气流列车及其运行方法.pdf

本发明涉及一种气流列车，该气流列车包括：轨道(1)以及运行在所述轨道上的列车车体(2)，一个涡轮喷气发动机(E1)以及一个配属于该涡轮喷气发动机(E1)的能量转换腔(20)，它们用于使列车车体(2)悬浮起来并且驱动列车车体(2)，一个设置在列车车体(2)前方的气体收集腔(7)，在列车车体(2)的前行运动过程中，该气体收集腔(7)产生提升力，当该气体收集腔(7)内的压力(PACC)大于名义压力(PN)时，设置在该气体收集腔(7)底部的压力交换阀门(22)打开，一个超音速冲压式喷气发动机(E2)，用于当列车车体(2)的速度达到一个预定的速度时使列车车体持续加速。

1.  气流列车，包括：轨道(1)以及运行在所述轨道上的列车车体(2)，
一个涡轮喷气发动机(E1)以及一个配属于该涡轮喷气发动机(E1)的能量转换腔(20)，它们用于使列车车体(2)悬浮起来并且驱动列车车体(2)，
一个设置在列车车体(2)前方的气体收集腔(7)，在列车车体(2)的前行运动过程中，该气体收集腔(7)产生提升力，当该气体收集腔(7)内的压力(PACC)大于名义压力(PN)时，设置在该气体收集腔(7)底部的压力交换阀门(22)打开，
一个超音速冲压式喷气发动机(E2)，用于当列车车体(2)的速度达到一个预定的速度时使列车车体持续加速。

2.  如权利要求1所述的气流列车，其特征在于，所述轨道(1)是椭圆形的。

3.  如权利要求1所述的气流列车，其特征在于，所述能量转换腔(20)具有两个开口，一个作为气压腔(R1)进气口(51)的第一开口以及一个能够朝向气流列车的后方敞开的第二开口(53)，该气压腔(R1)的进气口(51)分布在所述列车车体(2)底部的椭圆形内凹面(21)上。

4.  如权利要求1-3所述的气流列车，其特征在于，所述能量转换腔(20)是球形的。

5.  如权利要求1所述的气流列车，其特征在于，所述预定的速度在1.5马赫至2.0马赫之间。

6.  如权利要求1所述的气流列车，其特征在于，所述名义压力(PN)的大小由列车车体(2)的重量以及列车车体(2)的载重来决定。

7.  如权利要求1所述的气流列车，其特征在于，所述气流列车不存在恒速运行的阶段。

8.  如权利要求1所述的气流列车，其特征在于，该气体收集腔(7)在车体中沿着纵向延伸并且分为前部区域和后部区域两部分，该气体收集腔的前部区域的横截面逐渐缩小到与该气体收集腔的后部区域的横截面相同，而该后部区域的横截面是恒定的。

9.  一种按照权利要求1所述的气流列车的运行方法，其包括两个阶段：
(1)在一个第一阶段中，所述涡轮喷气发动机(E1)工作，以将列车车体(2)加速到所述的预定的速度，在该第一阶段中所述超音速冲压式喷气发动机(E2)不工作，
(2)在一个第二阶段中，即将列车车体(2)加速到上述预定的速度之后，所述涡轮喷气发动机(E1)不工作，所述超音速冲压式喷气发动机(E2)工作，以进一步加速列车车体(2)。

10.  如权利要求9所述的运行方法，其特征在于，在上述第一阶段中，(1)当所述气流列车要启动时，能量转换腔(20)的第一开口(51)打开，涡轮喷气发动机(E1)向所述气压腔(R1)增压以形成高压气垫，
(2)在气压腔(R1)的高压气垫托起所述列车车体(2)使其处于悬浮状态后，所述能量转换腔(20)的第二开口(53)打开，涡轮喷气发动机(E1)的部分能量被转换为驱动列车车体的推力，列车车体(2)被向前推进，
(3)随着列车车体(2)速度的增加，设置在列车车体(2)前方的气体收集腔(7)中的压力(PACC)也越来越大，直到气体收集腔(7)中的压力(PACC)大于列车车体的名义压力(PN)，所述压力交换阀门(22)打开。

