每一天，我们坐的高铁都在跟鸟和空气作战

毋问我从哪里来

2021
12/11
19:16
冰点周刊

每年，全国高铁要清理超过20万个鸟窝，拆掉一个鸟窝平均成本上千元。有人曾尝试用大风扇把鸟窝从高铁接触网上吹走，可鸟类是天生的建筑专家，它们搭的窝非常符合工程力学。

车速不高时，列车前进就像人在微风中行走，几乎感受不到阻力。但当列车时速在300公里以上，让时速每提高20公里，困难程度就好比让奥运会的一个“百米飞人”跑进10秒后，将速度再提高0.01秒。

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当地时间12月3日，老挝首都万象，一列从昆明站始发的中老铁路列车抵达。当日，中老铁路全线开通运营。视觉中国供图

记者|胡春艳

编辑|张国

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沿着铁路线架设的输电线路又称接触网，很多鸟儿喜欢在这种高压电流通过的网上筑巢。

每年，全国高铁线要清理超过20万个鸟巢，铁路牵引供电系统专家王立天说。他是天津中铁电气化设计研究院首席专家、总工程师。他供职的单位参与了中国高铁诞生以来的设计、建设和发展。

王立天对中青报·中青网记者解释，鸟类尤其让人头疼。坚固的接触网是它们理想的安家之所。鸟儿不辞劳苦衔来的树枝、铁丝、草秆，统统都会成为良好的导体，可能导致短路，进而带来停电和停运。

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其他威胁还包括被风吹上天的农用地膜、彩钢板、防尘网、菜市场的塑料包装袋，以及断线风筝的细线。2021年5月1日，河北定州的一块旧塑料布被风卷到接触网上，导致北京至广州的高铁连锁反应式的大面积延误。这只是众多同类事件中的一起。

多年以来，王立天的工作就是与那些阻挡铁路前进的障碍对抗。

中国逐渐铺开高铁线路以后，他的“敌人”多了一个：空气。

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12月2日，黑龙江省牡丹江市，一列动车组列车行驶在沈佳高铁牡丹江至佳木斯段。12月6日，我国最东端高铁——牡佳高铁正式开通运营，进一步完善了我国东北地区高速铁路网。 视觉中国供图

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简单来说，用电驱动一列火车与点亮一盏台灯的过程差不多：国家电网提供稳定的电流，电线把它送到头顶，一个庞然大物获得了动力。

火车通过车顶的弓形装置“受电弓”——相当于“插头”，来与头顶的电线接触。工程师们让受电弓和接触网“握手”，以此使列车获得动力。

接触网不是一张网，除去一些零件和支撑装置，它其实是一根直径1.4厘米左右的导线，悬挂在铁轨上方6米高的半空。列车经过时，受电弓“伸出手”，滑过导线，把电流引入车内。

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140多年前，电气化铁路在英国诞生，自此之后，工程师对改善弓网关系的研究就没有停止过。正如自从有了铁路，对车轮与轨道的持续改进就永无止境。

但在慢吞吞的绿皮火车时代，空气并不是需要特别考虑的障碍。车速不高时，列车前进就像人在微风中行走，几乎感受不到阻力。

但当列车时速在300公里以上，让时速每提高20公里，王立天打比方说，困难程度就好比让奥运会的一个“百米飞人”跑进10秒后，将速度再提高0.01秒。

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列车时速在250公里以下时，常用的纯铜导线就可以带来足够的动力。而时速300公里以上时，情形不一样了，空气阻力急速攀升，如同人置身于八级以上大风中逆行。

摆脱阻力的办法就是给高铁送去更大的牵引力。功率加大，瞬时穿过导线的电流成倍增加，但导线并不能加粗，“否则将带来一系列复杂的工程问题”，王立天说，这种情况下，纯铜导线不够用，必须找到导电率更高的电线。

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中国高铁的设计时速是从200多公里一步迈入350公里的。2008年，北京和天津之间时速350公里的城际铁路通车，被视为中国迈入高铁时代的起点。

高速带来很多意想不到的麻烦。列车举着受电弓，以每秒100米的速度滑过上方导线时，前弓向上抬升摩擦导线，会引起共振产生振波，振波又沿导线传导到后弓。当列车跑得比振动波还快，导线就会在受电弓表面上下跳跃，无法稳定获取电力，“一旦弓网脱离，轻则摩擦出电火花，重则出现安全事故”。

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据王立天介绍，导线振动波的传播速度要达到车速的1.4倍以上，才能让弓网保持紧密接触，这就需要导线更大的张力、更高的强度。

严格来说，列车的最高运行速度取决于这条电线——一个公认的结论是，导线的电导率和强度决定了接触网载流能力和张力的极限，也就决定了最高车速。

但问题在于，按照金属材料的物理性质，导电率和强度是成反比的，同一种材料，要想提高一方面的性能，就必须牺牲另一方面。

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王立天要挑战这个物理学原理，同时提高两个反向指标。那就要给金属“加点料”——把不同金属“揉”在一起形成新的合金，改变原有的物理性质。

