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高温超导磁悬浮真空管道运输测试系统

摘要：作为一种前瞻性的运输模式，尽管有着激烈的争论，真空管道运输可以极大地降低空气阻力，然后配合上磁悬浮技术，就可以完全的消除轮轨摩擦。并不难想象，将这两种科技相结合就可以创建一种创新的，并具有某些特定优势诸如高速、安全、节能和环保的运输系统。然而，由于复合技术，两种技术的相结合一直是巨大的挑战。为了实现这个革命性的想法，我们已经成功建立了第一个原理上可行的45米长的高温超导磁悬浮真空管道运输系统原型，叫作“Super-Maglev“，它是基于我们小组于2000年所设想出的被动自稳的高温超导磁悬浮。这个系统主要由三个部分组成：一个HTS磁悬浮列车轨道耦合系统，其在10mm的悬浮间隙时具有1吨的载重能力；一个45m长的跑道形真空管道和一个截面为直径2m的圆形的混合空气抽取系统；和一个3m的直线感应电机来提供分段推进。系统的管道可以达到最低2.9kPa。实验显示空气对列车的阻力在低气压显著减小，在直径为6m的测试轨道上，一个最大时速为55km/h被记录。理论上说，在10kPa下，空气阻力消耗的能量最高可减少90%。这个“Super-Maglev“很明显地显示了高温超导磁悬浮真空管道运输概念的可行性和潜在的价值。

关键词：真空管道，高温超导磁悬浮，高温超导磁悬浮真空管道运输，低压，超导列车

1.导论

构建一个经常出现在科幻电影和科幻小说中的真空管道运输系统在现实中看似为一个巨大的挑战。自从现代火箭之父Robert Goddard于1909年第一次提出一个有关真空管道运输（ETT）系统的建议，在这个系统中一个高速悬浮列车运行于一个真空的管道线中[1]，这个概念就让人们着迷了约100年。现在有很多ETT设计的蓝图，例如那些真空管道运输科技（ET3），Swissmetro，和埃隆马斯克最近提出的超级高铁等[2]-[4]。

一个具有极小的机械摩擦和空气阻力的ETT系统主要具有两个部分：一个是双向密封管，其内部气压可被抽至低于10kPa；另一个是悬浮列车，其可被加速至超级高速。被管道所隔离和保护以至于不被极端天气和周围事物的影响，ETT系统可以不间断地、安全地运输乘客和货物。所以ETT系统提供了相当可观的价值，包括高速、安全、节能和环保，其完全满足我们快速发展的社会的日渐增长的运输和更短旅途时间的需求。

能和许多不同的悬浮方式具有好的兼容性对于ETT概念十分重要[5]。悬浮可能涉及铜导体的电磁悬浮[6]，[7]，低温超导体的电动悬浮[8],[9]，高温超导体（HTS）的钉扎悬浮[10]，空气悬浮和永久永磁体悬浮[11]。在这些悬浮技术中，HTS悬浮因其在自稳性，结构简单，环境友好和节能等方面具有明显优势,其可能是最适合ETT系统的。利用非理想第二型超导体的独一无二的钉扎特性，HTS磁悬浮列车实现了在永磁轨道（PMG）上自稳定性的悬浮，并具有一定连续范围内的平衡位置和方向，也能以忽略不计的摩擦力沿着PMG前进方向行驶过均匀的磁场。悬浮列车可以保持其惯性运动而不需要加入额外的能量，最大化了电能的利用率和能源的经济性。因此，ETT运行的可靠性可以在没有复杂的控制或硬件支持下实现。

由于机载的HTS块体与PMG之间的电磁相互作用完全保证了侧向和垂直的稳定性，HTS磁悬浮列车的推进部件与悬浮系统和导航系统分离。因此，理论上列车运行的最高时速不会被限制。在低压环境中，没有了空气的拖拽，HTS磁悬浮可以被加速至600km/h，甚至偶尔到1000km/h，这表明了其自身是一种适合高速地面运输的运输方式。此外，随着铜氧化物为基础的超导体例如YBaCuO（YBCO）的发现，关键的超导温度T_C被提高至93K，这个温度比液氮的沸点（77K，标准大气压下）高[12]。这个被提高的超导磁悬浮技术的工作温度不仅使便宜的液氮替换了昂贵的液氦，还很大程度上简化了冷却结构，更减少了未来的商业应用成本[13]。通过结合ETT概念和HTS磁悬浮系统的技术优点，拥有前述优势的高温超导磁悬浮真空管道运输系统(HTS Maglev-ETT)可能是高速地面运输的最好的发展方向之一。

