線圈槍驅(qū)動(dòng)高速鐵路技術(shù)

新墨西哥州阿爾伯克基-乍一看，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)似乎不太可能成為解決該國(guó)交通問(wèn)題的候選者。它被重型鋼桁架包圍，看起來(lái)更像是一個(gè)縮短的粒子加速器。但是當(dāng)物理學(xué)家證明這一點(diǎn)時(shí)，所有的懷疑都消失了。一個(gè)重35磅的輪式鋁板穿過(guò)桁架中間的條紋，仿佛是從大炮射出的。在僅13英尺的距離內(nèi)，板的速度達(dá)到33英里/小時(shí)。

而這僅僅是該技術(shù)最終潛力的一小部分。桑迪亞線圈槍程序的分支，線性感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以每秒一公里的速度移動(dòng)鋼板和鋼瓶。物理學(xué)家估計(jì)，該技術(shù)可以以每秒6公里的令人難以置信的速度發(fā)射衛(wèi)星。美國(guó)國(guó)家航空航天局甚至認(rèn)為它是發(fā)射航天飛機(jī)的一種手段。

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然而，現(xiàn)在，桑迪亞科學(xué)家提出了一項(xiàng)意想不到的新技術(shù)：高速鐵路。一個(gè)名為SERAPHIM(用于SEgmented RAil PHased感應(yīng)電動(dòng)機(jī))的項(xiàng)目將采用線性感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以200英里/小時(shí)或更高的速度推進(jìn)列車。使用這項(xiàng)新技術(shù)，高速列車可以在現(xiàn)有的通行權(quán)下運(yùn)行，減少鐵路磨損，減少對(duì)軌道維護(hù)的需求，提供更好的爬坡能力，并提供比現(xiàn)有更平穩(wěn)，更安靜的駕駛。

更重要的是，科學(xué)家表示，他們的系統(tǒng)比大肆宣傳的磁懸浮技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。“它既不需要?jiǎng)恿?dǎo)軌也不需要超導(dǎo)磁鐵，”桑迪亞技術(shù)人員的杰出成員巴里馬德說(shuō)。“因此，該系統(tǒng)為高速地面運(yùn)輸提供了低風(fēng)險(xiǎn)，低成本的途徑。”

比子彈更快。與傳統(tǒng)的高速列車技術(shù)不同 - 例如法國(guó)TGV(設(shè)計(jì)新聞，7-24-95)和日本子彈列車上使用的技術(shù) - 塞拉芬概念采用被動(dòng)鋼輪。無(wú)需牽引力 - 無(wú)論是加速還是制動(dòng)。

相反，SERAPHIM概念通過(guò)磁力推動(dòng)火車。列車上的帶電線圈對(duì)安裝在道路上的分段反應(yīng)軌道起反應(yīng)。反應(yīng)軌可以是兩種類型中的一種：?jiǎn)蚊婊螂p面。在任何一種情況下，線性感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的線圈都安裝在列車上。

SERAPHIM的直線感應(yīng)電機(jī)通過(guò)與反應(yīng)軌道的磁性相互作用提供動(dòng)力。然而，與過(guò)去的線性感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同，它不是通過(guò)將磁通嵌入導(dǎo)體中而是通過(guò)排除它來(lái)操作的。在雙面版本中，車輛上成對(duì)的緊密間隔的線圈跨在分段的鋁軌上。隨著列車向前移動(dòng)，車載傳感器“觀察”鋁反應(yīng)板的接近。當(dāng)線圈超過(guò)板時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)制器將電流脈沖到線圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)，它會(huì)在板上產(chǎn)生表面電流。那些表面電流排斥線圈。

實(shí)際上，桑迪亞科學(xué)家說(shuō)，脈沖線圈推動(dòng)了板的邊緣。怎么樣?在高頻操作時(shí)，焊劑沒(méi)有足夠的時(shí)間穿透。

以這種方式操作，每個(gè)線圈可以產(chǎn)生3.5kN的推力。每個(gè)動(dòng)力鐵路車上安裝30個(gè)線圈對(duì)，系統(tǒng)可提供6兆瓦(8,000馬力)。

