Jean-Claude Raoul*
在欧洲和日本，列车的制造商们不必依靠悬浮技术就正在把行车速度常规地提高到超过每小时200英里。
在过去30年左右的时间里。日本和欧洲为了用高速列车网络把主要城市连接起来而进行了大量投资．他们把投资转向时速超过200公里(大约125英里)的高速列车，部分是为了缓解公路上和航空港的拥挤状况，与此同时，还可以让运行成本和环境污染降到最低程度。
当然，为了让列车能实现财务上和环境上的优越性，它们必须吸引大量的付费乘客．日本和欧洲的经验证明，如果乘坐火车很舒适，票价有竞争力，还能象飞机那样尽快地把乘客送到目的地，铁路就常常能满足上述需要．飞机仍然比列车快得多，它一般能超过每小时600公里，但是往返机场的长时间交通常常对飞机旅行所能节省的时问大打折扣．
早在五十年代工程师们就知道，只要把牵引功率加大，就能让一些常规的列车提速到每小时331公里．这比今天许多美国的长途列车的最高时速每小时130公里要快得多．但是山于快速运动的车辆对轨道会造成严重损害，人们认为更高的速度在商业应用上是不可行的．似乎高速列车必定会要求过多的轨道保养，从而使得这种保养的费用昂贵得令人不敢问津．
然而，日本和欧洲的革新家们很快就找到利用现有技术将城市问通行的列车速度提高到大约每小时200公里的方法．例如，无须对列车本身作出重大改变，It本的设计人员通过将轨道修筑得避开过度弯曲和过度陡峭而实现提速．他们最先开行的新干线(即子弹列车，1964年起在东京和大阪之问运行)广受欢迎，从而激发了克服以更高速度进行常规运行的技术障碍的新兴趣．
这些努力已经在不少列车上获得了成果，使它们的速度大大超过了每小时200公里．其中最广为人知的例子是法国的TGV高速列车系列、德国的ICE城问快车线，以及欧洲之星列车(通过英吉利海峡隧道把巴黎和布鲁塞尔与伦敦连接起来，英吉利海峡隧道又称Chunn．c1)．这些列车和更加新的几代新干线列车都能够在特设的高速轨道上迅速加快到(或接近)每小时300公里(虽然它们在较老的轨道上运行得相当慢)．在法国国家铁路公司和GECAlsthom公司(TGV高速列车的拥有者和建造者)各自都在制订计划，要生产另一种系列的列车——戏称为。新一代，它能以每小时360／~里的速度作常规巡行．这些车辆是一项深入研究的产物，它涉及到大约50家大学实验室的努力，这些实验室大部分在法国，但也有一些在美国、比利时和瑞典．
稳定性是关键
要达到这样的成就需要铁道工程技术的所有方面的革新，其中包括轨道和信号系统的设计．例如，随着速度的提升，铁路边的信号对列车驾驶员来说就变得无用了，因为车厢从信号边经过得太快了．现在，列车根据车载的计算机的指示运行．这些计算机能核对轨道和各节车厢的监控设备发出的信息，以及发自调度站的信息．如果至关重要的安全指令被忽视的话，这些计算机还能强制列车停下来．但是有些最令人感兴趣的发明已经改变了列车本身的一些部件．
法国科技人员在TGV高速列车上所采用的一些设计方案为那些使列车能以车轮在铁轨上作高速运行成为可能的技术提供了范例．这些设计方案在某些方面与其他国家所选用的那些方案有所不同，但它们为那些允许自六十年代以来稳定地提升车速的工作提供了一种认识．
不论高速与否，大多数长途列车都有一些共同的特征．它们都是用一个或两个火车头牵引的，即装有动力设备的机车．这种设备把车载的化石燃料的能量，或馈电线的能量，转换成能推动列车所需的特殊形式动力．在美国，许多列车仍然依靠柴油作为燃料进行驱动．但是存欧洲，大多数普通列车以及所有的高速列车都是以更加干净的电力为动力的。电力通常从列车上方的架空线或悬链线经过导电弓(从车顶伸出的一根弓形导电杆)输人。所产生的能量让火车头下的牵引电机驱动与驱动轮对相连接的轴转动。(驱动轮抓住铁轨把列车向前推。)
