對磁懸浮高速列車技術(shù)認識的兩個錯誤觀點
0 引 言低速下磁浮列車的運行阻力主要有克服懸浮導(dǎo)
1998 年以來,在國際上爭論了幾十年的磁懸浮高速列車技術(shù)突然在中國火爆起來。6 年中發(fā)表了為數(shù)甚多的文章和言論,對中國地面高速交通的發(fā)展,有著較大的影響。應(yīng)當(dāng)說有許多說法是不妥當(dāng)?shù)?有些甚至是錯誤的。例如,認為地面高速交通的速度越高越好,認為德國常導(dǎo)磁懸浮高速列車技術(shù)最先進,就是2 個錯誤的觀點。由于它們流傳最廣, 認同率最高,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:高速度并非磁浮列車的特長;對地面交通而言過高的速度并非有利。
磁浮列車的功能分懸浮、導(dǎo)向和牽引。后者靠線性電機來實現(xiàn),是決定速度的關(guān)鍵。而線性電機牽引既可用于磁浮,也可用于輪軌列車。采用線性電機牽引的地鐵輪軌列車早已實現(xiàn),東京一條這樣的地鐵線已經(jīng)商業(yè)運營了好多年,中國廣州地鐵準(zhǔn)備采用。所以,磁浮列車的特點就是磁懸浮,不是它的牽引高速度。
至于磁浮列車靠線性電機牽引所能實現(xiàn)的400 ～600 km/ h 高速度能夠說明它的先進性嗎? 很遺憾,答案 也是否定的。任何交通工具都在某種介質(zhì)中運行,要得到前進速度都需要消耗能量來克服來自周圍介質(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,其高速運行的關(guān)鍵是克服強大的氣動阻力和氣動噪音。氣動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)律對所有地面運輸系統(tǒng)來說概莫能外。
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)量的能耗按德國的實測數(shù)據(jù)為117 kW/ t 。輪軌列車低速下的主要阻力為輪對滾動和機械阻力,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TR06 磁浮列車的實測及在實測基礎(chǔ)上的推算,當(dāng)速度為200 、300 、400 、500 km/ h 時,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 以上運行的高速列車,不管是輪軌還是磁浮,70 % 以上的阻力均來自大氣,需要的牽引功率更加突出,氣動噪音更是如此。當(dāng)然,人們可以任意加大牽引電機的功率來達到超高速,但這對于輪軌與磁浮的比較來說,只在百分之幾上面做文章,已經(jīng)沒有什么意義了。
對于輪軌與磁浮高速列車的一個共同問題是: 在地表稠密大氣層中運行,值不值得去追求過高的速度,比如超過400 km/ h 。不妨先看一下其他運輸領(lǐng)域的情況。
例如航空。現(xiàn)代客機可以升空10 000 m , 該處空氣密度僅及地表的1/ 5 , 所以適航速度可達1 000 km/ h 。以前只能爬高5 000～6 000 m , 設(shè)計速度只定為500～ 600 km/ h 。直升飛機航高3 000 m 左右,故航速亦在300 km/ h 附近。協(xié)和式客機想打破常規(guī),升高到15 000 m , 航速超過1 500 km/ h , 號稱由巴黎飛紐約3 h 到達,結(jié)果油耗過大,票價過高,無法商業(yè)運營,不得不宣告停飛。
再看水運。船舶自浮于水面,懸浮能耗為零,故水運成本最低。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90 km/ h 。人們曾研究高速水運,唯一可能就是脫離水介質(zhì),采用水面效應(yīng)飛機,離水面3～4 m 飛行,速度可達300～ 400 km/ h 。為什么不提高到500～ 600 km/ h 因為仍在地表稠密大氣層里,去克服過大的空氣阻力是不經(jīng)濟的。
十分明顯,在地表稠密大氣層里運行的高速列車,不管是否懸浮,都有一個最高經(jīng)濟速度,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)濟的。由上述空氣阻力所占比例來看,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400 km/ h 在總體上更是不經(jīng)濟。這就是國際上磁浮列車經(jīng)過幾十年的研制仍無法進入運輸市場的緣故。浦東磁浮車達到430 km/ h 時,車內(nèi)噪音為84 dB , 車外噪音為90 dB 以上,嚴重超標(biāo),這就是稠密大氣在起作用。德國當(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 , 想盡早投入運用,與輪軌高速爭高低。實在無望時,才將速度提高到400 km/ h 以上, 希望在速度上擁有優(yōu)勢,但是,這樣也無法掩蓋德國磁浮技術(shù)的落后性。
