本发明属于真空管道交通与海洋工程技术领域，具体涉及一种适用于海峡通道的重力平衡轮式车辆海底真空管道交通系统技术与方案。
背景技术：
高速铁路、磁悬浮列车因受到空气阻力、气动噪声、气动振动等制约，无法进一步提高速度。飞机和汽车除受空气阻力影响外，其能耗高、碳排放量大，将来发展会受到限制。真空管道高速交通克服上述缺点，是一种能达到超高速度，且能耗很低、环境影响很小的交通模式，可望从根本上解决人类交通所面临的困境。
真空管道交通由管道、车辆、供电、通讯、驱动与控制、真空泵组、真空计量、监控系统等部分组成，运行时，管道内抽成一定真空，然后车辆在其中行驶。
在海峡通道建设领域，跨海大桥、海底隧道已得到广泛应用，施工技术成熟。跨海大桥需要高出海平面的桥墩支撑，适合近岸浅海；海底隧道能适应较深海域，但工程造价高，施工风险和运营风险大。另外，沉管隧道结构庞大，要求河床或海床平缓，不能有大起伏，只适合短距离浅水域，不适合距离较长及水深较大的海域；悬浮隧道是被理论界看好的跨海交通新模式，目前没有现实应用，预计建设成本低于跨海大桥、海底隧道，对海域的适应性很强，但建设成本仍然较高、施工难度较高。
亚音速(600～1200km/h)或低速(<600km/h)真空管道2交通，断面小、结构轻型、集成度好，当作为跨海通道方案在海底建设时，成本低于跨海大桥、海底隧道、悬浮隧道。在施工技术方面，已经普遍实施的海底输油管道建设经验可提供良好参照与借鉴。
海底环境对真空管道具有特殊优越性，海水可以为真空管道降温、提供恒温环境，还可为管道提供均匀浮力，抵消管道自身重力作用，降低结构强度要求，减少工程费用，因此海底真空管道作为真空管道交通先行先试工程具有可行性、可能性。
海底真空管道基本形式为，在海床上修建固定墩台，然后通过水下施工方法，把真空管道管段按设计精度架设在墩台上，再用水下密封连接方法把所有管道固定连接。
海峡、海湾的特点是，跨度、水深通常大于江河湖泊，但小于海洋。对大多数海峡、海湾通道来说，低成本、早日建成和投入使用比超高速更为重要。如中国台湾海峡通道，并不期望能达到超音速，只要能比高铁、汽车速度略高，或者相当；在满足运力要求的前提下，只要建设成本低于海底隧道、跨海大桥、沉管隧道和磁悬浮真空管道，即能成为优选方案。
在海底真空管道中，若采用现有的高铁轮轨技术方案，则需要在管道内铺设轨道；若采用磁悬浮技术方案，则需要在管道内设置把车辆悬浮起来的装置，如高温超导磁悬浮车所需的永磁轨道，电磁悬浮车所需的悬浮线圈，电动超导悬浮列车所需的励磁线圈等，从而增加管道内结构的复杂性。如果采用某种能利用适当力学原理而使车辆在光滑管道内达到稳定平衡的车辆技术，则可简化管道内结构，甚至只需建设内部无任何结构件的光滑管道即可。
虽然专利“动力系统外置式薄壁真空管道磁浮交通系统”(CN201010192101.5)给出了内部无轨道、无线圈的真空管道交通系统，但其特征是管壁很薄，动力系统和悬浮系统设置于管壁外部。而薄管壁以及动力系统、悬浮系统外置对于海底真空管道难以接受。因为海底除了真空负压对管壁的作用力，还有海水对管壁的水压力，该力随水深成正比增加，于是管壁不宜很薄；另外，海水会破坏动力系统和悬浮系统，甚至形成严重安全隐患，动力系统和悬浮系统不宜外置。因此，有必要为跨越海峡的海底真空管道寻找适当的车辆及管道系统技术方案。
技术实现要素：
为了克服跨海大桥、海底隧道、磁悬浮真空管道建设难度大、费用高的不足，避免薄壁真空管道以及动力系统、悬浮系统外置对海底真空管道交通的不适用性，同时使管道内结构最简化，使海峡、海湾通道以较低成本，较容易实施的技术早日建成和投入应用，本发明给出适用于海峡、海湾通道的重力平衡轮式车辆海底真空管道交通系统技术与方案。
本发明具体通过以下技术方案实现：
一种适用于海峡通道的重力平衡轮式车辆海底真空管道交通系统，包括海底管墩、管道和车辆，所述的管道通过管墩固定在海底，管道的内壁光滑，所述的车辆位于管道内部，在车辆的底部两侧设置有形成一定轮对夹角的车轮，所述的轮对夹角为80～100度，所述的车辆的重心低于管道断面圆心位置。