驱动轮以及那些只是承载列车最量业让列车平稳地沿轨道运动的其他轮子，安装在称为负重架(bogib)的承重结构上。负重架亦称转向架，它包括两对或更多对车轮和川架子连接起来的轴，负重架就承载着上面的车厢。连接负重架和车厢的悬挂系统把车厢固定到位，业可让乘客免受振动之苦．
当列车的速度提高时，山车轮与轨道之问的接触所产生的振动急剧增大．这些剧烈振动造成了负重架对轨道上的缺陷极其敏感，使得负重架向两侧来回晃动，以至于最终跳离轨道．此外，正如五十年代的试验所显示的那样，这种摇动损坏轨道，造成巨大的维修成本．因此，增加乘车稳定性变成早期的一个优先考虑问题。
在七十年代初期，当法国国家铁路公司和GECAlsthom公司首次开始把日标对准车速超过每／bH,~200公里H寸，还没有十分有效的计算机模拟工具．但是实验和计算表明，将负重架上的轴与轴之问的距离从普通列车的2．5米增加到3米，即使当列车速度超过每小时300公里时也能保持稳定性。此外，加长轴问距离还能免除增添大量振动阻尼设备的需求，而那些振动阻尼设备需要不断地检查，定期的更换。
火车头或乘客车厢底部的悬挂牵引电机，不再象普通列车那样安装在负重架上，这也能改善列车的稳定性．随着负重架变得越来越重，负重架的不稳定性和离轨可能性增加了．把电机从负重架J二移走，降低了车厢的重量。今天，我担任技术总监的GECAlsthom公司的研究人员正在不断地试验制造负重架的新材料(如铝合金或碳纤维之类)，’以寻找能进一步降低负币架的最量同时又能保持强度的材料。
从传统结构中走出来的关键性一步是，TGV高速列车的设计人员还改变了负承架的布置方式。大多数列车在每节车厢上分配两个负厦架，把它们安装在距车厢端部一定距离的地方。但是除了火车头以外，TGV高速列车的车厢合用负=币=架。我们在两节车厢之问装一个负再架；因此，单独一节车厢总共只有一个负晕架(一节车厢的一端有半个负重架，另一端再有半个负最架)。这些车厢之问的负=币=架半永久地把相邻车厢编在一起，防止它“J在弯道上相互脱离。
所有车厢的这种紧密耦合，把人为管理上的灵活性限制到一定程度。在整个一天中，不能彳R易地为了适应乘客量的变化而增添或卸下车厢。但这种改变在任何情况下都是不妥当的，因为在列车卜监控每节车厢的计算机为了配合这些承新安排就不得不频繁地币新编制程序，这样处理将需要大量的劳动和非常小心谨慎。
悬挂系统的设计也对稳定性有作用，因此研究人员试验了几种不同的形式。如果稳定性是唯一的考虑，理想的系统就能完全防止车厢的摇晃，但是这样一种悬挂方式却会让乘客感觉到在座位底下的每一次振动。在行驶于巴黎和里昂之问的第一代TGV高速列车上，工程师们没置了一种钢制弹簧悬挂系统，在这种悬挂系统中，垂直方向的弹簧随着振动频率的提高会变得更加刚性。这些列车从1981年起以每小时270公里的速度运行，以后当一次试验证明它们能加速到每小时380公里时，它们创下了一个最高速度记录。
后来我们换上了一种气动悬挂系统：川空气垫代替了部分钢制弹簧，从而巫好地对振动进行了隔离这种新颖的悬挂系统除了让乘客感到加舒适之外，还有助于第二二代TGV高速列车(大西洋列车，在巴黎以西地区服务)在1990年创下了每小时515．3公里的世界记录，业实明了每小时300公里的商业运行速度。
在德国、瑞典和其他地方，解决稳定性问题的方法与法国有所不同。例如，制造商们不是改变负承架的布置方式，而是利用倾斜技术解决弯道问题：车厢能在负=币=架_lI：旋转和倾斜，以平衡作川存列车和乘客身上的力。倾斜技术使得列车能在改造后的旧轨道一i-．行驶到每，J、时220公里之高的速度，无须建造业新更直的轨道。
车形和车晕的优化
除r保证高速列车的稳定性之外，设计人员还必须让驱动车辆历需的燃料消耗降到最低，既是为了限制提供电力的发电厂造成的染，也是为了节省电费。为了以最ffl成本达到最高速度，车辆前先必须在没计J考虑空气动力学原理，以便当列车在轨道飞速向前时让产生的阻力达到最小。为此，高速车在攘体上要比标准的列车具有雯光滑的表面和更少的角度。
