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SpaceX超级高铁车舱设计竞赛:设计源自年轻人创意

时间:2018-01-03 作者:Steve Taranovich 阅读:
最近纽约市一直在认真讨论对其老化的地铁系统进行现代化改造,这将使纳税人付出巨大开支并付出巨大努力。美国国家铁路客运公司最近也由于各种原因出现多起重大事故,造成了生命损失。增加技术解决方案来改善这两个系统可能会有巨大帮助,但是我们现在是否是时候应该考虑采用像超级高铁创意这样的高级远程旅行技术系统了呢?

据《纽约时报》报道,最近纽约市一直在认真讨论对其老化的地铁系统进行现代化改造,这将使纳税人付出巨大开支并付出巨大努力。美国国家铁路客运公司最近也由于各种原因出现多起重大事故,造成了生命损失。增加技术解决方案来改善这两个系统可能会有巨大帮助,但是我们现在是否是时候应该考虑采用像埃隆·马斯克(Elon Musk)提出的超级高铁(Hyperloop)创意这样的高级远程旅行技术系统了呢?诚然,这样的部署大约已经历10年时间了,但是从速度和安全性来看,这种系统采用现代电子技术改造可以带来巨大的好处。

本文将介绍一个超级高铁原型开发工作的例子,大家可自己判断。我一直紧密地参与亚利桑那州立大学的AZLoop项目——就在我住的小镇的另一边。2017年8月,这支团队在加利福尼亚州的SpaceX场地,最终从35支决赛团队进入到八强。亚利桑那州立大学毕业生Josh Kosar是该团队的联合负责人(也是位机器人工程师),在他们设计过程中,我每次访问以及与团队交谈,都是由他一直陪同。该项目的另一位共同负责人是毕业于亚利桑那州立大学的研究生(机械工程师)Lynne Nethken。让我们来看看他们惊人的设计工作。

AZLoop团队在经过一周的测试后成为名副其实的领先团队之一,但他们没有成为最后进入决赛的三支队伍——德国的WARR团队最终获胜,其最高时速达到201mph。这并没有打击到他们的士气,也没有贬损他们取得的巨大技术成就。

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图1:加利福尼亚州SpaceX测试轨道上的美国/加拿大车队的Paradigm车舱,将在比赛期间进入加压真空管道。(图片由Charlie Leight/现亚利桑那州立大学提供)

AZLoop

在亚利桑那州凤凰城,103名研究生和本科生、指导教师和行业顾问大力合作,对埃隆·马斯克肇始的SpaceX 超级高铁运输系统概念开发经济、可持续和可扩展的车舱。学生来自亚利桑那州立大学(ASU)、安柏瑞德航空大学、北亚利桑那大学(NAU)和雷鸟国际管理学院——从新生到博士,从事跨学科协作,涵盖工程、科学、数学和商业学科。这10位指导老师精通推进、悬浮、电气、动力学、建模和控制等学科,11位行业顾问代表了各个工程和商业领域。

他们是亚利桑那州最有才华的学生,致力于使超级高铁成为现实。AZLoop的每个成员每周至少需要奉献10小时,每个学生都认可SpaceX超级高铁车舱竞赛是个通过交通创新改变世界的协作和独特机会。

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图2:SpaceX竞赛上AZLoop团队及其车舱(图片由Charlie Leight/现亚利桑那州立大学提供)

我最近在亚利桑那州立大学校园里遇到了这个才华团队的一些成员,可以感受到他们在追求新发现和新技术,而使获奖设计能够改善世界时所带来的兴奋、奉献和期待。这个团队现在已经使他们的设计从原来的1,300个团队设计中脱颖而出,成为少数24个拥有令人难以置信的先进设计的团队之一。观看以下视频,可了解更多信息。

