高速列車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的利器（2） 力學(xué)所研制成功的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有哪些創(chuàng)新點(diǎn)？

為什么說力學(xué)所研制成功的大型動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是世界上獨(dú)一無二的高速列車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置呢？因?yàn)樗捎昧霜?dú)創(chuàng)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)和磁流制動(dòng)減速技術(shù)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 我們已經(jīng)知道，動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)完全不同，它是讓列車模型以真實(shí)時(shí)速在模型軌道上運(yùn)動(dòng)，然后在運(yùn)動(dòng)的模型上取得所需的氣動(dòng)特性參數(shù)。這樣，對(duì)于研制動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體要求就是：在一個(gè)有限距離上（例如，100-300米），讓一個(gè)放置在模型軌道上的大而重的列車模型，從靜止開始運(yùn)動(dòng)，迅速達(dá)到300-500千米/小時(shí)的速度，在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行并完成數(shù)據(jù)測(cè)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(shù)可以用來加速模型：（1）彈性繩索。繩索被拉長時(shí)就存儲(chǔ)了勢(shì)能，然后將它放松，勢(shì)能就釋放出來并可以轉(zhuǎn)換為模型的動(dòng)能。為了增加驅(qū)動(dòng)模型的動(dòng)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(dòng)模型的速度超過300千米/小時(shí)。（2）壓縮空氣。傳統(tǒng)方法是將模型放置在一個(gè)管道中，直接利用壓縮的空氣來推動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)。只要壓縮空氣的壓力足夠高，300千米/小時(shí)或更高的模型速度可以達(dá)到。但這種方法對(duì)于高速列車實(shí)驗(yàn)而言存在不少問題，例如：模型的尺寸受到發(fā)射管道內(nèi)徑的限制，不易實(shí)現(xiàn)壓縮空氣的密封，安裝用于減速的制動(dòng)裝置有較大難度，雙向運(yùn)行和帶受電弓架模型的實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行，從發(fā)射管流出的壓縮空氣會(huì)嚴(yán)重干擾模型實(shí)驗(yàn)過程。因此，對(duì)于高鐵的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，這兩種現(xiàn)有加速技術(shù)均不適用。至于如何使高速運(yùn)動(dòng)的模型迅速停止下來？傳統(tǒng)的制動(dòng)技術(shù)就是利用摩擦來消耗模型的動(dòng)能。但是，對(duì)于尺寸和質(zhì)量都很大而且速度高于300千米/小時(shí)的高速列車動(dòng)模型而言，摩擦制動(dòng)方式因動(dòng)能巨大會(huì)使接觸材料磨損嚴(yán)重甚至破壞和飛濺，從而影響實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的壽命并帶來安全性問題。因此，對(duì)于高鐵的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，這種現(xiàn)存減速技術(shù)同樣也不適用。楊國偉研究團(tuán)隊(duì)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(qū)動(dòng)加速技術(shù)和非接觸式磁流制動(dòng)減速技術(shù)，正是采用了這兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，他們研制成功了世界上獨(dú)一無二的高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 這里，在具體說明動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式之前，我們先稍微具體解釋一下這兩項(xiàng)技術(shù)的要點(diǎn)。從字面上看，第一項(xiàng)依然是“壓縮空氣”技術(shù)，但是它不是如前所述的那種“直接”驅(qū)動(dòng)而是一種新穎的“間接”驅(qū)動(dòng)模式。這里，利用了一個(gè)和動(dòng)模型相連接的“拖車”。壓縮空氣直接推動(dòng)置于加速管中的活塞，再通過牽引繩索（所謂的“拖繩”）帶動(dòng)拖車在一個(gè)下軌道上滑動(dòng)，動(dòng)模型則是由拖車的另一根拖繩牽引而在上軌道滑動(dòng)。這種間接驅(qū)動(dòng)方式，不僅使得傳統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)方式的所有弊病都化解掉了，而且相當(dāng)?shù)暮唵?、?jīng)濟(jì)和適用。相對(duì)而言，第二種技術(shù)比較直觀易解，它是充分利用永久磁鐵和鐵質(zhì)剎車板之間的非接觸阻尼，使得實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃团涮椎耐宪噷?shí)現(xiàn)減速，穩(wěn)定性和可靠性都非常高。但是，這些創(chuàng)新設(shè)想能否實(shí)現(xiàn)呢？楊國偉研究團(tuán)隊(duì)首先研制了一個(gè)小型的原理性動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置（參見圖1,2）。該實(shí)驗(yàn)裝置全長180米，列車模型加速段長度為40米，列車模型實(shí)驗(yàn)段長度為50米，減速段長度為90米。在這個(gè)小型的單軌實(shí)驗(yàn)裝置上，他們完成了原理性實(shí)驗(yàn)，考察了這兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)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(dòng)模型是如何加速和減速的。 圖1 小型原理性動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置（前視圖）  

