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高速列车

  史蒂芬逊父子在1830年制造的“火箭”号空载以接近50千米的时速行驶,就已使当时的人们感到惊讶了,与今天世界上一些发达国家的高速列车相比,时速50千米简直不值一提。今天,著名的高速列车如法国的TGV、日本的“子弹”火车,以及德国从1991年6月2日正式投入营运的ICE,速度都在每小时250千米以上。而正在发展中的高速列车特别是磁悬浮列车,时速将超过400千米。

  但是,我们说过,速度的提高并不是件轻易而举的事。从“火箭”号到今天的高速列车,速度提高了好几倍,营运的安全性和舒适性也大大提高了。所有这些提高都是建立在许多人的冥思苦想和勤奋工作的基础上的。正是这些人的不懈的努力改进了从铁轨到机车制造的每一部分,并积极探索全新的铁路和机车,才有了今天的高速、舒适的高速列车和处于实验阶段的磁悬浮列车。回顾这个过程,人们往往会情不自禁地对那些杰出的科学家和工程师们表示钦佩。

  首先,铁轨的建造就不容易。钢轨做成什么样的形状好?两条钢轨间的距离多大?是否整条铁路就用两条完整的钢轨?

  摩托车手在比赛转弯时,会将车身向弯道内侧大幅度倾斜,几乎贴着地面。我们知道:这样做是因为车速太快,转弯时离心力太大,如果不倾斜,会连人带车都冲出跑道。高速行驶的列车也会碰到同样的问题。常见的解决办法是将弯道外轨垫高。据计算:当转弯半径为250米时,外轨道超过内轨150毫米,对通过该处的列车的时速限制为95~103千米。列车时速不能低于下限,否则会压坏内轨。103千米的时速显然不能算高速,但如果外轨继续垫高,则下限速度变大,某些速度慢的车在此不能通过。为了解决这个矛盾,科学家和工程师将高速列车的车身设计成可自动倾斜的。其倾斜程度由一套灵敏的控制系统根据转弯半径和车速而定。有了这种自动调节装置,乘客在转弯处就不再有要被甩出去的感觉了。当从转弯处进入直线段时会自动恢复,看起来整个车身在摆动。常被称为摇摆式列车

  以上那些改进,都是为了提高机车的速度和安全性。但如果想继续提高列车的速度就会遇到严重的障碍:一般有车轮的机车是借助轮轨间的粘着力运行。当车速不断提高时,粘着力会减少,而车身受到的空气阻力越来越大。当车速达到一定值时,空气阻力会大于粘着力。这样,无论怎样增大牵引力也不能提高车速了。但科学家和工程师干脆将车轮去掉。这样的想法可能一般人难以想象,没车轮的列车怎么行驶?但无轮的列车不仅可以行驶,而且行驶的速度更快、更平稳。当然,要做到这一点并不容易。

  去掉车轮,使机车悬浮在轨道上,这就成了所谓悬浮列车。通常有两种办法做到这点:一种是利用压缩空气在车底面与导轨之间形成空气层(又称气垫)。这种机车用燃气轮机车或线性感应电动机来驱动。法国在60年代曾多次试验过气垫车,其中有的时速达到422千米(指最高时速)。英美等国也都进行过这方面的努力。

  另一种使列车悬浮起来的办法就是利用电磁铁的相吸和相斥的原理。若用的是常导电磁铁,则将导轨做成T形。利用磁铁吸引钢板的原理,通过控制电磁铁中的电流来调节电磁铁和导轨间的距离为10~15毫米。机车的运行是靠感应线性电动机来驱动的。

  自从1911年昂尼斯发现超导现象以来,人们对超导的研究越来越深入。同时,将超导体用于磁悬浮列车的研究也越来越受到人们的重视。因为利用超导体可以获得极强的磁场,而消耗的电能却极少。其基本原理是这样的:在列车的相当于车轮的部分安装上超导磁体,这个磁体产生很强的磁场。而轨道用金属做成许多闭合回路。当用线性电动机驱动列车运行时,回路切割磁力线产生感生电流从而产生与上面所说的磁场极性相反的磁场,因而形成极大的排斥力将列车浮起来。通常悬浮的高度是10~20毫米。所谓直线电动机是这样的:在轨道上装上两排线圈相当于同步电机的“定子”,而列车上对应的线圈则相当于“转子”。轨道上“定子”中的输入电流可通过计数控制来调节列车的速度。车体两旁装有如同飞机的起落架一样的辅助橡皮车轮,用于列车的启动和停车。这样的列车速度高,稳定性好,噪音小,所以许多国家都在积极研制。特别是德国。早在1979年,在汉堡国际交通运输博览会上,德国首次展出了磁悬浮列车并做了运行表演,人们第一次领略到了磁悬浮列车的快速、低噪、平稳的优点。最近,为发展高速磁悬浮列车,德国高速交通财团已着手成立新的联合公司,公司的近期目标是在汉堡—柏林间修建时速达400千米的磁悬浮铁路,并计划在未来10年内投入商业运营,届时两地之间的旅行时间将仅为55分钟。其他国家的高速列车的研制也没停止。日本的新干线正向时速350千米进军。而法国正发展时速300千米的第三代TGV双层客车,到1998年末预订的100列可全部投入使用。而且,法国还正考虑TGV的高速货运。

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