五年后，我们或许就能坐上时速600公里的磁浮高铁了

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2008年奥运会期间，中国高铁正式投入运营，经过十年的发展，中国高铁已超过2.5万公里，3000多辆高速列车日日夜夜在路上来回跑，穿梭于全中国50万人口以上的大城市。为何十年间高铁变化如此之快？目前到底处于什么样的水平？未来将走向何方？中科院力学所研究员、高铁设计专家杨国伟将为大家分享他和高铁的故事。





杨国伟  中科院力学所研究员  973项目首席科学家  “高速列车自主创新联合行动计划”总体专家组成员



以下内容为杨国伟演讲实录：



我今天和大家谈一谈高铁。



最近十年，大家感觉变化最大的就是通高铁了。



与别人交谈，我经常会问，家乡建了高铁吗？每年临近过年，我不知道老家在外地的朋友们，是不是都抢到票了？好多朋友都跟我讲抢到了，问我抢到了吗，我说我既抢到又没有抢到。为什么？因为从北京直达的没有了，只买到从天津转车再回家的票。







我是80年代上的大学，一直上到90年代中期，当时怎么过来的？可能与我同龄的人都知道，买卧铺票是要介绍信的，要团级以上的介绍信。我们只能坐绿皮车的座票，特别到春节的时候，要坐临时的班车，临时班车有时候还没有了，只能坐货车改的临时班车。买一个小马扎，整个车厢没有座位，都坐在地上，或者铺一张报纸……是这么走过来的。







90年代后期，我在日本留学三年，又在德国待了三年。当时日本新干线最高速度是270公里每小时，而一般的高铁都是220公里每小时，所以看到新干线，感觉这么漂亮、这么舒服、这么快！当时的心情，按照现在流行语叫做“羡慕嫉妒恨”，但是现在来看，是日本人对我们也要“羡慕嫉妒恨”了。



现在我们的高铁有2.5万公里，至少50万人口以上的大城市基本上全部通车了，我们有3000多辆高铁日日夜夜在路上来回跑。为什么这十年高铁变化这么快？目前到底处于什么样的水平？这可能是大家最感兴趣的，接下来我会向大家娓娓道来。









首先讲一下高铁的历史吧。1964年，日本在奥运会前夕开通高铁，和我们2008年奥运会开通高铁完全一样。所以，高铁是从1964年开始有的，他们叫子弹头，每小时200公里。那了不得了，全世界都竖大拇指！从那以后，全世界都开始进行研究，法国1981年有了高铁叫TGV，德国1991年有了高铁叫ICE。







其实我们国家研究高铁还是很早的，从1990年开始论证北京到上海的京沪高铁，接着就布局了高铁研究的项目，一直到2002年左右，研制了很多高铁。这里只举了先锋号、中华之星的例子，这些都是200公里的车。在这个过程中，研究花了很长的时间，但为什么它现在不行了呢？为什么我们现在看到都是和谐号380、复兴号，这个车怎么没用呢？



实际上，作为一种大众化的产品，必须要非常成熟。但当时我们的工业基础比较弱，技术力量也比较弱，这些研制的高铁经常“趴窝”，不能满足实际应用的需求。在这种情况下国家怎么办？引进、消化、吸收、再创新，是这样一个过程。



2008年，发生了我们国家高铁的一个标志性事件——修通了京津城际300公里，这个车型是从德国西门子引进过来的，当时最高速度能到350公里，运行速度是300公里。







实际上引进是从2004年开始的，大家可能见到的是2008年。



在2020年的规划中，我们国家要建高速铁路网，这么长的高速铁路网，车从哪来？引进的高铁技术？不对，引进的是生产线，别人的技术根本不卖给我们。从2004年，上图从左边第一个、第二个和最后一个，这几个当时我们叫动车组，通过既有线路的改造能够跑到200公里。







围绕2008年奥运会，我们引进了西门子，是300公里～350公里的车，引进回来叫什么名字呢？大家都知道名字叫和谐号CRH1、CRH2、CRH3、CRH5，大家会问那中间不空了个4嘛？因为我们中国人不习惯用4，这个数字不吉利就不要了。



这里面也有一个故事。本来我们2004年就想从德国引进这个车，但他们说，你们高速铁路那么弱，不卖给你们。实际上引进别人的车，别人都是把比较低端的产品卖给我们。2008年开奥运会之前，到2006年，德国反过来想占领中国市场，经过反复洽谈才卖给我们的。



