范俊懷，黃 強

（1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司 線路站場設計院，天津 300308；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司 城市軌道與建筑設計院，天津 300308)

列車在地面高速運行所產生的巨大空氣阻力、強噪聲和高能耗，是軌道交通運行速度進一步提升無法逾越的障礙。為了進一步提高軌道交通的運行速度，人類社會必然會追求更高效的交通運輸工具，克服傳統(tǒng)鐵路存在的黏著極限、氣動阻力及輪軌噪聲問題，必須改變列車運行方式和環(huán)境，而真空管道磁浮系統(tǒng)可以提供一種可能性選擇[1-2]。超高速真空管道交通技術時速可以達到上千公里，具有比飛機能耗和環(huán)境污染小、安全性高、運載量大的優(yōu)點。雖然低真空管道高速磁浮系統(tǒng)已經提出數十年，但作為提供封閉運行環(huán)境的交通管道，迄今為止還沒有十分成熟的應用[3]，在交通領域的應用仍然停留在試驗設備上。實現真空超高速磁浮涉及很多的關鍵技術，其中乘客換乘車站內真空與常壓的轉換、真空管道環(huán)境乘客應急疏散及救援、真空管道散熱安全環(huán)境是真空超高速磁浮軌道交通需要重點解決的關鍵技術。

1 真空管道超高速磁浮交通乘客換乘轉換方案設計

真空管道超高速磁浮交通是在密閉管道環(huán)境下，列車懸浮在真空管道中實現無空氣阻力超高速運行，而車站和列車內部為保證乘客安全則處于常壓環(huán)境中，乘客如何安全、快速地從常壓環(huán)境的車站經過真空管道后進入列車內，實現乘客上、下車換乘轉換是需要重點考慮的問題。以下提出利用乘客換乘連接通道方案和利用管道內隔離門方案2 種真空與常壓之間轉換的設計方案。

1.1 利用乘客換乘連接通道方案

乘客換乘系統(tǒng)借鑒民航的登機橋方式，通過車站內設置連接通道與列車密封對接，從而實現換乘。連接通道主體材料采用可伸縮的鋼結構，接口處采用橡膠材料密封圈。當列車抵達車站以后，?？吭诠潭ǖ奈恢?，然后連接通道由常壓的車站向真空環(huán)境的管道內伸出，直至與列車車門無縫對接，接口處采用密封圈結構進行密封，實現與真空環(huán)境的隔離，然后對連接通道進行恢復大氣壓，在候車站臺、連接通道與車體內氣壓均滿足常壓情況，并達到平衡后，列車門開啟、通道門打開，最后乘客通過通道完成上下車。該方案最大的優(yōu)點是技術方案簡單、成熟，通道的結構簡單、體積小，制作容易，成本低等。運營期僅需對通道本身結構和密封接口進行維護。同時，該方案限于本身材料特點，乘客無法直接觀察到列車，體驗性較差，且通道伸縮機構與密封接口長期使用，構件損耗應重點排查。

1.2 利用管道內隔離門方案

與通道連接理念不同的另一種方案為利用隔離門在隧道內進行真空與常壓之間的相互轉換。該方案車站候車站臺區(qū)域為常壓環(huán)境，僅提供乘客休息與換乘場所，不再提供轉換空間或轉換機構。具體方案如下。

首先，在車站范圍內設置4 道可關閉開啟的隔離門，隔離門1 和4 為開啟狀態(tài)，隔離門2 和3為關閉狀態(tài)。當列車由真空A 區(qū)間管道進站時，隔離門2 保持關閉，隔離門1 打開，列車緩緩駛入車站①區(qū)域，然后隔離門1 關閉，隔離門2 開啟，車輛滑行至站臺②區(qū)域，隨后隔離門2 關閉，此時站臺區(qū)域恢復至常壓環(huán)境，車站屏蔽門打開，此時此處包括列車內、外均處于同一標準大氣壓，乘客進行上下車。然后，車門關閉，車站屏蔽門關閉，出站時，隔離門4 保持關閉，隔離門3 開啟，列車滑行至③區(qū)域；隔離門3 關閉，隔離門4 開啟，利用真空泵組系統(tǒng)快速維持所需的真空度，列車駛出車站。真空與常壓轉換平面布置示意圖如圖1 所示，真空與常壓轉換立面示意圖如圖2 所示。

該方案優(yōu)點是真空與常壓的轉換在真空隧道內進行，而不是設置在車站范圍，乘客上下車與高速鐵路或地鐵的形式基本一樣，在站臺等候列車即可，便于乘客使用，且乘客的體驗性較好；缺點是設置在真空管道內的隔離門維護與檢修沒有連接通道方便。

