本刊记者　胡 敬

　　　　
　　中国高铁，被誉为中国经济发展的奇迹，频频刷新着世界纪录。它创造了若干个世界第一，例如运营时速最高、轮轨试验时速最高等。从引进到自主创新，中国用短短10年时间实现了超越，赢得了世界的赞许。在这其中，缩比模型尺寸最大、运动时速高达500公里以上的世界上最先进的高速列车动模型实验平台的建立，为我国高速列车空气动力学的基础研究和未来高速列车的研制奠定了实验模拟基础。
　　
颠覆传统，让列车动起来
　　
　　我国最初引进的动车组时速大约为200～300公里，在引进的基础上，科研人员通过对其不断地改进和创新，使得我国自主研发的CRH380系列时速达到380公里。
　　速度的提升意味着需要克服的空气阻力越大。中国科学院力学研究所（以下简称“力学所”）研究员杨国伟介绍，对于运行时速为350公里的高速列车，气动阻力占总阻力的85%以上。因此，研究高速列车的气动特性是高速列车运行过程中节能降噪的关键。
　　过去，人们一般在低速风洞中研究和测试高速列车的气动性能。风洞实验已有150余年的历史，它是以人工的方式产生并且控制气流，采用相对运动原理，模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，是进行空气动力学性能测试最常用、最有效的工具之一。随着工业空气动力学的发展，风洞实验逐渐在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域起着举足轻重的作用。
　　为了使实验结果更加精确，风洞实验中气体的流动状态必须与实际流动状态相似。即必须满足“相似律”的要求。其中“几何相似”是最基本的相似条件之一，也就是模型和实物必须按照比例缩小或放大。而“动力学相似”条件则对实验气流的速度提出更高的要求。
　　由于汽车和高速列车均在在地面行驶，与飞机相比，它们都具有更为复杂的运行环境：地面效应、明线交会、横风效应、隧道通过和隧道会车等。在风洞实验方面，相对于汽车，高速列车的实验模拟需要实验气流具有更高的速度。而且，高速列车的长细比更大。因此，现有的汽车风洞实验气流大多不能满足模拟高速列车测试和实验模拟的要求。一方面，风洞只能用于高速列车的明线单向运行模拟。另一方面，在世界上现有的高速列车动模型实验平台中，列车模型的尺寸都比较小（缩比在1/ 16以下），而且模型尺寸越大，速度越低（一般时速在300公里）。为了满足我国高速列车气动测试和各项运行状态实验模拟的迫切需求，力学所决定发展大型的高速列车双向动模型实验平台。
　　与风洞实验不同，动模型实验是让列车模型以真实的列车运行速度在轨道上动起来，然后在运动的模型上测量相关的气动参数。
　　2013年年底，拥有完全自主知识产权的大型双向动模型实验平台在北京怀柔力学所钱学森工程科学实验基地建成。该平台的最高实验速度可达500公里/小时，具有双向对开运行模式，可以安装隧道模型（具备了模拟列车穿越隧道和建筑物、在隧道内交会等相关的实验模拟功能）。在此基础上，发展了相关的测试技术，开展了一系列的高速列车气动性能评估测试实验，初步完成单车隧道通过、明线及隧道会车场景下的隧道壁面和列车模型表面的压力分布数据，取得了宝贵的有关高速列车运行方面的实验资料。
　　
独创加速和减速“秘方”
　　
　　在数十米的距离内，如何让放置在模型轨道上的列车模型能够迅速达到300?500公里的时速，并且在完成数据测试后，迅速减速，完整地回到静止状态，这是一般动模型实验平台需要解决的两大难题。
