北京,中低速磁浮S1线,我国第二条中低速磁浮线。2017年12月30日,门头沟石厂站至金安桥站开通运营,开通首日客流为1.27万人次。今年7月21日,时速600公里高速磁浮交通系统下线后的第二天,S1线最后区间金安桥站至苹果园站实现桥梁贯通,今年底将实现通车试运行。这标志着S1线全线贯通,全长10.2公里。

既要“浮起来”也要“跑起来”,加速到每小时600公里只需3.5分钟

速度,定义时空转换法则,标记人类文明的跨越。在轨道交通领域,高速磁浮一直被称为“贴地飞行”神器,作为国际尖端技术,是全球交通科技竞争的战略高地。多个国家沿用不同技术路线进行了长期持续研发,并建成或规划了试验及运营线路。高速磁浮作为前沿关键科技被列入了我国《交通强国建设纲要》,《国家综合立体交通网规划纲要》也提出研究推进高速磁浮通道布局和试验线路建设。

在国际上,目前德国的磁浮技术最高试验时速达到505公里。而在我国,处于运营状态的3条磁浮线路中,上海磁浮线时速最高,为430公里。如今,时速600公里高速磁浮交通系统问世,将成为当前速度最快的地面交通工具。按“门到门”实际旅行时间计算,是1500公里运程范围内最快捷的交通模式。

五年前,如此高速的磁浮系统及工程化应用在我国仍属空白。中国的磁浮速度为什么能独占鳌头?科技为速度插上腾飞之翼。

据介绍,此次下线的高速磁浮,采用成熟可靠的常导技术,构建了包含车辆、牵引供电、运控通信、线路轨道在内全系统仿真、试验平台,搭建了从核心零部件、关键系统到系统集成的国产化产业链。

在车辆方面,科技人员自主研制了我国首列5辆编组的时速600公里高速磁浮工程化列车,不仅开发出新头型及气动方案,解决了超高速条件下的空气动力学难题,还采用先进激光复合焊和碳纤维技术,研制了满足超高速气密承载要求的轻质高强度车体。

据了解,磁浮列车实现高速运行的关键,一是要“浮起来”,二是要“跑起来”。这需要强劲的动力,而其核心动力装备则是直线电机和电磁铁。

让没有轮子的磁浮列车“浮起来”,奥秘是电磁铁。据中车株洲电机磁浮产品研究所所长何云风介绍,产生磁吸力的电磁铁好比是“无影腿”,能够使车辆保持一定间隙稳定悬浮于轨道上方,“贴地”高速“飞行”。时速600公里高速磁浮列车用悬浮电磁铁,电磁间隙是12.5mm。同时,电磁铁还具有发电作用,在车辆达到一定运行速度后,能利用谐波发电给车载蓄电池充电,实现车辆的非接触供电,保证车辆高速运行的供电可靠性。

而让时速600公里高速磁浮列车“跑起来”的关键则是直线电机。高速磁浮列车采用长定子直线电机作为强劲动力,定子和转子分别安装在磁浮轨道和磁浮列车上,依靠电磁力直接驱动电机动子运动,电能转化为列车前进的动能,凭无接触传递力引导推动列车飞驰。

牵引系统方面,则全新自主研发世界首套基于有源中点嵌位(ANPC)技术的24MVA大功率牵引变流系统,以及高速多分区牵引控制系统。

在强劲的牵引系统加持下,此次下线的磁浮列车加速到每小时600公里,只需要3.5分钟。

高速磁浮采用“车抱轨”的运行结构,跑得快“抱”得紧又停得稳

据介绍,时速600公里高速磁浮交通系统项目于2016年10月启动,2019年研制出试验样车,并于2020年6月在上海同济大学试验线上成功试跑,经过系统优化确定最终技术方案,于2021年1月研制出成套系统并开始了六个月的联调联试。至此,历时5年攻关,正式下线。

时速600公里,也就意味着该磁浮列车每秒钟可行进167米。速度如此之快,其安全性可靠性如何保证?五年时间,科研人员在保障其安全性可靠性方面做了不少努力、攻克了不少技术难题。

据中车四方股份公司有关负责人介绍,此次下线的高速磁浮交通系统采用“车抱轨”的运行结构,即从车身下端伸出两排弯曲的“胳臂”将铁轨抱住,同时在“胳臂”内安装磁铁。磁铁通电产生强大磁力,使得铁轨被磁力吸引。而轨道是静止的,所以整个列车会因吸力而悬浮。除此之外,抱轨运行还能降低列车脱轨的风险。

不仅如此,牵引供电系统布置在地面,随列车位置分段供电,相邻分区只有一列车运行,基本没有追尾风险。

与此同时,科研人员还设计了一套“非常规”的制动系统——涡流制动器,确保在紧急情况下“停得稳”。

据了解,一般情况下,高速磁浮列车在正常运行过程中,依靠同步直线电机进行制动;而当出现直线电机故障等紧急情况时,必须通过涡流制动器实现制动停车,这是高速磁浮列车实现安全运行的最后也是最重要的一道安全保障。

特殊的道岔也是保障高速磁浮列车安全运行的重要一环。据中铁宝桥集团有限公司总工程师吉敏廷介绍,由于磁浮列车通过时速度很快,经过道岔时,如果道岔刚性不匹配,就会发生共振,产生剧烈震动。一旦共振,车辆就无法通过,甚至可能造成道岔、车辆的损害,诱发重大事故。为解决这一问题,他们打造了一个特殊的道岔——单开可挠型右开道岔,可以控制列车从一个股道转入另一个股道,进而控制列车沿着调度控制系统规划的路线行驶。“这是目前世界上通过速度最高的高速磁浮道岔。”

目前,该高速磁浮交通系统已完成了集成和系统联调,5辆编组列车在厂内调试线上实现了整列稳定悬浮和动态运行,各项功能性能良好。

“经过近20年的持续研究和技术积累,我国基本实现了高速磁浮交通全系统的自主研制能力,形成了成套工程化技术,实现了自主可控的产业配套能力,我国高速磁浮已从研发阶段进入高速试验阶段,将逐步过渡到示范运营、产业化发展阶段。”中国工程院副院长何华武表示。

高速快捷、安全可靠、绿色环保、寿命周期长……作为高速交通运输模式,高速磁浮可以成为高速高品质出行的有效途径之一。那么我们何时才能真正乘坐时速600公里的高速磁浮列车?中车四方股份公司副总经理、总工程师梁建英给出的答案是未来五到十年。

从没有一寸高铁到高铁里程世界最长,从时速350公里的高铁时代,到今天时速600公里的高速磁浮带来“磁浮时代”的全新想象,在不断创新、不断超越中,中国正在创造让世界惊叹的奇迹。

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