该团队能够游刃有余地跨多个学科工作,而使这个设计得以成功,这给我留下了深刻印象。我没有看到任何表演迹象,也没有看到任何抢其他团队成员或组织风头的情况。我遇到的所有人之间都是真正的同志关系,也能感觉他们为了使这个系统的功能发挥到最高水平,而满足其成为人类的一种下一代运输工具,而对将做之事的兴奋和期待。这是一种职业水准、技术实力和对解决方案热烈追求的真正气氛,为近期所罕见。作为一个例子,请看下面视频,它显示了AZLoop的推进和软件两个团队的协作。

这篇文章将主要强调设计中的电子和磁性部分,但也会对这个复杂设计中的所有关键系统做个有效概述。

系统

受到SpaceX推进器初始加速后,车舱通过机载压缩空气系统加速推进。

悬浮系统由永磁钕磁铁阵列组成,使车舱以约5m/s的速度达到悬浮。带有聚氨酯轮辋的铝制车轮在低速时支撑车舱。

在制动系统中,磁涡流制动器最初将车舱从最大速度减速到约5m/s,此时由接触摩擦垫接管制动,而使车舱完全停止。带有聚氨酯轮辋的铝制车轮沿着试验轨道行驶,以便为车舱提供侧向稳定性。

电源和电子

竞赛车舱采用锂离子电池供电。主电源包含264Wh的磷酸铁锂电池(LiFePO4),峰值容量为6.7kW。备用电源将用于紧急情况。

工业级可编程自动化控制器(PAC)用于监控传感器和执行器,从而确保车舱运行期间的安全性和系统性能。工业级惯性测量单元(IMU)和数字信号处理器(DSP)用于车舱的捷联(strap-down)惯性导航。多个激光器和光学传感器为车舱的导航系统提供有源调谐。

空气动力学和形状

该团队使用ANSYS计算流体动力学(CFD)工具对十次形状迭代进行了测试,以最小化阻力系数和升力系数。根据风速为150m/s时阻力系数为0.21至2.95的观察结果,最终设计选定为10。最终设计在风速为200m/s时的阻力系数为0.26。

安柏瑞德航空大学设置了风洞,以复制轨道环境并测量对车舱的阻力(图3)。

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图3:安柏瑞德航空大学的风洞(图片由安柏瑞德航空大学/亚利桑那州普雷斯科特提供)

设置中使用了雷诺数,并根据缩小的车舱原型尺寸修改了风洞中的空气速度。两个环境的雷诺数相等,还获得了空气速度与车舱特征长度的关系。

悬浮

最终的设计选择在车舱的每个角落固定四个永磁铁阵列。选择这种设计是为了提高高速(悬浮时大于5m/s)时的俯仰(pitch)和滚摆(roll)的稳定性。实际中,车轮是在低速时使用,因为在速度低于5m/s时,磁力很小。

磁力是由导电铝表面上的速率产生的交变磁极感生的。测试运行时可看到,车舱的加速度为19.61m/s2——仅需0.76s,车舱速度就达到5m/s。在5m/s或更高的速度下,车舱在轨道上的悬浮高度为0.012m(图4)。

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图4:制动附件侧面的悬浮附件的顶视图。(图片由参考文献1提供)

主悬浮机构设计采用了四个海尔贝克(Halbach)阵列(图5)。

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图5:线性海尔贝克阵列(图片由Sunlase.com提供)

每个海尔贝克阵列包含五个0.254m3的N52永磁钕磁铁。这些类型的磁铁具有高磁通量,允许悬浮速度高于5m/s。

磁铁不仅能保持车舱的悬浮,而且有助于停电时的制动。它们还有助于稳定姿态、俯仰和滚摆(图6)。

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图6:Vizimag 3.18的仿真结果显示了海尔贝克阵列的磁力线(图片由参考文献1提供)

团队成员通过数学建模,对悬浮系统性能进行了严格分析。这里列出了一些假设:

•轨道厚度和密度均匀
•具有无限长度和宽度的导电表面,但厚度有限
•由感应电流产生的磁场比所加磁场小得多

我们来看看模型方程(图7)。

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图7:模型方程(图片由参考文献1提供)

