小平臺，大能量

本刊記者 胡 敬

小平臺，大能量

本刊記者 胡 敬

中國高鐵，被譽為中國經濟發展的奇跡，頻頻刷新著世界紀錄。它創造了若干個世界第一，例如運營時速最高、輪軌試驗時速最高等。從引進到自主創新，中國用短短10年時間實現了超越，贏得了世界的贊許。在這其中，縮比模型尺寸最大、運動時速高達500公里以上的世界上最先進的高速列車動模型實驗平臺的建立，為我國高速列車空氣動力學的基礎研究和未來高速列車的研制奠定了實驗模擬基礎。

顛覆傳統，讓列車動起來

我國最初引進的動車組時速大約為200～300公里，在引進的基礎上，科研人員通過對其不斷地改進和創新，使得我國自主研發的CRH380系列時速達到380公里。

速度的提升意味著需要克服的空氣阻力越大。中國科學院力學研究所（以下簡稱“力學所”）研究員楊國偉介紹，對于運行時速為350公里的高速列車，氣動阻力占總阻力的85%以上。因此，研究高速列車的氣動特性是高速列車運行過程中節能降噪的關鍵。

過去，人們一般在低速風洞中研究和測試高速列車的氣動性能。風洞實驗已有150余年的歷史，它是以人工的方式產生并且控制氣流，采用相對運動原理，模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況，是進行空氣動力學性能測試最常用、最有效的工具之一。隨著工業空氣動力學的發展，風洞實驗逐漸在交通運輸、房屋建筑、風能利用等領域起著舉足輕重的作用。

為了使實驗結果更加精確，風洞實驗中氣體的流動狀態必須與實際流動狀態相似。即必須滿足“相似律”的要求。其中“幾何相似”是最基本的相似條件之一，也就是模型和實物必須按照比例縮小或放大。而“動力學相似”條件則對實驗氣流的速度提出更高的要求。

由于汽車和高速列車均在在地面行駛，與飛機相比，它們都具有更為復雜的運行環境：地面效應、明線交會、橫風效應、隧道通過和隧道會車等。在風洞實驗方面，相對于汽車，高速列車的實驗模擬需要實驗氣流具有更高的速度。而且，高速列車的長細比更大。因此，現有的汽車風洞實驗氣流大多不能滿足模擬高速列車測試和實驗模擬的要求。一方面，風洞只能用于高速列車的明線單向運行模擬。另一方面，在世界上現有的高速列車動模型實驗平臺中，列車模型的尺寸都比較小（縮比在1/16以下），而且模型尺寸越大，速度越低（一般時速在300公里）。為了滿足我國高速列車氣動測試和各項運行狀態實驗模擬的迫切需求，力學所決定發展大型的高速列車雙向動模型實驗平臺。

與風洞實驗不同，動模型實驗是讓列車模型以真實的列車運行速度在軌道上動起來，然后在運動的模型上測量相關的氣動參數。

2013年年底，擁有完全自主知識產權的大型雙向動模型實驗平臺在北京懷柔力學所錢學森工程科學實驗基地建成。該平臺的最高實驗速度可達500公里/小時，具有雙向對開運行模式，可以安裝隧道模型（具備了模擬列車穿越隧道和建筑物、在隧道內交會等相關的實驗模擬功能）。在此基礎上，發展了相關的測試技術，開展了一系列的高速列車氣動性能評估測試實驗，初步完成單車隧道通過、明線及隧道會車場景下的隧道壁面和列車模型表面的壓力分布數據，取得了寶貴的有關高速列車運行方面的實驗資料。

獨創加速和減速“秘方”

在數十米的距離內，如何讓放置在模型軌道上的列車模型能夠迅速達到300～500公里的時速，并且在完成數據測試后，迅速減速，完整地回到靜止狀態，這是一般動模型實驗平臺需要解決的兩大難題。

