协力攻关，让动车组跑出“中国速度”（讲述·弘扬科学家精神·打造大国重器）

CR450动车组二等座车厢。

图为中新社记者贾天勇摄

数据来源：中国铁道科学研究院集团

CR450动车组司机室。

图为中新社记者贾天勇摄

数据来源：中国铁道科学研究院集团

CR450青年团队成员在试验列车上研讨技术细节。

图为中国铁道科学研究院集团提供

试验列车行驶在湄洲湾跨海大桥上。

图为中国铁道科学研究院集团提供

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日前，CR450动车组样车正式亮相。商业运营时速400公里，试验时速450公里，中国高铁再次领跑全球。
CR450动车组研发有何难点，实现了哪些技术突破，背后有怎样的故事？日前，本报记者走近CR450科技创新工程关键系统研发和试验青年团队，看他们如何助力CR450动车组“贴地飞行”。
广袤大地，列车飞驰。
商业运营时速400公里，从时速400公里到时速0、制动距离只需要6500米，标准动车组每公里能耗只需22至23千瓦时……CR450动车组的研制，汇聚着众多科研工作者的智慧与艰辛，见证着中国高铁新的辉煌与荣光。
时间拨回到2021年。这一年，“CR450科技创新工程”正式实施，由国铁集团牵头，联合国内科研院所、高校、企业等科研力量组成创新联合体，开展协同攻关。其中，中国铁道科学研究院集团作为技术牵头单位，组建了一支参与人数达210人、横跨七大专业的CR450科技创新工程关键系统研发和试验青年团队（以下简称“CR450青年团队”）。
与时间赛跑，这项耗时多年的项目让我国在全球范围内首次建立起商业运营时速400公里动车组的标准体系，为更快的“中国速度”写下生动注脚。
既要起步快更要停得稳，如何实现
研发新材料，升级响应系统，提升制动性能
“在没有任何经验可供借鉴的情况下，为CR450动车组确定顶层技术指标像是在‘无人区’里进行探索，一切必须慎之又慎。”CR450青年团队负责人许聪说。
为了探索出新的技术路径，许聪带领团队先后实地开展50余次调查研究和访谈咨询，开展100余项仿真试验和70余项地面试验，以确保总体技术条件的先进性和可行性。最终，通过不同系统成员协同攻关，包括速度、安全、能耗、噪声等在内的指标被确定下来。
“放眼全球，商业运营时速400公里确属首次。”许聪说，虽然国内外曾有过类似尝试，但都是试验列车，“商业运营考验的是列车长期稳定安全运行的能力。”
长期稳定安全运行，意味着动车既要起步快，更要停得稳。时速提高50公里，但要与CR400动车组在时速350公里时的紧急制动距离基本一致，如何做到？
数据测算显示，在时速400公里背景下，如果使用CR400动车组的制动系统，紧急制动距离需要8500至9000米，与6500米的目标相差甚远。
“列车的制动过程，需要将机械能转化为热能，在6500米内将时速从400公里降到0，所释放的能量能在2分钟内将6.8吨水从零摄氏度加热到100摄氏度。”铁科院集团机辆所副研究员韩晓东说，CR400动车组制动系统所使用的材料已无法满足新工况要求，亟须研发新材料。
为此，以CR450青年团队为主力的攻关小组正式成立，专门研发耐高温、抗变形、耐疲劳的新材料。“光是寻找最佳材料‘配方’，我们就花了半年时间。后续，又用了一年时间验证工艺过程、材料性能。”韩晓东说。
材料的研发有条不紊，制动响应系统的升级也在进行。“响应时间越短，留给真正制动的时间就越多。”CR450青年团队成员、铁科院集团机辆所副研究员邵林介绍，CR450动车组通过创新采用时间敏感网（TSN）传输信号，实时传输性能提升10倍，制动响应时间从CR400动车组的2.3秒减少到1.7秒。
从制动系统、牵引动力、网络控制到安全监测，团队为每个关键系统都设计了专属数字模型，通过精密计算和反复试验，实现制动性能提升20%以上。最终，在运行时速提高50公里情况下，CR450动车组制动距离与CR400动车组基本一致。
