真空管道超高速磁浮交通换乘与安全环境分析

范俊怀，黄 强

（1.中铁第六勘察设计院集团有限公司 线路站场设计院，天津 300308；2.中铁第六勘察设计院集团有限公司 城市轨道与建筑设计院，天津 300308)

列车在地面高速运行所产生的巨大空气阻力、强噪声和高能耗，是轨道交通运行速度进一步提升无法逾越的障碍。为了进一步提高轨道交通的运行速度，人类社会必然会追求更高效的交通运输工具，克服传统铁路存在的黏着极限、气动阻力及轮轨噪声问题，必须改变列车运行方式和环境，而真空管道磁浮系统可以提供一种可能性选择[1-2]。超高速真空管道交通技术时速可以达到上千公里，具有比飞机能耗和环境污染小、安全性高、运载量大的优点。虽然低真空管道高速磁浮系统已经提出数十年，但作为提供封闭运行环境的交通管道，迄今为止还没有十分成熟的应用[3]，在交通领域的应用仍然停留在试验设备上。实现真空超高速磁浮涉及很多的关键技术，其中乘客换乘车站内真空与常压的转换、真空管道环境乘客应急疏散及救援、真空管道散热安全环境是真空超高速磁浮轨道交通需要重点解决的关键技术。

1 真空管道超高速磁浮交通乘客换乘转换方案设计

真空管道超高速磁浮交通是在密闭管道环境下，列车悬浮在真空管道中实现无空气阻力超高速运行，而车站和列车内部为保证乘客安全则处于常压环境中，乘客如何安全、快速地从常压环境的车站经过真空管道后进入列车内，实现乘客上、下车换乘转换是需要重点考虑的问题。以下提出利用乘客换乘连接通道方案和利用管道内隔离门方案2 种真空与常压之间转换的设计方案。

1.1 利用乘客换乘连接通道方案

乘客换乘系统借鉴民航的登机桥方式，通过车站内设置连接通道与列车密封对接，从而实现换乘。连接通道主体材料采用可伸缩的钢结构，接口处采用橡胶材料密封圈。当列车抵达车站以后，停靠在固定的位置，然后连接通道由常压的车站向真空环境的管道内伸出，直至与列车车门无缝对接，接口处采用密封圈结构进行密封，实现与真空环境的隔离，然后对连接通道进行恢复大气压，在候车站台、连接通道与车体内气压均满足常压情况，并达到平衡后，列车门开启、通道门打开，最后乘客通过通道完成上下车。该方案最大的优点是技术方案简单、成熟，通道的结构简单、体积小，制作容易，成本低等。运营期仅需对通道本身结构和密封接口进行维护。同时，该方案限于本身材料特点，乘客无法直接观察到列车，体验性较差，且通道伸缩机构与密封接口长期使用，构件损耗应重点排查。

1.2 利用管道内隔离门方案

与通道连接理念不同的另一种方案为利用隔离门在隧道内进行真空与常压之间的相互转换。该方案车站候车站台区域为常压环境，仅提供乘客休息与换乘场所，不再提供转换空间或转换机构。具体方案如下。

首先，在车站范围内设置4 道可关闭开启的隔离门，隔离门1 和4 为开启状态，隔离门2 和3为关闭状态。当列车由真空A 区间管道进站时，隔离门2 保持关闭，隔离门1 打开，列车缓缓驶入车站①区域，然后隔离门1 关闭，隔离门2 开启，车辆滑行至站台②区域，随后隔离门2 关闭，此时站台区域恢复至常压环境，车站屏蔽门打开，此时此处包括列车内、外均处于同一标准大气压，乘客进行上下车。然后，车门关闭，车站屏蔽门关闭，出站时，隔离门4 保持关闭，隔离门3 开启，列车滑行至③区域；隔离门3 关闭，隔离门4 开启，利用真空泵组系统快速维持所需的真空度，列车驶出车站。真空与常压转换平面布置示意图如图1 所示，真空与常压转换立面示意图如图2 所示。

该方案优点是真空与常压的转换在真空隧道内进行，而不是设置在车站范围，乘客上下车与高速铁路或地铁的形式基本一样，在站台等候列车即可，便于乘客使用，且乘客的体验性较好；缺点是设置在真空管道内的隔离门维护与检修没有连接通道方便。

