高速列车空气动力学实验的利器（2） 力学所研制成功的动模型实验平台有哪些创新点？

为什么说力学所研制成功的大型动模型实验平台是世界上独一无二的高速列车空气动力学实验装置呢？因为它采用了独创的压缩空气驱动加速技术和磁流制动减速技术，拥有完全自主知识产权。 我们已经知道，动模型实验和风洞实验完全不同，它是让列车模型以真实时速在模型轨道上运动，然后在运动的模型上取得所需的气动特性参数。这样，对于研制动模型实验平台的具体要求就是：在一个有限距离上（例如，100-300米），让一个放置在模型轨道上的大而重的列车模型，从静止开始运动，迅速达到300-500千米/小时的速度，在实验段内平稳运行并完成数据测试后，迅速减速，重新静止下来。如果模仿前人的研究成果，那可能有两种技术可以用来加速模型：（1）弹性绳索。绳索被拉长时就存储了势能，然后将它放松，势能就释放出来并可以转换为模型的动能。为了增加驱动模型的动能，还可以将拉长的绳索缠绕在滑轮上。但这种方式不可能使动模型的速度超过300千米/小时。（2）压缩空气。传统方法是将模型放置在一个管道中，直接利用压缩的空气来推动模型运动。只要压缩空气的压力足够高，300千米/小时或更高的模型速度可以达到。但这种方法对于高速列车实验而言存在不少问题，例如：模型的尺寸受到发射管道内径的限制，不易实现压缩空气的密封，安装用于减速的制动装置有较大难度，双向运行和带受电弓架模型的实验难以进行，从发射管流出的压缩空气会严重干扰模型实验过程。因此，对于高铁的动模型实验，这两种现有加速技术均不适用。至于如何使高速运动的模型迅速停止下来？传统的制动技术就是利用摩擦来消耗模型的动能。但是，对于尺寸和质量都很大而且速度高于300千米/小时的高速列车动模型而言，摩擦制动方式因动能巨大会使接触材料磨损严重甚至破坏和飞溅，从而影响实验平台的寿命并带来安全性问题。因此，对于高铁的动模型实验，这种现存减速技术同样也不适用。杨国伟研究团队必须另辟蹊跷，走出自己的路子来。这就是我们前面提到的压缩空气驱动加速技术和非接触式磁流制动减速技术，正是采用了这两项创新技术，他们研制成功了世界上独一无二的高速列车动模型实验平台。 这里，在具体说明动模型实验平台的组成结构和运行模式之前，我们先稍微具体解释一下这两项技术的要点。从字面上看，第一项依然是“压缩空气”技术，但是它不是如前所述的那种“直接”驱动而是一种新颖的“间接”驱动模式。这里，利用了一个和动模型相连接的“拖车”。压缩空气直接推动置于加速管中的活塞，再通过牵引绳索（所谓的“拖绳”）带动拖车在一个下轨道上滑动，动模型则是由拖车的另一根拖绳牵引而在上轨道滑动。这种间接驱动方式，不仅使得传统的直接驱动方式的所有弊病都化解掉了，而且相当的简单、经济和适用。相对而言，第二种技术比较直观易解，它是充分利用永久磁铁和铁质刹车板之间的非接触阻尼，使得实验模型和配套的拖车实现减速，稳定性和可靠性都非常高。但是，这些创新设想能否实现呢？杨国伟研究团队首先研制了一个小型的原理性动模型实验装置（参见图1,2）。该实验装置全长180米，列车模型加速段长度为40米，列车模型实验段长度为50米，减速段长度为90米。在这个小型的单轨实验装置上，他们完成了原理性实验，考察了这两项创新技术的可行性。在本文的附件中，我们给出了一段视频，让大家亲眼看看高速列车动模型是如何加速和减速的。 图1 小型原理性动模型实验装置（前视图）  

图2 原理性动模型实验装置（后视图） 图3是力学所钱学森工程科学实验基地的大型高速列车动模型实验平台的结构示意图。从图中可以看到，从结构上讲，整个平台系统由列车模型（Train Model）、拖车（Trailer）、上轨道（Upper Track）、下轨道（Lower Track）、拖车刹车板（Trailer Deceleration Plate）、列车模型刹车板（Train Model Deceleration Plate）、加速管（AccelerationTtube）和减速管（Deceleration Tube）等部件组成，拖车和列车模型之间有拖绳（Towrope）相连接。在加速管壁上开有压缩空气进气口（Compressed Air Entrance）和出气孔（Air Exit Hole），管内安有活塞（Piston），活塞也是通过拖绳（Towrope）和拖车连接起来。此外，从动模型的运行模式来看，整个平台系统可分为加速段（Acceleration Section）、实验段（Test Section）和减速段（Deceleration Section）等三个区段。由于轨道的摩擦很小，动模型在其实验段上，基本是以通过加速段后所达到的最大速度（即所需模拟的列车时速）做匀速运动。按照拖车的运行而言，它的加速段与动模型的是一致的，但减速段比模型的减速段提前启动，一旦拖车制动减速则模型的实验段随即开始。一般而言，模型实验段的长度应当确保所需研究的现象得以呈现而且所要求的数据测试完成；而加速段和减速段的长度，无论是模型的还是拖车的，均期望在确保加速和减速要求下尽可能的小。这些参数都是要通过原理性实验来确定的。

