风筝式接触网供电飞行客车可行性研究★

2022-02-11左雨莲张紫城付皓天何永明

山西建筑 2022年3期

左雨莲，张紫城，付皓天，仇越，何永明

(东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

低真空管道里的悬浮列车被称之为飞行列车[1]。2017年8月，中国航天科工公司启动时速1 000 km的高速飞行列车研发项目[2]。飞行列车工程旨在研制高速飞行列车[3]，通过近真空管道线路大幅度减小空气阻力，利用电磁推进技术提供强大的加速能力和高速巡航能力[4]。

飞行列车需要建设真空管道，和高铁一样成本高昂。风筝式接触网供电飞行客车不需要建设轨道或真空管道，仅需建设供电接触网即可，成本大大降低。目前法国已设计出“飞行列车”，可容纳160名乘客，时速可达1 000 km，俄罗斯也已有概念机型。

1 研究背景

1.1 国内外相关研究综述

自1888年科学家发明高架电缆后，世界上首条使用高架电缆的电气化铁路在1892年建成并投入使用。20世纪60年代起，多个国家均建置高速铁路。至今，铁路发展得到了很大的进步，与项目研究风筝式接触网供电式飞行客车相关高速交通工具有两个，即俄罗斯飞行火车与真空管道高速飞行列车[5]。

1)飞行火车现状。21世纪初期，来自俄罗斯的一家名叫Dahair Insast的公司，创新性的将飞机与火车进行结合，推出了一款新型的交通工具——飞行火车，然而它既不走空中航路也不按照普通轨道运行。

西伯利亚科学家在对飞行火车设计时将飞行火车架起来远离地面，并将客舱与轨道通过一个电力杆连接，轨道提供能量使其运行。

构想中，它的速度平均为500 km/h，最高速度能达到600 km/h，速度约为现有普通动车的3倍。虽然飞行火车的速度比不上飞机，但它的载客能力却十分强大，能够承载1 000人～2 000人。

目前飞行火车仍处于概念的设计阶段。

2)真空管道高速飞行列车现状。同样处于概念的设计阶段的类似设计有真空管道高速飞行列车，它是一种新型轨道交通技术，可实现磁浮列车在接近真空的低压管道内以低机械磨擦、低空气阻力、低噪声模式进行全天候、超高速(超过1 000 km/h)运行。

飞行火车与真空管道高速飞行列车存在着相似的问题：保障高速飞行列车安全运行的关键是列车-地面无线通信系统，一方面，安全类数据(包括列车运行控制、牵引控制、在途监测等数据)需要在车地间实时双向通信，并满足“低延时高可靠”的传输要求；另一方面，以上两种交通工具的安全性难以保障。

综上所述，风筝式接触网供电式飞行客车相关高速交通工具研究大多处于理论研究阶段，相信未来，飞行客车的研发将完善我国高速交通网，为现代化建设提供动力支持。

1.2 现实需求

目前世界上以水路、公路、航空、铁路、管道五种运输方式为主。

从现有交通方式自身分析，五种运输方式各有优劣，速度、载重、舒适性、价格等因素影响着人们对交通方式的选择。

以上五种运输方式在某个方面或某几个方面优势突出，但其他方面有所不足，这限制了它们的发展以及我国高速交通网的建设。从现实需要分析，总书记“两山”理论提出后，中国人民环保意识逐渐增强，限制燃油乃至替代燃油已然成为一种趋势，电动汽车、电动列车等等交通产品的出现也已逐渐替代了老式燃油、燃煤的交通产品，从而需要科研人员研究新型交通产品来适应时代的需求和人民的需求。

