據《紐約時報(The New York Times,NYT)》報導,最近紐約市一直在認真討論對其老化的地鐵系統進行現代化改造,這將使納稅人付出巨額開支並付出多努力。不僅如此,美國國家鐵路客運公司(National Railroad Passenger Corporation)最近也由於各種原因出現多起重大事故,造成了生命損失。

增加技術解決方案來改善這兩個系統可能會有巨大幫助,但是我們現在是否是時候應該考慮採用像Elon Musk提出的超級高鐵(Hyperloop)創意這樣的高階遠端旅行技術系統了呢?誠然,這樣的部署大約已經歷10年時間了,但是從速度和安全性來看,這種系統採用現代電子技術改造可以帶來極大的好處。

本文將介紹一個超級高鐵原型開發工作的例子,讀者可自己判斷。我一直緊密地參與亞利桑那州立大學(Arizona State University)的AZLoop專案——就在我住的小鎮的另一邊。2017年8月,這支團隊在加州的SpaceX場地,最終從35支決賽團隊伍中進到八強。亞利桑那州立大學畢業生Josh Kosar是該團隊的聯合負責人(他也是位機器人工程師),在他們設計過程中,我每次訪問及與團隊交談,都是由他陪同。該專案的另一位共同負責人是畢業於亞利桑那州立大學的研究生(他也是位機械工程師)Lynne Nethken。以下來看看他們驚人的設計工作。

AZLoop團隊在經過一周的測試後成為名副其實的領先團隊之一,但他們沒有成為最後進入決賽的三支隊伍——德國的WARR團隊最終獲勝,其最高時速達到201mph(圖1)。這並沒有打擊到他們的士氣,也未貶抑他們所取得的重大技術成就。

201820180110NT01P1 圖1 加州SpaceX測試軌道上的美國/加拿大車隊的Paradigm車艙,將在比賽期間進入加壓真空管道。(圖片來源:Charlie Leight)

AZLoop

在亞利桑那州鳳凰城(Phoenix),103名研究生和本科生、指導教師和產業顧問大力合作,對Elon Musk肇始的SpaceX超級高鐵運輸系統概念開發經濟、可持續和可擴展的車艙。學生來自亞利桑那州立大學、安柏瑞德航空大學(Embry-Riddle Aeronautical University)、北亞利桑那大學(Northern Arizona University)和雷鳥國際管理學院(Thunderbird School of Global Management)——從新生到博士、從事跨學科協作,涵蓋工程、科學、數學和商業學科。這10位指導老師精通推進、懸浮、電氣、動力學、建模和控制等學科;另外11位產業顧問代表了各個工程和商業領域。

他們是亞利桑那州最有才華的學生,致力於使超級高鐵成為現實。AZLoop的每個成員每週至少需要奉獻10小時,每個學生都認可SpaceX超級高鐵車艙競賽是個透過交通創新改變世界的協作和獨特機會(圖2)。

20180110NT01P2 圖2 SpaceX競賽上AZLoop團隊及其車艙。(圖片來源:Charlie Leight)

我最近在亞利桑那州立大學校園裡遇到這個才華洋溢團隊的一些成員,可以感受到他們在追求新發現和新技術,以及使獲獎設計能夠改善世界時所帶來的興奮、奉獻和期待。這個團隊現在已經使他們的設計從原來的1,300個團隊設計中脫穎而出,成為少數24個擁有令人難以置信的先進設計的團隊之一。

該團隊能夠遊刃有餘地橫跨多個學科工作,而使這個設計得以成功,這讓我留下了深刻印象。我沒有看到任何持雜耍、好玩態度的跡象,也沒有看到任何搶其他團隊成員或組織風頭的情況。我遇到的所有人之間都是真正的同志關係,也能感覺他們為了使這個系統的功能發揮到最高水準,可滿足其成為人類的一種下一代運輸工具,而對將做之事的興奮和期待。這是一種職業水準、技術實力和對解決方案熱烈追求的真正氣氛,為近期所罕見。

這篇文章將主要強調設計中的電子和磁性部分,但也會對這個複雜設計中的所有關鍵系統做個概述。

系統

受到SpaceX推進器初始加速後,車艙透過機載壓縮空氣系統加速推進。懸浮系統由永磁釹(Neodymium)磁鐵陣列組成,使車艙以約5m/s的速度達到懸浮;內建聚氨酯(polyurethane)輪輞的鋁制車輪在低速時支撐車艙。

在制動系統中,磁渦流制動器最初將車艙從最大速度減速到約5m/s,此時由接觸摩擦墊接管制動,而使車艙完全停止。帶有聚氨酯輪輞的鋁制車輪沿著試驗軌道行駛,以便為車艙提供側向穩定性。

電源和電子

競賽車艙採用鋰離子電池供電。主電源包含264Wh的磷酸鐵鋰電池(LiFePO4),峰值容量為6.7kW,備用電源將用於緊急情況。

工業級可程式設計自動化控制器(PAC)用於監控感測器和執行器,從而確保車艙運行期間的安全性和系統性能。工業級慣性測量單元(IMU)和數位訊號處理器(DSP)用於車艙的捷聯(strap-down)慣性導航;多個雷射器和光學感測器為車艙的導航系統提供主動調諧。

空氣動力學和形狀

該團隊使用ANSYS運算流體動力學(CFD)工具對十次形狀反覆運算進行了測試,以最小化阻力係數和升力係數。根據風速為150m/s時阻力係數為0.21~2.95的觀察結果,最終設計選定為10,最終設計在風速為200m/s時的阻力係數為0.26。另外,安柏瑞德航空大學設置了風洞,以複製軌道環境並測量對車艙的阻力(圖3)。

20180110NT01P3 圖3 安柏瑞德航空大學的風洞。(圖片來源:安柏瑞德航空大學)