11.  如权利要求9所述的运行方法，其特征在于，在所述第二阶段中，所述超音速冲压式喷气发动机(E2)持续地以进气步骤，压缩步骤，作功步骤和排气步骤运行。

气流列车及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种气流列车及其运行方法，尤其涉及一种速度能达到超音速的气流列车及其运行方法。
背景技术
中国200410059983号专利公开了一种气垫悬浮列车，该气垫悬浮列车由电动机带动鼓风机通过列车顶部或两侧的风道吸入空气并通过车身四周的排气孔将吸入的空气高速排向双层车底。由于轨道路面的阻挡，气流在车底积聚形成双层气垫，并产生一股强大的升力，把列车托离路面。列车借助车上的螺旋桨产生的推动力向前行进。现有的气垫悬浮列车需要两个发动机同时工作，一个发动机用于带动鼓风机通过列车顶部或两侧的风道吸入空气并通过车身四周的排气孔将吸入的空气高速排向双层车底以形成能把列车托离地面的高压气垫，另一个发动机用于带动列车尾部的螺旋桨以产生推动力推动列车向前行进。由于现有的气垫列车采用双层车底，其轨道系统比较复杂，列车的速度一般不可能太高(很难超过音速)，更不要说在超过音速的情况下而且在运行的全部阶段都需要两个发动机同时工作，因此现有气垫列车能耗较大。
根据牛顿第三定律可知，两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，并且作用在同一直线上。
涡轮喷气发动机成功地应用在气垫船上。
超音速冲压式喷气发动机(Scramjet)已经成功运用在美国国家航空航天局(NASA)的代号为X-43的项目以及澳大利亚的Hi-Fire项目中。
发明内容
为了更快以及更稳定地运送旅客，本发明提供一种新型的可持续加速的超音速气流列车。按照本发明的气流列车包括：轨道以及运行在所述轨道上的列车车体，
一个涡轮喷气发动机以及一个配属于该涡轮喷气发动机的能量转换腔，它们用于使列车车体悬浮起来并且驱动列车车体，
一个设置在列车车体前方的气体收集腔，在列车车体的前行运动过程中，该气体收集腔产生提升力，当该气体收集腔内的压力大于名义压力时，设置在该气体收集腔底部的压力交换阀门打开，
一个超音速冲压式喷气发动机，用于当列车车体的速度达到一个预定的速度时使列车车体持续加速。
按照本发明的气流列车的一种优选方案规定，轨道是椭圆形的。
按照本发明的气流列车的一种优选方案规定，所述能量转换腔具有两个开口，一个作为气压腔进气口的第一开口以及一个能够朝向气流列车的后方敞开的第二开口，该气压腔的进气口分布在所述列车车体底部的椭圆形内凹面上。
按照本发明的气流列车的一种优选方案规定，所述能量转换腔是球形的。
按照本发明的气流列车的一种优选方案规定，所述预定的速度在1.5马赫至2.0马赫之间。
按照本发明的气流列车的一种优选方案规定，所述名义压力的大小由列车车体的重量以及列车车体的载重来决定。
按照本发明的气流列车的一种优选方案规定，所述气流列车不存在恒速运行的阶段。
按照本发明的气流列车的一种优选方案规定，该气体收集腔在车体中沿着纵向延伸并且分为前部区域和后部区域两部分，该气体收集腔的前部区域的横截面逐渐缩小到与该气体收集腔的后部区域的横截面相同，而该后部区域的横截面是恒定的。
本发明还提供一种上述气流列车的运行方法，其包括两个阶段：
(1)在一个第一阶段中，所述涡轮喷气发动机工作，以将列车车体(2)加速到所述的预定的速度，在该第一阶段中所述超音速冲压式喷气发动机不工作，
(2)在一个第二阶段中，即将列车车体加速到上述预定的速度之后，所述涡轮喷气发动机不工作，所述超音速冲压式喷气发动机工作，以进一步加速列车车体。
按照本发明的气流列车的运行方法的一种优选方案规定，在上述第一阶段中，当所述气流列车要启动时，能量转换腔的第一开口打开，涡轮喷气发动机向所述气压腔增压以形成高压气垫，
