作者:陈欢欢 来源:中国科学报 发布时间:2020/4/27 14:43:21
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高铁“破壁人”
——记2019中国科学院年度先锋人物杨国伟

 

杨国伟参观中车长春轨道客车公司

只要说到“高铁”,中国科学院力学研究所(以下简称力学所)研究员杨国伟总是劲头十足。

“车辆行驶以滚动摩擦阻力为主,开快了才有气动阻力,高铁跑到380公里/小时,空气就变得像铜墙铁壁一样,占整个阻力90%以上。”他告诉《中国科学报》。

正是因为这个原因,航空空气动力专业的杨国伟“跨界”进入高铁研究。他的任务是高速列车气动优化设计和评估技术研究,打破“铜墙铁壁”,让列车提速。

从2008年与高铁结缘,杨国伟便放弃了参与军机研制的机会,全身心投入轨道交通的研究中。

“凡是科研人员,都有报国之心,高铁成功了我很自豪。”有着35年党龄的老党员杨国伟如是说。

“复兴号”从这里启程

1997年,杨国伟在日本东京大学做访问学者时,第一次乘坐了新干线,“感觉真是太快了”。他不禁回想起自己1985年坐火车从湖南娄底到邵阳,100公里的路途用了整整24个小时。他心想,什么时候咱们国家也能有这么快的轨道交通呢?

没想到,机会竟然找上门来。

2008年,中国高速列车自主创新联合行动计划项目正式启动。杨国伟被指派参与高铁研究,搭建最高速度500公里/小时的动模型实验平台,通过数值仿真和优化设计,协助厂家设计性能更好的高速列车外形。

但是,这么快的实验平台前无古人,如何实现呢?

“像瞎子摸象一样,”杨国伟回忆,大家提了很多方案,往往一试就失败,“这非常正常,因为我们只有低速实验的直观经验,跑到500公里/小时谁都不知道会发生什么”。

现实中,一列高速列车从0启动,达到380公里的时速需要几十公里的加速距离。杨国伟在力学所怀柔基地一间285米长的厂房里搭建了264米的实验平台。也就是说,他的团队必须在264米之内让1:8的列车模型加速到500公里/小时,开展气动实验,再安全停下来。

这一难题后来几乎让杨国伟崩溃。

3年多的时间里,他们废寝忘食尝试了各种方案,进行了上千次实验,好不容易解决了加速问题,如何停下再次卡壳。

“相当于让一颗100公斤的子弹安全停下,这是最难的部分。”杨国伟回忆。

一次次实验,一次次失败……看着一地模型碎片,杨国伟坦言:“碎的是我们的心。”

他也想过:假如一直做不出来怎么办?“那就只能出局了。这个时候必须有恒心、有毅力、有勇气、守得住。”

一个偶然的机会,杨国伟路过石景山游乐园,高速翻滚的过山车瞬间刹车的一幕迷住了他。他拉来同事一起研究。受此启发的非接触磁涡流减速方案终于让列车模型及时停了下来。

历时7年,杨国伟团队成功搭建了世界上规模最大、实验速度最高、场景最全的双向运行高速列车动模型实验平台。后来,不论是“和谐号”还是“复兴号”,我国几乎所有高速列车的实验模型都在这里跑过。

从航空到高铁

如果没有高铁,杨国伟是标准的航空人。

1996年,从西北工业大学飞机工程系博士毕业后,杨国伟先后在日本、德国交流工作,参研过空客A380相关设计和超声速飞机预研项目。

2003年回国后,杨国伟在力学所组建起一支研发队伍,参与了一系列国产军机和ARJ21、C919、CR929等“明星”民用飞机的研发。

从研究“天上飞”的,到研究“地上跑”的,心里会不会有落差?

“几十到几百吨的东西在天上飞确实很高级,但随着速度提升,高铁也是高技术行业。”杨国伟说,飞机60%的事故发生在起飞着陆阶段,而高铁的运行速度比民航客机起飞降落时还要高,许多问题更为复杂,在空气动力学领域的研究是相通的。

而且,在他看来,高铁更有前景。“高铁出来之前,很多人认为铁路是夕阳产业,比如美国铁路大幅缩减。但高铁的出现,很大程度上取代了飞机和汽车。”

罗马不是一天建成的,中国高铁也不是。

我国从上世纪九十年代开始研制高速列车;2003年之后,通过引进、消化、吸收,“和谐号”诞生,但我国并没有完全掌握核心技术;2008年,集全国科研力量再次创新,通过10年努力,高铁终成我国的出口名片。

如今,中国高铁总里程突破3万公里,连接了中国各大中城市,杨国伟带领团队全程参与了“和谐号”、“复兴号”等高速列车研制,参与的“京沪高速铁路工程”项目获2015年国家科技进步特等奖,主持的“高速列车气动优化设计与评估技术”项目获2016年中国力学科技进步一等奖。

作为中国高铁10年艰辛奋斗的亲历者,他既感到自豪,也备感鼓舞:“中国高铁从无到有、从模仿到超越,直至成为‘中国名片’‘中国特产’,无不得益于我国创新驱动发展战略的全面实施以及创新引领被置于国家发展全局的核心位置。”

向600公里/小时出发

高铁之后,杨国伟创新的脚步并没有停下。目前,他的团队承担了“十三五”“先进轨道交通”重点专项项目,为我国时速600公里高速磁浮列车研制提供技术支撑。

随着速度提升,轮轨冲击力和作用力加剧,高速列车的速度极限在哪里?目前尚无答案。

“这个过程的认识已经几十年了。”杨国伟告诉记者,上世纪60年代日本发展高速铁路时,认为最高运营时速只有200公里,后来认识不断提升,现在认为最高运营时速为400公里左右,最高试验速度在600公里/小时左右。

不过杨国伟表示,一味追求高速度并不合理,还要考虑成本核算——跑得越快,成本越高,维护费用和对线路条件的要求也越高。

磁悬浮列车因为不接触地面,维护成本较低,还具有快起快停、转弯半径相对较小、噪音小等优点。因此,虽然成本较高,仍是城市交通的选择之一。

从380公里时速的高铁到600公里时速的磁悬浮,杨国伟领导建设的实验平台仍在改造升级。

多年来,他清楚地认识到,从计算机仿真到地面实验、再到线路试验,一件工程产品的“出炉”需经过长时间的反复迭代、验证,即使实际应用之后,仍要针对运营中出现的问题不断改进,才能成为成熟的产品。

“搞科研很辛苦,但是我们的高铁研究打通了创新链条,为老百姓服务,实现了科技成果‘顶天立地’,很有成就感。”杨国伟说。

更让他有成就感的是培养了一批高铁人才,其团队已为我国高速列车设计和生产单位输送了5名博士研究生。如今,这些年轻人已逐渐成长为行业领军人才。

今年1月获得“2019中国科学院年度先锋人物”称号时,杨国伟在发言最后振臂高呼:“中国高铁必将带领我们驶向美好的未来!”

 
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