我们从1990年开始研究高铁，引进了车，又通过了当时的京沪线、武广线，我们就在这个基础上研制更高速度、更好的车。所以从2009年到2011年，有两部联合行动计划，什么叫两部？就是当时的铁道部和科技部。



2008年2月26日，在钓鱼台国宾馆，当时国务委员陈至立代表国家签署两部联合行动计划，当时我也参加了。行动计划的目标之一，就是我们要针对京沪高速铁路，研制自己的车，这是一个大任务。







我们基于德国的西门子，在国内叫三型车，基于日本引进的则是二型车。通过三年的努力，研制出CRH系列车，就是中国高速铁路380A、380B、380C。B和C是同一个平台研制出来的，都是基于西门子，只不过是不同厂家生产的。



还有综合检测列车，大家对这个车可能不熟，这个车实际上是保证大家安全的。这个车上装的全是设备，不能坐人。为什么高铁到了12点之后就停下来了？因为在12点到早晨6点，综合检测列车一直在路上运行，检测各种各样的问题，保证我们早上6点去坐高铁的时候有车坐。







就这样，我们基本上在各个平台上都有了自己的更高速度的列车。但是我们国家这么大，根据环境需要各种不同类型的车，这叫做环境适应性。当时哈大线（哈尔滨到大连）要开通了，又要建兰州到新疆的高铁，海南岛的环线也都开通了。



哈大线的车要改造成高寒列车，需要确保列车所有部件和材料能够耐零下40度的低温。对跑西北（从兰州到新疆）的车，必须要研究防风沙。在西北，一年大概有280天平均风速6级，北京四五级风速走着感觉就不行了，加上车速还那么快，所以必须研制防风沙的车。同时针对既有路线，还要研制长途卧铺的动车组。以上这些都是根据我们国家的需要来研制的。



同时我们还要发展技术。从技术方面来说，我们想把列车变得更智能，把现在的AI技术都加进去。2007年的时候，法国的车跑了世界上最高的速度——574公里每小时，当时请了全世界所有的记者到场，大家都讲法国技术最好，能跑这么快。



实际上，我们也做了这个车，至少能跑500公里每小时，准备在北京到天津的徐州到枣庄一带来试验的，最后因为铁道部改成了铁路总公司等原因，这个车实际上没跑成。另外，我们还围绕珠三角小范围地改造了160公里/小时的城际列车。这样，上述车型我们在技术上就已经具备条件了。



因为所有列车的原型都是在世界上各个国家平台上研制出来的，于是就存在很多问题：第一，配件不统一，高铁需要维修，换配件换不了；第二，开高铁不像开汽车，这个车那个车都能开，高铁司机会开这个车，换个车可能就不会开了。



针对这些问题，我们叫“互联互通、满足用户的需求”，要变成中国的标准——原来是世界各个国家的标准，我们要把它变成中国标准。这些中国标准的列车，我们开始把它叫做“中国标准动车组”，然后中国铁路总公司总经理（相当于原来的铁道部部长）把这个车改成“复兴号”，我们熟悉的“复兴号”就是这么来的。







那我们现在做什么呢？响应“一带一路”，研究400公里的动车组。为什么研究这个车，这个车有什么好处呢？主要是满足“互联互通”。



因为各个国家铁轨之间的距离是不一样的，大小也不一样，比如我们的一辆车从北京一直跑到欧洲，不同国家的铁轨都不一样，除非都去换轮子。所以这个400公里动车组要求车底下有转向架，它在不同宽度的轨道上，都能够一直开过去，不用换轮子。



这种高速列车最高速度大概能跑多少？这也是随着技术发展的，60年代车最高能跑200公里，后来能跑300公里，现在根据我的判断，大概是能够运行最高速度400公里。







另外，我们现在正在研制600公里磁浮列车。



我们这么大的国家，这个技术是一定要掌握的。为什么呢？因为日本研究了很长时间，最高速度跑到603公里，他们宣称2017年要全部建完从东京到大阪的磁浮列车，运行速度550公里。我们这么大国家，未来应该有600公里的磁浮列车。