　　在世界上现有的中小型动模型实验平台中，加速方式分为两种：一是弹射方式发射。动力来源于伸长的弹性绳索内部储存的弹性势能。将它放松后，弹性势能迅速释放，转换为模型的动能。但是，由于受到弹性绳索回弹速度的限制，模型难以达到比300公里更高的时速。即使使用动滑轮倍速技术，由于在加速过程中，多个滑轮的转速需要达到很高的转速，列车模型才能达到所希望的速度。因此随着模型速度的升高，能量利用率大幅度降低，速度提升难度加大。另一种方式是利用管内的压缩空气驱动列车模型。这种方式虽然可以达到较高的速度，但是缺点也很明显：一是由于列车模型在直接在管内加速，列车模型的尺寸受到管道内径的限制；二是，由于列车模型和压缩空气在相同轴线上，来自加速管的压缩空气会严重干扰模型的实验和测试过程。
　　因此，杨国伟团队独辟蹊径，发明了压缩空气驱动加速技术。从字面上看，它似乎与前面提到的“压缩空气”如出一辙，但实际上它是一种新颖的“压缩空气间接驱动列车模型”的模式。一根牵引索可以巧妙地将管道内压缩空气的膨胀能量“转移”到一个与列车模型相连接的管道外的“拖车”上。在结构上，平台分为上下两层轨道，在下层轨道，压缩空气直接推动置于加速管中的活塞，再通过牵引绳索将加速管外的拖车加速，在下层轨道上加速的拖车通过环形软连接绳索将上层轨道的列车模型加速。这种间接驱动方式，不仅化解了管道内直接驱动加速方式的所有弊病，而且为不受外形和尺寸限制的列车模型提供了强大的加速动力。
　　列车模型加速后，如何让其迅速停下来，传统上采用的是直接接触摩擦制动方式、静止物体通过软性碰撞吸收模型动能方式或两类方式结合的方法。但这些方式可能会因列车模型巨大的动能使接触材料磨损严重甚至破坏和飞溅，从而大大缩短实验中相关部件的寿命而导致高昂的实验成本和引起系列的安全问题。
　　他们采用了非接触式磁流制动减速技术，即利用永久磁铁和铁质刹车地板之间相对运动产生的非接触阻尼力作为制动力，使得列车模型和配套的拖车实现安全的稳定减速刹车。
　　有了这两项创新技术，整个动模型实验平台是怎样运行的呢？杨国伟解释道，压缩空气预先储存在高压气罐中，利用空气炮将高压的压缩空气从气罐中释放出来，随后进入加速管推动活塞向前方运动，活塞通过拖绳将加速管外的拖车牵引沿着下层轨道向前方滑动，拖车也通过拖绳来牵引列车模型沿着上层轨道滑动。
　　动模型在加速段内基本是做匀加速运动，当加速管中的活塞通过泄气孔后，活塞后的压缩空气从孔中泄出，加速过程停止。此时拖车进入拖车刹车地板的区域内，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层轨道向前做匀速运动。这样，列车模型进入了实验段，运行相关的气动性能测试。
　　当拖车开始凭借磁流制动机制进行减速时，由于拖车、牵引索和活塞相互相连，三者一起减速，最终会停止下来。当列车模型通过实验段以后，它开始在上层轨道的刹车地板区间运动，相应的磁流制动减速过程启动，列车模型开始减速直至完全平稳停止。
　　为了校验这些关键技术是否可行，杨国伟研究团队进行了原理性实验，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。在此基础上，依据原理性实验提供的相关结构和实验数据，研制了世界上实验速度最高、模型缩尺比例最大（总长约300米、缩比为1/8，实验速度快至500公里/小时）的大型双向动模型实验平台。
　　利用该平台，已开展了CRH380A和中国标准动车组等高速列车空气动力学实验，研究团队参与设计的CRH380系列高速列车以其气动性能优良，被国际相关组织评为“目前世界上设计最好的十种高速列车之首”。杨国伟领导的研究团队取得的研究成果有：2014年获第五届中国侨界创新成果贡献奖，2015年作为“京沪高速铁路工程”项目参与单位获国家科技进步奖特等奖，2015年获中国力学科技进步奖一等奖。