對(duì)磁懸浮高速列車技術(shù)認(rèn)識(shí)的兩個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)
0 引 言低速下磁浮列車的運(yùn)行阻力主要有克服懸浮導(dǎo)
1998 年以來(lái),在國(guó)際上爭(zhēng)論了幾十年的磁懸浮高速列車技術(shù)突然在中國(guó)火爆起來(lái)。6 年中發(fā)表了為數(shù)甚多的文章和言論,對(duì)中國(guó)地面高速交通的發(fā)展,有著較大的影響。應(yīng)當(dāng)說(shuō)有許多說(shuō)法是不妥當(dāng)?shù)?有些甚至是錯(cuò)誤的。例如,認(rèn)為地面高速交通的速度越高越好,認(rèn)為德國(guó)常導(dǎo)磁懸浮高速列車技術(shù)最先進(jìn),就是2 個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)。由于它們流傳最廣, 認(rèn)同率最高,所以危害也最大,需要加以澄清。
1 地面高速交通速度并不是越高越好
磁浮列車受到關(guān)注的主要原因是它的高速度, 但是,人們往往忽視了以下2 點(diǎn):高速度并非磁浮列車的特長(zhǎng);對(duì)地面交通而言過(guò)高的速度并非有利。
磁浮列車的功能分懸浮、導(dǎo)向和牽引。后者靠線性電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),是決定速度的關(guān)鍵。而線性電機(jī)牽引既可用于磁浮,也可用于輪軌列車。采用線性電機(jī)牽引的地鐵輪軌列車早已實(shí)現(xiàn),東京一條這樣的地鐵線已經(jīng)商業(yè)運(yùn)營(yíng)了好多年,中國(guó)廣州地鐵準(zhǔn)備采用。所以,磁浮列車的特點(diǎn)就是磁懸浮,不是它的牽引高速度。
至于磁浮列車靠線性電機(jī)牽引所能實(shí)現(xiàn)的400 ～600 km/ h 高速度能夠說(shuō)明它的先進(jìn)性嗎? 很遺憾,答案 也是否定的。任何交通工具都在某種介質(zhì)中運(yùn)行,要得到前進(jìn)速度都需要消耗能量來(lái)克服來(lái)自周圍介質(zhì)的阻力。地面高速交通系統(tǒng)處在地表稠密大氣層的包圍之中,其高速運(yùn)行的關(guān)鍵是克服強(qiáng)大的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪音。氣動(dòng)阻力與速度平方成比例,牽引功率等于力乘以速度,故能耗與速度3 次方成比例,噪音則正比于速度的5～8 次方。這一客觀規(guī)律對(duì)所有地面運(yùn)輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)概莫能外。
向磁阻所產(chǎn)生的阻力和用于從軌道向車內(nèi)供電的直線發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的阻力。前者幾乎是常數(shù),其單位列車質(zhì)量的能耗按德國(guó)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為117 kW/ t 。輪軌列車低速下的主要阻力為輪對(duì)滾動(dòng)和機(jī)械阻力,分常阻力和隨速度線性變化的阻力兩部分。
然而,隨著速度的提高,空氣阻力在總阻力中所占比重迅速上升。根據(jù)日本新干線列車和德國(guó)TR06 磁浮列車的實(shí)測(cè)及在實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上的推算,當(dāng)速度為200 、300 、400 、500 km/ h 時(shí),輪軌和磁浮列車空氣阻力占比重分別為67 % 、80 % 、87 % 、92 % 和53 % 、72 % 、83 % 、92 % , 所以在地表稠密大氣層里以300 km/ h 以上運(yùn)行的高速列車,不管是輪軌還是磁浮,70 % 以上的阻力均來(lái)自大氣,需要的牽引功率更加突出,氣動(dòng)噪音更是如此。當(dāng)然,人們可以任意加大牽引電機(jī)的功率來(lái)達(dá)到超高速,但這對(duì)于輪軌與磁浮的比較來(lái)說(shuō),只在百分之幾上面做文章,已經(jīng)沒(méi)有什么意義了。