京津城际铁路通车，日本东海道新干线已开行了半个世纪。为了给京津城际铁路选出一条能满足350公里时速的导线，王立天作为当时的铁道部认定的高铁牵引供电领域的主谈专家，与当时拥有先进高铁技术的日本、法国、德国专家一起坐到谈判桌边。

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德法专家推荐的是当时国际上比较流行的镁铜合金导线，日本专家拿出的是铜包钢导线。前者的抗拉强度470兆帕，导电率62%；后者强度高达580兆帕，可导电率只有50%。王立天对两种都不怎么满意。铜包钢导线的导电率太低，无法满足中国高铁列车编组长、载重大对动力的需求；而国际先进的铜镁导线在350公里时速已达安全极限，未来再提速，必须要研发出更高强度、更高导电率的下一代导线。

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最终中标的是德国人，王立天等中方专家配合德方完成了电力系统的设计。但日本人称，他们正在研究更高强度、更高导电率的铬锆铜导线，只是不能卖给中国，一小段样品都不行。

这段谈判经历让王立天感到强烈震撼，他形容“那是一种很深的屈辱感”。他体会到，最好的技术，花钱也买不来。中国要发展，必须自力更生、科技自强，别无他法。

查阅了大量国际前沿学术研究之后，王立天发现，各国都在投入巨资研究铜铬锆接触网导线，这是高铁牵引供电技术中公认的难题。

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他开始在国内各高校和科研院所走访。得知浙江大学教授孟亮研究出一种高强高导材料，王立天当天下午就坐到了孟亮办公室的椅子上。

那是一根银铜合金导线，教授对数据很满意——导电率90%、强度接近900兆帕。王立天一看，心凉了半截。这根导线中，银占比达30%，这意味着成本极高，根本无法大范围应用。

“工程导线必须便宜，是吧？”王立天直截了当说，“铬锆铜导线能不能研究出来？”

教授回答：特别难。

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铬和锆是金属里特别容易挥发的元素，一碰到其他元素，它很轻易就会与之发生化学反应。王立天对记者解释，“比如氧气、氮气、氢气……（它）跟空气中所有的元素几乎都能发生化学反应”，这就导致冶炼过程很困难，“还没炼，它基本上就挥发掉了。”

孟亮知道高强高导是全世界研究者的目标，但当时并不清楚到底能干什么用。

“我想把这根导线用到中国高铁上”，王立天讲起自己之前与国外代表谈判的经历。

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成天在实验室埋头与金属元素打交道的孟亮抬起头，盯着他看了几秒钟，说，“那我们试一试。”

半年后，一根指标很漂亮的铬锆铜导线在实验室诞生了。“我当时兴奋得不得了。”王立天回忆。不过他很快发现，那基本上是一场空欢喜，因为实验室研究和实现产业化“相差了十万八千里”，“假如说产业化要走100步，那么实验室可能只走了前面5步到10步。”

没人知道去哪儿能找到一个工厂，把这根导线生产出来。

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王立天 受访人供图

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当时不存在那样一个工厂：拥有足够大且耐超高温的各种冶炼炉、冷却结晶器及高强度的模具。而这是生产单根1500米长且零缺陷的超长导线不可或缺的。

在河北邢台的一家工厂，王立天带着一群年轻技术员从各种生产工具开始设计。这位电化院的总工程师成了守在加工炉边时间最长的人。

在他眼里，把几十吨重的铜和其他金属冶炼加工成细细长长的电线，其实与做一碗面条的工序大体相同。

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他做出一个打鸡蛋的动作来演示和面的过程，“如果把鸡蛋加到面粉里，和出来的面就更劲道，这其实就是加杂质的过程，目的是强化，我们加入铬和锆，这是第一步。”

他开始“揉面”，“面要使劲揉，把里面的面疙瘩都揉开”。对金属而言，就是要让里面的结晶体在挤压后变得更小，拉出来的“面条”就能更加光滑。

接下来是关键一步——让导电率和强度同时改善，这支团队提出了析出强化是实现铜合金高强高导的思路。这个过程，如同把面条放进开水里煮熟。

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原本铬锆铜三种元素混在一起的“金属面条”，经过2个小时以上400摄氏度高温加热，其中铬和锆达到饱和析出，金属原子重新整齐地排在一起，就像钢筋混凝土中一根根钢筋彼此相连，支撑起合金的整体强度；而铜金属则变得更加纯净，让电子可以顺畅地快速通过。

来自面条的灵感，让这支团队走出了一条与国外传统铸造工艺完全不同的办法，独创了铜铬锆导线“连铸连挤连拉”制备技术。他们不断尝试简化制作流程，让工艺更优、成本更低。