一种利用地面效应气动悬浮和电磁推进的新型超高速列车

摘要

本发明公开了一种利用地面效应气动悬浮和电磁推进的新型超高速列车，属于地面效应空气动力学和高速列车领域。本发明对现有磁悬浮列车的车底进行气动修形，使车底成为一个连续光滑的收缩形曲面，收缩形曲面与轨道表面共同构成一条收缩的气流通道。该气流通道在车头进口处截面积最大，在车尾出口处截面积最小。本发明利用地面效应产生的气动升力代替电磁力使列车悬浮，既保留了传统磁悬浮列车阻力小、速度高的优势，又改善了电磁悬浮的电能消耗问题，同时降低了车载超导相关设备的重量，因此可以降低列车超高速运行时的能耗，提高了运输的效率。

说明书

技术领域

本发明属于地面效应空气动力学和高速列车领域，具体涉及一种利用地面效应气动悬浮 和电磁推进的新型超高速列车。

背景技术

1964年日本建成了世界上第一条高速铁路，使得当时成为了夕阳产业的铁路运输业重新 焕发了勃勃生机。随后，高速铁路技术迅速发展，各种各样的高速列车概念不断出现。目前 的高速列车主要包括轮轨和悬浮两种类型。

轮轨高速列车是目前实际使用的主要高速列车类型，依靠轮轨间的摩擦力推动列车前进。 轮轨高速列车已经达到574.8km/h的最高试验时速，技术相对成熟。但是，以更为长远的眼 光来看，轮轨推动形式将无法满足未来超高速行驶的需求，因为超高速行驶时轮轨间的巨大 载荷和列车受到的气动阻力会带来严重的轮轨磨损疲劳问题和轮轨打滑问题。因此，未来超 高速列车的形式应该是悬浮类型的。

悬浮高速列车目前包括磁悬浮和气动悬浮两种类型。气动悬浮列车的悬浮和推进都是依 靠气动力实现的，其悬浮力主要由车身加装的机翼提供，推进力由螺旋桨或喷气式发动机提 供。螺旋桨或发动机的安装必然会破坏列车简洁的气动外形，增大气动阻力，并且会带来噪 音等一系列问题，因此转为电磁力推进更为合适。

磁悬浮列车的悬浮力和推进力均由一组安装在列车和轨道上的电磁铁产生的电磁力提供，需 要消耗大量电能，电磁铁自身的重量也会增大列车的能耗。虽然超导电磁铁可以大大降低电 能消耗，但使导体达到超导状态需要将导体冷却到极低的温度。日本于1999年成功进行了时 速500km/h的超导磁悬浮列车试验，其关键技术之一就是车载超低温冷冻系统，每一车载强 磁单元上分别装有一台液氦及一台液氮压缩制冷机，用以提供能够将导体冷却至超导状态的 低温液氦和液氮。这样来看，尽管超导电磁铁的使用降低了电能消耗，但是实现超导状态所 需的压缩制冷机又会额外地消耗大量电能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明根据地面效应空气动力学原理对现有高速列车 底部进行气动修形，得到一种新型超高速列车，该列车将高速行驶时车身提供的气动升力作 为悬浮力，将车身和轨道间的电磁力作为推进力，将气动力同电磁力共同作为导向力，与传 统磁悬浮列车相比大大降低了电能的消耗。

由上述背景技术介绍可知，悬浮的列车形式是未来超高速列车的发展趋势，同时电磁推 进方式相比航空发动机推进方式更适用于列车，但电磁悬浮方式加剧了电能消耗，并增大了 车体自身重量。鉴于此，本发明提出了一种超高速列车，该列车将高速行驶时车身提供的气 动升力作为悬浮力，将车身和轨道间的电磁力作为推进力，将气动力同电磁力共同作为导向 力，与传统磁悬浮列车相比大大降低了电能消耗和车身自重。