對(duì)于輪軌與磁浮高速列車的一個(gè)共同問(wèn)題是: 在地表稠密大氣層中運(yùn)行,值不值得去追求過(guò)高的速度,比如超過(guò)400 km/ h 。不妨先看一下其他運(yùn)輸領(lǐng)域的情況。
例如航空?，F(xiàn)代客機(jī)可以升空10 000 m , 該處空氣密度僅及地表的1/ 5 , 所以適航速度可達(dá)1 000 km/ h 。以前只能爬高5 000～6 000 m , 設(shè)計(jì)速度只定為500～ 600 km/ h 。直升飛機(jī)航高3 000 m 左右,故航速亦在300 km/ h 附近。協(xié)和式客機(jī)想打破常規(guī),升高到15 000 m , 航速超過(guò)1 500 km/ h , 號(hào)稱由巴黎飛紐約3 h 到達(dá),結(jié)果油耗過(guò)大,票價(jià)過(guò)高,無(wú)法商業(yè)運(yùn)營(yíng),不得不宣告停飛。
再看水運(yùn)。船舶自浮于水面,懸浮能耗為零,故水運(yùn)成本最低。但水中阻力比空氣阻力大許多倍, 船舶只能以低速航行。最快的游艇也不超過(guò)90 km/ h 。人們?cè)芯扛咚偎\(yùn),唯一可能就是脫離水介質(zhì),采用水面效應(yīng)飛機(jī),離水面3～4 m 飛行,速度可達(dá)300～ 400 km/ h 。為什么不提高到500～ 600 km/ h 因?yàn)槿栽诘乇沓砻艽髿鈱永?去克服過(guò)大的空氣阻力是不經(jīng)濟(jì)的。
十分明顯,在地表稠密大氣層里運(yùn)行的高速列車,不管是否懸浮,都有一個(gè)最高經(jīng)濟(jì)速度,其值應(yīng)在300～400 km/ h 之間。高于400 km/ h , 在能耗和噪音指標(biāo)上都是不經(jīng)濟(jì)的。由上述空氣阻力所占比例來(lái)看,磁浮列車在400 km/ h 以下均低于輪軌,亦即其他阻力均高于輪軌,而超過(guò)400 km/ h 在總體上更是不經(jīng)濟(jì)。這就是國(guó)際上磁浮列車經(jīng)過(guò)幾十年的研制仍無(wú)法進(jìn)入運(yùn)輸市場(chǎng)的緣故。浦東磁浮車達(dá)到430 km/ h 時(shí),車內(nèi)噪音為84 dB , 車外噪音為90 dB 以上,嚴(yán)重超標(biāo),這就是稠密大氣在起作用。德國(guó)當(dāng)初選定比較落后的常導(dǎo)技術(shù),最高速度目標(biāo)值定為280 km/ h , 想盡早投入運(yùn)用,與輪軌高速爭(zhēng)高低。實(shí)在無(wú)望時(shí),才將速度提高到400 km/ h 以上, 希望在速度上擁有優(yōu)勢(shì),但是,這樣也無(wú)法掩蓋德國(guó)磁浮技術(shù)的落后性。
2 德國(guó)常導(dǎo)磁浮高速列車技術(shù)落后性
德國(guó)常導(dǎo)磁浮列車?yán)么艌?chǎng)吸力實(shí)現(xiàn)懸浮,間隙越小,吸力越大,本質(zhì)上是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng),全靠自動(dòng)控制技術(shù)保持其8～10 mm 的懸浮間隙。眾所周知,任何控制都有調(diào)節(jié)時(shí)間,不可能100 % 地實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),速度不高時(shí)還可以實(shí)現(xiàn),速度越高留給調(diào)節(jié)的時(shí)間越短,對(duì)控制系統(tǒng)的要求就越高。德國(guó)西門子公司能夠使速度提高到430 km/ h , 就控制技術(shù)來(lái)說(shuō),的確達(dá)到了世界先進(jìn)水平,但卻是以線路的極高精度為前提的。如浦東磁浮線的土建部分由中方承擔(dān),要求由德方提出,十分苛刻,不得不采用磨削等機(jī)械加工方法來(lái)生產(chǎn)鋼筋混凝土構(gòu)件。中國(guó)工程師發(fā)揮難以置信的智慧和努力,以最短時(shí)間完成了最高質(zhì)量的土建工程。很可惜這種對(duì)土建構(gòu)件的過(guò)分要求在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是不合理的,是德國(guó)落后的磁浮技術(shù)所帶來(lái)的結(jié)果。
