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高速列車空氣動力學實驗的利器（2）
力學園地
2016年01月04日高速列車空氣動力學實驗的利器（2） 力學所研制成功的動模型實驗平臺有哪些創(chuàng)新點？
為什么說力學所研制成功的大型動模型實驗平臺是世界上獨一無二的高速列車空氣動力學實驗裝置呢？因為它采用了獨創(chuàng)的壓縮空氣驅動加速技術和磁流制動減速技術，擁有完全自主知識產(chǎn)權。 我們已經(jīng)知道，動模型實驗和風洞實驗完全不同，它是讓列車模型以真實時速在模型軌道上運動，然后在運動的模型上取得所需的氣動特性參數(shù)。這樣，對于研制動模型實驗平臺的具體要求就是：在一個有限距離上（例如，100-300米），讓一個放置在模型軌道上的大而重的列車模型，從靜止開始運動，迅速達到300-500千米/小時的速度，在實驗段內平穩(wěn)運行并完成數(shù)據(jù)測試后，迅速減速，重新靜止下來。如果模仿前人的研究成果，那可能有兩種技術可以用來加速模型：（1）彈性繩索。繩索被拉長時就存儲了勢能，然后將它放松，勢能就釋放出來并可以轉換為模型的動能。為了增加驅動模型的動能，還可以將拉長的繩索纏繞在滑輪上。但這種方式不可能使動模型的速度超過300千米/小時。（2）壓縮空氣。傳統(tǒng)方法是將模型放置在一個管道中，直接利用壓縮的空氣來推動模型運動。只要壓縮空氣的壓力足夠高，300千米/小時或更高的模型速度可以達到。但這種方法對于高速列車實驗而言存在不少問題，例如：模型的尺寸受到發(fā)射管道內徑的限制，不易實現(xiàn)壓縮空氣的密封，安裝用于減速的制動裝置有較大難度，雙向運行和帶受電弓架模型的實驗難以進行，從發(fā)射管流出的壓縮空氣會嚴重干擾模型實驗過程。因此，對于高鐵的動模型實驗，這兩種現(xiàn)有加速技術均不適用。至于如何使高速運動的模型迅速停止下來？傳統(tǒng)的制動技術就是利用摩擦來消耗模型的動能。但是，對于尺寸和質量都很大而且速度高于300千米/小時的高速列車動模型而言，摩擦制動方式因動能巨大會使接觸材料磨損嚴重甚至破壞和飛濺，從而影響實驗平臺的壽命并帶來安全性問題。因此，對于高鐵的動模型實驗，這種現(xiàn)存減速技術同樣也不適用。楊國偉研究團隊必須另辟蹊蹺，走出自己的路子來。這就是我們前面提到的壓縮空氣驅動加速技術和非接觸式磁流制動減速技術，正是采用了這兩項創(chuàng)新技術，他們研制成功了世界上獨一無二的高速列車動模型實驗平臺。 這里，在具體說明動模型實驗平臺的組成結構和運行模式之前，我們先稍微具體解釋一下這兩項技術的要點。從字面上看，第一項依然是“壓縮空氣”技術，但是它不是如前所述的那種“直接”驅動而是一種新穎的“間接”驅動模式。這里，利用了一個和動模型相連接的“拖車”。壓縮空氣直接推動置于加速管中的活塞，再通過牽引繩索（所謂的“拖繩”）帶動拖車在一個下軌道上滑動，動模型則是由拖車的另一根拖繩牽引而在上軌道滑動。這種間接驅動方式，不僅使得傳統(tǒng)的直接驅動方式的所有弊病都化解掉了，而且相當?shù)暮唵?、?jīng)濟和適用。相對而言，第二種技術比較直觀易解，它是充分利用永久磁鐵和鐵質剎車板之間的非接觸阻尼，使得實驗模型和配套的拖車實現(xiàn)減速，穩(wěn)定性和可靠性都非常高。但是，這些創(chuàng)新設想能否實現(xiàn)呢？楊國偉研究團隊首先研制了一個小型的原理性動模型實驗裝置（參見圖1,2）。該實驗裝置全長180米，列車模型加速段長度為40米，列車模型實驗段長度為50米，減速段長度為90米。在這個小型的單軌實驗裝置上，他們完成了原理性實驗，考察了這兩項創(chuàng)新技術的可行性。在本文的附件中，我們給出了一段視頻，讓大家親眼看看高速列車動模型是如何加速和減速的。 
