真空管道流体膜悬浮车系统的制作方法

本发明涉及一种真空管道流体膜悬浮车系统，该系统将低气压的真空管道与流体膜悬浮车结合，可显著降低行驶过程中的阻力，具有较好的高速悬浮稳定性，保障列车高速、高效、稳定的悬浮行驶。

背景技术：

将车辆悬浮与轨道之上，并实现高速度、高效率行驶一直是人类追求的梦想。最大限度的降低列车行驶阻力是实现这个梦想所必须要解决的关键技术问题。

常规列车在行驶过程中的总阻力主要来自机械摩擦阻力和空气阻力，机械摩擦阻力可以利用悬浮技术而消除，然而空气阻力的大小与行驶速度的平方成正比，当列车高速行驶时，空气阻力成为最主要的阻力。随着经济和技术的发展，现代社会对于高速度、高效率和高安全性的地面交通工具的需求越来越大，真空管道高速列车技术备受社会关注。真空管道高速列车系统的基本原理是建立密闭管道，利用抽气设备降低管道内压强和气体密度，以减小列车行驶中的空气阻力，提高行驶速度。目前，真空管道高速列车主要包括磁悬浮和气动悬浮两种悬浮形式。

1999年，美国工程师达里尔·奥斯特提出了真空管道运输概念，并注册成立了et3公司，目标是在纽约和洛杉矶之间修建一条长度4600公里，时速6500公里的真空管道磁悬浮列车。真空管道磁悬浮列车采用常导或低温超导技术，通过实时控制悬浮励磁电流大小产生所需要的电磁场以保证稳定的悬浮间隙，实现列车的悬浮行驶。然而，真空管道磁悬浮列车系统中仍然有三个关键技术问题难以攻克：第一，该磁悬浮系统设计非常复杂，造价较高，较大的悬浮励磁电流产生较大的电能损耗；第二，真空管道磁悬浮列车具有复杂的转向架结构用以实现列车的悬浮和导向，转向架的存在不易于整车的流线型设计，在高速行驶时，转向架产生较大的空气干扰阻力；第三，目前关于磁悬浮车的实验研究主要集中在准静态或低速范围，动态测试系统的实验研究速度也在300km/h以下，列车高速行驶时电磁悬浮间隙的振动失稳问题难以解决，列车高速行驶时悬浮和导向的稳定性问题成为真空管道磁悬浮系统未来发展中需要解决的关键技术问题。

2013年美国特斯拉公司首席执行官埃隆·马斯克提出了超级高铁计划方案，目标是在洛杉矶和旧金山之间修建一条长度560公里，时速为1220公里的真空管道气动悬浮列车。气动悬浮列车依靠车头安装的气体压缩装置，将真空管道内的稀薄气体吸入车内，再将高压气体向管壁喷射形成气垫，列车依靠气垫支撑而实现悬浮行驶，悬浮高度为0.5～1.3mm。然而，该系统中仍具有以下两个关键问题难以攻克：第一，压缩机的存在增加了列车重量和系统复杂性，行驶过程中产生较大的噪音；第二，列车高速行驶时需要从真空管道内吸入大量的气体以喷射形成足够厚度的气垫，高速行驶时气垫的气体补给和保持气垫稳定性问题是真空管道启动悬浮系统需要解决的关键技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种行驶阻力小，速度高，效率高，悬浮稳定性好的真空管道流体膜悬浮车系统。

