超高速真空管道飞行器系统的制作方法

本发明涉及交通运输技术领域，具体涉及一种在真空管道内高速运行的飞行器系统。

背景技术：

目前，我国一线城市之间距离多在1000-2000公里，省会/二线城市之间多在300-3000公里，但是1小时内,高铁运行不到350公里，民航客机不到900公里，远途旅行时间长，只能通过“商务座”、“头等舱”形式加大乘坐空间等手段来提高远途旅行舒适性，但必须以高票价为代价，使得高舒适远途旅行成为普通人的“奢侈品”，因此，未来远途交通工具需要具备超高速度运行大幅缩短旅行时间来跨越提升舒适性的能力。

2015年，我国流动人口规模达已经2.47亿人，占总人口的18％，相当于每六个人中有一个是流动人口。未来人们远途工作出差、探亲访友和旅游的频次将不断续增多，远程交通工具与人们工作生活的联系将更为紧密。人们在远途出差和旅行时，总是希望能够依据个人的工作和生活具体时间安排，更为自由地选择出发/到达时间，并且所乘交通工具的换乘方式和流程简单，在旅途中滞留时间更短。然而，目前人们长途旅行受到火车和飞机的影响还很大，自由、便捷性还不够。因此，未来远途交通工具需要具备换乘简单、发车频次高、快速到达等能力以实现自由便捷性的大幅提高。

交通产业作为重大基础设施，是带动国家经济和就业等持续增长的重要领域，需要不断探索能够形成市场占有率优势的新交通工具，促进国家发展。按照开锐客运市场占有率模型，旅行时间是赢得客运市场占有率的首要因素。1804年，英国人德里维克制造出世界上第一台蒸气机车，此后经过近200年发展，火车成功占据了陆上长途运输市场的主要份额。1919年，英国制造了dh-16单发动机4座专用客机，之后近100年，民用航空以高速飞行缩短旅途时间的绝对优势，成功抢占了火车占有的部分长途运输市场份额。为应对竞争，铁路领域聚焦速度，大力发展高速铁路，如我国到2015年就建成1.8万公里高铁，以高特为主骨干的快速铁路网络总规模达到4万公里，成功稳住了市场占有率。火车和飞机进入细化市场，以及综合比拼旅行时间、票价、安全性、服务的阶段，交通体系整体得到良性发展。因此，未来远途交通工具需要在综合旅行时间、票价、安全性、服务等的能力方面出现大幅提升，具备激烈竞争条件下抢占远途运输市场份额的能力，从而有效推动交通产业整体持续发展。

目前，远程快速交通工具主要是高速铁路、喷气式客机。其中，高速铁路运行速度约250～400公里/小时，喷气式客机运行速度约600～900公里/小时。

喷气式客机的主要优势是速度快和受地理影响小，客机从空中点对点飞行，基本不受地表形貌限制，可以跨海或到达偏远/山地/岛屿/冰原等特殊地区。但是，喷气式客机未来综合性能大幅提升的空间小，主要体现在：

旅行时间持续缩短难度大。主要有两个方面原因，一是空中飞行速度大幅提升代价高。自1903年莱特兄弟制造首架飞机以来，民航领域一直在努力提高飞行速度，1968～1969年，欧洲和苏联分别试飞“协和”号和图144超声速客机。但是，大型客机在稠密大气层飞行，速度提升到超声速以上，将出现严重的噪声、音爆、高油耗和大气污染等问题。例如，“协和”号飞行速度最大马赫数2，起降噪音接近120分贝，远超过人正常生活可承受的最大75～90分贝，油耗达到20.5吨/小时，因此，在小规模商业运营27年后，于2003年黯然退役，目前商业运营的大型客机基本都是亚声速飞行。二是额外旅途时间难以缩短。由于飞机起降空间限制和噪声影响等，机场通常必须远离人口密集的市区，导致人们从住地到机场通常需要耗费较长时间，进入机场后还需要经过复杂的安检、检票、候机流程。飞机在空中飞机的速度优势，在一定距离内，被登机前和到站后所消耗的时间抵消，而这些在地面消耗的时间还没有有效的解决方案。以国内大型城市为例，从出发地市区到机场、进入机场到起飞、降落后到达目的地市区，通常平均分别需要约1个小时，总额外时间约3个小时。从北京到济南、上海、广州的直线距离分别大约360、1000和2000公里，虽然目前客机在空中飞行时间最快分别可以达到1小时10分钟、2小时10分钟、3小时20分钟，但是总旅行时间实际上分别需要4、5和6.5个小时甚至更长。

