线圈枪驱动高速铁路技术

新墨西哥州阿尔伯克基-乍一看，桑迪亚国家实验室的直线感应电动机似乎不太可能成为解决该国交通问题的候选者。它被重型钢桁架包围，看起来更像是一个缩短的粒子加速器。但是当物理学家证明这一点时，所有的怀疑都消失了。一个重35磅的轮式铝板穿过桁架中间的条纹，仿佛是从大炮射出的。在仅13英尺的距离内，板的速度达到33英里/小时。而这仅仅是该技术最终潜力的一小部分。桑迪亚线圈枪程序的分支，线性感应电动机以每秒一公里的速度移动钢板和钢瓶。物理学家估计，该技术可以以每秒6公里的令人难以置信的速度发射卫星。美国国家航空航天局甚至认为它是发射航天飞机的一种手段。

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然而，现在，桑迪亚科学家提出了一项意想不到的新技术：高速铁路。一个名为SERAPHIM(用于SEgmented RAil PHased感应电动机)的项目将采用线性感应电动机以200英里/小时或更高的速度推进列车。使用这项新技术，高速列车可以在现有的通行权下运行，减少铁路磨损，减少对轨道维护的需求，提供更好的爬坡能力，并提供比现有更平稳，更安静的驾驶。

更重要的是，科学家表示，他们的系统比大肆宣传的磁悬浮技术更具优势。“它既不需要动力导轨也不需要超导磁铁，”桑迪亚技术人员的杰出成员巴里马德说。“因此，该系统为高速地面运输提供了低风险，低成本的途径。”

比子弹更快。与传统的高速列车技术不同 - 例如法国TGV(设计新闻，7-24-95)和日本子弹列车上使用的技术 - 塞拉芬概念采用被动钢轮。无需牵引力 - 无论是加速还是制动。

相反，SERAPHIM概念通过磁力推动火车。列车上的带电线圈对安装在道路上的分段反应轨道起反应。反应轨可以是两种类型中的一种：单面或双面。在任何一种情况下，线性感应电动机的线圈都安装在列车上。

SERAPHIM的直线感应电机通过与反应轨道的磁性相互作用提供动力。然而，与过去的线性感应电动机不同，它不是通过将磁通嵌入导体中而是通过排除它来操作的。在双面版本中，车辆上成对的紧密间隔的线圈跨在分段的铝轨上。随着列车向前移动，车载传感器“观察”铝反应板的接近。当线圈超过板时，系统的调制器将电流脉冲到线圈，产生磁场，它会在板上产生表面电流。那些表面电流排斥线圈。

实际上，桑迪亚科学家说，脉冲线圈推动了板的边缘。怎么样?在高频操作时，焊剂没有足够的时间穿透。

以这种方式操作，每个线圈可以产生3.5kN的推力。每个动力铁路车上安装30个线圈对，系统可提供6兆瓦(8,000马力)。

在运行期间，每个动力轨道车将采用两个燃气轮机动力单元。功率调制器将脉冲电压提供给线圈，每个调制器为六个线圈对供电。

感测和起火电路将控制功率调制器的脉冲。反过来，每个调制器在频率范围为100-230Hz的情况下以2ms半宽的脉冲提供1.2MW的平均功率。

桑迪亚科学家表示，该系统的最大巡航速度主要受可用功率，气动阻力和坡度的限制。使用6.3 MW(8,500 hp)的供电功率可以实现直线和水平轨道上200英里/小时的巡航速度。

在他们的新墨西哥实验室中，桑迪亚科学家们已经构建了SERAPHIM概念的工作模型。使用三级电机，他们沿着4米轨道加速了14.4千克铝板，速度达到15米/秒。在测试中，他们使用两个绕组各51圈的线圈实现了每个线圈18 kN的峰值推力。绕组采用铜带，用DuPont的Kapton薄膜和Dacron聚酯绝缘。

航空旅行替代。桑迪亚的概念不是第一个这样的概念。在20世纪70年代，为联邦铁路管理局工作的工程师在位于科罗拉多州普韦布洛的交通测试中心对类似概念进行了测试。使用带有线性感应电机和被动钢轮的示范车辆，列车达到了200英里/小时的速度。