要让速度达到每小时360公里，还需要作出更多的设计上的改变。各种不同的分析工具(包括精密复杂的计算机模拟程序，在风洞和水洞中的比例模型试验，以及对实I；j=尺寸列车在轨道运行时周网风流的分析)都表明，对当前的高速列车向前运动所造成的大多数阻力都自负币=架和其他位丁车厢框架下面的设备。因此，未来几代的TGV高速列车将会具有加光滑的框架下设备造型。
虽然有些人会认为列车的承量对燃料消耗量的影响与列车的形状对燃料泌耗量的影响一样大，实际上，列车币量对高速列车运行方面的影响很小。但是，一列较最的列车对轨道所施加的应力要比较轻的列车大，从而增大¨r维修保养成本。因此，为保护轨道，高速列车的币=量必须尽可能的减轻。
TGV高速列车的负l雨架的新颖方案有助丁降低雨量通过每节乘客车厢配备一个负承架，而不是两个，我们几乎把列车的负币架数量减去丁，一半。我们还采用r比传统列车所用的更轻的材料来制造车厢。存乘客车厢I采用这种材料就使得我们有可能生j出双层车厢(duplex)，它们业不比单层的大两洋列车的车厢币，但双层车厢可纳的乘客猛增~45。山丁改进r双层列车的空气动力学造型，它们与单层列车跑得、‘样快，却消耗较少的能源。
电机直接负责驱动轮的旋转，牵引电机也减轻rl雨量，功率业没有受到影响。第一代TGV高速列车所配备的电机每台：生535千瓦的功率：第二代TGV高速列车使用能：生I100千瓦功率的电机在更快新几代的列车所采用的电机每台仍将产生1100千瓦的功率，但将比现在最新的TGV电机量减轻40。减轻币=量是通过改变没计和采用更轻的材料来实现的。
从每一座位的角度来看，TGV高速列车是全世界最轻的，但研究人员继续在检验列车的所有部件，以寻找减低轨道卜载荷的其他方法。例如，变压变频器(把不同功率水甲的电力变换成列车电机所要求的电压与频率)属丁列车卜最币的部件。用钴合金钢和铝片取代铜线来制造变压(频)器，我们最近已把变压(频)器的质量从l1公吨降低到7．5公吨。
新一代的高速列车将装卜轻的变压(频)器。它们也将通过采用称为绝缘门双极品休管(insulatccgatebipolartransistor)的一种紧凑的新器件来减少电子设备的再量。这种品休管将精确控制输往哞引电机的电流。这将是第一次将这种品休管用丁产生如此高功率的输出。我们也存座位土下了不少功夫。为了使每个座位能节省几公斤的匝量，新一代TGV高速列车．I：的座位将采用碳纤维、镁和复合材料制造。
停得稳，走得静
有助丁列车高速行驶的革新须伴随着能使列车有效地停车而不致于颠簸乘客或让列车出轨。第一代TGV高速列车采用一种盘式钽动系统(disc—brakingSystem)，它类似于用丁赛车的刹车。当时它是很先进的，而¨．比传统的制动更安静。但它仍然依靠摩擦力(即依靠把某种物休压在轮轴l的制动盘上)来消耗掉动能，从而让轮子的转动停下来。使用这种制动器要消耗能量，还会造成制动部什和负=币=架的磨损与破裂。
为了节约燃料和维护保养费，新型号的TGV高速列车为盘制动器配备了具有最新水的“态制动系统。这些系统有助于通过把牵引电机的机械能再转换回电能束达到使列车停车的H的。这种转换回来的电能随后通常能够冉循研使用——送回列车方的恳链电力线而用丁推动列车前后运动，或名用丁列车t的空调或其它用电器具。在新一代的高速列车上，制动系统将把部分不必要的电力以热能能形式安全地馈人轨道而消耗掉。一代的高速列车将用动态制动系统实现90以上的减速。
如果列车制造商不能把高速歹f车在加速时所J：生的噪声在很大蒋度f：得到控制，f述所有革新将毫无价值。大多数噪声来自车轮和轨道之问的榴互作用，以及风从列车．下通过时发出的声芹。在高速状态下，噪声水卫指数卜升。山空气动力学效应所引起的噪声特别厅大，它与速度的6次方成正比。