在世界上現有的中小型動模型實驗平臺中，加速方式分為兩種：一是彈射方式發射。動力來源于伸長的彈性繩索內部儲存的彈性勢能。將它放松后，彈性勢能迅速釋放，轉換為模型的動能。但是，由于受到彈性繩索回彈速度的限制，模型難以達到比300公里更高的時速。即使使用動滑輪倍速技術，由于在加速過程中，多個滑輪的轉速需要達到很高的轉速，列車模型才能達到所希望的速度。因此隨著模型速度的升高，能量利用率大幅度降低，速度提升難度加大。另一種方式是利用管內的壓縮空氣驅動列車模型。這種方式雖然可以達到較高的速度，但是缺點也很明顯：一是由于列車模型在直接在管內加速，列車模型的尺寸受到管道內徑的限制；二是，由于列車模型和壓縮空氣在相同軸線上，來自加速管的壓縮空氣會嚴重干擾模型的實驗和測試過程。

因此，楊國偉團隊獨辟蹊徑，發明了壓縮空氣驅動加速技術。從字面上看，它似乎與前面提到的“壓縮空氣”如出一轍，但實際上它是一種新穎的“壓縮空氣間接驅動列車模型”的模式。一根牽引索可以巧妙地將管道內壓縮空氣的膨脹能量“轉移”到一個與列車模型相連接的管道外的“拖車”上。在結構上，平臺分為上下兩層軌道，在下層軌道，壓縮空氣直接推動置于加速管中的活塞，再通過牽引繩索將加速管外的拖車加速，在下層軌道上加速的拖車通過環形軟連接繩索將上層軌道的列車模型加速。這種間接驅動方式，不僅化解了管道內直接驅動加速方式的所有弊病，而且為不受外形和尺寸限制的列車模型提供了強大的加速動力。

列車模型加速后，如何讓其迅速停下來，傳統上采用的是直接接觸摩擦制動方式、靜止物體通過軟性碰撞吸收模型動能方式或兩類方式結合的方法。但這些方式可能會因列車模型巨大的動能使接觸材料磨損嚴重甚至破壞和飛濺，從而大大縮短實驗中相關部件的壽命而導致高昂的實驗成本和引起系列的安全問題。

他們采用了非接觸式磁流制動減速技術，即利用永久磁鐵和鐵質剎車地板之間相對運動產生的非接觸阻尼力作為制動力，使得列車模型和配套的拖車實現安全的穩定減速剎車。

有了這兩項創新技術，整個動模型實驗平臺是怎樣運行的呢？楊國偉解釋道，壓縮空氣預先儲存在高壓氣罐中，利用空氣炮將高壓的壓縮空氣從氣罐中釋放出來，隨后進入加速管推動活塞向前方運動，活塞通過拖繩將加速管外的拖車牽引沿著下層軌道向前方滑動，拖車也通過拖繩來牽引列車模型沿著上層軌道滑動。

動模型在加速段內基本是做勻加速運動，當加速管中的活塞通過泄氣孔后，活塞后的壓縮空氣從孔中泄出，加速過程停止。此時拖車進入拖車剎車地板的區域內，拖車的磁流制動機制開始起作用使之減速，同時動模型依靠自身慣性自動與拖車分離（即二者間的拖繩解離），并憑借慣性繼續沿上層軌道向前做勻速運動。這樣，列車模型進入了實驗段，運行相關的氣動性能測試。

當拖車開始憑借磁流制動機制進行減速時，由于拖車、牽引索和活塞相互相連，三者一起減速，最終會停止下來。當列車模型通過實驗段以后，它開始在上層軌道的剎車地板區間運動，相應的磁流制動減速過程啟動，列車模型開始減速直至完全平穩停止。

為了校驗這些關鍵技術是否可行，楊國偉研究團隊進行了原理性實驗，實測結果表明：在180米長的實驗裝置上，可以把34.8千克的列車實驗模型從靜止基本均勻地加速至350千米/小時以上，并能基本以勻減速將其安全回收。在此基礎上，依據原理性實驗提供的相關結構和實驗數據，研制了世界上實驗速度最高、模型縮尺比例最大（總長約300米、縮比為1/8，實驗速度快至500公里/小時）的大型雙向動模型實驗平臺。

利用該平臺，已開展了CRH380A和中國標準動車組等高速列車空氣動力學實驗，研究團隊參與設計的CRH380系列高速列車以其氣動性能優良，被國際相關組織評為“目前世界上設計最好的十種高速列車之首”。楊國偉領導的研究團隊取得的研究成果有：2014年獲第五屆中國僑界創新成果貢獻獎，2015年作為“京滬高速鐵路工程”項目參與單位獲國家科技進步獎特等獎，2015年獲中國力學科技進步獎一等獎。