在運(yùn)行期間，每個(gè)動(dòng)力軌道車將采用兩個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力單元。功率調(diào)制器將脈沖電壓提供給線圈，每個(gè)調(diào)制器為六個(gè)線圈對(duì)供電。

感測(cè)和起火電路將控制功率調(diào)制器的脈沖。反過(guò)來(lái)，每個(gè)調(diào)制器在頻率范圍為100-230Hz的情況下以2ms半寬的脈沖提供1.2MW的平均功率。

桑迪亞科學(xué)家表示，該系統(tǒng)的最大巡航速度主要受可用功率，氣動(dòng)阻力和坡度的限制。使用6.3 MW(8,500 hp)的供電功率可以實(shí)現(xiàn)直線和水平軌道上200英里/小時(shí)的巡航速度。

在他們的新墨西哥實(shí)驗(yàn)室中，桑迪亞科學(xué)家們已經(jīng)構(gòu)建了SERAPHIM概念的工作模型。使用三級(jí)電機(jī)，他們沿著4米軌道加速了14.4千克鋁板，速度達(dá)到15米/秒。在測(cè)試中，他們使用兩個(gè)繞組各51圈的線圈實(shí)現(xiàn)了每個(gè)線圈18 kN的峰值推力。繞組采用銅帶，用DuPont的Kapton薄膜和Dacron聚酯絕緣。

航空旅行替代。桑迪亞的概念不是第一個(gè)這樣的概念。在20世紀(jì)70年代，為聯(lián)邦鐵路管理局工作的工程師在位于科羅拉多州普韋布洛的交通測(cè)試中心對(duì)類似概念進(jìn)行了測(cè)試。使用帶有線性感應(yīng)電機(jī)和被動(dòng)鋼輪的示范車輛，列車達(dá)到了200英里/小時(shí)的速度。

通過(guò)開(kāi)發(fā)新的線性感應(yīng)技術(shù)，桑迪亞的科學(xué)家們已經(jīng)復(fù)活了這個(gè)想法，但又增加了一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。到目前為止，直線電機(jī)具有與其長(zhǎng)度相關(guān)的固有速度限制。也就是說(shuō)，它們?cè)介L(zhǎng)，速度越快。但是，通過(guò)采用快速脈沖磁場(chǎng)和分段反應(yīng)軌道 - 而不是低頻場(chǎng)和連續(xù)軌道 - 科學(xué)家們消除了固有的速度限制。

“用這項(xiàng)技術(shù)可以達(dá)到的速度確實(shí)沒(méi)有實(shí)際限制，”Marder說(shuō)。“如果你有能力做到這一點(diǎn)，你可以以任何速度發(fā)射火車。它所需要的是更快的線圈切換。”

Marder說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)還提供了其他重要優(yōu)勢(shì)：

它不需要新的鐵路技術(shù)。它的建造成本約為同類磁懸浮系統(tǒng)的四分之一。

由于SERAPHIM不依賴于車輪附著力，因此其履帶將受到較少的磨損。

它將提供更高等級(jí)的攀爬能力，因?yàn)樗粫?huì)受到車輪打滑的影響。

它的機(jī)車會(huì)更輕，因?yàn)椴恍枰~外的重量來(lái)提高牽引力。

桑迪亞科學(xué)家希望在普韋布洛，CO，測(cè)試中心測(cè)試這個(gè)概念。計(jì)劃建造一個(gè)“階梯狀”反應(yīng)軌道，鋁板水平放置在軌道床內(nèi)。這種配置將提供單面線性電機(jī)技術(shù)，允許面向下的線圈“推開(kāi)”鋁板。雖然它不如雙面配置那么高效，但它應(yīng)該可以輕松地讓測(cè)試列車以200英里/小時(shí)的速度運(yùn)行。

最終，桑迪亞科學(xué)家認(rèn)為該技術(shù)可以為航空旅行提供可行的替代方案。由于飛機(jī)在上升和下降時(shí)的航空公司成本最高，因此短途航班可能有一天的成本效益低于鐵路旅行。Marder總結(jié)道：“以這樣的速度行駛的火車肯定會(huì)競(jìng)爭(zhēng)。”

無(wú)煙航天飛機(jī)發(fā)射?