为了实现上述目的，本发明的真空管道流体膜悬浮车系统由流体膜悬浮车和具有低气压环境的真空管道结合。其特征在于：流体膜悬浮车行驶在低气压环境的真空管道中，依靠流体动压效应直接在底盘面与轨道面之间形成压力流体膜而悬浮行驶，可最大程度的降低行驶阻力。可通过选择或控制底盘与轨道面之间流体膜的气态、液态、气液混合态等状态，实现对流体膜中流体的粘性、流体膜的厚度、流体膜悬浮车的载重能力、以及流体膜悬浮车底盘面上承受的粘性阻力的调节。通过降低真空管道中的气压以降低管道中的气体密度，降低流体膜悬浮车行驶过程中的压差阻力。通过降低真空管道中的气压以降低流体膜中流体的粘性，减小流体膜悬浮车在高速行驶时底盘面上所承受的流体膜粘性阻力。通过降低真空管道中的气压以降低流体膜中流体的沸点，促进流体膜在气动加热作用下自动发生相变，即由液态变为气态或气液混合态。相变过程可以增加流体膜的压力和厚度，提升列车载重能力，还可以降低流体膜的粘性，降低流体膜悬浮车行驶过程中底盘面上的粘性阻力。在真空管道流体膜悬浮车底部的底盘上包含电热装置实现对流体膜加热。当列车低速运行气动加热作用不足以使流体膜汽化时，可控制电热装置辅助加热，以实现流体膜温度的调节或流体膜的汽化。在真空管道流体膜悬浮车的底盘上安装平面电机或直线电机作为动力装置，平面电机或直线电机可包括由任何旋转电机拓展成平面或直线结构，主要包括感应电机、开关磁阻电机、同步电机，双馈电机等形式，平面电机或直线电机作为动力装置可以省略轨列车或磁悬浮列车的复杂的转向架结构，使得流体膜悬浮车易于实现整车流线型设计，可以极大的降低行驶过程中的干扰阻力，促进真空管道中流体膜悬浮车的高速和高效行驶。

有益效果

本发明的真空管道流体膜悬浮车系统将低气压的真空管道与流体膜悬浮车结合，具有以下有益效果：

1、最大限度降低阻力：一般交通工具行驶过程中的阻力主要包括摩擦阻力、压差阻力、干扰阻力和诱导阻力四种形式，本发明的真空管道流体膜悬浮车系统，可最大化的降低上述四种阻力：(1)本发明的真空管道流体膜悬浮车系统可实现悬浮行驶，不具有常规列车与地面之间的机械接触和机械摩擦，消除了机械摩擦阻力；(2)本发明的真空管道流体膜悬浮车在低气压的真空管道中行驶，稀薄的空气具有较低的密度，极大的减小了行驶中的压差阻力；(3)本发明的真空管道流体膜悬浮车系统省略了常规列车或磁悬浮列车中复杂的转向架结构，使得整车易于实现流线型设计，可以极大的降低列车高速行驶过程中的干扰阻力；(4)本发明的真空管道流体膜悬浮车系统行驶过程中不具有下洗流场，消除了一般飞行器行驶过程中的诱导阻力。因此，本发明的真空管道流体膜悬浮车系统，可以最大限度的减小高速行驶过程中的阻力，实现列车的高速、高效行驶。

2、解决了高速悬浮列车的悬浮稳定性问题：由于常规的真空管道磁悬浮列车需要实时的调节励磁电流大小而实现列车悬浮，列车高速行驶时的悬浮控制技术变得非常困难，高速悬浮行驶时的振动失稳问题存在极大的挑战。本发明的真空管道流体膜悬浮车系统根据流体动压效应直接形成压力流体膜而实现悬浮行驶，流体膜的平均压力与流体膜厚度的平方成反比，使得流体膜的厚度具有较好的自稳定性和鲁棒性，解决了传统的真空管道磁悬浮列车高速行驶时的悬浮稳定性问题。

3、降低流体膜粘性，减小流体膜的粘性阻力：本发明的真空管道流体膜悬浮车系统具有低气压的行驶环境，可以降低底盘与轨道面之间的流体膜中分子之间的作用力，使流体膜粘性降低(描述粘性与压力之间变化规律的粘压方程有brarus方程、roelands方程和cameron方程)。由于流体膜悬浮车是一种依靠粘性流体的动压效应使底盘面与轨道面之间直接形成压力流体膜而实现悬浮的交通工具，低气压环境下粘性较低的流体膜可以减小列车高速行驶时底盘面上承受的的粘性阻力，易于实现高速行驶。

4、流体膜粘性的调节：本发明所述流体膜可包含气体、液体、气液混合体等流体状态，可通过选择或调节底盘与轨道面之间流体膜状态可实现流体膜中流体粘性的调节，以调节行驶过程中底盘面上承受的粘性阻力。