在气压腔的高压气垫托起所述列车车体使其处于悬浮状态后，所述能量转换腔的第二开口打开，涡轮喷气发动机的部分能量被转换为驱动列车车体的推力，列车车体被向前推进，
随着列车车体速度的增加，设置在列车车体前方的气体收集腔中的压力也越来越大，直到气体收集腔中的压力大于列车车体的名义压力，所述压力交换阀门打开。
按照本发明的气流列车的运行方法的一种优选方案规定，在所述第二阶段中，所述超音速冲压式喷气发动机持续地以进气步骤，压缩步骤，作功步骤和排气步骤运行。
附图说明
以下结合附图对附图中所示出的实施例进行说明。
图1是本发明的椭圆轨道的垂直剖面示意图；
图2是本发明图5中C-C截面处向着列车车体后部看去的列车车体的垂直剖面示意图；
图3是本发明图5中C-C截面处椭圆轨道和列车车体结合在一起时的向着列车车体后部看去的垂直剖面示意图；
图4是本发明的气流列车形成高压气垫时的气流方向示意图；
图5是本发明的气流列车在未开始滑行的静止状态下椭圆轨道和列车车体的组装起来时的纵向剖视图，此时列车车体底部椭圆形内凹面边缘的可伸缩帘门伸出，气体收集腔底部上的可伸缩压力交换阀门处于关闭状态，而位于涡轮喷气发动机前面的阀门处于敞开状态；
图6是本发明的气流列车在超音速运行的状态下的纵向剖视图，此时列车车体底部椭圆形内凹面边缘的可伸缩帘门缩入，气体收集腔底部上的可伸缩压力交换阀门处于打开状态，而位于涡轮喷气发动机前面的阀门处于关闭状态；
图7是本发明的气流列车在超音速运行的状态下气流流动方向的示意图，此时列车的涡轮喷气发动机停止工作，列车由超音速冲压式喷气发动机驱动运行；
图8是图2中列车车体在A-A截面处的仰视图；
图9是列车车体的仰视图；
图10是列车车体的俯视图；
图11是图2中列车车体在B-B截面处的仰视图；
图12是本发明的气流列车从A地运行至B地时的速度变化曲线与以现有交通工具从A地运行至B地时的速度变化曲线；
图13是所述气压腔R1内的气压P1、气体收集腔内的气压PACC以及列车车体的名义压力PN三者之间的关系示意图；
图14是列车车体运行速度与气体收集腔内的气体压缩率之间的关系图；
图15是气体收集腔内的气体压缩率与单位体积含氧量之间的关系图；
图16是单位体积含氧量与可能的能量输出量之间的关系图；
图17是可能的能量输出量与列车车体速度或者说加速度之间的关系图。
具体实施方式
本发明的气流列车包括：架设在稳定路基4上具有椭圆形的或者类似椭圆形的截面的椭圆轨道1(见图1)以及运行在所述轨道上的列车车体2。所述轨道1也是气流列车的导航部件，从而可以不需要导航控制。列车车体2可由轻质材料，例如碳纤维等制成，从而在保证列车车体具有较小重量的同时还能够获得足够的强度和刚度；所述列车车体2底部设有与所述椭圆轨道1相匹配的椭圆形内凹面21(见图2)，在椭圆形内凹面21的边缘上设有受控的、可伸缩的帘门23(见图5和图6)，所述椭圆轨道1的外表面11和所述列车车体2底部的椭圆形内凹面21构成用于在其中形成高压气垫的气压腔R1(见图3)，该气压腔R1的进气口51在列车的后部区域中设置在所述列车车体2底部的椭圆形内凹面21上，其排气口52由所述列车车体2底部的椭圆形内凹面边缘与所述椭圆轨道1下部表面之间的空隙构成(见图4)；所述帘门23在气流列车未运行或者运行速度较慢时从内凹面21的边缘伸出，以使所述气压腔R1封闭，便于在气压腔R1内形成高压气垫，当该气压腔R1形成高压气垫后，列车车体2与轨道保持不接触。