自紅石火箭隊(duì)的輝煌歲月以來(lái)，美國(guó)國(guó)家航空航天局在巨大的煙霧和火焰中發(fā)射了太空任務(wù)?，F(xiàn)在有一個(gè)完全不同的想法。

美國(guó)宇航局的一些科學(xué)家正在尋找巨大的電流來(lái)發(fā)射航天飛機(jī)，而不是大肆吹噓。他們說(shuō)，使用桑迪亞的線圈槍技術(shù)，他們可以用可重復(fù)使用的“MagLifter”替換Shuttle的第一級(jí)。

如果它被認(rèn)為是可行的，MagLifter將使用磁力線圈槍技術(shù)將航天飛機(jī)推進(jìn)山腰。采用類似于SERAPHIM的技術(shù)，地面上的電線圈將與Shuttle第一級(jí)上專門設(shè)計(jì)的板材發(fā)生磁性反應(yīng)。這種磁力推進(jìn)方案最終可以使航天飛機(jī)上升到600英里/小時(shí)的速度，從而為山腰發(fā)射提供足夠的速度。“然后你可以把運(yùn)載火箭帶回來(lái)進(jìn)行下一次發(fā)射，”巴里馬德說(shuō)，

根據(jù)研究人員的說(shuō)法，MagLifter可以為更高速的發(fā)射提供足夠的推力，如果不是由于機(jī)組人員過(guò)度增加G力。他們使用線圈槍進(jìn)行衛(wèi)星發(fā)射，估計(jì)衛(wèi)星上的累積量超過(guò)2,000 Gs - 這個(gè)數(shù)字顯然對(duì)乘客來(lái)說(shuō)太過(guò)分了。

MagLifter概念看待行動(dòng)的可能性有多大?所有馬德?tīng)柖紩?huì)說(shuō)：“我們已經(jīng)向美國(guó)宇航局提出了這個(gè)推進(jìn)計(jì)劃，他們正在考慮這個(gè)計(jì)劃。”

桑迪亞的直線感應(yīng)電機(jī)并不是唯一采用杜邦Kapton聚酰亞胺薄膜作為絕緣介質(zhì)的電動(dòng)火車技術(shù)。

這種材料在世界上最強(qiáng)大的通用四軸機(jī)車Re 465中起著至關(guān)重要的作用。由ABB運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，瑞士蘇黎世和瑞士機(jī)車和機(jī)械廠設(shè)計(jì)，82噸發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)最高時(shí)速可達(dá)140英里/小時(shí)，可以以60英里/小時(shí)的速度拉動(dòng)650噸的火車，達(dá)到2.7%的坡度。新機(jī)車在歐洲北部和南部之間的瑞士跨阿爾卑斯山鐵路上運(yùn)行。對(duì)于Re 465的牽引電機(jī)，杜邦工程師開(kāi)發(fā)了一種特殊的耐電暈版材料，稱為Kapton CR。Kapton CR有助于使電機(jī)定子中的銅導(dǎo)線絕緣，避免導(dǎo)致部分放電或電暈的陡峭電壓峰值。這些放電可以分解有機(jī)絕緣材料。

為了開(kāi)發(fā)Kapton CR，杜邦工程師與牽引電機(jī)制造商ABB和西門子股份公司共同開(kāi)展了一項(xiàng)計(jì)劃。結(jié)果：據(jù)說(shuō)電暈電阻比標(biāo)準(zhǔn)Kapton好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)熱率是其兩倍。

現(xiàn)在據(jù)說(shuō)電暈電阻在20千伏/毫米，50赫茲時(shí)為100,000小時(shí)。推進(jìn)系統(tǒng)采用功率晶閘管和三相交流電動(dòng)機(jī)。