自从2000年世界上第一个载人HTS磁悬浮测试列车“世纪号”被我们小组测试成功[10]，其他的HTS磁悬浮测试列车的应用也在发展，例如在2004年德国的德累斯顿，IFW小组研制的原型机 “SupraTrans I”和“SupraTrans II”[14],[15]。还有2014年在巴西研制的一个全场200米的HTS磁悬浮运营线“MagLev-Cobra”[16],[17]。所以，HTS磁悬浮列车的技术原理和应用方法的可行性已经被完全证实和广泛地认可。从而，人们对材料特性[18],[19],设计优化[20],车辆动态[21],[22]等方面进行了大量研究，来提高HTS磁悬浮在稳定性、可靠性和乘坐舒适性等方面的表现[23]。基于他和其他人的实验结果，王家素教授早在2004于中国成都西南交通大学举行的关于超高速HTS磁悬浮管道列车的会议上汇报了HTS磁悬浮真空管道运输系统的最初的概念，并预言HTS磁悬浮在真空管道中的速度可超过600km/h[24]。大约10年后，我们于2013年成功的研发出了一个45米长的HTS磁悬浮环形测试线。在这条线上，我们运用了Hallbach型PMG的设计，使悬浮能力被提高到1000kg/m[25]。在这项研究中，通过结合ETT概念，我们搭建起了第一个HTS Maglev-ETT测试系统，命名为“Super-Maglev”。 “Super-Maglev”这个名字有两重含义，第一个表示我们小组于2000年首次推出的“超导磁悬浮技术”，第二个寓意着未来“超高速应用”的潜力。HTS Maglev-ETT测试系统现在被用来探索有关HTS磁悬浮列车在低压的真空管道环境中行驶的科学和技术上的问题。

2. HTS Maglev-ETT系统的描述

图1展示了已经建好的HTS Maglev-ETT测试系统“Super-Maglev”，它成功地将高温超导磁悬浮技术和真空管道运输概念相结合。测试系统的硬件强调了三个关键技术：一个采用双Hallbach型永磁轨道的HTS磁悬浮；一个45米长的跑道状真空管道，其由混合空气抽出设备抽成真空；和一个与实时监控组件匹配的推进电机。迄今为止，在相同的推进系统下，尽管有实验轨道的高曲率的限制，列车最大速度由在环境气压下的25km/h提升到0.1个大气压的低压下的50km/h，而且装载能力在测试下高达1吨，此时悬浮高度为10mm。主要的特征列于表I。这个测试系统不仅是独一无二的完成的ETT系统，而且也代表了一次将HTS磁悬浮技术和ETT概念相结合的科学上和技术上的尝试。

A.HTS车体

HTS磁悬浮载体是一个拥有两个主要部分的独立的车轨核心子系统：轻质HTS磁悬浮列车和双Hallbach型永磁轨道，如图2（a）。当四个低温恒温器充满液氮时，整个车身的自重（长2.2米，宽1.1米）为249公斤。在各种改进后[26],[27],通过采用Hallbach型永磁轨道，HTS磁悬浮列车可以稳定地悬浮于范围是10mm-20mm的高度，而且提供最大的载重达1吨。所以“Super-Maglev”系统有着重载能力，紧凑的结构，轻量，操作简单和较他者更低廉的成本的特点。更多有关HTS磁悬浮载体的公开信息可以在[25]和[28]中找到。

先前在应用磁场中HTS大块中的粒间超电流的探索证明，多晶YBCO块体在晶种接头中具有比单畴块体更强的超导偶联性能[29]，[30]。所以，第二代HTS磁悬浮列车使用三晶粒的YBCO块并将其放置在由ATZ公司生产的4个矩形杜瓦中。在每个杜瓦中，24块长宽高为64mmX32mmX12mm的YBCO块被排列成两条平行线，如图2（b）所示。这种高质量的杜瓦可以保持浸泡时间超过24h。