2 真空管道超高速磁浮交通环境乘客应急疏散及救援

真空管道超高速磁浮交通具有低真空的运行环境和超高的运营速度。当列车在超长低真空的管道环境内出现故障时，首先面临的是人员救援问题[4-5]。由于真空管道内列车内外部存在较大的大气压差，运营中途故障停车时乘客无法由常压环境的车内直接进入真空管道逃生，如何快速将管道内真空度恢复到安全大气压提供乘客应急疏散的安全环境成为需要重点解决的问题[6]。与现有隧道的疏散方式进行对比分析，考虑其固有的特点，需要一个转换空间或通道进行疏散，实现乘客安全救援逃生。以下对地面管道疏散方式和山岭隧道疏散方式进行分析[7]。

图1 真空与常压转换平面布置示意图Fig.1 Schematic layout of vacuum and atmospheric pressure conversion

图2 真空与常压转换立面示意图Fig.2 Vacuum and atmospheric pressure conversion elevation diagram

图3 陆域段应急疏散平面示意图Fig.3 Schematic plan view of emergency evacuation on land

2.1 地面管道疏散方式

可将整个管道划分若干逃生单元，每个单元之间设置隔离门，管道顶部设置复压阀门，上、下行管道之间采用常闭联络通道连接。若上行管道发生事故，车体内迅速落下氧气面罩，制动停车，车辆所在的管道单元两端隔离门关闭，顶部复压阀门开启，大气快速进入，紧急复压，待恢复常压后，乘客可通过联络通道或逃生通道至安全地带。陆域段应急疏散平面示意图如图3 所示，陆域段应急疏散立面示意图如图4 所示。

2.2 山岭隧道疏散方式

山岭段隧道，在上下行隧道进、出洞口各设置一个隔离门和一组真空泵组系统，便于实现和维持山岭隧道的真空环境。若2 条单洞单线隧道，可在上、下行隧道之间设置1 条常态常压的服务隧道兼疏散通道，上下行隧道之间根据隧道长度可设置若干应急联络通道，连通疏散隧道。若隧道内发生事故，车体内迅速落下氧气面罩，制动停车，隧道进出洞口的应急隔离门关闭，然后快速对事故隧道进行复压，待恢复至常压后，乘客可通过联络通道进入常压环境的服务隧道兼疏散通道内至安全地带。对于管道和短隧道复压以大气直接进入的方式为主，对于长大隧道可配备复压系统进行复压。也可以根据疏散要求，将隧道断面做大，混凝土二衬与钢壳分离设置。若发生应急响应，车体内迅速落下氧气面罩，制动停车，隧道进口和出口隔离门关闭，迅速复压隧道环境，待恢复常压后，乘客离开钢壳区域，进入常压的混凝土隧道断面内，利用疏散通道进行逃离。山岭隧道应急疏散平面示意图如图5 所示。

图4 陆域段应急疏散立面示意图Fig.4 Schematic elevation diagram of emergency evacuation on land

3 真空管道超高速磁浮交通散热安全环境分析

在真空管道环境下，空气的传热性能相对于常压环境会有显著的降低，列车散热系统的工况比常压运行条件下更恶劣。除了磁浮列车自身设备散热外，磁浮列车的轨道系统发热也会增加管道内散热的负担，对列车运营和车内人员安全环境产生较大的影响。因此，保证管道内和列车上设备在自身允许的工作温度下运行的散热安全环境，成为真空管道高速磁浮列车设计的关键一环。对真空管道内系统散热保证列车运行和旅客乘车安全环境的研究包括：真空管道内超高速磁浮列车车体热平衡研究及超高速磁浮真空管道系统热平衡研究。

3.1 真空管道内超高速磁浮列车车体热平衡

在真空管道交通系统中，超高速磁浮列车车体散热量主要包含：①磁浮列车自身的设备散热。针对具体的发热设备，利用冰蓄冷或液氮等，直接冷却；或者采用由吸热系统、热管系统和散热冷却系统3 部分组成的系统散热至真空管道内[8]。②保证人体舒适性的空调散热。对于保证人体舒适性的空调，也可利用冰蓄冷或液氮等，直接冷却；或者冷凝器直接蒸发(自身携带的冷却剂从车体表面喷出)，热量散发至真空管。③气动热。物体与空气或其他气体作高速相对运动时所产生的高温气体对物体的加热，称为气动热。列车在低真空管道中超高速运行，与管道中的稀薄空气剧烈摩擦出现高温，产生气动热。气动加热会使车体结构的刚度下降，强度减弱，同时引起车体内部温度升高，恶化车内工作环境。因此，气动热是真空管道超高速磁浮交通设计中必须考虑的问题[9-10]。