圖2 原理性動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置（后視圖） 圖3是力學(xué)所錢學(xué)森工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的大型高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看到，從結(jié)構(gòu)上講，整個(gè)平臺(tái)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(jìn)氣口（Compressed Air Entrance）和出氣孔（Air Exit Hole），管內(nèi)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(dòng)模型的運(yùn)行模式來看，整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)可分為加速段（Acceleration Section）、實(shí)驗(yàn)段（Test Section）和減速段（Deceleration Section）等三個(gè)區(qū)段。由于軌道的摩擦很小，動(dòng)模型在其實(shí)驗(yàn)段上，基本是以通過加速段后所達(dá)到的最大速度（即所需模擬的列車時(shí)速）做勻速運(yùn)動(dòng)。按照拖車的運(yùn)行而言，它的加速段與動(dòng)模型的是一致的，但減速段比模型的減速段提前啟動(dòng)，一旦拖車制動(dòng)減速則模型的實(shí)驗(yàn)段隨即開始。一般而言，模型實(shí)驗(yàn)段的長度應(yīng)當(dāng)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(cè)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(shí)驗(yàn)來確定的。

圖3 大型動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)然，加速管還會(huì)有相應(yīng)的配套設(shè)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(jié)構(gòu)示意。氣罐是一個(gè)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(dǎo)桿（MasterCylinder）、銷塞（Plug）和各種螺旋閥門（Solenoid Valve）構(gòu)成，可以為加速管提供所需的高壓驅(qū)動(dòng)氣體。

   

圖4 氣罐和高壓空氣炮結(jié)構(gòu)示意圖 下面我們就來簡單說明一下動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行程序。壓縮空氣預(yù)先儲(chǔ)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(jìn)入加速管并推動(dòng)活塞向前方運(yùn)動(dòng)，活塞通過拖繩將拖車牽引沿著下軌道向前方滑動(dòng)，拖車也通過拖繩來牽引列車模型沿著上軌道滑動(dòng)。動(dòng)模型在加速段內(nèi)基本是做勻加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞通過出氣孔后，氣流從孔中泄出，加速過程停止。此時(shí)拖車進(jìn)入拖車剎車板的區(qū)域內(nèi)，拖車的磁流制動(dòng)機(jī)制開始起作用使之減速，同時(shí)動(dòng)模型依靠自身慣性自動(dòng)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(yùn)動(dòng)。這樣，動(dòng)模型進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)段運(yùn)行的狀態(tài)，達(dá)到所設(shè)定的最大時(shí)速。當(dāng)拖車開始憑借磁流制動(dòng)機(jī)制進(jìn)行減速時(shí)，也導(dǎo)致了活塞以及相應(yīng)拖繩的減速，最終這三個(gè)部件都會(huì)停止下來。當(dāng)列車模型通過實(shí)驗(yàn)段以后，它開始在模型剎車板上運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的磁流制動(dòng)減速過程啟動(dòng)，模型開始減速直至完全平穩(wěn)停止。 圖5是拖車磁流制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)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(dāng)拖車運(yùn)動(dòng)進(jìn)入下軌道下方的兩塊L型拖車剎車板之間時(shí)，磁流制動(dòng)作用會(huì)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(duì)運(yùn)動(dòng)，在剎車板內(nèi)會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生電流并形成了渦流磁力（Eddy-Current Magnetic Force），從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)拖車的非接觸的阻尼（制動(dòng)）。對(duì)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(dāng)模型運(yùn)動(dòng)進(jìn)入減速區(qū)時(shí)，永久磁鐵和剎車板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又導(dǎo)致了對(duì)動(dòng)模型的磁流制動(dòng)。我們不難發(fā)現(xiàn)，拖車和模型的磁流制動(dòng)裝置在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)要求而設(shè)計(jì)的。（2）拖車的剎車板有兩塊，永久磁鐵在二者之間運(yùn)動(dòng)；模型的剎車板只有一塊，永久磁鐵在其上方運(yùn)動(dòng)。由于列車模型的磁流制動(dòng)裝置只有一塊鋼板，與拖車相比，所產(chǎn)生的制動(dòng)磁力較小，減速段距離相對(duì)較長，但制動(dòng)過程更為平穩(wěn)。  