通过开发新的线性感应技术，桑迪亚的科学家们已经复活了这个想法，但又增加了一个重要的转折点。到目前为止，直线电机具有与其长度相关的固有速度限制。也就是说，它们越长，速度越快。但是，通过采用快速脉冲磁场和分段反应轨道 - 而不是低频场和连续轨道 - 科学家们消除了固有的速度限制。

“用这项技术可以达到的速度确实没有实际限制，”Marder说。“如果你有能力做到这一点，你可以以任何速度发射火车。它所需要的是更快的线圈切换。”

Marder说，这项技术还提供了其他重要优势：

它不需要新的铁路技术。它的建造成本约为同类磁悬浮系统的四分之一。

由于SERAPHIM不依赖于车轮附着力，因此其履带将受到较少的磨损。

它将提供更高等级的攀爬能力，因为它不会受到车轮打滑的影响。

它的机车会更轻，因为不需要额外的重量来提高牵引力。

桑迪亚科学家希望在普韦布洛，CO，测试中心测试这个概念。计划建造一个“阶梯状”反应轨道，铝板水平放置在轨道床内。这种配置将提供单面线性电机技术，允许面向下的线圈“推开”铝板。虽然它不如双面配置那么高效，但它应该可以轻松地让测试列车以200英里/小时的速度运行。

最终，桑迪亚科学家认为该技术可以为航空旅行提供可行的替代方案。由于飞机在上升和下降时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铁路旅行。Marder总结道：“以这样的速度行驶的火车肯定会竞争。”

无烟航天飞机发射?

自红石火箭队的辉煌岁月以来，美国国家航空航天局在巨大的烟雾和火焰中发射了太空任务。现在有一个完全不同的想法。

美国宇航局的一些科学家正在寻找巨大的电流来发射航天飞机，而不是大肆吹嘘。他们说，使用桑迪亚的线圈枪技术，他们可以用可重复使用的“MagLifter”替换Shuttle的第一级。

如果它被认为是可行的，MagLifter将使用磁力线圈枪技术将航天飞机推进山腰。采用类似于SERAPHIM的技术，地面上的电线圈将与Shuttle第一级上专门设计的板材发生磁性反应。这种磁力推进方案最终可以使航天飞机上升到600英里/小时的速度，从而为山腰发射提供足够的速度。“然后你可以把运载火箭带回来进行下一次发射，”巴里马德说，根据研究人员的说法，MagLifter可以为更高速的发射提供足够的推力，如果不是由于机组人员过度增加G力。他们使用线圈枪进行卫星发射，估计卫星上的累积量超过2,000 Gs - 这个数字显然对乘客来说太过分了。

MagLifter概念看待行动的可能性有多大?所有马德尔都会说：“我们已经向美国宇航局提出了这个推进计划，他们正在考虑这个计划。”

聚酰亚胺薄膜可保持交流电机在阿尔卑斯山铁路上的运转

桑迪亚的直线感应电机并不是唯一采用杜邦Kapton聚酰亚胺薄膜作为绝缘介质的电动火车技术。

这种材料在世界上最强大的通用四轴机车Re 465中起着至关重要的作用。由ABB运输系统有限公司，瑞士苏黎世和瑞士机车和机械厂设计，82吨发动机有一个最高时速可达140英里/小时，可以以60英里/小时的速度拉动650吨的火车，达到2.7%的坡度。新机车在欧洲北部和南部之间的瑞士跨阿尔卑斯山铁路上运行。对于Re 465的牵引电机，杜邦工程师开发了一种特殊的耐电晕版材料，称为Kapton CR。Kapton CR有助于使电机定子中的铜导线绝缘，避免导致部分放电或电晕的陡峭电压峰值。这些放电可以分解有机绝缘材料。

为了开发Kapton CR，杜邦工程师与牵引电机制造商ABB和西门子股份公司共同开展了一项计划。结果：据说电晕电阻比标准Kapton好几个数量级，导热率是其两倍。