2 设计原理

本文在俄罗斯提出的飞行火车的基础上，提出风筝式接触网供电式飞行客车的概念(见图1)。

2021年，对俄罗斯飞行列车进行系统分析研究后，通过建模的方式对其进行复刻，由此开始构思风筝式接触网供电式飞行客车(见图2)。

在对俄罗斯飞行火车的基础上提出来第一种改进方案后对该想法进行了建模(见图3)。

然而第一种改进方法也存在一定的局限性。由于机翼占地面积较大，因此飞行过程中可能会受地形因素影响，对机翼造成一定的损坏。经过考虑后，提出了第二种改进方案(见图4)。

该方案采用螺旋桨加侧翼的形式来缩小整机的体积，使其能应对更多的复杂地形。

3 实质性技术特点和显著进步

3.1 实质性技术特点

道路，轨道，空中载运工具各自有续航差，造价高，消耗大的缺点。

供能装置一直以来都是发展运载工具的关键，而轨道供电的出现打破了供能装置的限制。电力机车通过第三轨或架空受电弓获取电能，使其电动机的容量不受内部的限制，而取决于供电系统的动力或温度。与此同时，由于它牵引能力大，能源节省，运营成本低，环境污染小，行驶质量高使其成为主要的发展对象。

“在客舱与轨道通过一个电力杆连接，轨道提供相应的能量使其运行。”

在对铁路纵断面设计中，对坡度的最大值，坡段的最小长度，相邻坡度的代数差，竖直线线性及半径等都有一定的要求。由于飞行客车脱离地面行驶，因而高架桥的设计可以忽略该因素对建设的影响，其成本也由此大大降低。

3.2 显著进步

阻力往往是制约载运工具速度的因素。人们也想了很多方法来降低阻力。轮子、气垫船、轨道、磁悬浮、真空……而达到此类要求设计出的交通工具大都需要极高的建设成本。

已知当前对外宣布开展大于1 000 km/h运输系统研究的公司主要有三家，且多采用航空超声波相关技术。其技术面临的困境为超导磁悬浮技术的工程化，超长距离的真空管道的研制与打造。项目落实难度大，技术研发周期过长，建设资金投入过大，使其发展较为困难。

而飞行客车拥有一个与生俱来的优势——脱离地面行驶，这也决定了其不受地面阻力的影响。在相同投入资金下，飞行客车的速度将远高于轨道载运工具。

目前世界上大多数国家资源分布不均匀，我国边疆地区及一些边远山区拥有较为优越的资源条件，却由于地处偏远，交通不便，难以开采运输，目前大部分高速运输方式造价普遍过高，使得这些地区产品难以大规模运输，造成资源闲置，导致这些地区空有资源而无法将其充分转化为经济优势。

风筝式接触网供电式飞行客车作为一种可以深入边疆地区，受地形限制小的新式高速交通工具，有助于国家对边远山区资源合理化开采利用，促进边疆地区经济发展和人民富裕。

4 应用前景

4.1 与高铁相比

高铁作为我国现有陆路交通的重要组成部分，有着速度快、运量大的优点，我国目前已经建设成四纵四横的高铁网络，据国家统计局数据，2014年—2018年五年中，我国铁路固定资产实际投资额皆为8 000亿元以上，我国高速交通已经进入“高铁时代”(见图5)。

我国已经成为世界上高铁里程最长、并且能够成网运营的国家。

1)建设成本。对高铁的建设成本的计算，首先要计算出高铁列车配套设施的建设成本。

投入在高铁列车配套设备建设中的成本与推动高铁运行的动力源相关(见表1)。

表1 国内主要高铁造价

高铁运行首先需要轮对的摩擦力，轮对的摩擦力由转动力产生，转动力来自于齿轮机械运作产生的动力，动力来源于电磁感应，所以高铁列车的动力为电，是一种非自带能源的机车。

风筝式接触网供电式飞行客车的动力同样是电能，它的运行设计为：将风筝式接触网供电式飞行客车架起来远离地面，并在客舱与轨道之间设置一个电力杆，由轨道提供电能使其运行。