所述的车轮用金属材料制作或者设置橡胶轮胎或柔性踏面，车轮与管道管壁紧密接触，即车轮在管壁内壁上滚动行驶，前进作用力和制动摩擦力均由管壁提供。
所述的车辆的动力模式选自车载电池供电模式、电网供电模式、直线电机驱动模式或分阶段驱动方案中之一种。
进一步的，所述的车载电池供电模式即为车辆为电动车辆，由车载电池提供行驶动力。
进一步的，所述的电网供电模式为管道内设置顶部接触电网，为车辆提供动力驱动。
进一步的，所述的直线电机驱动模式为在管道底部设置直线电机定子，在车辆底部相应位置设置直线电机动子，由直线电机驱动车辆行驶或实施制动。
进一步的，所述的分阶段驱动方案具体为：
车辆速度小于200km/h，则设置车轮驱动系统或者直线电机驱动系统；
车辆速度大于200km/h，则在车辆的头部安装螺旋桨，所述的螺旋桨为小直径螺旋浆或者涡轮螺旋浆，必要时可在车辆尾部另设置推进螺旋浆。
为进一步提高车辆在管道内行驶时的平稳性和可靠性，在所述的车辆内设置平衡陀螺为车辆提供平稳冗余；或利用摆式列车技术，当车轮在行驶过程中发生振动、偏移或倾斜时，车厢仍然保持稳定与平衡；或在管道管壁上设置平衡稳定条，防止车轮发生过大偏移和车辆剧烈摆动；或在管道管壁上设置滚动槽，既为车辆稳定平衡提供机械约束，又可避免车轮磨损管壁和直接接触管壁。
本发明的有益效果为：
为海峡通道海底真空管道交通给出重力平衡轮式车辆方案，其具有一定轮对夹角的轮对及低重心车辆是一种能够在圆形管道内自稳定的力学结构，从而省去在管道内设置轨道，使车轮直接在管壁上平衡地滚动行驶。本发明的方案能有效降低跨越海峡海底真空管道交通建设与运营成本，降低真空管道交通的技术难度和不确定性；为海峡通道海底真空管道交通提供容易实施的技术方案，促进真空管道交通早日实现。
本发明给出的技术方案不仅适用于海峡通道海底真空管道交通，也适用于浅海水域(30～1000m)海岛之间的连接、跨越适当水深环境的江河湖泊等。
附图说明
图1是本发明海底真空管道交通系统的示意图；
图2是本发明海底真空管道交通系统横断面图；
图3是图2的A-A剖视图；
图4是重力平衡轮式车辆海底真空管道车辆几何中心与车辆重心示意图；
图5是设置有接触网与授电弓的海底真空管道交通管道横断面图；
图6是图5的B-B剖视图；
图7是设置有供电轨与授电弓的海底真空管道交通管道横断面图；
图8是图7的C-C剖视图；
图9是设置有直线电机的海底真空管道交通横断面图；
图10是图9的D-D剖视图；
图11是海底真空管道交通管道横断面图；
图12是设置有螺旋浆的重力平衡轮式车辆海底真空管道交通立体局部剖视图；
图13是设置有涡轮螺旋浆的重力平衡轮式车辆海底真空管道交通立体局部剖视图；
图14是设置有平衡陀螺的海底真空管道交通横断面图；
图15是图14的E-E剖视图；
图16是设置有平衡稳定条的海底真空管道交通横断面图；
图17是设置有平衡稳定条的海底真空管道交通横断面图；
图18是管壁上设置有滚动槽的海底真空管道交通横断面图；
图中：1、管墩，2、管道，21、平衡稳定条，22、滚动槽，20、管道断面圆心，3、车辆，31、车轮，32、顶部授电弓，33、底部授电弓，30、车辆3的横断面几何中心，300、车辆的重心，4、轮对夹角，5、顶部接触电网，6、供电轨，71、直线电机定子，72、直线电机动子，8、螺旋浆，81、涡轮螺旋浆，9、平衡陀螺。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出的适用于海峡通道的重力平衡轮式车辆3海底真空管道交通系统的适用条件范围为：
1)存在连续长度1km以上深度大于30m的海域，但最大深度小于1000m。当水深小于30m时，水下波浪力作用显著，不适合建设真空管道2，而跨海大桥或沉管隧道会更便宜；当深度很大，如大于1000m时，水压很大，再加上管道2内为负压的真空环境，对管壁的外压将很大，海底真空管道2方案的经济性降低；