线性海尔贝克阵列的几何形状如图8所示。

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图8:线性海尔贝克阵列的几何形状(图片由参考文献1提供)

制动

主制动系统由三对涡流制动器(图9中的蓝色)组成,它们是非接触的,因为它们只利用由移动磁铁产生的涡流的反向力来减速。这些制动器在高速时起作用而减慢车舱,以备次级接触制动(图9中的红色)接管而实现完全停止。辅助制动器也是冗余的,在主系统发生故障时进行制动。像这样的安全功能是设计的重要组成部分,也是SpaceX挑战中的必要条件(图9)。

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图9:完整的车舱制动系统由十个涡流制动(蓝色)和摩擦制动(红色)模块组成。(图片由参考文献1提供)

电源系统

竞赛车舱通过压缩空气和锂聚合物电池提供动力。主电源为264Wh的磷酸铁锂电池,峰值功率为6.7kW。电池采用A123的ANR26650M1-B电芯。24VDC系统电源采用由八个电芯串联的电池搭建。为达到所需的50A最大负载需求,四排八个电池被并联放置。

还有一个备用电源,在主电源发生故障的情况下为电子系统供电。它也是由264Wh的电池组成。

电池系统可满足30次运行供电,预计每次运行时长为32秒。

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图10:电源系统(图片由参考文献1提供)

电池管理系统(BMS)

系统选用Orion BMS,来保持电池工作在安全范围及平衡电池电芯的电压。

电源转换器

为了将24VDC电池系统转换为所需的系统电压,系统采用了开关模式电源(SMPS)。系统有两个转换器:

  1. Victron Energy Orion DC-DC——输入电压范围为12至35V、输出电压为12V、可提供40A连续电流的非隔离式转换器。
  2. 凌力尔特LTM4609升降压DC-DC uModule调节器,输入范围为4.5V至36V,输出范围为0.8V至34V,可提供4A(降压模式下为10A)的连续电流。

电子系统

电源系统设计

电子控制器系统架构如图11所示。

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图11:电子系统控制器架构图(图片由参考文献1提供)

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图12:电源系统框图(图片由参考文献1提供)

车舱控制器

车舱控制器是西门子自动化的产品。这些可编程自动化控制器(PAC)在其设计中融入了冗余、高速处理、协议标准化及易于使用等特性。

每个控制器的CPU是根据系统中的速度和I/O要求而选择。

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图13:为了满足这些图表中列出的输入和输出信号要求,主控制器模块添加了附加模块。(图片由参考文献1提供)

传感器和执行器

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图14:车舱中传感器的位置(图片由参考文献1提供)

根据范围和灵敏度要求及应支持的功能,该团队对传感器和执行器针对其在车舱中各自的用途进行了严格筛选。

后续文章还会针对推进、悬浮、制动、通信/导航、动力系统和动力学等领域,对车舱中每个系统的各种传感器和执行器选择进行报道。我们还将深入研究导航和通信系统的电子设备,审视本设计中使用的一些建模工具和技术,并讨论乘客舱、行李舱的全面模型设计及其超级高铁车舱的最终设计。

团队

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图15:这是我们未来工程界中一些最聪明的年轻人。(图片由参考文献1提供)

参考文献

  1. AZLoop Final Design Package

《EDN电子技术设计》2018年1月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Steve Taranovich
EDN资深技术编辑。Steve Taranovich是EE Time姊妹网站Planet Analog的主编,也是EDN的高级技术编辑。 Steve在电子行业拥有40年的从业经验。 他在纽约布鲁克林理工大学获得电子工程硕士学位,在纽约布朗克斯纽约大学获得BEEE学位。 他还是IEEE长岛教育活动委员会主席。 他在Burr-Brown和德州仪器公司工作多年,在模拟设计方面有丰富的经验,并有着嵌入式处理的教育背景。 Steve做了16年的电路设计工程师,随后他成为Burr-Brown Corp的首批现场应用工程师之一,并成为他们首批前往欧洲、印度和中国的全球客户经理之一。
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