针对列车在真空管道内产生气动热的特点，保证列车散热安全环境采取措施：①真空管道抽真空时选取合适的阻塞比、真空度和马赫数，以减少气动热。②被动热防护。只依靠防热结构和材料本身，将热量吸收或辐射出去，使材料设计和结构设计有机结合。③主动热防护。依靠冷却工质带走绝大部分热流，热反射掉一小部分，通常采用蒸发式(自身携带的冷却剂从车体表面喷出)。④半主动热防护。利用其周围区域加热程度较轻的部位，热量在强加热区域被热管吸收，并将工质汽化为蒸汽流，然后流到较冷端冷凝并释放热量，最后冷凝后的工质利用毛细作用渗过管壁返回严重受热区继续重复这一过程，从而达到循环冷却作用[11-12]。

图5 山岭隧道应急疏散平面示意图Fig.5 Emergency evacuation of mountain tunnel

3.2 超高速磁浮真空管道系统热平衡

列车设计运行速度与真空度有直接关系，列车行驶速度越高，要求的真空度也越高。当列车速度达到1 000 km/h 以上时，真空度须达到大气压0.01 atm ～ 0.02 atm，空气的传热性能相对于常压环境有显著的降低。保证管道内和列车上设备在自身允许的工作温度下运行的散热尤为重要。管道区间内的热量主要来源为磁浮列车车体发热及少量的管道内线缆发热等。

针对低真空管道环境，空气密度低、空间狭长，以辐射换热为主，热传导、对流换热为辅，实现改善低真空管道的热环境，解决方案如下：①低温冷辐射供冷。结合疏散井设置制冷站，在制冷站前后若干距离的低真空管道壁面内埋设供冷管，通过列车的活塞风效应，达到管道区间温度基本均匀(管道为低真空，有一定的空气流动)，以满足运营要求。②埋设热管。全低真空管埋设热管，利用土壤和水源散热。热管的超强导热系数是一般金属的万倍左右，换热效率高达98%以上。③分段设置液氮站(或干冰等)。结合低真空管道的疏散井分段设置液氮站，把整个低真空管营造成低温空间，车体采用航空材料。④采用相变吸热系统+热管系统+散热冷却系统[8]。低真空管内可全面敷设或分段敷设采用相变材料的吸热系统，散热系统中利用传统的制冷机组或者冷却塔将热量带至室外。当低真空管内温度高于设计热控系统的温度时，热量将由真空管传递至吸热系统的相变材料使其完全融化后相变材料温度上升，热管启动将热量传递给散热系统(制冷机组或者冷却塔)。结合低真空管道的疏散井设置冷冻站或冷却塔。⑤采用对热辐射吸收率高的结构材料。管道区间由结构壁面通过热辐射吸收热量，再通过热传导，传递至土壤或者水。⑥车体采用耐高温材料，真空管道内不做降温处理或者简单降温处理。可根据航空航天领域反向思维，航空航天是低真空低压力低温度，低真空管道超高速磁浮是低真空低压力高温度，两者的环境差异在于低温和高温。航空航天的处理方式是适应环境，低真空管道超高速磁浮也可以积极适应环境，列车车体采用隔热材料，保证车厢内人员的舒适环境和车体内电器设备的安全运行环境，真空管内采用耐高温的设备及材料。以上从理论上分析解决低真空管道散热安全环境问题方法的可行性和可实施性，待真空管道超高速磁浮正式实施阶段还需具体分析研究，最终确定采用何种方式，以达到经济、节能、方便、可实施的要求。

4 结束语

真空管道超高速磁浮交通是未来先进地面轨道交通的发展方向。围绕真空管道超高速磁浮交通“关键技术—装备研制—工程试验—工程应用”，全链条开展科技攻关，攻克超高速磁浮交通的悬浮导向与驱动、真空管道、超导磁体和安全保障等关键技术，研发超高速磁浮工程试验系统的牵引、供电、运控、车辆等装备并进行工程试验，其工程化研究必将带动相关领域的飞跃。通过对真空管道超高速磁浮交通关键技术的分析，为后续该领域提速至1 000 + km/h 的技术突破提供参考，同时为其他关键技术的跟进提供研究依据。