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“飞铁”时速4千公里啥概念?可能从北京加速到上海

极品风水师 

[摘要]时速4000公里,是地面音速的3倍、步枪子弹出膛速度的1.5倍。许多人最关注的还是舒适性和安全性的问题。航天科工近期会首先突破时速1000公里这个“小目标”。但对于“北京到上海半小时”这个美好的憧憬,他们尚未给出具体时间表。

近日,中国航天科工集团正在论证研制的“最高时速4000公里”高速飞行列车在网络上“刷屏”,被网友称为“飞铁”,也引发了对“北京到上海半小时”的未来憧憬。毕竟,目前“和谐号”高铁的最高时速为350公里 “高速飞行列车”要快出10倍。

据航天科工透露,“高速飞行列车”的原理是利用超导磁悬浮技术和真空管道,实现超音速的“近地飞行”。

时速4000公里,意味着车中乘客的速度,是地面音速的3倍、步枪子弹出膛速度的1.5倍。面对这个数字,许多人最关注的还是舒适性和安全性的问题。对人体来说,“飞”得比子弹还快究竟意味着什么呢?

站点要“远”:以磁悬浮的加速度,要从北京一路加速到上海

首先,对于“坐地日行八万里”的我们来说,速度本身并不是关键,关键在于加速度。

要通俗地理解加速度给人带来的感受,可以参考超级跑车全力启动的过程。一辆能够做到3秒内突破百公里时速的超级跑车,其最快加速度可以超过1g(重力加速度,约为9.8m/s2 ),这时,驾驶者会有一个强烈的“推背感”,感觉人像是被紧紧地钉在座椅上,这个力的大小,相当于一个人压在自己的身上。

中国工程院院士、空军航空医学研究所航空医学工程研究中心主任俞梦孙曾介绍,战机飞行员一般需要承受高达9g的加速度,但飞行员可能会出现黑视或晕厥的现象。

“神舟”十一号航天员陈冬也曾向公众描述过训练时体验4g加速度时的感受:身体像被三个自己牢牢按死,眼泪直流,十分狼狈。

但这种加速持续时间只是数秒或几十秒,是瞬间的事。对于一般的交通运输工具来说,设计者要权衡加速度、加速时间和加速路程,尽量保证乘客的舒适性。

8月31日,航天科工三院三部“高速飞行列车”技术总负责人毛凯回应媒体称:“列车进入高速运行状态前有个缓慢的加速过程,加速度比飞机启动要小”。

在“缓慢加速”的情况下,加速时间和加速距离都会相应增加。波音787客机启动的加速度约为0.25g,以0.25g加速到时速4000公里,加速时间约为450秒,即7.5分钟,加速距离约为250公里。

而上海磁悬浮列车目前的启动加速度约为0.06g,以这个速度加速到时速4000公里,加速时间约为1890秒,即31.5分钟,加速距离约为1050公里。

北京至上海的直线距离为1084公里。也就是说,如果以磁悬浮列车的加速度,乘客从北京出发,开始一路加速,到上海差不多刚刚达到最高时速。

而如果在北京和上海的中点设置一站,以波音787客机的加速度,“高速飞行列车”从加速到最高时速,再马上减速至停止,正好是一站的距离。

如此压缩列车的平稳运行时间,不利于乘客的舒适度。因此,如果要实现时速4000公里的“高速飞行列车”,两站之间的距离必须非常远。

线路要又“直”又“平”:如何转弯、过桥

如此,“高速飞行列车”又面临第二个挑战:弯道和桥梁。

长达数千公里的行驶距离,肯定要跨越不同的海拔以及复杂变化的地形,比如山脉、高原、盆地、平原、丘陵、河流甚至海洋。这就需要转弯以回避线路上的险阻。但在向心加速度相同的情况下,列车运行速度和能承受的最小曲线半径(编注:非专业场合称之为转弯半径)成平方关系。也就是说,“高速飞行列车”比高铁的速度快了10倍,那它在实际运行中需要的最小曲线半径可能要以百倍计算。

