線圈槍驅(qū)動高速鐵路技術(shù)

新墨西哥州阿爾伯克基-乍一看，桑迪亞國家實驗室的直線感應電動機似乎不太可能成為解決該國交通問題的候選者。它被重型鋼桁架包圍，看起來更像是一個縮短的粒子加速器。但是當物理學家證明這一點時，所有的懷疑都消失了。一個重35磅的輪式鋁板穿過桁架中間的條紋，仿佛是從大炮射出的。在僅13英尺的距離內(nèi)，板的速度達到33英里/小時。

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，線性感應電動機以每秒一公里的速度移動鋼板和鋼瓶。物理學家估計，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。美國國家航空航天局甚至認為它是發(fā)射航天飛機的一種手段。

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然而，現(xiàn)在，桑迪亞科學家提出了一項意想不到的新技術(shù)：高速鐵路。一個名為SERAPHIM(用于SEgmented RAil PHased感應電動機)的項目將采用線性感應電動機以200英里/小時或更高的速度推進列車。使用這項新技術(shù)，高速列車可以在現(xiàn)有的通行權(quán)下運行，減少鐵路磨損，減少對軌道維護的需求，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。“它既不需要動力導軌也不需要超導磁鐵，”桑迪亞技術(shù)人員的杰出成員巴里馬德說。“因此，該系統(tǒng)為高速地面運輸提供了低風險，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TGV(設計新聞，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鋼輪。無需牽引力 - 無論是加速還是制動。

相反，SERAPHIM概念通過磁力推動火車。列車上的帶電線圈對安裝在道路上的分段反應軌道起反應。反應軌可以是兩種類型中的一種：單面或雙面。在任何一種情況下，線性感應電動機的線圈都安裝在列車上。

SERAPHIM的直線感應電機通過與反應軌道的磁性相互作用提供動力。然而，與過去的線性感應電動機不同，它不是通過將磁通嵌入導體中而是通過排除它來操作的。在雙面版本中，車輛上成對的緊密間隔的線圈跨在分段的鋁軌上。隨著列車向前移動，車載傳感器“觀察”鋁反應板的接近。當線圈超過板時，系統(tǒng)的調(diào)制器將電流脈沖到線圈，產(chǎn)生磁場，它會在板上產(chǎn)生表面電流。那些表面電流排斥線圈。

實際上，桑迪亞科學家說，脈沖線圈推動了板的邊緣。怎么樣?在高頻操作時，焊劑沒有足夠的時間穿透。

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

在運行期間，每個動力軌道車將采用兩個燃氣輪機動力單元。功率調(diào)制器將脈沖電壓提供給線圈，每個調(diào)制器為六個線圈對供電。

感測和起火電路將控制功率調(diào)制器的脈沖。反過來，每個調(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。

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

在他們的新墨西哥實驗室中，桑迪亞科學家們已經(jīng)構(gòu)建了SERAPHIM概念的工作模型。使用三級電機，他們沿著4米軌道加速了14.4千克鋁板，速度達到15米/秒。在測試中，他們使用兩個繞組各51圈的線圈實現(xiàn)了每個線圈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這樣的概念。在20世紀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試中心對類似概念進行了測試。使用帶有線性感應電機和被動鋼輪的示范車輛，列車達到了200英里/小時的速度。

通過開發(fā)新的線性感應技術(shù)，桑迪亞的科學家們已經(jīng)復活了這個想法，但又增加了一個重要的轉(zhuǎn)折點。到目前為止，直線電機具有與其長度相關的固有速度限制。也就是說，它們越長，速度越快。但是，通過采用快速脈沖磁場和分段反應軌道 - 而不是低頻場和連續(xù)軌道 - 科學家們消除了固有的速度限制。

“用這項技術(shù)可以達到的速度確實沒有實際限制，”Marder說。“如果你有能力做到這一點，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，這項技術(shù)還提供了其他重要優(yōu)勢：

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。

它將提供更高等級的攀爬能力，因為它不會受到車輪打滑的影響。

它的機車會更輕，因為不需要額外的重量來提高牽引力。

桑迪亞科學家希望在普韋布洛，CO，測試中心測試這個概念。計劃建造一個“階梯狀”反應軌道，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技術(shù)，允許面向下的線圈“推開”鋁板。雖然它不如雙面配置那么高效，但它應該可以輕松地讓測試列車以200英里/小時的速度運行。

最終，桑迪亞科學家認為該技術(shù)可以為航空旅行提供可行的替代方案。由于飛機在上升和下降時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競爭。”

無煙航天飛機發(fā)射?

自紅石火箭隊的輝煌歲月以來，美國國家航空航天局在巨大的煙霧和火焰中發(fā)射了太空任務。現(xiàn)在有一個完全不同的想法。

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

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

根據(jù)研究人員的說法，MagLifter可以為更高速的發(fā)射提供足夠的推力，如果不是由于機組人員過度增加G力。他們使用線圈槍進行衛(wèi)星發(fā)射，估計衛(wèi)星上的累積量超過2,000 Gs - 這個數(shù)字顯然對乘客來說太過分了。

MagLifter概念看待行動的可能性有多大?所有馬德爾都會說：“我們已經(jīng)向美國宇航局提出了這個推進計劃，他們正在考慮這個計劃。”

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

這種材料在世界上最強大的通用四軸機車Re 465中起著至關重要的作用。由ABB運輸系統(tǒng)有限公司，瑞士蘇黎世和瑞士機車和機械廠設計，82噸發(fā)動機有一個最高時速可達140英里/小時，可以以60英里/小時的速度拉動650噸的火車，達到2.7%的坡度。新機車在歐洲北部和南部之間的瑞士跨阿爾卑斯山鐵路上運行。對于Re 465的牽引電機，杜邦工程師開發(fā)了一種特殊的耐電暈版材料，稱為Kapton CR。Kapton CR有助于使電機定子中的銅導線絕緣，避免導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絕緣材料。

為了開發(fā)Kapton CR，杜邦工程師與牽引電機制造商ABB和西門子股份公司共同開展了一項計劃。結(jié)果：據(jù)說電暈電阻比標準Kapton好幾個數(shù)量級，導熱率是其兩倍。

現(xiàn)在據(jù)說電暈電阻在20千伏/毫米，50赫茲時為100,000小時。推進系統(tǒng)采用功率晶閘管和三相交流電動機。