现在大家通过都是通过网络购物，再通过顺丰快递送上门，这就需要研制高速货运列车，让我们买的东西能尽快送到我们手里。



这些都是我们现在正在做的事情。接下来讲一下大的系统。







高速铁路是一个非常复杂的系统。



首先是工务工程，有桥梁、有隧道、有站场；上面架着电线，要供电系统；有通讯信号，每个车在什么位置；有运营调度，运营调度就是我们看到的时刻表；旅客服务，这是和我们打交道比较多的。







我主要参与的是高速列车这一块，下面我主要从高速列车这个方向来讲一下。



大家听得多的是高速列车，但是前面又提到动车组，动车组和高速列车好像都混起来了，他们之间什么区别呢？原来的绿皮车、现在的货车都是动力集中型，什么叫动力集中型？前面有一个机车带着后面的车厢往前跑，就是我们平时说的“火车跑得快，全靠车头带”，是车头有动力，它带着后面的车厢跑。



现在的高铁不一样了，动力是分散的，每节车底下都装了牵引动力，简单地说就是每节车都装了发动机，联合一起往前跑。这样就跑得快，每一个要求也不高，每一个对轮轨的受力比较平均，所以现在发展的潮流都是“动力分散”，我们国家也叫动车组。







我们国家的动车组主要针对既有线，既有线的都叫动车组，后面新修的这些线就是高速列车，从动力分散的角度来说，也都叫动车组。



高速列车非常复杂，高速列车本身有十项子系统。怎么造一个车体？列车上面怎么网络控制？列车怎么牵引？刹车怎么制动？转向架怎么弄？牵引的电机牵引变压器、变流器，上面网格线的输出我们国家都是按二万五千伏来设计的，到上面都要变流、整流，包含这样一个复杂的系统，怎么把它集成起来？下面针对我自己的一些工作给大家介绍一下。



大家问高速列车每个样子都长得不一样，要考虑哪些问题？我举两个例子，一个是我们国家的CRH380A（和谐号380A），还有复兴号 400AF。针对这两种车，大概说一下设计过程和流程。







我管的是性能方面。车当然有不同的形状、不同的外形，但车的性能到底好不好？跑起来是不是能够节能？是不是升力很大？升力如果很大的话，高铁就会飘起来了。还有交汇的时候、过隧道的时候、有很大风的时候，车运行起来是不是稳定？是不是安全？是不是节能？是不是环保？这些是我关心的事。



当然，光我设计出来还不行，还要到厂子里去制造。制造就牵涉到司机的视野、设备的布置、室内的空间、附件的空间、工艺的成本，这些都是必须要考虑的，只有这样才能造出来。







还要体现中国的民族文化特色，别人一看就知道这是中国的车，是象征我们中国的。关于这方面，我们叫工业设计。工业设计都是基于很抽象图形，从抽象型的龙、马、火箭，像画草图一样，画出一个大概模型，慢慢地过渡到车，以此基础，把三维的造型弄出来。







中国有世界上最快的计算机，用计算机来仿真。仿真什么呢？就是车还没造出来，但它的线路、所有的工况我都知道了，然后我考虑各种各样的隧道和其他情况，我们叫场景模拟。从这里面要得出计车体的强度、刚度，还有气密性，这些参数是通过仿真得来的。







还有风洞试验。风洞试验是什么东西呢？就是一个大管道，在管道里让车保持不动，前面产生风，按照相对运动相当于车在跑，周围是静止的，这是测什么？是把它的气动特性、气动力全测出来，从这方面来进行研究。







还有气动噪声实验。因为噪声牵涉到气密性，如果气密性好，在车里面坐着感觉的声音就小，噪声小对周围的环境影响也小。噪声风洞和上面的气动风洞有什么不一样呢？它的价钱至少是气动风洞的5倍以上。它要求背景噪声小，因为要产生一股快的来流，这个风扇要拼命产生这样的环境，所以噪声风动要求背景噪声非常低。



这些都完成之后呢，要人机工程验证、工装台位验证，这样就可以生产出来了。







现在的“复兴号”和“和谐号”有什么不一样？受电弓（电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备）的底下是不一样的，车头不一样、整流不一样，这些都是我们一项一项来设计的。



风洞能产生一股来流，但是它不能模拟列车交汇这一情况，所以这十年我还在怀柔建了一个很大的高速列车动模型实验平台，按照1：8的比例。







这个视频记录了我们动模型实验的整个过程。最高速度能到500公里每小时，现在正改造成600公里每小时的一个实验台。我们依托这个，建立了中国的标准体系，可能五年之后，我们就可以坐上中国600公里的磁浮列车。