圖1 小型原理性動模型實驗裝置（前視圖） 
圖2 原理性動模型實驗裝置（后視圖） 圖3是力學所錢學森工程科學實驗基地的大型高速列車動模型實驗平臺的結構示意圖。從圖中可以看到，從結構上講，整個平臺系統(tǒng)由列車模型（Train Model）、拖車（Trailer）、上軌道（Upper Track）、下軌道（Lower Track）、拖車剎車板（Trailer Deceleration Plate）、列車模型剎車板（Train Model Deceleration Plate）、加速管（AccelerationTtube）和減速管（Deceleration Tube）等部件組成，拖車和列車模型之間有拖繩（Towrope）相連接。在加速管壁上開有壓縮空氣進氣口（Compressed Air Entrance）和出氣孔（Air Exit Hole），管內安有活塞（Piston），活塞也是通過拖繩（Towrope）和拖車連接起來。此外，從動模型的運行模式來看，整個平臺系統(tǒng)可分為加速段（Acceleration Section）、實驗段（Test Section）和減速段（Deceleration Section）等三個區(qū)段。由于軌道的摩擦很小，動模型在其實驗段上，基本是以通過加速段后所達到的最大速度（即所需模擬的列車時速）做勻速運動。按照拖車的運行而言，它的加速段與動模型的是一致的，但減速段比模型的減速段提前啟動，一旦拖車制動減速則模型的實驗段隨即開始。一般而言，模型實驗段的長度應當確保所需研究的現(xiàn)象得以呈現(xiàn)而且所要求的數(shù)據(jù)測試完成；而加速段和減速段的長度，無論是模型的還是拖車的，均期望在確保加速和減速要求下盡可能的小。這些參數(shù)都是要通過原理性實驗來確定的。
圖3 大型動模型實驗平臺的結構示意圖 當然，加速管還會有相應的配套設備——高壓氣罐（Compressed Air Chamber）和高壓空氣炮（Air Gun），圖4中示出它們的結構示意。氣罐是一個體積為3立方米的高壓容器，在氣罐的上方便是所謂的“空氣炮”， 它由活塞（Piston）、主導桿（MasterCylinder）、銷塞（Plug）和各種螺旋閥門（Solenoid Valve）構成，可以為加速管提供所需的高壓驅動氣體。
圖4 氣罐和高壓空氣炮結構示意圖 下面我們就來簡單說明一下動模型實驗平臺的運行程序。壓縮空氣預先儲存在氣罐中，利用高壓空氣炮可以將高壓的壓縮空氣從氣罐中釋放出來，氣流進入加速管并推動活塞向前方運動，活塞通過拖繩將拖車牽引沿著下軌道向前方滑動，拖車也通過拖繩來牽引列車模型沿著上軌道滑動。動模型在加速段內基本是做勻加速運動，當活塞通過出氣孔后，氣流從孔中泄出，加速過程停止。此時拖車進入拖車剎車板的區(qū)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(xù)沿上軌道向前做勻速運動。這樣，動模型進入了實驗段運行的狀態(tài)，達到所設定的最大時速。當拖車開始憑借磁流制動機制進行減速時，也導致了活塞以及相應拖繩的減速，最終這三個部件都會停止下來。當列車模型通過實驗段以后，它開始在模型剎車板上運動，相應的磁流制動減速過程啟動，模型開始減速直至完全平穩(wěn)停止。 圖5是拖車磁流制動裝置的結構示意。