舒适性持续提升的空间小。主要有两个方面原因，一是大气乱流的影响增多。大气中普遍存在乱流，飞机在紊乱的气流中飞行，会产生左右摇晃、上下抛掷和机身抖动的现象，上下高度经常在可达数十米甚至数百米的范围内快速变化，严重影响乘客舒适度，并且还有危险性，近年来，每年都有颠簸受伤事件发生，2008年，上海航空公司一架飞机受乱流影响造成机上20余人受伤。根据世界气象组织会议的预测，到2050年，由于全球变暖，航空乘客遇到的乱流数量将是目前的两倍，且飞机难以避免。二是气象条件的影响频繁。航班延误指比计划降落时间延迟30分钟以上。为了保证飞行安全，飞机需要达到符合起飞、飞行、降落的天气标准，才能准许起降，这些天气标准包括出发地和目的地机场状况(如能见度、低空云、雷雨区、强侧风等)、飞行航路上的气象情况(如高空雷雨区)，以及因恶劣天气导致的后续状况(如跑道结冰、严重积水等)。目前，天气原因是造成航班延误的主要原因之一，随着全球变暖，未来恶劣/极端气象将更为频繁，乘客旅行体验受气象条件的影响将难以避免。

高速铁路的主要优势是准点率、安全系数高以及舒适性好。高铁运行平稳，并采取减震、隔音等措施，车内环境安静；火车站能够在市区修建，与城市地铁系统直接无缝驳接，额外旅途时间比飞机少，乘客旅途综合体验优于飞机。高铁在相对封闭环境中自动化运行，安全性高，如京广高铁武广段开通运营6年来从未发生人员伤亡事故，日本新干线从1964年开通至今运行52年来从未发生过一起人员伤亡事故。但高速铁路未来综合性能大幅提升的空间也较小，主要体现在：

旅行时间可减小量已经接近极限。火车在地面行驶需要克服机械摩擦阻力和空气阻力。一方面，轮轨高速铁路的机械摩擦阻力主要来自车轮与铁轨之间的滚动摩擦，以及电机到车轮之间的传动摩擦，持续减小的技术难度大。另一方面，由于空气阻力与列车运行速度的平方成正比列车速度提升1倍，空气阻力将增大4倍，当列车在地面大气环境中速度达到500公里/小时，列车需要克服的空气阻力在总阻力中的比例将达到92％，摩擦阻力仅占8％。目前，高铁实际运行速度最大仅为300公里/小时左右，试验条件下的最高速度为600公里/小时左右。传统铁路进入高铁时代后，未来实际运行速度大幅提升的难度大，远途旅行时乘坐高铁所需时间仍然较长。例如，从北京到广州，目前乘坐高铁最快也需要9小时18分左右，接近飞机3倍，即使乘坐7:40的最早班车，也要到17:14才能抵达，朝发才能夕至，舒适度、便捷性难以满足未来人们远途旅行需求。

远途高速运营成本高。高速列车运行所需能耗与速度的三次方成正比(n＝κρsv³)，提高速度必然伴随高能耗、高成本。中国铁路总公司总经理盛光祖接受采访时表示，高铁时速提高50公里，成本将提高三分之一左右，主要是电价、零部件磨损和维修成本加大。因此，远距离的高速铁路为保证运营利润，不得不采取以下措施：一是提高票价。例如，从北京到广州，目前高铁的票价为一等座1380元，二等座862元，实际上已经接近飞机平时的市场价格，竞争力大幅降低。二是减少发车频次以保证上座率。例如，从北京到广州目前每天仅有5个车次，并且由于速度慢，旅行时间长，导致除了7:40有一趟，其余4趟都集中在10:00-13:05三个小时之间，乘客出行的自由便捷性大幅降低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种超高速管道飞行器系统，利用高温超导磁悬浮装置将飞行器悬浮在铺设于管道内的磁悬浮轨道上，实现在地面以接近声速甚至超声速的速度高速载货或载人运输。

