沈志云:中国高速轮轨之父

田永秀

沈志云(右二)院士考察验收京沪高铁线路工程。图片|川观新闻

他是中国铁路运输工程领域唯一的一位双院士,他参与、推动和见证了中国高铁技术从无到有的全部发展历程,他是我国高铁领域的先驱科学家之一两院院士沈志云。

1929年,沈志云出生于湖南长沙。其父小学教师,其母家庭妇女。沈家并不富裕,兄长沈立芸是沈志云人生领路人。自幼父兄教育他,只有好好读书才能有出息。抱着这样的信念,沈志云读书非常用功。高中毕业时,湖南临近解放,沈志云一心想参加革命工作。兄长沈立芸派人去国师附中将沈志云“押”回家,让他复习备考大学,沈志云报考了唐山工学院、清华大学和武汉大学,皆被录取。最后按兄长的建议选择了唐山工学院,从此与铁路结下了一世之缘。

1952年,因国家建设的需要,沈志云提前从唐院毕业留校。1957年,沈志云被国家选派去苏联留学,学习车辆修理专业,沈志云却从这个学术含量不高的专业学习中受到了系统的学术训练,养成了受益终身的学术思维与方法,从实践中发现问题,在理论上进行研究,再去实践中进行检验,就成了沈志云受益一生的研究模式。

他乡求学 沈氏理论天下鸣

“文革”中,沈志云受到巨大冲击。“文革”结束时,沈志云已快50岁了。为了赶上世界潮流,他如饥似渴地更新知识、阅读专业文献。他将每天的时间分成四块,晚上10点以后的第四块时间是他的学习时间,往往一學就到深夜两三点。

1982年,沈志云前往美国麻省理工学院(MIT)做访问学者。在MIT,他主要进行了轮轨蠕滑力的计算问题研究,并取得了重大突破。

找到既快速又精确的轮轨蠕滑力计算方法是当时学术界高度关注的问题。沈志云和MIT的指导教师赫追克都想在此有所突破。于是,这个任务就成了沈志云在MIT的研究任务。沈志云每周给赫追克汇报研究进展。后来,为了得到现场测试数据,他们又和卡罗拉多州普耶勃罗实验中心的总工程师叶尔金斯合作,由叶尔金斯提供现场测试数据。沈志云提出,可用卡尔克的线性理论来改造沃尔妙伦-约翰逊的线性公式,再用沃尔妙伦-约翰逊的非线性化的曲线来修正误差。他的这种设想得到了赫追克和叶尔金斯的赞同。于是,沈志云按照这个设想设计新的计算方法,将其制作成计算机程序。

圣诞节至元旦的这一周美国学校放假,学生回家了。沈志云就利用实验室的20多台计算机一起跑程序,24小时不间断,做了整整一周。一方面,用卡尔克的方法做;另一方面,用沈志云设想的修正方法做。整整一周,他不断地巡视着每台计算机,大门都没出去过。整座大楼寂静无声。困了,沈志云就在机房的沙发上打个盹,饿了就在走廊上的自动售卖机里买杯咖啡、买点饼干充饥。一周下来,主体计算基本完成了。

结果非常理想,在主要的计算中两组数据差距都不超过10%,完全可以工程应用。而新方法的计算速度比卡尔克的方法快几十倍。研究成功了!赫追克和叶尔金斯对沈志云拼命工作的印象非常深刻,称他不仅思路清晰,而且“每天工作24小时”。

国际轮轨蠕滑力研究权威卡尔克对沈志云等发明的这一方法给予了高度评价,说解决了他一直想解决而未能解决的问题,并称这“是铁道车辆动力学中能够采用的最好的非线性蠕滑力模型,是铁道车辆系统动态仿真最适用的方法,是1983年世界蠕滑理论新发展的标志”。后来卡尔克将这一方法命名为“沈-赫追克-叶尔金斯”理论。

1983年,沈志云在美国发表非线轮轨蠕滑动计算理论至今,被当作“沈氏理论”在国际上广泛使用。

沈志云院士。图片|川观新闻

“提着脑袋”建国际一流试验台

科学研究离不开实验。早在1978年沈志云就提出了建立一个试验台的想法。1988年国家计委启动了第二批国家重点实验室的建设申报,沈志云再次提出建设国际一流的车辆振动滚动试验台。 德国的慕尼黑研究所试验台世界最先进,其试验时速达到了500公里,我们若做不到500公里,可以先做450公里,“在精度上、在功能上超过他们”。当时列车的一般时速为60~70公里,450公里显然是很多人都未曾认真思考过的速度。沈志云所在的西南交通大学力排众议,支持沈志云。