优化过的永磁轨道是由NdFeB永磁体排列成Hallbach型，由此可提供的悬浮力是第一代“世纪号”的2.12倍[10],[32]。如图2（c）所示，在零场冷下，装载能力提升至1吨，工作高度为10mm。同样从图2（c）中可知，侧向导向力被增强到5440N并允许有20mm的侧向移动，这保证了车辆可以载一人在时速35km/h且最大向心力为5.2kN时顺畅运行。所有用来提供给整个悬浮的磁场力是由NdFeB磁体提供，其只有120x25mm²的横截面积。（如图2（b）所示）

图1. HTS Maglev-ETT测试系统，“Super-Maglev”研发于中国成都：（a）具有四个主要部分的概念设计：高温超导磁悬浮列车，真空管道，双Hallbach型永磁轨道和直线感应电机，（b）“Super-Maglev”全视图（c）行驶中的高温超导磁悬浮列车近照

表1，HTS Maglev-ETT系统的主要参数

特征 描述

载体 高温超导磁悬浮

管道 跑道型管道

驱动系统 直线感应电机

导轨 双Hallbach型永磁轨道

环线 两个直径6m的曲线，两个3.6m的直线

管道气压 10千帕-100千帕（0.1到1个大气压）

速度范围 0-50km/h

图2，“Super-Maglev”中的高温超导磁悬浮载体：（a）装载有两个车架和其他部件的车体的3d渲染图，（b）高温超导块和永磁体的悬浮系统的原理图，（c）在不同工作条件下的高温超导磁悬浮列车的悬浮力和导向力（ZFC:零场冷，FCH：场冷高度）

B.具有空气抽取装备的真空管道

建立一个真正的真空管道是最优先的事，也是一个技术上的挑战，因为在此邻域缺乏文献。为了完整的覆盖住磁悬浮列车和测试的永磁轨道线，闭环的跑道型的且透明的管道被设计出来，其长为45m，具有2m的直径，并且被整合到永磁轨道线的地基上。在目前的阶段，一系列的钢的框架结构和厚有机玻璃材料被选来作为管道结构。这是基于以下的一些考虑：1）它们的力学强度足以承受内外的气压差；2）这样的结构具有更好的塑性，密度和光洁度；3）无色透明的有机玻璃材料为参观者提供了一个非常好的视觉体验和与线上乘客互动的可能性，这样让HTS Maglev-ETT原型更加平易近人。除了上述之外，因为能吸收空气中的水分，凝固成高模量和高弹性的硅橡胶，结构硅酮密封胶被用来密封和粘黏管道的连接处。

图3（a）展示了利用有限元仿真分析得出的结构应力分布。在绝对真空下，管道顶部的最大应力为31MPa，远小于管道材料的极限拉伸强度（77MPa）。地板上的最大应力为237MPa，同样的也小于碳素结构钢Q235A的强度（345MPa）。如图3（b）所示，在2m长的管道模型上正常完成了一个15天循环抽取实验。早期的真空实验证明了有机玻璃管和钢结构均能在管道内低压条件下持续支撑。基于理论预期和实验结果，有机玻璃管道的壁厚被设定为20mm。

另一方面，定制的混合空气抽气设备符合运行可靠性和安全性的要求。该系统包括水环泵，罗茨泵和控制计算机，以调节和维持密封管中的指定空气压力。图3（c）给出了抽气设备和各种机器的示意图，泵的详细参数列于表II。水环泵是设计来在抽取的开始阶段快速抽空管道。罗茨泵在气压低于10kPa时开始工作，以进一步将气压减少至0.01个大气压。值得

提出的是在整个过程中所有的开关和阀是由计算机控制，并且只有一个直径为150mm的抽取点，其位于管道的近端[如图1（b）]。总的来说，任何一套泵（水环泵1和罗茨泵1，或水环泵2和罗茨泵2）都能够提供足够的动力来减少管内的空气压力。

图3，具有空气抽取设备的真空管道系统：（a）有限元强度分析的管壁三维应力分布，（b）早期在2米长的ETT管模型上进行真空测试的照片，（c）空气提取设备和各种机器的示意图

表2，混合空气抽取设备的参数

水环泵 最大能力 26m³/min

转速 740r/min

最大压力 3.3kPa

电机功率 45kw

罗茨泵 抽取速度 1000/1200 m3/h

电机频率 50/60Hz

最大压力 8kPa

C.驱动和监视组件 全文共15574字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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