时速600公里！飞呀飞呀，我们的高速磁浮
在2022北京冬奥会上，除了运动员精彩的表现，值得关注的还有冬奥会上的新科技。
高铁作为中国制造的名片也登上了冬奥舞台，奥运版的复兴号智能动车组，实现了全球首次在350公里时速下自动驾驶。
专门为冬奥会期间运行的复兴号高铁列车
（图片来源：北京日报客户端）
但我们追求速度的脚步，绝不会止步于此。
是什么原因限制了高速动车的速度？
目前高速动车组属于“轮轨列车”，列车的轮子是贴在路轨上运动的。学术上的术语叫做“轮轨黏着”。
力学知识告诉我们：两个物体接触时，当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力，这种力叫摩擦力。
接触面之间的这种现象叫“摩擦”。摩擦有利也有害，对于列车而言，没有摩擦，列车便无法前进行驶，而只能在轨道上空转“打滑”。但摩擦太大，能量耗散就会增加，使得轮轨发热，列车的速度也受影响。
此外，轮轨列车在高速下运行时会伴随着强烈的碰撞，从而导致服役可靠性的降低以及维护成本的增高。如何才能消除摩擦力的影响？
既然两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的摩擦力，那让它们分开不就没有摩擦力了吗？研发者想到了电磁力。
想要速度更快？试试将列车悬浮起来
用电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行，这就是高速磁浮列车的原理。相比于轮轨列车，高速磁浮列车不仅速度更快，而且还有启停快、噪音低、振动小、载客量大、维护量少等优点，因而安全可靠。它是下一代高速轨道交通车辆的重点发展方向。
目前悬浮系统的设计可以分为两个方向：常导型和超导型。
常导型也称常导磁吸型，它利用普通直流电磁铁产生的电磁吸力将列车悬起，悬浮的气隙较小。超导型又称超导磁斥型，它利用超导磁体产生的电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大。首套时速600公里高速磁浮交通系统采用的是成熟可靠的常导技术。
两类磁浮列车的结构示意：常导型（左）和超导型（右）
（图片来源：电子工程世界）
常导磁吸式磁悬浮列车从20世纪70年代开始发展，2021年7月20日，时速600公里高速磁浮交通系统在中车青岛四方机车车辆股份有限公司下线。
时速600公里高速磁浮列车系统下线
（图片来源：新华网）
它由中国中车股份有限公司承担研制，中国科学院力学研究所的杨国伟团队深度参与这项研制工作。这是世界首套设计时速达600公里的高速磁浮交通系统，具有完全自主知识产权，标志着中国掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力。
常导磁浮列车结构示意图
（图片来源：百度）
在常导磁悬浮列车底部的悬浮架上装有电磁铁，与铺设在轨道下方的铁芯相互吸引，产生向上的吸力，从而克服地心引力，使车辆“悬浮”起来，再利用直线电机驱动列车前行。
高速磁浮运行时，通过精确控制电磁铁中的电流，车体与轨道之间始终保持约10毫米的悬浮间隙。高速磁浮这种无接触的运行方式，取代了传统轮轨的机械接触支承，从根本上突破了传统轮轨关系的约束，因而可以达到更高的运行速度，实现了时速600公里的极速“贴地飞行”！要知道，凌空飞行的民航飞机的时速也不过是800公里。
这套高速磁浮采用“车抱轨”的运行模式：车辆底部的悬浮架有两个臂从外侧包住轨道，列车环抱着轨道行驶。这种结构保证了车辆不会脱轨，安全可靠性高。与传统交通方式不同，它的牵引供电系统布置在地面，随列车位置分段供电，相邻分区只有一辆列车运行，基本没有追尾风险。
