时速400公里，中国高铁驶入“无人区”

7月9日在国家铁道试验中心展区拍摄的CR450BF动车组。新华社记者 才扬摄

  7月9日，第十二届世界高速铁路大会期间，位于北京朝阳的国家铁道试验中心，成为国内外参会嘉宾关注的焦点。这里，大家争相试乘体验世界首款试验运行时速450公里、商业运营时速400公里的新一代高速动车组——CR450。

  当前，CR450动车组已完成样车下线、型式试验、互联互通调试等一系列研发工作，正在开展考核试验和性能验证，为正线试运行做各项准备。

  “这意味着中国铁路已进入高铁科技创新‘无人区’。”复兴号动车组总体技术专家、中国铁道科学研究院集团有限公司（以下简称“铁科院”）首席研究员赵红卫告诉科技日报记者，为了将商业运营时速再提升50公里，国铁集团牵头组建创新联合体，先后攻克永磁牵引、气动减阻、短距离制动等难题，在全球范围内首次创建时速400公里动车组技术体系。

  1.6倍功率提升

  提高列车速度，首先要考虑提升动力牵引系统性能。

  为增强牵引性能，研发人员决定将具有自主知识产权的大功率永磁牵引系统搬上CR450动车组，标志着我国高铁开启了“永磁时代”。

  “装车难度很大！”赵红卫介绍，“永磁系统有一大隐患，即电机在发生匝间或相间短路时，因永磁体缘故，并不会停止转动，可能导致电机损坏，影响行车安全。”

  为排除这一隐患，研发团队一头扎进实验室三个多月，从优化电机设计参数和控制策略入手，反复进行方案对比、试验研究和实证验证。

  “我们创造出了‘三相主动短路防护技术’。”铁科院机辆所研究员殷振环解释，“这项技术就像一个精密的‘安全阀’，能在0.2秒内快速识别短路故障，并自动将故障相绕组切换成闭环回路，阻止电机进一步损坏。”

  技术成型后，部件可靠性还需在线路上“实战”验证。

  2023年6月至7月，一场列车交会试验在福厦高铁线路上展开。经测算，要完成时速450公里冲高达速任务，列车功率需提升至额定功率的1.6倍。

  试验前夕，殷振环组织团队连夜召开技术论证会，系统评估实施方案、明确工作分工。牵引动力系统部件适用性评估、软件变更测试、地面模拟试验……尽管各项工作都已有序完成，殷振环心中仍在打鼓，“冲高真能实现？”

  “发车！”6月28日，福厦高铁湄洲湾跨海大桥，首列试验列车率先启动，1.5秒后对开列车跟进。经测算，搭载新技术部件的试验列车以单列最高时速453公里、双向两列相对交会最高时速891公里运行。新的世界纪录诞生了！

  “我们先后在郑万、济郑、弥蒙和福厦高铁开展20余万公里的线路试验，验证了永磁牵引系统不但动力十足，而且安全可靠。”殷振环说。

  22%气动减阻

  “高速飞驰的列车，95%的运行阻力来自空气。”铁科院机辆所研究员邵军告诉记者，理论测算表明，时速提高50公里，阻力增加30%，能耗也随之增加。

  想要提速，又要节约能耗，“减阻”势在必行。突破口在哪里？

  此前研制“复兴号”动车组时，科研人员已将车头的“平顺化”做到了极致。大家觉得，通过调整外形进一步降阻的空间有限。

  但研发人员并未懈怠。他们在自然界中寻找灵感，基于仿生学原理探索新方案。百余种设计方案经过大量模拟仿真和风洞试验层层筛选，最终，以高速飞翔的鹰隼和箭矢为原型的方案脱颖而出。仿真测试表明，新头型可将运行阻力降低约2.6%。

  “这与整体减阻20%以上的目标仍有很大差距。”赵红卫说。面对挑战，团队继续深入研究气动仿真与测试，分析列车各部件的阻力分布，探寻减阻的理论极限。

  突破口出现了！“我们发现，此前被忽视的列车下部转向架区域，蕴藏着较大的减阻潜力。”邵军介绍，有成员提出了一个大胆设想——能否用包覆结构将转向架裸露区域覆盖起来，从而形成更完整的气动外形，以降低阻力？

  这个被称为“穿裤子”的思路带来了意外之喜。“没想到效果如此显著。”殷振环笑道，经过反复研究确认，该方案确实能大幅减阻。

  团队随即集中力量，重点攻关包覆结构的最优形状与位置，同时解决包覆后可能出现的检修难题。

  一遍遍仿真、一次次方案修正……终于，一个既能有效减阻，又能兼顾结构强度、刚度以及检修需求的方案诞生了。

  “在此基础上，结合流线型车头、低阻力受电弓等多项措施，列车运行阻力可有效降低22%。”邵军说，这意味着CR450动车组在时速提升50公里后，能耗水平仍与CR400动车组相当。

  6500米制动停稳

  CR450动车组不仅要“跑得快”，更要“停得稳”。研发伊始，团队就设定了一个极具挑战的目标——提速后，制动距离与CR400动车组相同。即在6500米内，实现400公里时速降至零。

  这意味着巨大的制动能量要平衡。铁科院机辆所副研究员蔡田形象地比喻：这一过程释放的能量，足以在2分钟内将6.8吨水从冰点加热至沸点。

  显然，CR400动车组使用的制动材料已无法满足要求，必须研发性能更强的新材料。为此，团队成立了专项小组，攻坚具备耐高温、抗变形、耐疲劳等特性的新型制动材料。“仅确定材料的‘配方’就经历了上百次试验。”蔡田回忆，“后续的材料性能和工艺验证又持续了一年多。”

  挑战不止于材料。此前，为降低空气阻力，将头车和尾车转向架包覆起来的方案，此时却造成了制动散热难题。

  为平衡空气阻力与散热这对矛盾，研发团队又从系统耦合入手，提出结构性调整方案：减少头车和尾车的制动盘数量，将削减的制动力改由其他系统分担。蔡田介绍，这一调整不仅解决了散热问题，更深化了大家对整车系统间相互作用的认知。

  制动过程中，制动力能否有效转化为减速力，关键在于车轮与钢轨间的黏着特性。CR450采用多阶黏着制动技术，即刹车时逐级增强制动力。蔡田解释：“如同‘雪天行车避免急刹防滑’的道理，关键在于精准把控黏着力的极限点。”

  然而，全球范围内，高铁高速制动黏着特性的研究均止步于时速350公里。400公里时速下的黏着特性曲线是未知领域。团队为此进行了数千次制动性能测试，精准计算出大功率盘形制动摩擦副，在短时间内不同时间点上应施加的压力值。

  最终，他们成功绘制出时速350公里至400公里制动工况下的黏着特性曲线。这一重要成果填补了国际空白，为CR450的精准高效制动奠定了坚实的理论基础。

  样车下线只是起点，运营交付才是目标。科研团队正紧锣密鼓地进行最后的试验和验证，全力打通迈向商业运营的“最后一公里”，让这列时速400公里的“国之重器”驰骋神州。（记者 何 亮）