設置中使用了雷諾數(Reynolds number),並根據縮小的車艙原型尺寸修改了風洞中的空氣速度。兩個環境的雷諾數相等,還獲得了空氣速度與車艙特徵長度的關係。

懸浮

最終的設計選擇在車艙的每個角落固定四個永磁鐵陣列。選擇這種設計是為了提高高速(懸浮時大於5m/s)時俯仰(pitch)和滾擺(roll)的穩定性。實際中,車輪是在低速時使用,因為在速度低於5m/s時,磁力很小。

磁力是由導電鋁表面上的速率產生的交變磁極感生的。測試運行時可看到,車艙的加速度為19.61m/s2——僅需0.76s,車艙速度就達到5m/s。在5m/s或更高的速度下,車艙在軌道上的懸浮高度為0.012m(圖4)。

20180110NT01P4 圖4 制動附件側面的懸浮附件的頂視圖。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

主懸浮機構設計採用了四個海爾貝克(Halbach)陣列(圖5)。

20180110NT01P5 圖5 線性海爾貝克陣列。(圖片來源:Sunlase.com)

每個海爾貝克陣列包含五個0.254m3的N52永磁釹磁鐵。這些類型的磁鐵具有高磁通量,允許懸浮速度高於5m/s。磁鐵不僅能保持車艙的懸浮,而且有助於停電時的制動,它們還有助於穩定姿態、俯仰和滾擺(圖6)。

20180110NT01P6 圖6 Vizimag 3.18的模擬結果顯示了海爾貝克陣列的磁力線。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

團隊成員利用數學建模,對懸浮系統性能進行了嚴格分析。這裡列出了一些假設:

˙軌道厚度和密度均勻;

˙具有無限長度和寬度的導電表面,但厚度有限;

˙由感應電流產生的磁場比所加磁場小得多。

來看看模型方程式(圖7)。

20180110NT01P7 圖7 模型方程式。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

線性海爾貝克陣列的幾何形狀如圖8所示。

20180110NT01P8 圖8 線性海爾貝克陣列的幾何形狀。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

制動

主制動系統由三對渦流制動器(圖9中的藍色)組成,它們是非接觸的,因為它們只利用由移動磁鐵產生的渦流的反向力來減速,這些制動器在高速時起作用而減慢車艙,以準備次級接觸制動(圖9中的紅色)接管而實現完全停止。輔助制動器也是冗餘的,在主系統發生故障時進行制動。像這樣的安全功能是設計的重要組成部分,也是SpaceX挑戰中的必要條件。

20180110NT01P9 圖9 完整的車艙制動系統由十個渦流制動(藍色)和摩擦制動(紅色)模組組成。(圖片來源AZLoop Final Design Package)

電源系統

競賽車艙透過壓縮空氣和鋰聚合物電池提供動力。主電源為264Wh的磷酸鐵鋰電池,峰值功率為6.7kW,電池採用A123的ANR26650M1-B電芯。24VDC系統電源採用由八個電芯串聯的電池搭建(圖10),為達到所需的50A最大負載需求,四排八個電池被並聯放置。

20180110NT01P10 圖10 電源系統。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

還有一個備用電源,在主電源發生故障的情況下為電子系統供電。它也是由264Wh的電池組成。電池系統可滿足30次運行供電,預計每次運行時長為32秒。

˙電池管理系統(BMS)

系統選用Orion BMS,來保持電池工作在安全範圍及平衡電池電芯的電壓。

˙電源轉換器

為了將24VDC電池系統轉換為所需的系統電壓,系統採用了開關模式電源(SMPS)。系統有兩個轉換器:

1.Victron Energy Orion DC-DC:輸入電壓範圍為12~35V、輸出電壓為12V、可提供40A連續電流的非隔離式轉換器;

2.凌力爾特(Linear Technology,已被ADI購併)LTM4609升降壓DC-DC μModule調節器,輸入範圍為4.5~36V,輸出範圍為0.8~34V,可提供4A(降壓模式下為10A)的連續電流。

電子系統

電子系統設計如下所述:

˙電源系統設計

電子控制器系統架構如圖11所示;電源系統框圖參見圖12。

20180110NT01P11 圖11 電子系統控制器架構圖。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

20180110NT01P12 圖12 電源系統框圖。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

˙車艙控制器

車艙控制器是西門子自動化(Siemens Automation)的產品。這些可程式設計自動化控制器(PAC)在其設計中融入了冗餘、高速處理、協定標準化及易於使用等特性。

每個控制器的CPU是根據系統中的速度和I/O要求而選擇(圖13)。

20180110NT01P13 圖13 為了滿足這些圖表中列出的輸入和輸出訊號要求,主控制器模組添加了附加模組。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

˙感測器和執行器

根據範圍和靈敏度要求及應支援的功能,該團隊對感測器和執行器針對其在車艙中各自的用途進行了嚴格篩選(圖14)。

20180110NT01P14 圖14 車艙中感測器的位置。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

之後在EDN美國版網站的文章還會針對推進、懸浮、制動、通訊/導航、動力系統和動力學等領域,對車艙中每個系統的各種感測器和執行器選擇進行報導。我們還將深入研究導航和通訊系統的電子設備,審視本設計中使用的一些建模工具和技術,並討論乘客艙、行李艙的全面模型設計及其超級高鐵車艙的最終設計。

團隊

最後來看看這個設計團隊的所有成員,他們可是未來工程界中最聰明的年輕人(圖15)。

20180110NT01P15 圖15 這是我們未來工程界中一些最聰明的年輕人。(圖片來源:AZLoop Final Design Package)

(參考原文: SpaceX Hyperloop Pod Competition: design from creative young minds, Part 1,by Steve Taranovich)