如图5至图7所示，在列车车体2的后部区域中设有一个涡轮喷气发动机E1，在该涡轮喷气发动机E1的后面配有一个球形的或者类似球形的能量转换腔20，该能量转换腔20具有两个开口，一个第一开口就是前述的进气口51，当该第一开口打开时，涡轮喷气发动机E1向所述气压腔R1增压以形成高压气垫，涡轮喷气发动机E1的能量被转换为提升列车车体的提升力；另一个开口，即第二开口53可以朝向气流列车的后方敞开，当该第二开口53打开的时候，涡轮喷气发动机E1的能量被转换为驱动列车车体的推力。所述涡轮喷气发动机E1用于对气压腔R1增压和用于驱动列车车体2前行的能量分配比例由发动机控制系统根据列车车体2的运行速度自动调节。
在列车车体2的后端部上设有一个超音速冲压式喷气发动机E2，该超音速冲压式喷气发动机E2在列车车体2的速度达到一个预定的速度，例如1.5马赫时点火工作，从而使得列车车体持续加速。涡轮喷气发动机E1和超音速冲压式喷气发动机E2及其控制技术已经被广泛应用在工业中。因此，本发明对涡轮喷气发动机E1和超音速冲压式喷气发动机E2及其控制技术不进行详细讨论。
如图5-图7中所示，在所述列车车体2前方设置一个气体收集腔7，所述气体收集腔7的开口朝向列车车体2的正前方，该气体收集腔7在车体中沿着纵向延伸并且分为前部区域和后部区域两部分，该气体收集腔的前部区域的横截面逐渐缩小到与该气体收集腔的后部区域的横截面相同，而该后部区域的横截面是恒定的，所述气体收集腔7的底部设有多排，例如三排分布均匀且能够将气体收集腔7与所述气压腔R1相连通的压力交换阀门22，在图8中示出具有三排分布均匀的压力交换阀门的列车车体。在气体收集腔7的后部区域中且在涡轮喷气发动机E1之前设置一个阀门24，当该阀门打开时，气体收集腔中的气体能够供给涡轮喷气发动机E1使用。
当列车车体2运行时将空气导入该气体收集腔7并在该气体收集腔7中形成压力PACC，将该气体收集腔7的前部区域构造成如同航行器的机翼那样工作，随着列车车体2的运行，该气体收集腔7产生了提升列车车身的提升力，这时，列车车体会略微倾斜，但由于气体收集腔在列车车体的纵向上分布在列车车体的大部分区域中，并且列车车体和轨道之间的缝隙设计得足够大，从而保证了列车车体不会与轨道发生碰撞。所述列车车体2的运行速度越快，所述提升力越大，在所述气体收集腔7中收集的空气越多，而气体收集腔7中的压力PACC越高，当所述气体收集腔7中的压力PACC大于名义压力PN，也就是大于列车车体悬浮起来时气压腔R1中的压力时，所述压力交换阀门22打开，此时，气体收集腔7中的压缩气体流过所述气压腔R1并从排气口52流出，由此产生了将列车车体向下拉动的拉力，该拉力与前述提升力相互作用，根据牛顿第三定律可知，整个列车车体处于平衡状态，确保了气流列车的稳定性。
当所述气体收集腔7中的压力PACC小于列车车体的名义压力PN时，压力交换阀门22保持关闭，由所述涡轮喷气发动机E1提供的能量一部分用于形成所述气压腔R1的高压气垫，另一部分用于驱动所述列车车体2。只有当所述气体收集腔7中的压力PACC大于名义压力PN时，压力交换阀门22打开，帘门23缩入。此时，由所述涡轮喷气发动机E1提供的能量全部用于驱动列车车体2，来自气体收集腔7的气流进入所述气压腔R1以形成高压气垫，列车车体2完全运行在高度压缩的气流上。
当所述列车车体2的速度达到一个预定的速度，例如在1.5马赫-2.0马赫时，所述阀门24关闭，涡轮喷气发动机E1停止工作，而超音速冲压式喷气发动机E2点火工作，使得列车车体持续地以更高的速度运行，在这里列车车体的运行速度与气体收集腔7中的气体压缩率成正比例关系，如图14所示，而气体压缩率同样与单位气体的含氧量成正比例关系，如图15所示，由于超音速冲压式喷气发动机E2的运行需要压缩气体，压缩气体的压缩率越高，也即单位体积中的含氧量越高，则超音速冲压式喷气发动机E2所能燃烧的燃料越多，因此能够输出的能量越多，图16示出了单位体积含氧量与可能的能量输出量之间的关系，由该图可以看到，单位体积含氧量与可能的能量输出量之间也是成正比例关系，图17示出了可能的能量输出量与列车车体速度或者说加速度之间的关系，由该图可以看到，在能量输出持续增加的情况下，列车车体的速度也会越快。而随着列车车体的速度越快，则在气体收集腔7中收集的气体越多，即产生的气体压缩率越高，因而供给超音速冲压式喷气发动机E2燃烧所需要的气体的单位体积含氧量越高，因此，在超音速冲压式喷气发动机E2点火工作后，整个列车车体将被持续加速。