本发明所采用的技术方案是：根据地面效应空气动力学原理，对现有磁悬浮列车的车底 进行气动修形，使车底成为一个连续光滑的收缩形曲面，收缩形曲面与轨道表面共同构成一 条收缩的气流通道。该气流通道在车头进口处截面积最大，在车尾出口处截面积最小。在合 理的气流通道形状下，地面效应会使远前方的高速来流在车头进口处受到阻滞，部分气流从 进口边缘绕流到气流通道外侧，并沿车头外表面向后流走，这样就使进入车底的气流流管扩 张，流速降低。由伯努利方程可知，此时气流压力增加，从而产生很大的垂直轨道面向上的 气动升力，可将列车悬浮在轨道上。尽管车底的高压区会产生额外的阻力，但车头进口前缘 的绕流会局部加速并形成前缘低压区，又可以抵消部分阻力。由于气动力与列车速度的平方 成正比，因此在超高速行驶时，气动效果会非常明显，气动力可以完全将列车抬升起来。另 外，列车的推进方式为电磁推进，而转向则采用电磁力和气动力相结合的形式，以最大限度 降低电能消耗。

本发明利用地面效应产生的气动升力代替电磁力使列车悬浮，既保留了传统磁悬浮列车 阻力小、速度高的优势，又改善了电磁悬浮的电能消耗问题，同时降低了车载超导相关设备 的重量，因此可以降低列车超高速运行时的能耗，提高了运输的效率。

附图说明

图1是本发明中所述的超高速列车的运行示意图；

图2a和图2b分别是本发明中所述的超高速列车的主视图和后视图；

图3a和图3b分别是本发明中所述的超高速列车的车底外形的俯视示意图和仰视示意图；

图4a～图4d是本发明中所述的超高速列车的车底气流通道截面B-B、C-C、D-D、E-E 的形状示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图2a和图2b，本发明中所述的超高速列车为单节列车形式，长度约75m，高 速运行时，部分来流会通过列车1前端的进口2进入车底气流通道3。车底通道3的进口2 截面积较大，出口4截面积很小，气流在气流通道3内可形成较高的压力区。

参见图3a和图3b，本发明中所述的超高速列车的车底由一收缩形的曲面5和两平面6 组成。曲面5为车底面向上拱起形成，同轨道9上表面共同形成连续光滑的收缩形的气流通 道3，平面6为曲面5同车体外侧表面的过渡面，曲面5左右两侧各一个平面6，可以提高列 车运行的稳定性。平面6距离轨道面约100mm。收缩形曲面5的进口2的开口较大，而出口 4与平面6过渡为一体，从而与轨道9共同形成一条收缩形的气流通道3。曲面5和两平面6 的交界分别为曲线FG和曲线HG，经过曲面5最高位置的引导线为曲线IG。列车1下部为 两块侧板7，分别位于轨道9的两外侧，用于引导列车1沿轨道方向前进。侧板7内侧面8 同轨道9侧面具有地面效应作用，可在列车1转向时提供部分导向力，减小电磁力需要提供 的导向力。

参见图4a～图4d，从前到后，截取这条收缩气流通道3的四个横截面B-B、C-C、D-D、 E-E，横截面图中打剖面线的区域为车底气流通道3，从前往后气流通道3的横截面面积不断 减小，形成收缩形的气流通道3。列车1在高速运行的过程中，部分前方来流会从车头进口2 进入这一收缩气流通道3。

本发明所述的超高速列车依靠电磁力进行驱动，在运行过程中，大量气流从头部进口2 进入车底同轨道上表面形成的收缩气流通道3。根据地面效应空气动力学，这条收缩气流通 道3中的气流会发生减速增压，形成高压区，对列车产生向上的气动抬升力。在静止和低速 运行时，车底受到的气动升力较小，此时使用电磁力作为悬浮力的补充；在超高速的设计状 态下，由于气动力同速度的平方成正比，因此车底的高压区可产生足够大的升力，此时列车 完全依靠气动力悬浮。列车1下方的侧板7同轨道侧表面之间也存在地面效应，因此侧板7 和轨道侧面之间也为高压区域。直线运行状态下，两个侧板7受到的来自轨道的压力相同。 进入转弯状态时，弯道内侧侧板7同轨道侧壁的间距会减小，弯道外侧侧板同轨道侧壁的间 距会增大。根据地面效应空气动力学，间距的减小会使压力增大，因此内侧侧板受到的轨道 的压力要大于外侧的侧板，从而产生转向所需的向心力。但是，由于这个向心力是压力差， 数值较小，不足以完全提供转弯的力，所以列车的转向始终需要电磁力作为补充。

本发明所述的超高速列车的推进方式为电磁推进，导向方式为电磁力和气动力相结合。 相比传统磁悬浮列车，本发明具有能耗低、经济性好的优点。