其中，若干圓柱狀磁鐵（Cylindrical magnet）安裝在拖車框架（Trailer frame）中，這些永久磁鐵是水平放置的，它們的極性取向相同。拖車框架上方還固定有兩塊可以在下軌道上滑行的滑塊（Trailer Slider）。當拖車運動進入下軌道下方的兩塊L型拖車剎車板之間時，磁流制動作用會導致拖車減速。剎車板由不銹鋼板制作，亦稱之為“阻尼板”（Damping Plate），豎直地固定在實驗平臺的底座上，兩板之間的間隙恰好允許拖車通過。由于拖車框架里的永久磁鐵和剎車板之間發(fā)生了相對運動，在剎車板內會感應產(chǎn)生電流并形成了渦流磁力（Eddy-Current Magnetic Force），從而實現(xiàn)了對拖車的非接觸的阻尼（制動）。對于列車模型，其底架上也安裝著一些永久磁鐵，但它們是豎直放置的而且極性的取向也相同。此外，底架上也有可以在上軌道滑行的滑塊。在模型減速段，上軌道的兩軌之間安置著剎車板，此剎車板是水平放置的。當模型運動進入減速區(qū)時，永久磁鐵和剎車板之間的相對運動又導致了對動模型的磁流制動。我們不難發(fā)現(xiàn)，拖車和模型的磁流制動裝置在結構上有兩個區(qū)別：（1）前者的永久磁鐵是水平放置而剎車板是豎直放置的；后者的永久磁鐵豎直放置而剎車板水平放置。這是由于要適合實驗平臺的結構要求而設計的。（2）拖車的剎車板有兩塊，永久磁鐵在二者之間運動；模型的剎車板只有一塊，永久磁鐵在其上方運動。由于列車模型的磁流制動裝置只有一塊鋼板，與拖車相比，所產(chǎn)生的制動磁力較小，減速段距離相對較長，但制動過程更為平穩(wěn)。 
圖5 拖車磁流制動裝置示意圖：（a）橫斷面；（b）側視圖
如前所述，原理性實驗表明了這個動模型實驗平臺的創(chuàng)新構思是可行的。原理性實驗的實測結果表明：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。原理性動模型實驗裝置的成功研制，為外形尺寸的縮比為1:8、最高時速超越500千米、列車實驗模型在100千克以上、長度為264米的雙向對開的動模型實驗平臺的研制提供了可靠和堅實的運行原理、結構參數(shù)和技術基礎。在研制成功的大型動模型實驗平臺上，楊國偉研究團隊也開展了初步的實驗研究，這里給出部分結果。圖6是模型速度（Speed）對于壓縮空氣壓力（Pressure）的依賴關系。他們實驗了兩種不同質量的模型，重模型為265千克，輕模型為106千克，而拖車質量為51千克。圖中給出了三種情況，實驗數(shù)據(jù)表明：如果僅驅動拖車，空氣壓力為8大氣壓時便可達到500千米/小時的速度；如果驅動輕模型，空氣壓力為21大氣壓時方可達到500千米/小時的速度；然而若要驅動重模型，空氣壓力為24大氣壓時速度只能達到400千米/小時。圖7則是制動距離（BrakingDistance）對模型最大速度（Speed）的依賴關系。同樣是對于三種情況，實驗數(shù)據(jù)表明：如果僅制動拖車，速度為500千米/小時的拖車只需40米便可停止下來；如果制動輕模型，速度為500千米/小時的模型需要60米以上的距離才可停止下來；如弱要制動重模型，速度為400千米/小時的模型也需要60米以上的距離方可停止下來。 
圖6 模型速度對于壓縮空氣壓力的依賴關系
圖7 制動距離對模型速度的依賴關系
這些結果表明了，兩項創(chuàng)新技術完全可行，大型動模型實驗平臺可以承擔高速列車空氣動力學實驗任務。這個“利器”必將為我國高鐵的發(fā)展做出重要貢獻。（王柏懿撰文） 附件：在小型原理性實驗裝置上動模型的加速與減速過程實況（視頻）