一种超高速管道飞行器系统，该系统包括飞行器分系统、管道分系统、悬浮推进分系统、供电分系统和运行控制分系统；

所述飞行器分系统用于装载和运送乘客并在管道分系统的真空管道内运行；

所述管道分系统有两条真空管道并列平行放置，管道内部抽成接近真空的低气压环境，供飞行器往返使用，管道仅维持飞行器分系统高速运行所需的真空环境，不承担飞行器及轨道的承力功能；

所述悬浮推进分系统用于提供飞行器行驶所需的悬浮力、导向力和推进力；

所述供电分系统采用太阳能发电与电网供电相结合的方式提供系统运行所需要的能量；

所述运行控制分系统根据运行计划办理飞行器运行进路，保证进路正确安全；实时控制和监督飞行器运行速度，防止飞行器超速；调整飞行器追踪问隔，保证运行安全。

进一步地，所述飞行器分系统包括机体、人机环境模块和车载电源；机体内部分隔成控制室、乘客室、行李室和机载电池室，机体总重不大于10吨；人机环境模块乘客转变符合生存条件的气压、符合大气成分的空气、以及适宜的温湿度和人机交互设备；机载电源提供机上控制设备、生命保障设备与照明设备所需电能。

进一步地，所述管道分系统包括管道、真空设备、接驳装置和路基桥隧；

真空设备由大型真空泵系和小型真空泵系两部分组成，大型真空泵系用于初始或特殊状态下抽出整个管道的大量空气，此时需要选用大型真空泵，保证在较短时间获取真空环境；真空保持系统用于在平时运营过程中保证真空环境平稳可靠，由于管道及接缝存在的漏率，使得真空环境压力逐渐增大，为了保持管道内部真空环境平稳，若开启或部分开启大型真空泵系统可能造成管道内局部压力不均衡，影响飞行器行驶安全，在管道的接缝处设置小型真空泵系；

接驳装置用于实现站点间的乘客换乘；

路基桥隧为铺设管道的基础土建工程。

进一步地，所述悬浮推进分系统由悬浮装置和推进装置组成，

悬浮装置使用永磁斥力型高温超导磁悬浮技术，主要结构由高温超导块材和永磁轨道组成，推进装置使用高温超导同步直线电机，利用高温超导块材磁体作为电机次级；悬浮推进系统位于飞行器底部和轨道上；

悬浮装置包括两个子装置：一个是永磁轨道，用于产生磁场；另一个是高温超导块材，用来改变或俘获磁场，从而实现稳定的悬浮，永磁轨道布置在管道底部的路基上，超导块材安装在飞行器底部的杜瓦容器中；

飞行器使用高温超导块材磁体次级直线同步电机提供推力，利用充磁后的高温超导块材磁体(ybco)，取代常规电机中的永磁体，由于高温超导快材的捕获磁场强度比常规永磁体的磁场强度高很多倍，因此该种电机能够提供更大的推力，同时具有更大的功率因素和更小的体积、重量。

进一步地，所述供电分系统包括铺设在管道表面的太阳能供电装置、电网供电装置和牵引装置；机体牵引供电首先由太阳能发电装置提供，不足部分由外接电网变电站补充；太阳能发电板产生的电能经电能转换装置传入沿线间隔20km的轨旁变电站，与电网传输的电能融合后，经沿路供电电缆分段传入安装在轨道上的初级线圈，牵引机体前进；

所述牵引装置将取自受流轨的直流电变换成电压和频率均可调的三相交流电，并根据定子位置和速度进行实时控制，按一定的关系供给牵引直线电机，牵引装置由主牵引逆变器及变流器组以及相应的驱动控制器、滤波器和保护单元组成。

