第三代氣動懸浮列車“LOOP”效果圖。
不需要傳統(tǒng)的煤、氣、電提供動力,列車時速可達400~500公里,你相信嗎?近日,記者在重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院就看到了這樣的“高速氣動懸浮列車”模型。你認(rèn)識名叫鵜鶘的鳥嗎?高速氣動懸浮列車的靈感就來自于它。有關(guān)專家稱,這款列車有望改變世界交通系統(tǒng)。
氣動懸浮列車實物模型。
子彈頭車頭似高鐵,車身有環(huán)形翼像飛機
記者看到,這款高速氣動懸浮列車模型長一米多,子彈頭車頭似高鐵列車,車身則有環(huán)形翼和氣流推進器,又跟飛機有些相似。
“高速氣動懸浮列車第一代、第二代樣式試制及實車試驗已經(jīng)在日本完成。”重慶理工大學(xué)領(lǐng)銜參與高速氣動懸浮列車研發(fā)的教授賴晨光介紹,這樣的高速氣動懸浮列車,完全采用自然能源驅(qū)動,使用成本低,速度還非???。“如果以時速500公里為前提,氣動懸浮列車的能耗是高鐵的1/3、磁懸浮列車的1/6。”
賴晨光說,他是在2004年接觸到這一項目的。“那時候,我以吉林大學(xué)教師的身份參與這個項目。”
2007年,賴晨光來到日本,更加深入地參與了該項目的研究,“主要負責(zé)空氣動力學(xué)這一塊。”
重慶理工大學(xué)教授賴晨光。
曾兩個月沒出實驗室
提出環(huán)形翼設(shè)計方案
2007年到2011年,賴晨光在日本進行了四年的研究。這四年,他每天待在風(fēng)洞實驗室里,用煙霧法觀察空氣的流動,甚至一度引起中毒而住院。“有兩個月,我足不出實驗室,飯都是送進來吃。”在一次試驗中,賴晨光中毒倒下,住了好幾天院。
2011年,賴晨光來到重慶理工大學(xué),他帶領(lǐng)著4位老師、二十多位研究生,繼續(xù)攻關(guān)高速氣動懸浮列車。
經(jīng)過深入研究分析,重慶理工大學(xué)汽車空氣動力學(xué)團隊提出了高速氣動懸浮列車行駛穩(wěn)定性控制的理論與方法,為其深入研究和開發(fā)提供了關(guān)鍵的理論指導(dǎo)和依據(jù)。同時,該團隊還提出了環(huán)型翼的設(shè)計構(gòu)想并進行了驗證,使得該列車的空氣動力性能得到了進一步的提高。“簡單來說,就是主要研究列車行駛的穩(wěn)定性,提出了環(huán)形翼的設(shè)計。”賴晨光說。
新設(shè)計提高運輸能力
該車的商用步伐加快
賴晨光告訴記者,在此前的設(shè)計中,高速氣動懸浮列車的車翼(翅膀)跟飛機類似,是一對尾端加裝了豎直小翼的水平翼,但這樣的“翅膀”,在列車行駛時,車翼后面會產(chǎn)生不穩(wěn)定氣流,使列車在行駛中的平穩(wěn)性受到影響。
“而我們設(shè)計的環(huán)形翼,是在一個三維面上形成一個框,而且框的上面跟下面不在一條豎直線上,而是往后斜。這樣的設(shè)計使氣流比原來穩(wěn)定很多,會大大提高列車行駛的穩(wěn)定性。”賴晨光解釋說。
此外,環(huán)形翼的設(shè)計還能夠提高運輸能力。“通過環(huán)形翼設(shè)計,使升阻比(升力除以阻力)提高30%-40%,并提高運輸效率。”賴晨光介紹,要使高速氣動懸浮列車運行效率高、運載能力強,其車翼就要設(shè)計得長,“但這帶來的后果就是軌道占地面積大,建造成本增加很多。我們提出這個環(huán)形翼,在軌道的寬度不變的情況下,可以提高30%-40%的運輸能力。”
穩(wěn)定性加運行能力的提高,使得高速氣動懸浮列車的商用步伐加快了。
首條高速氣動懸浮列車線路
預(yù)計2025年在日本開行