噪声最小的造型是表面最光滑的造型，凶此我们尽量限制边角，不仅为r减少阻力，而ll_还是为_r让乘和铁路线附近的居民免生烦恼。但是业非所有部件都能造得具有光滑构型的，包括负l承架也是如此。为rl亏这些现实条件柑适应，我们为列车框架下部的设备罩卜．r空气动力学导风板，这些导风板能减少风的阻力。
我们还川一个导电弓架，而不是象普通列车那样川多个导电弓架。这个导电弓架安装在列车尾部的那个火车头卜，通过一根电缆把电力传到位丁列车前方的第_台牵引动设备I：。为r进一步减少噪，我们为新一代的TGV高速列车币=新设计了导电弓架，让它的边角殳少。但是，II本的没计人员对导电弓架有另一种解决方案：把它们包在一种空气动力学会中。
车轮和轨道之问的接触是通过广：生振动而造成噪声的，这种振动能够激励车轮和轨道。在计算机模拟的指引下，我们．1jI!存已经埘车轮的没计作出J，细致的修改，存有些地方还改变r车轮的厚度，以求在不增加量的情况下减少噪声。改进后的车轮已经过深人的测试，以后将装在米来的TGV高速列车．
在法国，现有的高速列车很少通过隧道。但在世界的其他地方，铁路有时候不得不经过这种通道。当车辆进人隧道时，它们会造成压力波。压力波通过隧道的整个长度，又以声速返回。山高速铁路广：生的这些压力波会造成乘客耳鼓的疼痛，还很可能振碎玻璃。
计算机模拟和其它试验表明，压力波的强度‘町以通过改变列车的造型来减到最低程度，如为列车没计一个皿长的鼻子。确保乘．客舒适的其它方法包括把列车完全密封起来，业从列车内部对车厢的压力进行调控。对隧道的形状进行优化也能有所帮助。
对新一代的高速列车的研究已显示，将速度提升到每小时360公里在技术和经济I都是现实可行的。我们已经存制造一辆将丁1999年进行试验的火车头，它将把整列火车拖批到每／J~ll；Y400公里的速度。事实I，山丁预期之中的成功，法国H前已在建造的轨道系统有能力通过以皿高速度奔驰的列车。甚至每小时400公里的速度也nJ’以认为是有提高的余地，当然，为实现高的速度所要求的燃料存成本I是否得还是一个问题。
存欧洲，出丁财政I的考虑，已列入在修建之中的高速铁路线H前放慢r进展步伐。但建没仍在继续。看来有理山预期，在下个世纪初，在新轨道I以每小时400公里的速度行驶的列车将不足为奇。
图1法国的双层高速列车TGV每小时运行速度达到320公现的一个高速列车网络的宏伟计划．里(几乎是200英里)．右边的地图显示欧共体希望到2010年能实
图2在日本和德国运行的高速列车分别被称为新工|二线或于弹列车(左).和城际快东或ICE(有)
图3TGV高速列车的双层车厢Duplcx列军具有几个特点，使得高速列东在高速F不致于损需轨道.这些特点包括常气动力学造型;然个列可，.t采用轩型材料(包括火车头t的变ffi器，γl:厢框架和负íf(架);在乘客:t.厢之间共用负:m架(而不是每节$厢用两个负币;架);以及一种气动总炸;系统(左边的详阳).，除推系统中的托架环把1f:厢的币1量放到安气垫t.球窝节把车厢相连接.阻尼器使宁.厢之间相!ï.界tü.防止它们绕着各自轴线发生旋转.
图4对比例模型列车所作的水洞研究为未来的TGV高速列车的空气动力学特性的最优化计划提供了不少信息．在下面图上的模型上所形成的比较直的绿色染料线条，意味着这个模型具有较佳的构型．除了增加速度之外，空气动力学设计还限制了噪声．在某种临界速度下，噪声水平会急剧增大，临界速度因车而异，但通常处于每小时300到350~h里的范围左右(见坐标图)。
图5能造成乘客J朵疼痛的爪力波足在列下驶入一条隧道lI寸J的。爪力波通过隧道的整个长度．然再返回．通过汁算机模拟已经对这种波进行了测量．卜红色部分示坡高力，接来足色和绿色．最近的模拟结果明．列下的长了·l『以助把压力波减少到最低程度，埘隧道小身的形状所作的改变也能达到这一几的．.
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