真空管道超高速地面轨道交通

真空管道超高速地面交通速度极限及发展前景,沈志云轨道交通国家实验室（筹）西南交通大学牵引动力国家重点实验室,一高速铁路是交通领域的低碳技术二我国低碳技术中高速铁路独领风骚三高速铁路运营速度的极限400km/h四低真空管道中的高速交通400-1000km/h五高真空管道中的高速交通1500-3000km/h,内容提要：,一高速铁路是交通领域的低碳技术,高速铁路的优势Co2排放：铁路是公路的1/4,航空的1/5.能耗：每百人公里消耗标准煤公路大客车1.5kg小轿车3.84.8kg航空6.8kg高速铁路约1.0kg铁路是小轿车的1/4,航空的1/6.8占地：相同运量，公路占地是铁路的8倍在运量相同条件下：*一条复线铁路相当于一条16车道的高速公路，铁路宽15m，公路宽达122m，公路占地是铁路的8倍。*完成单位换算周转量占用的土地，在国外公路一般是铁路的510倍，在我国则达到25倍*高架式高速铁路占地更少,一高速铁路是交通领域的低碳技术,发展高速铁路是当前全世界的共同趋势1825年9月27日世界第一条铁路投入运营18501920年美国修建铁路高潮，总里程到达40万8745公里19201960年世界铁路走向“夕阳产业”，美国许多铁路被拆，总里程降为26万423公里，1964年10月1日日本东海道新干线通车，东京到大阪，515公里，210km/h。现有高速铁路2175公里，最高运营速度300km/h。1983年9月法国开通TGV东南线，270km/h，现有高速铁路1282公里，最高运营速320km/h。1991年德国开通ICE1高速铁路，280km/h。现有高速铁路793公里，最高运营速度300km/h。1998年意大利运营ETR500高速列车，300km/h。现有高速铁路1525公里，最高运营速度300km/h建有高速铁路的国家和地区还有：西班牙，韩国，澳大利亚，英国，中国台湾等。2009年1月，奥巴马在议会宣布：拨款130亿美元，赞助高速铁路。各州立即报出40多条高速铁路的计划。要大力发展高速铁路，改变单纯依靠汽车飞机的路线世界回归铁路时代！,二我国低碳技术中高速铁路独领风骚,铁路建设新高潮2004年1月：制定中长期铁路网规划2008年9月：修订中长期铁路网规划2012年：营业里程：11万公里高速铁路：1.3万公里。2020年，营业里程：12万公里高速铁路：1.6万公里，,二我国低碳技术中高速铁路独领风骚,突破性标志时速350公里高速铁路,二我国低碳技术中高速铁路独领风骚,四纵四横1.3万公里高速铁路网,二我国低碳技术中高速铁路独领风骚,我国高速铁路站到了世界顶峰五个世界第一:运营时速最高，350公里，国外一般300公里，法国320公里总里程最长，已建成6552公里，在建1万多公里。运营情况最好，日开行动车组773列，平均上座率：101.7%。技术标准最高，工务工程全程无砟轨道，最大断面隧道（100m2），最大桥梁（大胜关大桥，世界第一）高速列车运营速度最高。列控系统世界最先进的CTCS3。试验手段最强，联调联试时间最短，效果最好。首创科研试验及跟踪试验。定置试验达到600公里/时，世界最高试验速度,二我国低碳技术中高速铁路独领风骚,中国高铁走向世界正在实施：1，土耳其：安卡拉伊斯坦布尔2，委内瑞拉：迪拉科阿拉科正在投标：1，巴西：里约热内卢圣保罗坎皮拉斯2，美国：旧金山洛山矶圣地亚哥已有协议：老挝，缅甸，俄罗斯，印度，沙特，波兰，伊朗。,三高速铁路运营速度的极限,1开敞式高速列车的行车阻力主要是气动阻力,气动阻力牵引功率（正比于速度平方）（正比于速度立）,超过200km/h，气动阻力占70%以上，牵引功率陡增。300-400km/h达到90%以上。,三高速铁路运营速度的极限,2开敞式高速列车的噪声主要是气动噪声第一区牵引噪声为主轮轨:动力装置，风机等磁浮：磁致哄鸣声等第二区机械噪声为主轮轨：轮轨噪声，轨道，车辆结构振动磁浮：轨道、车辆结构振动第三区气动噪声为主轮轨：Vt2=290km/h磁浮：Vt2=256km/h,三高速铁路运营速度的极限,2开敞式高速列车的噪声主要是气动噪声,25m,3.5m,车外环境噪声标准：不高于70-75dB日本放宽到85dB欧洲放宽到100dB实测高速列车300km/h85dB以上320km/h95dB以上380km/h100dB以上,车内65dB,噪声标准：,环保超标一票否决！,三高速铁路运营速度的极限,3结论：高能耗运营成本太高，无法进入运输市场；环保超标太多，终被社会淘汰。