全球最快高铁从怀柔科学城跑出

　　今日《北京日报》整版刊登文章《破风飞驰》，深入报道了全球速度最快的高铁——CR450动车组样车在怀柔科学城中国科学院力学研究所建设的高速列车双向动模型试验平台通过了验证，最终拿到“准跑证”。

　　“行路难，行路难！”千余年前，古人曾经这样感慨。如今，一列列高速列车飞驰在大江南北，数小时便能跨越千里之遥，让这些喟叹化为历史云烟。
　　2024年12月29日，全球速度最快的高铁 ——CR450动车组样车正式亮相。全新的动车组拥有“贴地飞行”的实力：试验时速高达450公里。未来，它将用极致速度领跑世界。

△2024年12月29日，CR450动车组样车在北京正式发布，标志着“CR450科技创新工程”取得重大突破。?视觉中国供图 孙振旭 王海欣摄

　　高速列车在快速行驶中，最大的阻力来自看不见、摸不着的空气。CR450样车的外形宛如离弦之箭，刺破空气之墙。在北京怀柔，中国科学院力学研究所建设了高速列车双向动模型试验平台。这支令人过目不忘的“箭”，就是在这个试验平台通过了验证，最终拿到“准跑证”。
　　十多年来，一批批科研工作者陪着高铁列车模型一路驰行。样车气动定型、大风运行安全、噪声环境友好设计……从“和谐号”到“复兴号”，高速列车双向动模型试验平台见证了我国高铁列车的“加速度”，也见证着一代又一代“追风少年”持续攀登科技高峰。

建设“试验田”

　　“3，2，1，启动！”指令发出，264米长的铁轨上，两列“迷你高铁”相向而行。伴随着震耳欲聋的轰鸣声，两列身材小巧的“迷你高铁”，瞬间提速至每小时500公里，呼啸着擦肩而过，如闪电般划过轨道。不到10秒，两列高铁模型同步刹停，与此同时，行驶错车过程中的气动数据已全部被平台获取。
　　“它们就是前段时间公布的CR450AF样车的等比例缩小版，身材只有真车的八分之一。”试验结束，中国科学院力学所副研究员孙振旭走出监控室，第一时间到“老朋友”身边查看测试情况。此刻，“迷你高铁”安静地卧在铁轨上，小巧的车身上，每处细节都严格根据CR450AF样车制作。
　　在这个世界规模最大、实验速度最高的双向运行高速列车动模型试验平台上，如此惊心动魄的试验几乎每天都在进行。一列列“迷你和谐号”“迷你复兴号”经过平台的反复检验，在科研人员的帮助下，不断调试“身型”，从而得出最优的气动设计方案。
　　CR450动车组也不例外。
　　在平台研发前，列车的气动外形设计大多借助风洞实验完成。“风洞实验大多用在飞行器的设计中。列车的速度越来越快，飞机和高铁在空气动力学上的应用场景是类似的。”不过，孙振旭也点出了风洞实验的缺陷——没有考虑列车与轨道的相对运动。“飞机在空中飞行时，只有风在动，但列车的地面运行环境更复杂，明线交会、隧道通行、隧道会车等大量场景，仅靠风洞无法模拟，必须让列车真实地跑起来，于是有了这个试验平台。”
　　工欲善其事，必先利其器。
　　要让高速列车模型在短短200余米的距离内加速至试验所需的极高速度，试验平台必须练就极为深厚的“内功”。但它的“修炼”过程并非一帆风顺，从启动设计到最终建成，前后历时近7年。
　　在高速列车诞生前，我国的铁路运行最高时速仅为160公里。2008年，中国高速列车自主创新联合行动计划项目启动，中国科学院力学所研究员杨国伟带领团队，承担起该试验平台的研制任务，以服务于CRH380动车组的设计工作。
　　在实际的线路运行中，一列列车从“起步”至时速达到380公里，通常需要行驶几十公里。但留给科研团队的建设空间，是一个长度不足300米的场地。如此短的距离，对于1:8的列车缩比模型来说，甚至还不够“热身”。科研人员必须让模型迅速加速至指定速度，开展气动实验后再安全停稳。
　　条件有限，那就“螺蛳壳里做道场”。
　　经过上千次试验，常见的加速方法接连被划去。从常用的滑轮倍增加速，到航天领域使用的捆绑类火箭喷气加速，都无法在较短距离内让模型飞驰到实验速度。“最终，我们选择大号空气炮作为列车模型的动力源，高压气体推动轨道下方的活塞，模型就能快速加速前进。”孙振旭指向试验台不远处的两个巨大储气罐，它们根据模型所需的时速，释放不同压力的高压气体。通过压缩空气间接加速技术，加压至3兆帕的气流，仅需约50米的距离，就能带动重约100公斤的模型加速至最高500公里的时速，方便后续开展试验数据采集。
　　起步问题解决了，刹车成了下一个待攻克的难题。高速运行的列车模型，跑完试验台全程仅需3秒，仿佛一枚“子弹”射出，传统的接触式刹车技术在这个场景下几乎毫无用处。作为项目的主持者，杨国伟陷入了迷茫——
　　到底用什么方法，才能让100公斤重的“子弹”安全停下？出乎所有人的意料，刹车方案的灵感，竟然来自石景山游乐园的过山车。
　　高速翻滚的过山车在结束惊险之旅后，能快速进站刹停，杨国伟带着团队成员在过山车下驻足观察良久，终于发现了其中的奥秘。新的方案很快出炉——运用磁铁的非接触磁涡流减速方案，列车模型可以在100米的距离内稳稳刹停。
　　这个“世界之最”的试验平台，成了我国高速列车的试验田。“我国几乎所有的高速列车试验模型，都在平台上跑过。”孙振旭的语气中透着自豪，从“和谐号”到“复兴号”，每一代高速列车的“塑身”工作他都参与其中。一代代高速列车在设计样车时，都会根据平台的空气动力学试验结果，不断调整各项参数，反复打磨、精雕细琢。