由于不受轮轨黏着限制，它具备更强的加减速能力。轮轨高铁从静止加速到时速350公里需要6分钟，而高速磁浮从零加速到时速600公里只需3分半钟。快起快停，使高速磁浮列车能更加充分地发挥速度优势。由于无接触运行，不会和轨道的摩擦和碰撞，高速磁浮列车运行时产生的噪音大幅降低，与周围的环境更加友好。没有摩擦和碰撞，列车发生磨耗和疲劳损伤的概率也会低很多，使得列车在全寿命周期上的维护成本具有很大的优势。按实际旅行时间考虑，在1500公里运程范围内，高速磁浮是最快的交通方式。
更快的速度背后，离不开这样的“破壁人”
然而，常导磁浮列车实现悬浮也有不利的方面，即电磁悬浮是先天不稳定的。为什么说它“先天”不稳定呢？
因为在静平衡状态时，如果不加控制，悬浮系统受到任何一点干扰即会发生失稳，失稳之后电磁铁和轨道就会吸得死死的或者电磁铁就会掉下来。因此，必须对电磁力进行实时的主动控制。
悬浮控制技术是影响列车安全和动力学性能的关键技术。而高速运行时所带来的极强的气动载荷甚至冲击又对悬浮控制带来的更大的挑战。
为了解决制约磁悬浮列车时速600公里安全运行的气动载荷以及悬浮控制问题，中科院力学所研究团队针对列车的空气动力学、车辆动力学以及悬浮控制方面开展了大量的研究。
为什么磁浮列车和空气动力学有关系？当列车以高速行驶时，即使周围的大气是静止的，但它和大气之间有相对运动。
按照力学的相对性原理，我们也可以说，空气高速地流过列车。科学家把研究空气绕物体流动的学问叫做“空气动力学”。磁浮列车的气动效应首先表现在周围大气的流动使得列车承受很大的气动升力。研究表明，列车以时速600公里运行时，尾部车厢会受到大约10吨的气动升力。这将导致列车的悬浮稳定性降低。而两辆磁浮列车在明线交会时，载荷会显著增加，气动升力甚至接近14吨，列车的动态失稳会造成悬浮控制失效。
尾箱的气动载荷
电磁铁的垂向位移
（图片来源：杨国伟团队）
除了气动升力以外，对于磁浮列车而言，气动阻力也是重要的问题。和固体与固体接触有摩擦一样，列车车身表面和空气之间也有摩擦。
在空气动力学中，这个摩擦力称为“气动阻力”，它会消耗大量的能量，影响列车的速度。此外，随着列车运行速度的不断提高，气动噪声越来越显著。这些气动效应，不仅影响运行的速度提升，还会影响列车运行的稳定性、安全性以及乘坐舒适性。甚至还会对环境造成恶劣的后果，例如，影响铁路沿线人们的生理和心理健康，引起周围有关设备和建筑物的疲劳损坏等。
这样，就需要科学家把在列车周围的空气流动场景用高精度数值仿真和风洞模型实验方法确定下来。实际生活中，磁浮列车运行环境十分复杂，例如强侧风横吹、通过高架桥梁、穿过隧道以及高速交会等，这对研究工作都是极大的挑战。
为了验证高速磁悬浮列车的气动性能、动力学及控制性能等问题的数值模拟结果，杨国伟研究团队建设了高速列车动模型试验平台、高速磁浮气动—车—轨—控制试验平台等。
带有横风装置的高速动模型试验平台
（图片来源：杨国伟团队）
磁浮试验平台
（图片来源：杨国伟团队）
这些装备基础和试验平台，在我国高速磁浮列车的发展中发挥了重要的科学引导的作用。此外，杨国伟研究团队也针对高速磁浮列车研制的需要，开展了大量的理论分析工作。列车头部形状是影响气动阻力的关键因素，不同时速的列车头部形状有很大的差异，同时它还会影响气动升力和气动噪声等。因此，采用理论分析和数值计算优化列车头型也是一项重要的任务。
为了确定最优的方案，杨国伟研究团队还基于高精度数值仿真平台和高效率气动外形优化平台，分析与评估了五编组高速磁浮列车的十三种头型方案，并最终确立了时速600公里高速磁浮列车的最优外形。这一外形的列车在气动阻力、升力和噪声性能方面，均比国内现有的高速磁浮有很大的提升。
典型头型的速度、压力分布云图
（图片来源：杨国伟团队）
最后，需要说明的是，从数据仿真模拟到地面实验、再到落实到应用，高速列车每一次提速的背后，都要经过长时间的反复迭代、验证。从事力学基础研究的“破壁人”就是这样让高速磁浮列车贴地飞了起来！
作者单位：中国科学院力学研究所
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