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真空管道运输中有待解决的关键真空技术问题

1.介绍

和高速发展的网络、IT技术比起来，交通运输行业目前的发展显得相当缓慢。人们都想要一种更快、更清洁、更环保的交通运输模式。高速铁路的速度有350km/h，中国正在运行的上海磁悬浮列车的速度是430km/h，日本的磁悬浮列车速度达到了581km/h。但是，对比真空管道运输，它们仍没有到达理想的速度，它们都产生了很大的空气动力学噪音和阻力。把磁悬浮列车放入真空管道运输系统的真空管中，将是列车与真空管运输结合的正确方向。这样磁悬浮列车可以以600-1000km/h的速度运行，而且还有可能以超音速运行，比如6000km/h甚至10000km/h。

但是就作者的知识来说，对真空管道运输系统的研究很少。为了在真空管道中运行磁悬浮列车，一系列的真空技术问题需要研究解决。本文列出并讨论了一些有待解决的关键真空技术问题。

2.建设超大规模真空室

真空管道交通的真空室是一个内径约为2-5米、长度为1000-15000千米的圆形管道。对于这样大型的一个真空室来说，建设成本必须认真考虑。我们要选择可用的建筑材料和设计结构。我们首先要考虑的就是如何建设低成本、高可靠性的超大规模真空室。普通的钢铁和水泥都是便宜的建筑材料，它们也都适合做真空管道。在这篇文章中，有三种用钢和水泥的真空管道结构。

2.1 纯钢管道

纯钢管道的优点是很容易保证密封，而且成本适中。目前中国市场的钢价格大约是5000元人民币一吨。为了估算真空管道的成本，我们依次假设管道壁厚是20mm、18mm、16mm和14mm，分别对应管道内壁5m、4m、3m和2m，如图1所示。而每公里钢管道的基础材料成本如表1所示。

2.2 钢与混凝土复合结构管道

为了进一步降低材料成本和增加真空管的强度，可以采用复合结构的管道。

如图2所示，复合材料管道由内层的薄层钢管和外层的混凝土组成。

这样，内层的钢管道厚度可以小于10mm，甚至可达3mm。尽管管道总壁厚也许会增加，但总材料成本会降低，因为混凝土的价格远低于钢。而且，管道的抗压强度会提高，这对真空管道至关重要。

钢密封层也可以考虑布置在混凝土管道外侧，这样的优点就是，当钢层被大气压力挤压时，它也不太可能粘在混凝土管道上。缺点就是钢层容易被损坏或者腐蚀。

2.3 钢筋混凝土管道

如果可以采用低成本的薄膜或密封材料，用钢筋混凝土管将是可行的。

3.从真空管道运输系统中抽出气体

如何在短时间内高效地从真空管道中抽出气体是真空管道运输系统的另一个关键问题。对于一个超大规模真空室来说，抽气的允许时间是很短的，举个例子，要在1-2小时内完成列车管道的抽气，要几分钟内完成空气锁的抽气。所以很有必要每隔1、2千米放置一个真空泵，且真空泵的速度或者泵的组数要足够大。

密封隔离门要沿着路线每隔5-10千米设置一个，如图3。隔离门的一个作用就是高效地从管道中抽气。所有的隔离门关闭后，气体就从真空管道的每一部分抽出。当每节管道的大气压到达规定值后，所有的真空泵便停止工作，隔离门打开，这样磁悬浮列车就可以通过了。隔离门的另一个作用就是可以方便检查每个真空管道段的密封和泄露情况，因为整个管道的密封和泄露是很难检测的。

在目前的真空泵中，鲁氏泵很适合用于这种真空管道的抽气。鲁氏泵有高泵速、简单结构和低价格的特点。鲁氏泵的最高泵速可超过12000L/s。

4.真空管道的散热与降温

真空管道中有一些热源会导致温度上升：

1. 电子设备的运转，例如直线电机驱动磁悬浮列车。
2. 当磁悬浮列车在真空管道中高速运行时产生的空气动力学热。管道中仍有一些气体因为里面只是低真空。
3. 磁悬浮列车散热。
4. 当管道布置在地面上时的太阳辐射热会进入管道。

由于管道中没有空气对流，而且真空环境是个隔热媒介，热会在管道中累计，温度会持续上升。因此，必须采取措施散热。

1. 选择可促进散热的管道结构和材料。从这种意义来说，钢管道比混凝土管道好，普通钢管道比不锈钢管道好，因为不锈钢的热导率远小于普通钢。同时，管道壁厚需要尽可能小。
2. 真空管道要埋得尽可能深，因为地下有稳定的温度环境，没有太阳辐射。
3. 有循环冷却水的金属管道可以起到显著的降温作用。具体方案将在【8】中讨论。
4. 将行车系统布置在管道外的真空管道系统可以显著降低管道内的温度。具体计划将在【9】中描述。