圖5 拖車磁流制動(dòng)裝置示意圖：（a）橫斷面；（b）側(cè)視圖

如前所述，原理性實(shí)驗(yàn)表明了這個(gè)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新構(gòu)思是可行的。原理性實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明：在180米長的實(shí)驗(yàn)裝置上，可以把34.8千克的列車實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷撵o止基本均勻地加速至350千米/小時(shí)以上，并能基本以勻減速將其安全回收。原理性動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置的成功研制，為外形尺寸的縮比為1:8、最高時(shí)速超越500千米、列車實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮?00千克以上、長度為264米的雙向?qū)﹂_的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制提供了可靠和堅(jiān)實(shí)的運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)基礎(chǔ)。在研制成功的大型動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，楊國偉研究團(tuán)隊(duì)也開展了初步的實(shí)驗(yàn)研究，這里給出部分結(jié)果。圖6是模型速度（Speed）對(duì)于壓縮空氣壓力（Pressure）的依賴關(guān)系。他們實(shí)驗(yàn)了兩種不同質(zhì)量的模型，重模型為265千克，輕模型為106千克，而拖車質(zhì)量為51千克。圖中給出了三種情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：如果僅驅(qū)動(dòng)拖車，空氣壓力為8大氣壓時(shí)便可達(dá)到500千米/小時(shí)的速度；如果驅(qū)動(dòng)輕模型，空氣壓力為21大氣壓時(shí)方可達(dá)到500千米/小時(shí)的速度；然而若要驅(qū)動(dòng)重模型，空氣壓力為24大氣壓時(shí)速度只能達(dá)到400千米/小時(shí)。圖7則是制動(dòng)距離（BrakingDistance）對(duì)模型最大速度（Speed）的依賴關(guān)系。同樣是對(duì)于三種情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：如果僅制動(dòng)拖車，速度為500千米/小時(shí)的拖車只需40米便可停止下來；如果制動(dòng)輕模型，速度為500千米/小時(shí)的模型需要60米以上的距離才可停止下來；如弱要制動(dòng)重模型，速度為400千米/小時(shí)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(duì)于壓縮空氣壓力的依賴關(guān)系

圖7 制動(dòng)距離對(duì)模型速度的依賴關(guān)系

這些結(jié)果表明了，兩項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)完全可行，大型動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以承擔(dān)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這個(gè)“利器”必將為我國高鐵的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

（王柏懿撰文） 附件：在小型原理性實(shí)驗(yàn)裝置上動(dòng)模型的加速與減速過程實(shí)況（視頻）