进一步地，所述运行控制分系统包括自动驾驶模块、自动防护模块、自动监控模块和信息传输模块；

自动驾驶模块具有自动悬浮控制功能、电力牵引控制功能、电力制动与机械制动控制功能、舱门控制功能、电源控制功能和辅助设备控制功能；

自动防护模块采用全自动移动闭塞的方式，涵盖进站保护功能、曲线限速保护功能、超速防护功能以及对驾驶误操作自动保护功能；

自动监控模块具有速度测量和飞行器定位功能、进站检测功能、全飞行器状态检测与显示功能、故障诊断功能；

信息传输模块对同步控制产生的测速定位的精度要求、自动控制产生的大容量信息传输给外部。

有益效果：

1、本发明的超高速管道飞行系统突破了制约飞机和高铁速度提升的阻力瓶颈，能够实现“在地面以空中超声速飞机的速度像高速铁路一样平稳运行”，因此，旅行舒适性、便捷性，以及影响市场占有率的旅行时间、票价、安全性和服务等相比飞机和高铁实现了跨越式提升。

2、本发明将旅行时间大幅缩短。主要有三个方面原因，一是解决了空气阻力的问题。超高速管道运输系统在近真空管道环境内运行，空气密度仅为民航客机(1万米高空)的1.7％，高铁的0.7％，高速运行需要克服的空气阻力很小，所需消耗的推进功率小，并且速度提升到超声速后的气动噪音被密闭管道隔绝后基本不对轨道周边人类环境造成影响。二是解决了摩擦阻力的问题。超高速管道运输系统采用磁悬浮方式，摩擦阻力接近于零，突破了轮轨高速铁路的摩擦阻力瓶颈。三是额外旅途时间短。超高速管道运输系统的管道截面小，可埋入地下或搭在高架上，能够直接与城市地铁系统和高铁站无缝连接，共用一套检票系统和安检系统。因此，通过超声速与无缝接驳相结合，总旅行时间大幅缩短，从北京到广州，总共只需2.5～3小时左右，仅为飞机的1/2、高铁的1/4。

3、本发明使得出行的舒适度和便捷性全面提升。主要有四个方面原因，一是能够在1小时内完成远途旅行。超高速管道运输系统人体乘坐交通工具出行最舒适的1个小时内运行1000公里～2000公里，覆盖我国大部分大型城市。二是运行平稳。相比传统高速铁路没有机械接触，相比飞机不存在大气环境乱流影响，运行更为平稳。三是受气象条件影响小。管道密闭环境隔离了风/雨/霜/雪等自然环境气象变化影响，避免了飞机经常出现的航班延误情况。四是乘客真正实现自由定制出行时间。超高速管道运输系统理论上可以24小时全天候，在几分钟的极短时间内高频度发车，并在1小时内到达目的地，颠覆现有出行模式，真正实现人们便捷远途旅行。

附图说明

图1为本发明的系统组成原理图；

图2为本发明飞行器分系统中的机体与真空分系统中管道的外形截面图；

图3为本发明机体外形气动布局侧视图；

图4为本发明机体外形气动布局俯视图；

图5为本发明机体外形气动布局仰视图；

图6为本发明机体中段横截面结构示意图；

图7为本发明机体头部前视图；

图8为本发明机体尾部后视图。

其中：1-机体、2-真空管道、3-悬浮装置、4-永磁轨道、5-推进装置、6-推进线圈。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种超高速管道飞行器系统，该系统包括飞行器分系统、管道分系统、悬浮推进分系统、供电分系统和运行控制分系统；

飞行器分系统用于装载和运送乘客并在管道分系统的真空管道内运行；飞行器分系统包括机体、人机环境模块和车载电源；机体内部分隔成控制室、乘客室、行李室和机载电池室，机体总重不大于10吨；人机环境模块乘客转变符合生存条件的气压、符合大气成分的空气、以及适宜的温湿度和人机交互设备；机载电源提供机上控制设备、生命保障设备与照明设备所需电能。