为高铁“破壁”

　　在试验平台专用储藏室里，摆满了各式各样的火车头。
　　十多年前，孙振旭还在北京大学攻读博士学位时，就参与到“和谐号”CRH380A动车组的气动设计工作中。当时，研发单位为“和谐号”设计了20多款车头的样式。乍看上去，它们之间的区别不太大，但在高速运行的情况下，车身上不起眼的凸起、凹陷，都会对列车的气动模型产生极大的影响。
　　空气是有黏性的。人们日常活动处在低速环境中，通常感觉不到这种黏性，但在高速列车的运行环境中，无处不在的空气，宛若前进途中一道道看不见的墙壁。
　　孙振旭说，列车运行的阻力，包括车轮与轨道摩擦的机械阻力和车辆受到的空气阻力，空气阻力和列车运行速度的平方成近似正比关系。当列车时速达到200公里时，空气阻力在总阻力中的占比约为70%，如果时速达到500公里，空气阻力在总阻力中的占比超过90%。
　　为了让列车跑得更快，科研人员一直在努力“破壁”。
　　风阻系数与列车的外形高度相关，因此车型的设计极为重要。2011年博士毕业后，孙振旭加入杨国伟团队，正式参与我国高速列车的破壁攻关。
　　“我们拿到一款外形设计方案，第一步是要为它的设计图包上‘网格’，方便进行后续的空气动力学分析和计算，从而找到最主要的阻力源。”孙振旭的电脑中存储着每一次仿真实验的结果，“别看这些模型都是流线型设计，但不同的形态在性能上差异很大。”他详细解释，车头的外形设计很重要，但它仅仅是气动分析的一环，车厢间的缝隙、受电弓、转向架等结构，都要针对性地进行气动减阻设计。在初筛环节，团队主要采用计算机仿真方法筛选出性能相对最优的几种方案，再进行缩比模型的测试。
　　位于列车顶部的受电弓，是车辆运行的电力“动脉”，它将接触网上的电力源源不断地输送给列车。然而，这个凸起的结构，与车体流线型的设计相悖。在仿真系统中运行时，裸露的受电弓周围永远包裹着一片红色——这意味着空气压力极大。“和谐号”受电弓加装围护整流罩后，受力明显减小；但列车时速由300公里提升至400公里时，围护整流罩就无法满足需求，“复兴号”CR400AF的受电弓设计必须另辟蹊径。
　　“‘复兴号’车体采用了平顺化设计，让受电弓下沉到车顶的凹槽内。”孙振旭说，凹槽的形状、深度等方案，需要以详尽的仿真数据作为基础。经过反复测试，团队为受电弓设计了最适合的凹槽。
　　一招“以退为进”，恰似画龙点睛。
　　从最高时速380公里到400公里，再到450公里，列车的外形越来越平顺。CR450在CR400的基础上，进一步优化转向架设计，加装了挡板的车轮“犹抱琵琶半遮面”，能够大幅减小风阻。
　　一切设计最终都要用测试数据说话。通过了计算机仿真的考验，车辆模型就要走上试验平台进行实战。要想准确还原模型飞驰过程中的气动数据，模型上放置的大量测试传感器都需要团队成员手工制作，以适配测试需求。
　　中国科学院力学所工程师郭易最近正忙着为新一批列车试验模型做准备，他的加工台上摆满了一颗颗传感器，每颗传感器只有黄豆大小。“这是个精细活儿，得给它们挨个儿接上延长线，确保在测试时，样车从头到尾的每个所需点位都能准确回传测试数据。”
　　在极高速环境下进行的测试，难免会出现各种意外。
　　有一次，轨道上活塞的牵引绳在连续多次试验后强度下降，承受不住高压气体的巨大冲击而断裂，打坏了牵引活塞，车体模型也因此受损。这一幕让孙振旭记忆犹新，试验细节的优化，往往建立在一次次的失败之上。在试验任务最紧张的阶段，“迷你高铁”每天都得在试验平台跑上四五趟，团队也要以最快的速度完成数据分析整理。
　　“可以说，动车组每一代列车的设计，在气动性能上都有大踏步提升。”孙振旭说，在CRH380的基础上，CR400实现了超过10%的气动减阻；CR450则更进一步，相较“复兴号”气动减阻21%至25%，“空气墙”的存在对列车的运行影响持续减弱，“哪怕只节约了1%的能耗，在实际运行过程中都能大幅降低成本。”