根據(jù)空氣動力學(xué)研究結(jié)果,結(jié)合工業(yè)設(shè)計及美學(xué)、文化等因素,重慶理工大學(xué)汽車空氣動力學(xué)團隊設(shè)計出第三代列車造型“LOOP”,使這個“飛行的列車”離人們的生活又更近一步了。接下來,中日團隊將基于新設(shè)計的“LOOP”造型,為其配備阻燃性的鎂合金車身并開展更加深入的試驗研究與驗證。
根據(jù)規(guī)劃,日本將于2025年開通第一條高速氣動懸浮列車線路,“計劃從日本成田機場到羽田機楊,全部走地下隧道,設(shè)計時速400公里,10多分鐘就可以實現(xiàn)兩個機場的互通,而現(xiàn)在從地面上走要一個多小時。第二條從東京到大阪,時速500公里,一小時之內(nèi)可實現(xiàn)兩地的互通,而目前需要兩個小時。”
“東京到大阪這條線,全采用自然能源,我們沿軌道對氣候、風(fēng)力等進行了測試。根據(jù)這個區(qū)域的太陽照射時間安裝太陽能板,依據(jù)風(fēng)的自然條件安裝風(fēng)車。”賴晨光說,“現(xiàn)有技術(shù)沿途所收集和轉(zhuǎn)化的太陽能和風(fēng)能,能夠驅(qū)動這個系統(tǒng)每12分鐘一次往返。按三節(jié)車廂、每節(jié)車廂120人計算,一次能運送360人。”
賴晨光說,這個只用自然能源驅(qū)動、零污染的項目,看似不太可能完成,而實際上卻離老百姓的生活很接近。
研發(fā)車身材料,意外發(fā)現(xiàn)鎂空氣電池
在對高速氣動懸浮列車材料的研究中,研發(fā)團隊還“意外”發(fā)現(xiàn)了高效的鎂空氣電池。
在材料研發(fā)時,日本東北大學(xué)的小濱泰昭教授提出用鎂合金來做車身材料,因為鎂合金輕而且強度高。在研究加工鎂合金的過程中,小濱泰昭發(fā)現(xiàn),“鎂合金和空氣反應(yīng)會放電,于是小濱泰昭又開始對鎂空氣電池進行研究,并取得了非常大的進展。”
“而高效、可控鎂空氣電池的出現(xiàn),將對新能源汽車的開發(fā)有極大的促進?,F(xiàn)在已有幾家企業(yè)投資幾十億元,大力推進該鎂空氣電池的產(chǎn)業(yè)化。”賴晨光介紹,高效、可控鎂空氣電池的出現(xiàn),對中國有極大的好處,“中國的鎂礦儲量很大,而且質(zhì)量也非常好。按照小濱泰昭的估算,鎂足夠人類使用數(shù)億年,產(chǎn)生的氧化鎂還能夠利用太陽進行還原,可謂是取之不盡,用之不竭,用鎂來發(fā)電,鎂氧化過程中產(chǎn)生能量,能效比驚人的高。比現(xiàn)在的電池能量密度高很多。”
目前,小濱泰昭已委托賴晨光作為中方代理人,尋找合作伙伴。
研發(fā)靈感源自一種叫做鵜鶘的鳥
讓人意外的是,高速氣動懸浮列車的研究竟然和一只鳥相關(guān)。日本東北大學(xué)小濱泰昭教授發(fā)現(xiàn),一種叫做鵜鶘(信天翁)的鳥在遷徙時,每進食一次,能夠持續(xù)飛行超過900公里,具有驚人的“燃效比”。為什么它的“燃效比”可以這么高,經(jīng)過深入研究,“發(fā)現(xiàn)它們是利用了WIG的自然現(xiàn)象”。
賴晨光解釋說,所謂WIG現(xiàn)象,就是翼形(鳥的翅膀)在接近地面的時候會產(chǎn)生升力急劇增加,阻力減小的現(xiàn)象。“如果鳥在高空中飛,經(jīng)常扇動翅膀來產(chǎn)生升力,但接近地面,只要把翅膀張開,產(chǎn)生的升力比高空中大很多。這個升力跟翅膀距離地面高度有關(guān)系,當(dāng)鳥的飛行控制在一定高度的時候,不必扇動翅膀,就能夠支撐身體的重量飛行,我們研究發(fā)現(xiàn),離地面越近,升力就越大。”
其實,早在研制高速氣動懸浮列車前,前蘇聯(lián)科學(xué)家就利用這一原理研制出“里海怪獸”——一種在海上懸浮飛行的飛機,其機身與波音747飛機大小相近,海上巡航速度約為每小時500公里。
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