管道分系统有两条真空管道并列平行放置，管道内部抽成接近真空的低气压环境，供飞行器往返使用，管道仅维持飞行器分系统高速运行所需的真空环境，不承担飞行器及轨道的承力功能；

管道分系统包括管道、真空设备、接驳装置和路基桥隧；

真空设备由大型真空泵系和小型真空泵系两部分组成，大型真空泵系用于初始或特殊状态下抽出整个管道的大量空气，此时需要选用大型真空泵，保证在较短时间获取真空环境；真空保持系统用于在平时运营过程中保证真空环境平稳可靠，由于管道及接缝存在的漏率，使得真空环境压力逐渐增大，为了保持管道内部真空环境平稳，若开启或部分开启大型真空泵系统可能造成管道内局部压力不均衡，影响飞行器行驶安全，在管道的接缝处设置小型真空泵系；接驳装置用于实现站点间的乘客换乘；路基桥隧为铺设管道的基础土建工程。

悬浮推进分系统用于提供飞行器行驶所需的悬浮力、导向力和推进力；悬浮推进分系统由悬浮装置3和推进装置5组成，如附图2所示；

悬浮装置3使用永磁斥力型高温超导磁悬浮技术，主要结构由高温超导块材和永磁轨道组成，推进装置使用高温超导同步直线电机，利用高温超导块材磁体作为电机次级；悬浮推进系统位于飞行器底部和轨道上；

悬浮装置3包括两个子装置：一个是永磁轨道4，用于产生磁场；另一个是高温超导块材，用来改变或俘获磁场，从而实现稳定的悬浮，永磁轨道4布置在管道底部的路基上，超导块材安装在机体1底部的杜瓦容器中；

机体1底部中部位置安装由超导磁体和杜瓦容器组成的车载推进装置5，推进装置5起到电机的励磁线圈(动子)作用，车载推进装置与铺设在真空管道内底面的起电枢(定子)作用的推进线圈6共同实现车体1的推进。机体1使用高温超导块材磁体次级直线同步电机提供推力，利用充磁后的高温超导块材磁体(ybco)，取代常规电机中的永磁体，由于高温超导快材的捕获磁场强度比常规永磁体的磁场强度高很多倍，因此该种电机能够提供更大的推力，同时具有更大的功率因素和更小的体积、重量。

供电分系统采用太阳能发电与电网供电相结合的方式提供系统运行所需要的能量；供电分系统包括铺设在管道表面的太阳能供电装置、电网供电装置和牵引装置；飞行器牵引供电首先由太阳能发电装置提供，不足部分由外接电网变电站补充；太阳能发电板产生的电能经电能转换装置传入沿线间隔20km的轨旁变电站，与电网传输的电能融合后，经沿路供电电缆分段传入安装在轨道上的初级线圈，牵引飞行器前进；

牵引装置将取自受流轨的直流电变换成电压和频率均可调的三相交流电，并根据定子位置和速度进行实时控制，按一定的关系供给牵引直线电机，牵引装置由主牵引逆变器及变流器组以及相应的驱动控制器、滤波器和保护单元组成。

运行控制分系统根据运行计划办理飞行器运行进路，保证进路正确安全；实时控制和监督飞行器运行速度，防止飞行器超速；调整飞行器追踪问隔，保证运行安全。

运行控制分系统包括自动驾驶模块、自动防护模块、自动监控模块和信息传输模块；

自动驾驶模块具有自动悬浮控制功能、电力牵引控制功能、电力制动与机械制动控制功能、舱门控制功能、电源控制功能和辅助设备控制功能；

自动防护模块采用全自动移动闭塞的方式，涵盖进站保护功能、曲线限速保护功能、超速防护功能以及对驾驶误操作自动保护功能；

自动监控模块具有速度测量和飞行器定位功能、进站检测功能、全飞行器状态检测与显示功能、故障诊断功能；

信息传输模块对同步控制产生的测速定位的精度要求、自动控制产生的大容量信息传输给外部。

如附图2所示，为了能够解决真空管道内出现气流拥塞、乘客舒适度以及能耗高的问题，本发明对机体1和管道2的尺寸参数进行了合理设计，机体的外形为圆形时，机体1与真空管道2的直径比为0.5～0.7，机体的外形为非圆形时，机体与真空管道的横截面积比为0.3～0.5，真空管道内的真空度≤1000pa；不仅能避免机体前进方向出现较大空气拥塞，还满足真空泵所能提供的抽气能力。