可查资料显示,最高时速350公里的京沪线上的最小曲线半径7公里左右。这意味着,乘客要达到高铁的舒适程度,最高时速4000公里“飞铁”的最小曲线半径得是900公里左右。900公里左右的最小曲线半径,基本已经不具备在地面上的转弯能力。怎么理解这个概念呢?只有从太空中,才能发现这条地面上的“直线”是“弯”的。

为了在工程上可行,“飞铁”就得缩小最小曲线半径。这就涉及到乘客舒适度的问题。简单来说,列车启动时的加速度带给人“推背感”,而转弯时的向心加速度会带给人“甩飞感”。

假设最高时速4000公里的“飞铁”在转弯时将速度降至最高时速的25%即1000公里,最小曲线半径与高铁一致也是7公里,那么乘客在转弯时就会承受1.24个g的向心加速度。这相当于在横向或者斜向上,给乘客身体上再施加一个多人的重量,这会带来很强的压迫感。打个比方,相当于每次转弯,都是激烈的过山车体验。

与轨道的弯道问题相似的,是轨道桥梁问题。在时速4000公里下,轻微的曲率都可能造成一定程度的失重。这就意味着,“高速飞行列车”的真空管道不仅要在水平方向上减少拐弯程度,也要在垂直方向上减少坡度变化,否则,列车的安全性和舒适性难以保障。

此外,在安全性方面,成倍提高的速度也会要求成倍的制动和预警能力。因为最高时速是4000公里,紧急制动距离会很长。可做比较的是,轿车在紧急制动,即一脚刹车踩到底的情况下,加速度是-1g左右,在时速100公里的情况下制动距离需要39米。时速4000公里,如果加速度也是-1g,紧急制动距离需要63公里。这意味着,得确保前方线路63公里之内都没有任故障,否则后果不堪设想。

此外,“飞铁”紧急制动时间得用113秒,可做参考的是,百公里时速的轿车紧急制动是3秒不到。在这个过程中,乘客会极度不适,有飞出去的感觉。事实上,在轿车制动中,如果不系安全带,人已经飞出车外了。

总而言之,最高时速4000公里的列车,一方面需要站点设置得尽量“远”,一方面又需要线路设计得尽量又“直”又“平”,这给工程建设提出了极大挑战。毕竟,按前文推导,“高速飞行列车”覆盖距离需要以千公里计算,而中国疆域的东西距离为5200公里,南北距离为5500公里,其间地势地形变化多端,十分复杂。

尚未有研制时间表?

时速4000公里是航天科工为“高速飞行列车”规划的最后一步,在近期内,航天科工会首先突破时速1000公里这个“小目标”。但对于“北京到上海半小时”这个美好的憧憬,他们尚未给出具体时间表。

8月30日,在武汉举办的第三届中国(国际)商业航天高峰论坛上,毛凯告诉媒体,中国航天科工集团,将按三步走方案研发高速飞行列车——

第一步,2020年前完成关键技术突破;2023年前完成全系统演示验证,同步形成时速600公里载人能力,研制出最大运行时速1000公里的列车,建设区域性城市飞行列车交通网;

第二步,2027年前,研制出最高时速2000公里的列车,建设国家超级城市群飞行列车交通网;

第三步,研制出最高时速4000公里的列车,建设“一带一路”飞行列车交通网。

8月31日,毛凯对媒体表示,目前该项目的研制节点和涉及技术路径还处于保密的阶段,不方便透露研制时间表,但是已经有了方案,目前已经在研究论证。同时航天科工已经建立了一支“高速飞行列车”的研发团队。

毛凯进一步表示希望能给研发人员一个宽容和安静的氛围,让他们一步一步去把这个科研项目完成:“希望大家拭目以待,等下一步消息吧。”

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发布时间:2017-09-20 06:06:01

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