图3 大型动模型实验平台的结构示意图 当然，加速管还会有相应的配套设备——高压气罐（Compressed Air Chamber）和高压空气炮（Air Gun），图4中示出它们的结构示意。气罐是一个体积为3立方米的高压容器，在气罐的上方便是所谓的“空气炮”， 它由活塞（Piston）、主导杆（MasterCylinder）、销塞（Plug）和各种螺旋阀门（Solenoid Valve）构成，可以为加速管提供所需的高压驱动气体。

   

图4 气罐和高压空气炮结构示意图 下面我们就来简单说明一下动模型实验平台的运行程序。压缩空气预先储存在气罐中，利用高压空气炮可以将高压的压缩空气从气罐中释放出来，气流进入加速管并推动活塞向前方运动，活塞通过拖绳将拖车牵引沿着下轨道向前方滑动，拖车也通过拖绳来牵引列车模型沿着上轨道滑动。动模型在加速段内基本是做匀加速运动，当活塞通过出气孔后，气流从孔中泄出，加速过程停止。此时拖车进入拖车刹车板的区域内，拖车的磁流制动机制开始起作用使之减速，同时动模型依靠自身惯性自动与拖车分离（即二者间的拖绳解离），并凭借惯性继续沿上轨道向前做匀速运动。这样，动模型进入了实验段运行的状态，达到所设定的最大时速。当拖车开始凭借磁流制动机制进行减速时，也导致了活塞以及相应拖绳的减速，最终这三个部件都会停止下来。当列车模型通过实验段以后，它开始在模型刹车板上运动，相应的磁流制动减速过程启动，模型开始减速直至完全平稳停止。 图5是拖车磁流制动装置的结构示意。其中，若干圆柱状磁铁（Cylindrical magnet）安装在拖车框架（Trailer frame）中，这些永久磁铁是水平放置的，它们的极性取向相同。拖车框架上方还固定有两块可以在下轨道上滑行的滑块（Trailer Slider）。当拖车运动进入下轨道下方的两块L型拖车刹车板之间时，磁流制动作用会导致拖车减速。刹车板由不锈钢板制作，亦称之为“阻尼板”（Damping Plate），竖直地固定在实验平台的底座上，两板之间的间隙恰好允许拖车通过。由于拖车框架里的永久磁铁和刹车板之间发生了相对运动，在刹车板内会感应产生电流并形成了涡流磁力（Eddy-Current Magnetic Force），从而实现了对拖车的非接触的阻尼（制动）。对于列车模型，其底架上也安装着一些永久磁铁，但它们是竖直放置的而且极性的取向也相同。此外，底架上也有可以在上轨道滑行的滑块。在模型减速段，上轨道的两轨之间安置着刹车板，此刹车板是水平放置的。当模型运动进入减速区时，永久磁铁和刹车板之间的相对运动又导致了对动模型的磁流制动。我们不难发现，拖车和模型的磁流制动装置在结构上有两个区别：（1）前者的永久磁铁是水平放置而刹车板是竖直放置的；后者的永久磁铁竖直放置而刹车板水平放置。这是由于要适合实验平台的结构要求而设计的。（2）拖车的刹车板有两块，永久磁铁在二者之间运动；模型的刹车板只有一块，永久磁铁在其上方运动。由于列车模型的磁流制动装置只有一块钢板，与拖车相比，所产生的制动磁力较小，减速段距离相对较长，但制动过程更为平稳。  

图5 拖车磁流制动装置示意图：（a）横断面；（b）侧视图

如前所述，原理性实验表明了这个动模型实验平台的创新构思是可行的。原理性实验的实测结果表明：在180米长的实验装置上，可以把34.8千克的列车实验模型从静止基本均匀地加速至350千米/小时以上，并能基本以匀减速将其安全回收。原理性动模型实验装置的成功研制，为外形尺寸的缩比为1:8、最高时速超越500千米、列车实验模型在100千克以上、长度为264米的双向对开的动模型实验平台的研制提供了可靠和坚实的运行原理、结构参数和技术基础。在研制成功的大型动模型实验平台上，杨国伟研究团队也开展了初步的实验研究，这里给出部分结果。图6是模型速度（Speed）对于压缩空气压力（Pressure）的依赖关系。他们实验了两种不同质量的模型，重模型为265千克，轻模型为106千克，而拖车质量为51千克。图中给出了三种情况，实验数据表明：如果仅驱动拖车，空气压力为8大气压时便可达到500千米/小时的速度；如果驱动轻模型，空气压力为21大气压时方可达到500千米/小时的速度；然而若要驱动重模型，空气压力为24大气压时速度只能达到400千米/小时。图7则是制动距离（BrakingDistance）对模型最大速度（Speed）的依赖关系。同样是对于三种情况，实验数据表明：如果仅制动拖车，速度为500千米/小时的拖车只需40米便可停止下来；如果制动轻模型，速度为500千米/小时的模型需要60米以上的距离才可停止下来；如弱要制动重模型，速度为400千米/小时的模型也需要60米以上的距离方可停止下来。  

图6 模型速度对于压缩空气压力的依赖关系

图7 制动距离对模型速度的依赖关系

这些结果表明了，两项创新技术完全可行，大型动模型实验平台可以承担高速列车空气动力学实验任务。这个“利器”必将为我国高铁的发展做出重要贡献。

（王柏懿撰文） 附件：在小型原理性实验装置上动模型的加速与减速过程实况（视频）