日本超導(dǎo)磁浮技術(shù)利用磁場(chǎng)斥力實(shí)現(xiàn)懸浮,間隙越小時(shí),斥力越大,自動(dòng)將間隙加大,直到達(dá)到平衡,所以,從本質(zhì)上說(shuō),是一個(gè)自適應(yīng)、自穩(wěn)定系統(tǒng),毋須任何人為控制。由于采用超導(dǎo)技術(shù),磁場(chǎng)強(qiáng)大, 能懸浮100 mm , 對(duì)土建結(jié)構(gòu)沒(méi)有特殊要求,即使發(fā)生輕微地震,磁浮列車可以照常運(yùn)行。其試驗(yàn)速度已達(dá)580 km/h , 會(huì)車試驗(yàn)已達(dá)1 000 km/ h , 這3 項(xiàng)指標(biāo)都是世界最高記錄,從懸浮原理和技術(shù)水平來(lái)說(shuō)均超過(guò)德國(guó)。即使如此,日本仍不敢輕言工程化, 仍在繼續(xù)研究,核心是降低成本和提高可靠性,非如此無(wú)法進(jìn)入運(yùn)輸市場(chǎng)。
任何先進(jìn)技術(shù),只有在構(gòu)成先進(jìn)系統(tǒng)后才是先進(jìn)的。浦東磁浮的控制系統(tǒng)和高精度的土建施工技術(shù)誠(chéng)然達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平,但構(gòu)成的德國(guó)磁浮技術(shù)卻是落后的。自動(dòng)控制技術(shù)再高明,相對(duì)于毋需控制的自穩(wěn)定系統(tǒng)而言就是落后的。土建工程在運(yùn)輸系統(tǒng)中屬固定設(shè)備,占用90 % 以上的投資。車輛屬移動(dòng)設(shè)備,對(duì)其最基本的要求是適應(yīng)固定設(shè)備,盡可能放寬對(duì)后者的要求,以達(dá)到降低總成本的目的。德國(guó)磁浮技術(shù)反其道而行之,不可思義地把機(jī)械精度強(qiáng)加于土建結(jié)構(gòu),必然極大地提高建設(shè)成本,明顯表現(xiàn)出它的落后性。
判斷任何一項(xiàng)技術(shù)是否先進(jìn)的唯一檢驗(yàn)是市場(chǎng)。德國(guó)從20 世紀(jì)90 年代初開(kāi)始就籌建柏林漢堡292 km 商業(yè)磁浮運(yùn)營(yíng)線,90 億馬克的建設(shè)資金業(yè)已到位,即將開(kāi)工修建,但是經(jīng)過(guò)市場(chǎng)預(yù)測(cè),每年要虧損3 億馬克,于是在2000 年3 月毅然宣布放棄這項(xiàng)計(jì)劃,還沒(méi)有進(jìn)入運(yùn)輸市場(chǎng)就被市場(chǎng)所拋棄。這一悲劇結(jié)果是對(duì)德國(guó)磁浮技術(shù)落后性的有力說(shuō)明。前已提到,德國(guó)選擇落后的常導(dǎo)技術(shù)是一種短期行為,缺乏長(zhǎng)期戰(zhàn)略考慮。常導(dǎo)技術(shù)對(duì)控制要求高,不便運(yùn)用;對(duì)土建工程要求嚴(yán),極大提高建設(shè)成本;速度并不高,試驗(yàn)最高速度僅為450 km/ h , 他們說(shuō)浦東線按505 km/ h 設(shè)計(jì),只是紙上談兵。由于磁浮列車有一半在線路上,一經(jīng)選定就不能改型。明知將速度由280 km/ h 提高到430 km/ h 對(duì)常導(dǎo)磁浮來(lái)說(shuō)太困難了,但也只好勉為其難。德國(guó)的這一教訓(xùn)千萬(wàn)不能當(dāng)作經(jīng)驗(yàn)來(lái)吸取。
磁浮列車作為一種運(yùn)輸新技術(shù)加以研究是應(yīng)該的,高速磁浮在某種特定條件下也是需要的。但認(rèn)為德國(guó)技術(shù)最好,一心搞德國(guó)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化是很危險(xiǎn)的,后患無(wú)窮。鑒于這種危險(xiǎn)的確存在,本文大聲疾呼,為子孫后代著想,千萬(wàn)不要走上德國(guó)常導(dǎo)高速磁浮之路。