1989年4月,国家计委委派专家到西南交通大学对实验室进行现场评估。考察结束时专家问沈志云:“建这么大的实验室,要承担什么样的风险,你想过没有?”沈志云一愣,只好如实回答说:“如此大的设备,如果搞成功了,非常有用;如果失败了,那就是一堆废铁,是很大的浪费。”专家说:“这么巨大的浪费,恐怕你的性命难保哦。”此后几年,沈志云时常感受到“提着脑袋”的压力,未敢有丝毫懈怠。

1994年1月28日,试验台首次做车辆的滚动振动试验。试验台是否成功,要看车辆在试验台上是否出现蛇形。在轨道运行中,蛇形出现了。大家不约而同欢呼:蛇形了!蛇形了!沈志云也笑开了,脑袋别在裤腰带上的日子结束了,试验台终于建成了!他在日记中兴奋地写道:“几年奋斗终于达到了目的!”

1995年11月,国家重点实验室通过国家验收。实验室建成后,完成了大量试验任务。实验室对促进铁路技术大发展,尤其是中国高速列车技术的发展方面作出了突出贡献。1999年,由沈志云领衔的“机车车辆滚动振动试验台”获国家科技进步奖一等奖。

高铁高速的坚定捍卫者

对于高铁今后的发展念念不忘,沈志云提出了两条院士建言。

其中之一是,要有计划地探索轮轨高速列车最高运营速度,应该在2020年后的15年之内,研制设计速度500km/h、运营时速400公里及以上的高速列车;探索、研制设计速度600km/h的高铁,进而实现上述目标。

用沈志云的话说,这叫“突破速度极限,进行颠覆性创新”。

实现最高商业运营时速350公里的技术突破,是沈志云总结的中国高铁三大突破之首(其他两大突破是理论突破和试验突破),他的依据是世界上迄今还没有国家能超过320公里运营时速的现实。

“检讨高铁的安全保障技术体系,才是根本之途,不是降低速度就能解决问题的,不确保安全,就是降到绿皮车的水平,照样要发生重大事故。”他先后在不同场合作了8次报告,听者挤满门口。

但这并不是他最感到满足的时速,目前中国的高铁CRH380在试验中充分跑起来的设计时速可以达到400公里,这是一个极限。根据沈院士团队的试验来看,跑上600公里,技术上也是没有问题的,关键是轮轨高鐵在开敞的稠密空气中极速飞驰,会产生高阻力、高噪音和高污染

沈志云的第二条建议,重点就在于求解怎样让速度跨过600km/h。

他提出的对策是不用轮轨,改用真空管道磁悬浮,通俗来讲就是让磁浮列车在全封闭的真空管道里面运行。

在由沈志云一手打造的铁道系统第一个国家重点实验室——西南交通大学牵引动力国家重点实验室里,2014年搭建了一条“多功能高温超导磁悬浮环形试验线”,这条室内实验线全长45米,在为下一步研究450公里时速的大型试验台和达到时速1500公里的实车试验线打基础。

痴迷于速度的沈志云,曾为速度这个事心情低落过、灰暗过。

2011年7月23日,两列动车组列车在甬温线浙江省温州市境内发生追尾。事后查明,雷击和车站设备控制缺陷等原因导致绿灯一直保持,发生了事故。

受此影响,高铁运营速度普遍被调低,后续在建和拟建的高铁项目也被暂时叫停,重新评估。

两个月后,沈志云在华东交通大学的一场学术大会上公开发言,主张只有一个,必须继续发展高铁,不能因噎废食、自废武功。

“提高速度是交通运输永恒的主题,研究开发时速350公里及以上的高速铁路是21世纪世界共同的趋势,我们已经先于别人在这个高地上安全站了两三年,为什么不继续站下去”“检讨高铁的安全保障技术体系,才是根本之途,不是降低速度就能解决问题的,不确保安全,就是降到绿皮车的水平,照样要发生重大事故”。

他先后在不同场合作了8次报告,听者挤满门口,他这种逆向而动的做法,也被网友骂成脸皮厚,不识时务。

直到一年后,形势反转,媒体报道当年新通车高铁里程将进一步大幅增加,数千亿巨额基建投资恢复,35条高铁重新开工,沈志云形容,自己焦灼的心里点燃了一束希望之光。

如今,高速铁路已经成为中国最响亮的名片,走向世界,改变人们的生活方式。而沈志云近20年为中国高铁发展奔走呼吁,其高铁战士、高铁卫士的形象在中国高铁发展史上跃然纸上。

沈志云:机车车辆动力学专家,中国科学院院士,中国工程院院士

语录:

“对于高铁,不管什么速度,首要是确保安全。”

“当今世界正在进行铁路的颠覆性技术革命,处于高铁时代。”

◎ 来源|综合中国科学报、川科文化传媒

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