2 真空管道超高速磁浮交通環(huán)境乘客應急疏散及救援

真空管道超高速磁浮交通具有低真空的運行環(huán)境和超高的運營速度。當列車在超長低真空的管道環(huán)境內出現故障時，首先面臨的是人員救援問題[4-5]。由于真空管道內列車內外部存在較大的大氣壓差，運營中途故障停車時乘客無法由常壓環(huán)境的車內直接進入真空管道逃生，如何快速將管道內真空度恢復到安全大氣壓提供乘客應急疏散的安全環(huán)境成為需要重點解決的問題[6]。與現有隧道的疏散方式進行對比分析，考慮其固有的特點，需要一個轉換空間或通道進行疏散，實現乘客安全救援逃生。以下對地面管道疏散方式和山嶺隧道疏散方式進行分析[7]。

圖1 真空與常壓轉換平面布置示意圖Fig.1 Schematic layout of vacuum and atmospheric pressure conversion

圖2 真空與常壓轉換立面示意圖Fig.2 Vacuum and atmospheric pressure conversion elevation diagram

圖3 陸域段應急疏散平面示意圖Fig.3 Schematic plan view of emergency evacuation on land

2.1 地面管道疏散方式

可將整個管道劃分若干逃生單元，每個單元之間設置隔離門，管道頂部設置復壓閥門，上、下行管道之間采用常閉聯(lián)絡通道連接。若上行管道發(fā)生事故，車體內迅速落下氧氣面罩，制動停車，車輛所在的管道單元兩端隔離門關閉，頂部復壓閥門開啟，大氣快速進入，緊急復壓，待恢復常壓后，乘客可通過聯(lián)絡通道或逃生通道至安全地帶。陸域段應急疏散平面示意圖如圖3 所示，陸域段應急疏散立面示意圖如圖4 所示。

2.2 山嶺隧道疏散方式

山嶺段隧道，在上下行隧道進、出洞口各設置一個隔離門和一組真空泵組系統(tǒng)，便于實現和維持山嶺隧道的真空環(huán)境。若2 條單洞單線隧道，可在上、下行隧道之間設置1 條常態(tài)常壓的服務隧道兼疏散通道，上下行隧道之間根據隧道長度可設置若干應急聯(lián)絡通道，連通疏散隧道。若隧道內發(fā)生事故，車體內迅速落下氧氣面罩，制動停車，隧道進出洞口的應急隔離門關閉，然后快速對事故隧道進行復壓，待恢復至常壓后，乘客可通過聯(lián)絡通道進入常壓環(huán)境的服務隧道兼疏散通道內至安全地帶。對于管道和短隧道復壓以大氣直接進入的方式為主，對于長大隧道可配備復壓系統(tǒng)進行復壓。也可以根據疏散要求，將隧道斷面做大，混凝土二襯與鋼殼分離設置。若發(fā)生應急響應，車體內迅速落下氧氣面罩，制動停車，隧道進口和出口隔離門關閉，迅速復壓隧道環(huán)境，待恢復常壓后，乘客離開鋼殼區(qū)域，進入常壓的混凝土隧道斷面內，利用疏散通道進行逃離。山嶺隧道應急疏散平面示意圖如圖5 所示。

圖4 陸域段應急疏散立面示意圖Fig.4 Schematic elevation diagram of emergency evacuation on land

3 真空管道超高速磁浮交通散熱安全環(huán)境分析

在真空管道環(huán)境下，空氣的傳熱性能相對于常壓環(huán)境會有顯著的降低，列車散熱系統(tǒng)的工況比常壓運行條件下更惡劣。除了磁浮列車自身設備散熱外，磁浮列車的軌道系統(tǒng)發(fā)熱也會增加管道內散熱的負擔，對列車運營和車內人員安全環(huán)境產生較大的影響。因此，保證管道內和列車上設備在自身允許的工作溫度下運行的散熱安全環(huán)境，成為真空管道高速磁浮列車設計的關鍵一環(huán)。對真空管道內系統(tǒng)散熱保證列車運行和旅客乘車安全環(huán)境的研究包括：真空管道內超高速磁浮列車車體熱平衡研究及超高速磁浮真空管道系統(tǒng)熱平衡研究。

3.1 真空管道內超高速磁浮列車車體熱平衡

在真空管道交通系統(tǒng)中，超高速磁浮列車車體散熱量主要包含：①磁浮列車自身的設備散熱。針對具體的發(fā)熱設備，利用冰蓄冷或液氮等，直接冷卻；或者采用由吸熱系統(tǒng)、熱管系統(tǒng)和散熱冷卻系統(tǒng)3 部分組成的系統(tǒng)散熱至真空管道內[8]。②保證人體舒適性的空調散熱。對于保證人體舒適性的空調，也可利用冰蓄冷或液氮等，直接冷卻；或者冷凝器直接蒸發(fā)(自身攜帶的冷卻劑從車體表面噴出)，熱量散發(fā)至真空管。③氣動熱。物體與空氣或其他氣體作高速相對運動時所產生的高溫氣體對物體的加熱，稱為氣動熱。列車在低真空管道中超高速運行，與管道中的稀薄空氣劇烈摩擦出現高溫，產生氣動熱。氣動加熱會使車體結構的剛度下降，強度減弱，同時引起車體內部溫度升高，惡化車內工作環(huán)境。因此，氣動熱是真空管道超高速磁浮交通設計中必須考慮的問題[9-10]。