2 德國常導(dǎo)磁浮高速列車技術(shù)落后性
德國常導(dǎo)磁浮列車利用磁場吸力實現(xiàn)懸浮,間隙越小,吸力越大,本質(zhì)上是一個不穩(wěn)定系統(tǒng),全靠自動控制技術(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)時間,不可能100 % 地實時調(diào)節(jié),速度不高時還可以實現(xiàn),速度越高留給調(diào)節(jié)的時間越短,對控制系統(tǒng)的要求就越高。德國西門子公司能夠使速度提高到430 km/ h , 就控制技術(shù)來說,的確達到了世界先進水平,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械加工方法來生產(chǎn)鋼筋混凝土構(gòu)件。中國工程師發(fā)揮難以置信的智慧和努力,以最短時間完成了最高質(zhì)量的土建工程。很可惜這種對土建構(gòu)件的過分要求在技術(shù)經(jīng)濟上是不合理的,是德國落后的磁浮技術(shù)所帶來的結(jié)果。
日本超導(dǎo)磁浮技術(shù)利用磁場斥力實現(xiàn)懸浮,間隙越小時,斥力越大,自動將間隙加大,直到達到平衡,所以,從本質(zhì)上說,是一個自適應(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),磁場強大, 能懸浮100 mm , 對土建結(jié)構(gòu)沒有特殊要求,即使發(fā)生輕微地震,磁浮列車可以照常運行。其試驗速度已達580 km/h , 會車試驗已達1 000 km/ h , 這3 項指標(biāo)都是世界最高記錄,從懸浮原理和技術(shù)水平來說均超過德國。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,非如此無法進入運輸市場。
任何先進技術(shù),只有在構(gòu)成先進系統(tǒng)后才是先進的。浦東磁浮的控制系統(tǒng)和高精度的土建施工技術(shù)誠然達到了國際領(lǐng)先水平,但構(gòu)成的德國磁浮技術(shù)卻是落后的。自動控制技術(shù)再高明,相對于毋需控制的自穩(wěn)定系統(tǒng)而言就是落后的。土建工程在運輸系統(tǒng)中屬固定設(shè)備,占用90 % 以上的投資。車輛屬移動設(shè)備,對其最基本的要求是適應(yīng)固定設(shè)備,盡可能放寬對后者的要求,以達到降低總成本的目的。德國磁浮技術(shù)反其道而行之,不可思義地把機械精度強加于土建結(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。
判斷任何一項技術(shù)是否先進的唯一檢驗是市場。德國從20 世紀90 年代初開始就籌建柏林漢堡292 km 商業(yè)磁浮運營線,90 億馬克的建設(shè)資金業(yè)已到位,即將開工修建,但是經(jīng)過市場預(yù)測,每年要虧損3 億馬克,于是在2000 年3 月毅然宣布放棄這項計劃,還沒有進入運輸市場就被市場所拋棄。這一悲劇結(jié)果是對德國磁浮技術(shù)落后性的有力說明。前已提到,德國選擇落后的常導(dǎo)技術(shù)是一種短期行為,缺乏長期戰(zhàn)略考慮。常導(dǎo)技術(shù)對控制要求高,不便運用;對土建工程要求嚴,極大提高建設(shè)成本;速度并不高,試驗最高速度僅為450 km/ h , 他們說浦東線按505 km/ h 設(shè)計,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 對常導(dǎo)磁浮來說太困難了,但也只好勉為其難。德國的這一教訓(xùn)千萬不能當(dāng)作經(jīng)驗來吸取。
磁浮列車作為一種運輸新技術(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。但認為德國技術(shù)最好,一心搞德國技術(shù)國產(chǎn)化是很危險的,后患無窮。鑒于這種危險的確存在,本文大聲疾呼,為子孫后代著想,千萬不要走上德國常導(dǎo)高速磁浮之路。