2)海峡、海湾宽度大于2km。因为当水面较窄时，大桥方案会更经济；
3)以尽早建成运输通道为关键目标，不要求很高速度，速度范围100～600km/h。当要求接近音速或超音速的高速度时，则不适合采用轮式车辆3，需要考虑磁悬浮方案；
如图1所示，选定要跨越的海峡通道并进行勘测定线，在海底真空管道2线路所经由的海床上采用海底施工方法修建基础及管墩1，用适当的海底管道2铺设方法架设管道2，连接各管段并进行密封。
运行时，管道2内抽成一定低真空，真空度为1000～10000Pa，车辆3在其中运行，运行速度100～600km/h。
如图2和图3所示，本发明海底真空管道交通系统包括海底管墩1、管道2和车辆3，管道2内部光滑、无轨道，车辆3的两侧底部设置有形成一定轮对夹角4的车轮31，该轮对夹角4的角度为80～100度，该结构能使车辆3在管道2内达到稳定平衡。
如图4所示，车辆的重心300低于管道断面圆心20位置，即在管道2下半部分，这是管道2内车辆33在无轨道约束、支撑工况下达到自稳定所需的条件。
车轮31由金属材料制作(包括踏面)，或者设置橡胶轮胎或柔性踏面。运行时轮对直接跟管壁接触，即车轮31在管壁内壁上滚动行驶，前进作用力和制动摩擦力均由管壁提供。
本发明技术方案中车辆3可采用以下四种动力技术方案之一：
方案一：车载电池供电模式
车辆3为电动车辆3，由车载电池提供行驶动力，即车辆3可采用车载电池供电模式，除了客舱必须密封、设置生命支持系统外，动力系统可利用已经普遍应用的电动汽车技术。
方案二：电网供电模式
如图5、图6所示，车辆3可采用电网供电模式，即在管道2内顶部设置顶部接触电网5，车辆3顶部设置顶部授电弓32。或者如图7、图8所示，在管道2下部设置供电轨6，在车辆3下面设置底部授电弓33。
方案三：直线电机驱动模式
如图9、图10所示，车辆3可采用直线电机驱动模式，在管道2底部设置直线电机定子71，在车辆3底部相应位置设置直线电机动子72，由直线电机驱动车辆3行驶或实施制动。
方案四：分阶段驱动方案
若规划设计的目标速度大于200km/h，车辆3的运行可采用分阶段驱动方案。按此方案，如图11、图12所示，需给车辆3增加螺旋浆8。螺旋浆8为短叶片、小直径，安装在车辆3头部，可以只安装一个，也可安装2个或3个。
车辆3运行时，当速度小于200km/h时，由车轮31驱动行驶(如果系统采用了直线电机驱动方案，则由直线电机驱动)。当速度大于200km/h时，启动螺旋浆8辅助驱动车辆3行驶。其优点是，在高速运行时，螺旋浆8能有效降低空气阻力，同时把空气阻力转化为对车辆3的推力。采用此技术方案的前提和要求是，由车辆3断面和管道2断面所确定的阻塞比，以及管道2内真空度，要有适当取值。衡量标准是，当车辆3行驶速度大于200km/h时，前方动气压较高，给车头形成较大阻力，以保证螺旋浆8工作时压气过程能形成较明显的驱动力和产生良好的工作效率。这种设置的优点是，不要求管道2内具有很高真空度。
另外的，如图13所示车辆3也可设计成具有涡轮螺旋浆81的模式。必要时，在车辆3尾部再设置推进螺旋浆8。
为进一步提高车辆3在管道2内行驶时的平稳性和可靠性，可采用以下三种平衡稳定增强技术(或其中之一，或其组合)：
1)由平衡陀螺9为车辆3提供平稳冗余，如图14、图15所示。
2)利用摆式列车技术，当车轮31在行驶过程中发生振动、偏移或倾斜时，车厢仍然保持稳定与平衡。
3)设置平衡稳定条21，防止车轮31发生过大偏移和车辆3剧烈摆动，如图16、图17所示。
4)为避免车轮31磨损管壁和直接接触管壁而引起应力集中，可在管壁上设置滚动槽22，其优点还体现在为车辆3稳定平衡提供机械约束，确保车辆3安全运行，如图18所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。