跑得更快能耗不变，怎样达成
包覆转向架腔，降低运行阻力，应用轻质材料，实现“瘦身健体”
实现动车组商业运营，要在安全的基础上保证经济性。因此，能否让列车跑得更快、能耗不变便成为研发团队面临的又一道难题。
“降阻、减重是关键。”许聪介绍，高速飞驰的列车，气动阻力随速度的平方增长，列车95%的运行阻力来自空气。理论测算显示，时速提高50公里，阻力将增加30%，牵引能耗主要在与空气阻力“对抗”。
降低空气阻力，哪里是突破口？研发团队通过大量仿真和试验，分析车辆不同部位受到的空气阻力，探索各个部位减阻的理论极限值。最终，研发团队发现转向架区域还有较大的减阻潜力。
“对此，我们提出在转向架区域包覆结构上下功夫，通过采取类似裙板下拉环抱的方式，将整个转向架腔包覆起来，有效降低了整车运行阻力。”CR450青年团队成员、铁科院集团机辆所副研究员陈璨说。
然而，转向架是动车组列车的“腿”，承担着负重、牵引、制动、减振等任务，包覆后转向架区域的散热、后期检修又该如何进行？
“要直面问题、解决问题，用创新的思维提出优化方案。”陈璨说，团队从设计方案优化、仿真分析校核，再到地面试验和实车试验验证，一遍遍测试、一次次修正方案，最终让包覆结构既实现减阻效果，又兼顾散热、强度和刚度等多重目标。
最终，研发团队实现动车组整车运行阻力降低22%。再加上采用碳纤维复合材料、铝镁合金等轻质高强度材料，以及应用拓扑优化技术，将动车组减重10%，实现CR450与CR400能耗相当的目标。“所有的努力都是值得的。”陈璨说。
真实场景下的可靠性，如何检验
创新测试方法，开展20余万公里线路试验
动车组的研制，仅靠仿真计算和台架试验是远远不够的，还需要在真实场景下检验关键部件的性能。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。
精准交会有多难？彼时，试验列车的试验速度已达到450公里每小时，列车每1秒就要跑出约125米。“要想实现测试需求、缩小交会误差，以秒为单位调整发车时间差已经满足不了精度要求。”CR450青年团队试验指挥刘磊说。
“可以把倒计时装置改成专业秒表，以半秒为单位控制发车时间差。”随着一场场讨论反复进行，一系列配套的调整也逐渐清晰。
交会试验如期开展。这头，刘磊手拿对讲机、两块秒表，整装待发；那头，另一列试验列车上，试验指挥李元平屏息静气、时刻准备。
三、二、一，发车！首列试验列车发出，1.5秒后，对开列车发车……“时速450公里，交会误差5米以内！”刘磊回忆。
在CR450动车组的研制过程中，像这样的试验有很多。研发团队先后在郑万、济郑、弥蒙和福厦高铁开展了20余万公里的线路试验，同时创造了多项历史：在福厦高铁湄洲湾跨海大桥，搭载新技术部件的试验列车以相对交会最高时速891公里运行；在福厦高铁海尾隧道，试验列车以相对交会最高时速840公里运行，分别创造高铁动车组明线、隧道交会速度世界纪录。
试验，除了要在列车上监测数据，还需要大量的地面测试。地面测试团队需要提前在路面布置传感器，实时将数据传输回实验室。“我们在福建莆田灵川镇的桥头村待了2个月。”地面测试团队成员、铁科院集团铁建所副研究员李泰灃说，每天清晨，团队成员跨过乡间田垄，在工程现场埋设传感器，并将接头与采集仪相连进行调试，从而保证试验的顺利进行。“工作虽然单一，但大家坚守工程一线，从不喊苦喊累。”李泰灃说。
为了表彰团队为CR450样车研制所作的贡献，CR450青年团队获评第二十八届“中国青年五四奖章集体”。“荣誉是对我们的鞭策，我们将继续鼓足干劲，不断为高铁事业的发展贡献力量。”许聪说。
眼下，虽然CR450样车已经下线，但研发团队的工作还没有结束。他们将为CR450动车组样车开展一系列线路试验和考核，进一步检验各项性能指标，为CR450动车组早日投入商业运营创造条件。（记者 李心萍）
《人民日报》（2024年01月09日06版）