5.避免真空放电

在真空环境中，电更容易击穿。磁悬浮列车的电子元件的真空放电特性并不能简单认为是和在开放环境一样，一定要考虑在真空管道中。为了避免在管道中产生真空放电现象，建议如下：

1. 真空管道中禁止安放裸线。
2. 避免直线电机的导线裸露。对于直线电机中必须裸露的导线和电子元件，一定要和其他裸露导线和电子元件保持安全距离。
3. 不在磁悬浮列车上使用裸露导线。对于必须在真空管道中裸露的磁悬浮列车上的导线或电子元件，也要和其他的导线和电子元件保持安全距离。

6.带有密封壳和生命支持系统的列车

真空管道列车将在真空环境中行驶，车中是1个大气压，但车外只有0.01-0.001个大气压，如图4所示。

所以车辆的设计需要遵循以下三点原则：

1. 车辆外壳必须密封且要承受得了车内的气压。
2. 乘客车厢内部一定要有氧气和空调。
3. 车内需要有生命支持系统。

车辆必须有密封壳以及生命支持系统。 虽然我们可以用现有的航空器技术来制造列车，但这也还是个有待进一步研究的关键问题。

7.高效检测泄露并定位

气体泄露将破坏管道中的真空环境，提高保持真空的成本。有三个途径会导致气体泄露：（1）管道上的裂缝；（2）连接处的密封缺陷，例如紧急出口、泵出口、管道节之间的连接点；（3）站台处的空气锁。

对于这种超大规模的真空室，日常检查和泄露检测很重要，也很有挑战性。但是氦质谱检漏却不适用。一些可行的高效检漏与定位的方法如下：

1. 隔离门需要沿管道设置，每5-10km设置一个。虽然两相邻隔离门之间的距离设置得更小，比如2km，能更好检测气体泄露，但却会增加建造成本，增加磁悬浮列车运行的危险。操作完成后，要关闭所有隔离门，检查线路的每一节，包括检测每一节的气体泄露。
2. 关闭所有隔离门后，通过测量真空计，可以测出哪一节管道泄露。在该节管道，可以更密集地设置真空计，比如20-100m设置一个。通过测量一节管道里的各个真空计，便能找到哪里泄露了。
3. 真空管中超声波检测是不可行的。

8.总结与建议

根据以上分析，一些基本的总结与建议如下：

1. 纯钢管道与钢筋混凝土管道可用于建造真空管道。
2. 真空泵设置间隔为1、2km，密封隔离门设置间隙为5-10km。
3. 要综合考虑真空管道如何散热，如何避免大量太阳辐射。
4. 在真空管道内要尽量避免导线裸露。对于必须裸露的导线和电子元件，相互之间要保持一定的安全距离。
5. 气体泄露检测要在隔离门隔离的管道节中进行。

这篇文章解决了真空管道运输中需要解决的一些关键的真空技术问题，而且给出了一些建议。实际上，还有许多有待讨论的真空技术问题和有待优化的解决方案。真空管道运输中真空技术是在未来运输系统中最重要的应用领域。

磁悬浮列车技术回顾

1.介绍

随着人口的增加和生活区域的扩大，汽车和航空服务再也满足不了人们对公共交通的需求了。因此，对新型公共交通的需求增加了。为了更好地为公众服务，新一代运输系统必须满足诸如快速、可靠和安全等的要求。此外，它还应方便、环保、低维护、紧凑、轻量、新型、适合大规模运输。磁悬浮列车是满足这些要求的最佳选择之一。传统的火车通过车轮和铁轨之间的摩擦而前进，磁悬浮列车用电磁铁代替车轮，在导轨上悬浮，产生动力，没有任何接触。

磁悬浮列车可以追溯到1934年，当时德国的赫尔曼·肯普为它申请了专利。在过去的几十年里，磁悬浮列车的发展经历了20世纪60年代的加速期，20世纪70年代的成熟，90年代的试用期，最终2003年在中国上海变成了实用的公共服务。

由于磁悬浮列车在不久的将来是一个很有前途的解决方案，许多研究人员已经开发出了诸如线性电机、超导、永磁体等技术的建模和分析技术。

磁悬浮列车相比传统的轮轨系统具有众多优势：1）消除车轮和轨道摩擦，从而降低维护成本；2）分散负荷降低了导轨的施工成本；3）由于导轨的原因，磁悬浮列车不会脱轨；4）没有轮子，就会消除许多噪音和振动；5）非接触系统防止它在运行中滑动；6）在较小的半径内获得更高的速度并顺利转弯；7）快速完成加速和减速；8）可以消除齿轮、联轴器、轴、轴承等；9）不太容易受到天气状况的影响。然而，由于磁悬浮列车的轨道和车轮之间没有接触，所以牵引电机必须通过与轨道的直接电磁相互作用来提供动力和制动力。其次，重量越重，支撑悬浮力所需的电能就越多，不适合货运。第三，由于导轨的结构，切换或分流目前是很困难的。第四，不可忽视的是，由于悬浮和推进的强大电磁铁产生的磁场对客舱有影响。如果没有适当的磁屏蔽，乘客舱内的磁场将达到0.09T，而在座位水平则为0.04T。这些磁场可能对人类无害，但可能造成一定的不便。对乘客保护的屏蔽可以通过几种方式实现，比如将中间放置铁块，使用具有自我屏蔽特性的海尔贝克磁铁阵列，等等。