針對列車在真空管道內產生氣動熱的特點，保證列車散熱安全環(huán)境采取措施：①真空管道抽真空時選取合適的阻塞比、真空度和馬赫數，以減少氣動熱。②被動熱防護。只依靠防熱結構和材料本身，將熱量吸收或輻射出去，使材料設計和結構設計有機結合。③主動熱防護。依靠冷卻工質帶走絕大部分熱流，熱反射掉一小部分，通常采用蒸發(fā)式(自身攜帶的冷卻劑從車體表面噴出)。④半主動熱防護。利用其周圍區(qū)域加熱程度較輕的部位，熱量在強加熱區(qū)域被熱管吸收，并將工質汽化為蒸汽流，然后流到較冷端冷凝并釋放熱量，最后冷凝后的工質利用毛細作用滲過管壁返回嚴重受熱區(qū)繼續(xù)重復這一過程，從而達到循環(huán)冷卻作用[11-12]。

圖5 山嶺隧道應急疏散平面示意圖Fig.5 Emergency evacuation of mountain tunnel

3.2 超高速磁浮真空管道系統(tǒng)熱平衡

列車設計運行速度與真空度有直接關系，列車行駛速度越高，要求的真空度也越高。當列車速度達到1 000 km/h 以上時，真空度須達到大氣壓0.01 atm ～ 0.02 atm，空氣的傳熱性能相對于常壓環(huán)境有顯著的降低。保證管道內和列車上設備在自身允許的工作溫度下運行的散熱尤為重要。管道區(qū)間內的熱量主要來源為磁浮列車車體發(fā)熱及少量的管道內線纜發(fā)熱等。

針對低真空管道環(huán)境，空氣密度低、空間狹長，以輻射換熱為主，熱傳導、對流換熱為輔，實現改善低真空管道的熱環(huán)境，解決方案如下：①低溫冷輻射供冷。結合疏散井設置制冷站，在制冷站前后若干距離的低真空管道壁面內埋設供冷管，通過列車的活塞風效應，達到管道區(qū)間溫度基本均勻(管道為低真空，有一定的空氣流動)，以滿足運營要求。②埋設熱管。全低真空管埋設熱管，利用土壤和水源散熱。熱管的超強導熱系數是一般金屬的萬倍左右，換熱效率高達98%以上。③分段設置液氮站(或干冰等)。結合低真空管道的疏散井分段設置液氮站，把整個低真空管營造成低溫空間，車體采用航空材料。④采用相變吸熱系統(tǒng)+熱管系統(tǒng)+散熱冷卻系統(tǒng)[8]。低真空管內可全面敷設或分段敷設采用相變材料的吸熱系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)中利用傳統(tǒng)的制冷機組或者冷卻塔將熱量帶至室外。當低真空管內溫度高于設計熱控系統(tǒng)的溫度時，熱量將由真空管傳遞至吸熱系統(tǒng)的相變材料使其完全融化后相變材料溫度上升，熱管啟動將熱量傳遞給散熱系統(tǒng)(制冷機組或者冷卻塔)。結合低真空管道的疏散井設置冷凍站或冷卻塔。⑤采用對熱輻射吸收率高的結構材料。管道區(qū)間由結構壁面通過熱輻射吸收熱量，再通過熱傳導，傳遞至土壤或者水。⑥車體采用耐高溫材料，真空管道內不做降溫處理或者簡單降溫處理?？筛鶕娇蘸教祛I域反向思維，航空航天是低真空低壓力低溫度，低真空管道超高速磁浮是低真空低壓力高溫度，兩者的環(huán)境差異在于低溫和高溫。航空航天的處理方式是適應環(huán)境，低真空管道超高速磁浮也可以積極適應環(huán)境，列車車體采用隔熱材料，保證車廂內人員的舒適環(huán)境和車體內電器設備的安全運行環(huán)境，真空管內采用耐高溫的設備及材料。以上從理論上分析解決低真空管道散熱安全環(huán)境問題方法的可行性和可實施性，待真空管道超高速磁浮正式實施階段還需具體分析研究，最終確定采用何種方式，以達到經濟、節(jié)能、方便、可實施的要求。

4 結束語

真空管道超高速磁浮交通是未來先進地面軌道交通的發(fā)展方向。圍繞真空管道超高速磁浮交通“關鍵技術—裝備研制—工程試驗—工程應用”，全鏈條開展科技攻關，攻克超高速磁浮交通的懸浮導向與驅動、真空管道、超導磁體和安全保障等關鍵技術，研發(fā)超高速磁浮工程試驗系統(tǒng)的牽引、供電、運控、車輛等裝備并進行工程試驗，其工程化研究必將帶動相關領域的飛躍。通過對真空管道超高速磁浮交通關鍵技術的分析，為后續(xù)該領域提速至1 000 + km/h 的技術突破提供參考，同時為其他關鍵技術的跟進提供研究依據。