产出“金标准”

　　除了顶风前行，列车还要经受住横风的考验。
　　途经我国西部的兰新线，要穿越广袤的戈壁滩。茫茫戈壁上，横风严重威胁列车运行安全。
　　“环境风是影响高速列车进一步提速的关键因素，横风会破坏高速列车自身的气动性能，严重时会导致列车脱轨、倾覆。”孙振旭说，此前，铁路部门为时速200公里的列车制定了运行规范，但是，当列车时速达到400公里，多大风速的横风会使其遭遇危险，这一标准仍是空白。
　　国外的高速列车尚未达到这样高的时速，因此没有研发需求。中国科学家要勇闯“无人区”，制定属于我们自己的标准。
　　CR450采用了轻量化设计目标，需要具备更高标准的抗侧风倾覆能力才能保证运行安全，标准的制定必须以严谨的实验数据为基础。孙振旭带领团队结合空气动力学与车辆动力学理论，对时速350公里至450公里范围内的高速列车运行安全性进行了系统研究。
　　在试验平台上，列车模型需要完成不同难度的“考卷”。平台设置的横风测试装置，最大风速可达每秒50米，相当于超强台风“杜苏芮”登陆时的强度，大约为15级风。“这套装置的设计风向是最恶劣的条件，也就是90度横风，我们通过设置不同的风速，测试列车通过时的数据。”孙振旭找出一张横风测试数据图，列车的背风侧出现了多处涡旋，其中一处涡旋呈现刺目的红色——这预示着极其危险的气动环境。
　　团队获取的数据，为相关标准制定明确了边界条件。后续其他研发团队进一步利用这些数据，模拟出不同风力场景下列车的运行状态，从而建立起一套高速列车大风环境下的评判指标体系，并明确了大风限速运行方案。
　　高速列车在不断提速的过程中，还有一个重要的问题亟待解决——噪声。“轮轨噪声和气动噪声，与列车运行速度存在6次方的关系，所以我们的研发不仅要减阻，更要降噪。”孙振旭说，在CR450的研制过程中，列车速度的提升和重量的降低，一度给噪声控制工作带来极大挑战。通过反复优化设计，他们将时速400公里的列车噪声水平，控制到与时速350公里列车相当，提升了乘客的舒适度。
　　从“跟跑”到“领跑”，中国高铁的每一次破风，都书写了挑战速度极限的篇章。现在，一列列经过“塑身”的高速列车，已经融入了人们的日常生活。
　　如今，科研团队在试验平台上冲击我国高速列车的运营速度极限，为时速600公里的磁悬浮列车研发提供技术支撑；从试验平台走出来的高铁研发人才，更是源源不断地为我国的高速列车研发提供新生动力。

△高速列车双向动模型试验平台

　　20多年前，孙振旭坐着时速不到100公里的绿皮火车来到北京上大学。今天，时速400公里的高铁列车已取得重大突破。孙振旭常常感慨自己非常幸运，能够在高铁研发中贡献自己的一份力量。展望未来，他充满期待：“让我们一起见证中国列车速度，见证中国速度。”