5、降低流体沸点，促进流体膜相变：本发明的真空管道流体膜悬浮车系统具有低气压的行驶环境，通过降低真空管道内的气压可降低流体膜中流体的沸点，易于流体汽化，发生由液态向气态转变的相变过程。本发明的真空管道流体膜悬浮车系统在高速行驶时，底盘与轨道之间的流体膜因承受较大的剪应力而自动产生气动加热现象，低压环境下具有较低的沸点的液态流体膜可在气动加热的作用下自动汽化实现相变过程，此相变过程不仅可以增加流体膜的压力，增加流体膜厚度，提升列车载重能力，而且可以降低流体膜的粘性，进一步降低行驶过程中列车底盘上承受的粘性阻力。

例如流体膜由水组成时，水的沸点在1标准大气压时是100摄氏度，而在0.1标准大气压下是45摄氏度，低压环境可以降低水膜的沸点，易于在气动加热的作用下自动发生汽化，增加流体膜厚度，增加列车载重能力，降低行驶过程中列车底盘上所承受的粘性阻力。在列车速度较低，气动加热作用不足以使流体膜汽化时，可以采用列车底盘上附加的电热装置对流体膜加热，流体膜在气动加热和加热装置辅助加热的综合作用下发生汽化。

附图说明

图1是本发明的真空管道流体膜悬浮车的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1说明本实施方式，本发明的真空管道流体膜悬浮车的实施方式包括：流体膜悬浮车车厢1、直线电机初级2、直线电机次级3、流体膜4、真空管道5、轨道面6、真空管道内的低气压空间7等。本发明的基本思想是将低气压的真空管道列车与流体膜悬浮车相结合，最大限度的降低列车行驶阻力，实现列车的高速、高效、稳定可靠的悬浮行驶。

如图1所示，流体膜悬浮车的动力装置由安装在列车底盘上的直线电机初级2和安装在轨道面上的直线电机次级3组成，通过控制初级和次级之间的电磁作用产生电磁驱动力，该动力装置可实现牵引和转向从而省略了常规列车的转向架结构，易于列车流线型设计以降低干扰阻力。

利用抽气设备抽取真空管道5内的气体，可以在真空管道5内形成低气压空间7，该空间内具有较低的压强和较低的介质密度，从而可以减小列车行驶过程中的空气压差阻力。

真空管道内的底盘面6上覆盖一层较薄的液体水，当流体膜悬浮车行驶而来时，依靠流体的动压效应直接在底盘面与轨道面6之间形成具有一定压力的水膜(即压力流体膜4)以支撑流体膜悬浮车的重量，使其在真空管道中实现悬浮行驶。

真空管道内较低的压强及介质密度可以显著降低流体膜悬浮车在行驶过程中的压差阻力；真空管道内的低气压环境也可以降低水膜的粘性，从而降低水膜的粘性阻力；真空管道内的低气压环境还可以降低水膜的沸点(在1标准大气压时水的沸点是100摄氏度，而在0.1标准大气压下是45摄氏度)，当行驶速度比较高时，水膜承受较大的剪应力自动发生气动加热现象，水膜在气动加热作用下自动发生汽化，产生由液态变为气态或气液混合态的相变过程，这种自发的相变过程不仅可以增加流体膜的压力和厚度，提升列车载重能力，还可以进一步降低流体膜的粘性，降低流体膜悬浮车底盘上的粘性阻力。当列车行驶速度低，气动加热作用不足以使流体膜汽化时，可通过安装列车底盘面上的电热装置辅助加热，实现流体膜温度的调节以及流体膜的汽化过程，通过选择和控制底盘与轨道面之间流体膜温度以及气态、液态、气液混合态等状态形式，可实现对流体膜中流体的粘性、流体膜的厚度、流体膜悬浮车的载重能力、以及流体膜悬浮车底盘面上承受的粘性阻力的调节。

综上可见，真空管道5内的低气压环境降低了管道中气体的密度、流体膜中流体的粘性、流体膜中流体的沸点，可最大限度的降低列车行驶阻力，保障列车高速、高效、稳定的悬浮行驶。