这有别于普通火车和磁悬浮列车等现有交通工具的运行方式，普通火车和磁悬浮列车通常在加速到一个设定速度后会以该速度持续运行一段时间，而本发明的气流列车在开始运行之后被一直加速，在达到预定速度后再减速，也就是说在气流列车的起点和终点之间没有以恒定速度运行的阶段。在图12中曲线1是本发明中的气流列车从A地运行到B地时的速度变化曲线，曲线2是普通火车或者磁悬浮列车等现有交通工具从A地运行到B地时的速度变化曲线，从图中可以看出，现有交通工具在加速到某一速度后会以该速度恒速运行一段时间。
在超音速冲压式喷气发动机E2运行时，其与轨道形成了一个临时性的燃烧室，燃料和压缩气体在该燃烧室中燃烧以产生推动列车车体的推力。超音速冲压式喷气发动机E2所使用的燃料是氢，所产生的燃烧物是水，因此有利于保护环境。
图13是所述气压腔R1内的气压P1、气体收集腔7内的气压PACC以及列车车体的名义压力PN三者之间的关系示意图，其中，名义压力PN的大小由列车车体2的重量以及列车车体2的载重来决定。从该图可以看出，列车未启动时，气压腔R1内的气压P1为0，列车开始启动，气压腔R1内的气压P1迅速增大至能使所述列车车体悬浮起来的名义压力PN，然后列车车体向前运行，随着列车车体速度的增加，气体收集腔7内的压力PACC逐渐增大。
接下来结合附图描述一下本发明的气流列车的运行方法，当所述气流列车要启动时，阀门24打开，能量转换腔20的第一开口51打开，涡轮喷气发动机E1向所述气压腔R1增压以形成高压气垫，涡轮喷气发动机E1的能量被转换为提升列车车体的提升力，在椭圆形内凹面21的边缘中的帘门23伸出，所述气压腔R1处于封闭状态；如图5所示。
在所述气压腔R1的高压气垫托起所述列车车体2使其处于悬浮状态后，所述能量转换腔20的第二开口53打开，涡轮喷气发动机E1的部分能量被转换为驱动列车车体的推力。
在气流列车刚启动的时候，涡轮喷气发动机E1的能量全部用于形成高压气垫，然后逐渐有部分能量被转换为驱动列车车体的推力，与此同时，随着列车车体开始运行，气体收集腔7产生了提升列车车身的提升力，该提升力补偿了被用于驱动列车的涡轮喷气发动机E1的部分能量。随着列车车体速度越来越快，气体收集腔7中的压力PACC也越来越大，直到气体收集腔7中的压力PACC大于名义压力PN，所述压力交换阀门22打开，帘门23缩入，由所述涡轮喷气发动机E1提供的能量全部用于驱动列车车体2，来自气体收集腔7的气流进入所述气压腔R1以形成高压气垫，列车车体完全运行在高度压缩的气流上。
当所述列车车体2的速度达到一个预定的速度，例如在1.5马赫-2.0马赫时涡轮喷气发动机E1停止工作，超音速冲压式喷气发动机E2点火工作，列车车体2被进一步加速。此时，超音速冲压式喷气发动机E2以类似于四行程内燃机的方式进行运行，超音速冲压式喷气发动机E2的运行被分为四个步骤，这四个步骤所发生的地点在图7中以标记①-④示意性标识出来，
在步骤①，也即进气步骤中，气体进入气体收集腔7；
在步骤②，也即压缩步骤中，所吸入的气体被压缩，产生压缩气体；
在步骤③，也即作功步骤中，用于超音速冲压式喷气发动机E2的燃料借助压缩气体被点燃并且发生气体膨胀，
在步骤④，也即排气步骤中，膨胀的气体被向后排出，产生推动列车车体2前进的推力。
通过这四个步骤的持续进行，列车车体2将被持续加速。