表1展示了磁悬浮和轮轨系统的比较。从各方面来看，磁悬浮列车都比传统列车优越。表2展示了日本交通部提供的公共运输系统的比较。从表中可以看出，全球交通的趋势是磁悬浮列车。因此，需要关注和理解包括磁悬浮、导向、推进、电源等在内的所有技术。

2.技术方面

最先进的磁悬浮列车技术正在不断研究。图1说明了传统列车与磁悬浮列车的区别。传统的列车使用旋转电机进行推进，依靠轨道导向和支持，磁悬浮列车则通过直线电机得到推进力，并利用电磁铁进行导向和支持。

A.悬浮

一般来说，悬浮技术有三种：1）一种电磁悬浮；2）电动悬浮；3）混合电磁悬浮。

1）电磁悬浮(EMS)：悬浮是基于导轨和电磁铁之间的磁力来完成的，如图2所示。由于磁路的特性，这种方法本质上是不稳定的。因此，为了保持均匀的气隙，精确的气隙控制是必不可少的。因为EMS通常在10毫米这样的小气隙中使用，随着速度的提高，保持控制变得困难。然而，EMS比技术上的EDS更容易(在第二节中会提到)，并且它能够以零或低速的速度自动漂浮(在EDS类型中是不可能的)。

在EMS中，有两种悬浮技术：1）悬浮和制导集成式，如韩国UTM和日本HSST和2）悬浮和制导分置型，如德国Transrapid。后者有利于高速运行，因为悬浮和制导不相互干扰，但控制器数量增加。前者有利于低成本和低速度的操作，因为减少了电磁铁和控制器的数量，并且由于磁阻的差异而自动产生了引导力。集成式的电源额定功率小于分置型，但随着速度的增加，悬浮与导引之间的干扰增加，在集成式中难以同时控制悬浮和导引。

一般来说，EMS技术采用电磁技术，但现在有一些关于EMS技术使用超导技术的报告，这种技术通常用于EDS技术。与传统的电磁铁相比，高温超导体的发展带来了经济而且强大的磁场，尽管它还是存在一些问题，如冷却系统。

1. 电动悬浮（EDS）：EMS使用的是吸引力，但EDS使用排斥力进行悬浮。当列车上的磁体在导轨上的感应线圈或导电板上方向前移动时，感应电流会流过线圈或电板，产生磁场，如图3所示。磁场和磁体之间的斥力使列车悬浮起来。EDS的磁力很稳定，所以没有必要控制空气缝隙，它大约有100mm左右，所以负载变化也非常可靠。因此，EDS非常适合高速运行和货运。然而，这个系统需要足够的速度来获得足够的悬浮感应电流，所以在一定的速度下(大约100km/h)要使用像橡胶轮胎这样的轮子。

在磁铁上，EDS可以分为永磁式（PM）和超导磁体式（SCM）两种类型。对于永磁式，结构非常简单，因为不需要电力供应。但是，永磁式仅适用于小型系统，因为没有高性能的永磁铁。最近，像海尔贝克磁铁阵列这样的新型永磁铁被引进并考虑用于磁悬浮列车(美国的Inductrack)。对于超导磁体式来说，结构复杂，而且由感应电流产生的热量引起的液氦的淬火和蒸发可能会在运行过程中产生问题。因此，氦制冷机对超导磁体式的运行是必不可少的。尽管如此，超导磁体式在日本2003年的世界纪录达到了581公里/小时。

3）混合电磁悬浮（HEMS）：为了减少EMS中电能的消耗，部分永磁体使用的是电磁铁，如图4所示。在一定的稳态气隙条件下，永磁体的磁场能够自己支持车辆，而控制气隙的电磁铁的电力几乎可以为零。然而，从电磁体的角度相比，HEMS需要更大的电流幅值变化，因为永磁体具有与空气相同的磁导率。

B.推进

磁悬浮列车的推动力来自于直线电机，它与传统的旋转电机不同；而且它不使用直线运动常用的机械连接。因此，与旋转电机相比，其结构简单、坚固。图5显示了由旋转电机衍生到直线电机的概念。它就是一种传统的旋转电机，只不过其定子、转子和绕组被切割开、压平，并放置在导轨上。虽然其工作原理与旋转电机完全相同，但直线电机的主轴部分长度有限，所以会导致“边缘效应”。此外，较大的气隙降低了效率。

然而，直线电机在直线运动的情况下比旋转电机更好，因为在螺杆、链条和齿轮箱等部件的机械接触中直接产

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