实例：协和飞机提速到2000km/h,因噪声大，票价高而被淘汰。日本500号高速列车试验达到350km/h，因噪声超标，降至300km/h.日本700号高速列车以360km/h赶超中国为目标，结果因噪声超标降至330km/h运营。本人认为：在稠密大气层中运行的开敞式高速列车其最高运营速度不宜超过400km/h,四低真空管道中的高速交通,超高速是21世纪地面高速交通的需求石油短缺将使民航成为一般人难于享用的奢侈品稠密大气层中无法超越400km/h的警戒线。随着社会经济的发展，人们渴望更高的速度。唯一途经是改变所处介质条件，在地面用真空管道创造高空才有的低气压。速度可望达到4001000km/h,甚至更高。,四低真空管道中的高速交通,四低真空管道中的高速交通,FromProf.GJSuppes,U.ofKansas,calculationsforPRT.,400100015002000km/h,0.2,P=0.050.2atm,V=4001000km/h,Areaofoptimumoption,P=0.010.001atmV=15002000km/h,(340.29m/s,or1225km/h),高真空,低真空,和最佳速度的关系真空管道中的压力,音障区,0.05,四低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：万米高空气压:0.20.05atm相当于1000020000m高空地面轨道中如能保持0.20.05atm的低真空，则如同飞机在万米高空飞行。按最佳方案，可实现4001000km/h的超高速。管道截面按遮挡系数为0.40.45计算，可采用普通铁路的30m2。,四低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：最有现实意义的是在此低真空管道中，先采用轮轨技术，将和谐号动车组提速到400600km/h下一步再采用磁浮技术，将速度提高到6001000km/h第一步的主要任务是解决真空管道及抽气工程的技术问题,四低真空管道中的高速交通,轮轨高速列车方案设想开行和谐号动车组。,4000,.,京沪全线设隔音墙,上部加盖,全密封600km/h和谐号动车组,整体无砟道床,线间距可缩小至正常铁路值,在接近30m2的管内空间由真空泵站保持0.100.2atm的低真空。,四低真空管道中的高速交通,轮轨高速列车方案设想开行和谐号动车组优点：1，有切实的可行性技术上可行，多为成熟技术经济上与现有高速铁路相比，成本增加不多2，能实现400600km/h的超高速运营，国内交通接近航空速度3，能与既有线联网，融入全国高速铁路网之中只要解决好进出真空管道的问题，即能达此目的4，是和谐号动车组研发的继续在研发400公里平台上继续提高速度5，是真空管道技术的基础，为更高速度做准备为下一步开发6001000公里磁浮车开辟道路,四低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术1，真空技术2，密封技术3，列车进出真空环境的技术4，车内保压增氧技术5，车站上下乘客的技术随着技术的进步，这些关键问题都可以完全工程化地得到解决！,四低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术1，真空技术真空技术发展很快，广泛用于冶炼、石油化工、电工、电子等领域。真空管道交通需要大流量的抽气技术，低真空管道使用机械真空泵为核心的真空机组应能满足要求。机械真空泵种类很多，当前的主流方向是使用旋转式的罗茨真空泵。罗茨泵既具有容积泵的工作原理，又有分子泵的抽气效应，在较宽的压力范围内有较大的抽速。抽真空的能耗很小。以ZJ罗茨真空泵为例：选ZJ-1200A型：极限真空度，500Pa，即0.005atm。高于工作真空度0.0.050.2atm。抽速，1200升/秒，即：4320立方/小时。功率，11千瓦/小时，即用11度电可抽4320立方空气。按100m2截面计算，1公里管道有100 x1000=100000立方空气，抽空一公里，只需100000432011254度电，约合101元。维持真空，能耗约为全抽能耗的1/10,即10元钱！,四低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术1，真空技术2，密封技术就既有谐和号列车线路而言，顶棚可用钢材或铝合金制造。