为了大幅度减小列车高速行驶过程中的空气阻力，具有流畅的气动外形和较高的机体容积。本实施例提供了一种低气动阻力机体外形，如图3所示。该机体外形分为机体首段、机体中段和机体尾段。

机体首段、机体中段和机体尾段任意横截面均为左右对称的平面几何图形，机体首段横截面的轮廓由六条曲线构成，机体中段和机体尾段横截面的轮廓由五条曲线构成，如图4、图5所示。

如图6所示，机体中段横截面的轮廓上有五个点，分别为顶点b、机体左侧一点d1、机体右侧一点d2以及机体底部的两点c1和c2，顶点b到机体左侧一点d1之间为样条曲线段，呈外凸状，顶点b到机体右侧一点d2之间也为样条曲线段，并且两条样条曲线在机体顶部相切，机体底部的两点之间为直线段即c1c2为直线段，样条曲线段bd1与直线段c1c2之间采用圆弧段过渡，样条曲线段bd2与直线段c1c2之间采用圆弧段过渡，圆弧段d1c1和d2c2分别与样条曲线段与直线段相切；样条曲线段bd1、bd2长度为0.5～1d,圆弧段d1c1、d2c2半径为0.01～0.25d，d为机体中段横截面当量直径，非圆管的当量直径为水力半径相等的圆管直径，圆弧的角度范围为30°～90°。

如图7所示，直线段c1c2中点为c点，横截面沿bc呈轴对称，机体首段的母线方向为以轮廓上的六点b、d1、c1、c、c2、d2为出发点向头部尖点a点做六条光滑样条曲线，曲率向车头方向逐渐减小，该六条母线ba、d1a、c1a、ca、c2a、d2a汇聚到头部尖点a点，a点至机体顶部的垂直高度大于a点至机体底部的垂直高度；在头部尖点a点倒圆，倒圆半径在10mm～200mm之间。

机体中段的母线为与机体长度方向平行的直线段，直线段长度与当量直径d的比值范围为8～20；其中，

如图8所示，机体尾段的母线方向为以轮廓上的五点f、h2、g2、g1、h1为出发点向尾部e点做光滑样条曲线，曲率向车尾方向为减小-增大-减小-增大变化，该五条母线fe、h2e、g2e、g1e、h1e汇聚到尾部尖点e点，e点与水平直线夹角为10°～40°，在尾部尖点e点倒圆，倒圆半径在20mm～400mm之间。光滑样条曲线fe、h2e、g2e、g1e、h1e均包括外凸曲线和内凹曲线，外凸曲线与内凹曲线光滑过渡并向车尾方向延伸。

列车外形由机体中段的横截面分别沿各段母线方向扫略而成，机体首段的外形由机体中段的横截面沿曲线ba、d1a、c1a、ca、c2a、d2a扫略而成，机体中段的外形由机体中段的横截面沿与机体长度方向平行的直线段扫略而成，机体尾段的外形由机体中段的横截面沿曲线fe、h2e、g2e、g1e、h1e扫略而成，且机体首段、机体中段和机体尾段光滑过渡。

机体首段、机体中段和机体尾段的长度以机体中段横截面当量直径d为基准设计。车头的长度l1＝2d～6d，车身的长度l2＝8d～20d，车尾的长度l3＝2d～6d。

该机体为尖头尖尾外形，且采用样条曲线与机体光滑过渡，机体截面为特殊的几何图形，可以在较大机体容积的基础上，气流顺畅通过机体，从而减小气流阻力。经数值仿真验证，本发明提出的低气动阻力的超高速管道列车外形气动布局相对国内crh5高速列车外形，机体零阻系数减小30％(参考面积为机体横截面面积)，实现了低气动阻力的外形设计目标。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。