通过对现有多条高铁轨道建设成本的综合对比，得出我国现有高铁轨道的铺设成本大概是每千米1亿元，而飞行客车铺设高架桥的成本会低于铺设高速轨道。

2)运行速度。国家铁路局对高铁的定义为：新建设计开行250 km/h(含预留)及以上动车组列车，初期运营速度不小于200 km/h的客运专线铁路,见表2。

表2 国内主要高铁运行速度

我国现有国内高铁设计最高时速一般为350 km/h，但实际运行中，高铁列车很难持续达到理想速度，高铁达速率受到多种因素的影响。

其一为线路建设因素。

以工况较好，技术要求严格的京沪高铁为例，由于京沪高铁线路在北京黄村附近存在近4 000 m半径的大弯道，限速270 km/h，为保障安全在大胜关大桥同样有着限速标准等。在我国高铁线路建设过程中，利用既有线路时基础线路条件差、线路中包括曲率半径等问题影响高铁速度的问题普遍存在，高铁在实际运行中很难长时间达到理想速度。

其二为列车实际运行状况。

出于保障乘客安全的考虑，高铁列车前后距离必须保持在安全值以内，当两车靠近到一定距离时，列控会向后方车辆发送限速指示，维持两车安全距离。

在风筝式接触网供电式飞行客车设计中，由于风筝式接触网供电式飞行客车沿高架桥上运行，受地形影响较小，运行速度最高能达到600 km/h，平均速度约为500 km/h，是普通高铁的2倍以上。

4.2 与飞机相比

1)避开我国航空发动机短板。当今传统的航空运输方式是使用飞机或其他航空器进行运输的一种形式，当前民航客机的速度平均可以达到900 km/h，是现存速度最快的交通工具。然而大部分飞机使用航空煤油，对环境污染较大。而风筝式接触网供电式飞行客车选择使用电能做供给能源，实现真正的绿色出行。

相比于飞机，它的动力装置发生了一定的转变，不再是以航空发动机作为动力系统产生推力，而是采用客舱与轨道通过一个电力杆连接，轨道提供相应的能量使其运行。目前绝大多数民航客机的发动机都是一种涡轮喷气式发动机。

作为一种典型技术密集型产品，航空发动机需要在高温、高压、高转速和高负载的特殊环境中长期反复工作，其对设计、加工及制造能力都有极高要求，飞行客车的动力来源于特殊高架桥通过电杆传输，跟航空发动机相比有造价较低，可操作性高，电能传输稳定的优势。

飞机需要付出一系列成本来配备机场，机组人员，维修人员，地面服务设备等。而风筝式接触网供电式飞行客车由于新能源供电，不需要宽阔的场地，只需铺设好能源供给的高架桥即可畅通无阻，节约能源和空间相关成本。

2)提高有效荷载(油箱)。不同于大多数飞机，本文中风筝式接触网供电式飞行客车以电能为主要能源提供，故不需要装载传统飞机笨重的油箱。一般而言，飞机总重达200 t，而油箱重量便达160 t，飞机的实际有效荷载最多只占总重的1/4，而通过电力杆传输高架桥为风筝式接触网供电式飞行客车提供电能，无油箱可以提高有效荷载。

3)能源优势。由于飞机以航空煤油作为燃料，航空煤油价钱高昂而且会产生大量污染，风筝式接触网供电式飞行客车通过接触网供电，以电能作为列车的驱动能源，有效地避免了燃烧燃料产生的空气污染，使出行更加绿色环保，同时降低成本。

4.3 与公路相比

对于汽车来说(包括传统燃油车和新能源汽车)，车速代表车辆的一个核心运动状态，影响着车辆扭矩请求、档位控制、稳定性控制等诸多功能。目前国内的高速限速大多120 km/h，国道限速一般80 km/h～60 km/h，街道一般在40 km/h～30 km/h，而家用汽车一般所能达到的最大速度只有140 km/h。而接触网供电式飞行客车相比于大多数家用汽车来说具有压倒性的速度优势。