内外两侧均可黏贴塑料薄膜或橡胶等其他隔离材料，达到防水和保持真空度的作用。隔离门的密封应当采用橡胶制件，以增加强度。,四低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术1，真空技术2，密封技术3，列车进出真空环境的技术进入真空管道：打开外门，进入过渡段关闭外门，真空泵抽气开启内幕，驶人真空管道驶出真空管道：打开内门，进入过渡段关闭内门，打开外门，驶出管道关闭外门，真空泵抽气,内门,外门,门室,门室,真空机组,真空管道,过渡段,开敞大气,门室横断面,四低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术1，真空技术2，密封技术3，列车进出真空环境的技术4，车内保压增氧技术与飞机所用技术相同,四低真空管道中的高速交通,低真空管道交通：主要关键技术1，真空技术2，密封技术3，列车进出真空环境的技术4，车内保压增氧技术5，车站上下乘客的技术一种可以考虑的方案：,车站及人行通道中的大气空间,真空管道中的低真空空间,四低真空管道中的高速交通,采用磁浮技术可使速度提得更高600km/h以上，轮轨技术困难较大。粘着系数下降太多，运动稳定性难以达到，轴承发热，机械强度等问题，都不好解决磁浮技术有望解决6001000km/h的问题。德国常导磁浮技术不能超过450km/h日本低温超导要冷却到-270o,成本太高西南交大研究的高温超导,最有希望.但要达到600km/h以上，还有大量基础性研究要做。,常规永磁体,屏蔽电流,高温超导体,镜象磁体,常规永磁体,高温超导体,原理：利用常规永磁体的磁场在高温超导体中引起屏蔽电流实现悬浮。,导向：由高温超导体钉扎中心对永磁导轨磁力线的钉扎作用实现导向。,钉扎中心,四低真空管道中的高速交通,高温超导磁悬浮车辆的工作原理,四低真空管道中的高速交通,美国有人提出一种磁浮飞机永磁体装在车上，也可考虑用于真空管道,加上罩就可用于真空管道,四低真空管道中的高速交通,原理：永磁体置于车上，轨道为弧形铝板，车辆在车轮上推进，达到一定速度后，铝板切割磁力线产生涡流磁场，极性与永磁场相同，提供斥力，将车浮起。,100-150mm,车箱轮对永久磁铁铝板,优点：结构简单悬浮高度大(150mm)速度高(500-600km/h)成本低,美国麻省理工的发明专利，只做小模型试验,五高真空管道中的高速交通,FromProf.GJSuppes,U.ofKansas,calculationsforPRT.,400100015002000km/h,0.2,P=0.050.2atm,V=4001000km/h,Areaofoptimumoption,P=0.010.001atmV=15002000km/h,(340.29m/s,or1225km/h),高真空,低真空,音障区,0.05,相对于前述0.2/0.05atm而言,0.01/0.001atm可谓高真空，但实际上仍属低真空范围。在这个范围中，采用高温超导磁悬浮，可望达到1500/2000公里时速。真正的高真空指：10-510-6atm，相当于宇宙中的真空度。美国有家ETT公司，提出一种设想。没有工程化，但可开拓我们的思路。,/,五高真空管道中的高速交通,美国ETT高真空管道磁浮车EvacuatedTubeTransportation真空度:0.000001atm，百万分之一大气压特点：1，可实现几乎无阻力运行。加速之能量可在制动时回收。实现“宇宙航船贴地飞”2，速度不受限制。噪音极低，不会限制速度。3，小巧灵活，建设成本低。遮挡系数可加大到0.9，便于采用小管径。缺点：获取高真空和保持高真空度比较困难，不容易工程化。摘自网站,五高真空管道中的高速交通,系统效果图,1.3m,1.5m,五高真空管道中的高速交通,车站拨车机,五高真空管道中的高速交通,道叉原理,道岔原理,五高真空管道中的高速交通,ETT预期效果及问题,预期的效果：成本低线路:Y1500万/公里;车:Y22万/辆能耗小每客能耗只有汽车的1%运能大一条管道相当于80车道高速公路的运能安全,环保,方便,快捷.存在的问题：尚处概念设计阶段，大量技术问题有待解决。如高真空技术方案，站车内大气环境及其连通，牵引悬浮方案等。尚无具体研发计划，没有开发单位，开发人员及支持实体,结论,1，在稠密大气层中运行高速列车，最高运营时速不宜超过400公里。要达到这个最