10月22日，在第二十五届中国科协年会主论坛上，中国科协隆重发布2023重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题。铁科院集团公司提报的“如何探明更高速度轮轨系统耦合机理及能量场分布特征？”被遴选为2023重大科学问题之一，展现了以铁科院为代表的广大铁路科技工作者持续开展原创性、引领性技术攻关成果，以实际行动加快实现高水平科技自立自强。
轮轨关系是车辆-轨道系统的核心，通过轮轨的滚动接触实现列车支承、导向和牵引，其服役行为直接关系到列车的运行安全。至今世界范围内仍未完全掌握高速铁路轮轨耦合作用机理。
作为中国铁路战略科技力量，铁科院依托国家科技部和国铁集团等相关科研课题，深耕轮轨关系研究领域数十年，突破多项科学和技术难题，有效解决服役过程中的各类轮轨系统伤损问题，为保障高速铁路的运营安全提供强有力科技支撑，在此基础上探索性地发现了轮轨系统的能量交互及重构现象。
铁科院将前期探索性的研究发现凝练为科学问题“如何探明更高速度轮轨系统耦合机理及能量场分布特征？”，由中国铁道学会提报，经中国科协多轮院士专家评审，被遴选为中国科协2023重大科学问题之一。
研究背景
我国高速铁路的地质条件和气候环境多样，使得我国高速铁路轮轨关系变得尤为复杂。高速铁路车辆和工务基础设施系统表现为明显的层状特征，轮轨力激励能量向上向下传递时具有明显的层状衰减规律，不同层状结构本身的能量场特征及各层之间的能量场交互机理、传递路径及耗散机制尚不清晰，是制约运行速度、安全性、可靠性和舒适性提升的关键科学问题。更高速度时，轮轨系统能量场将发生不可预知的变化，在轮轨系统多环境能量场交互机制作用下产生车辆-轨道系统的能量重构，系统能量的重构规律尚不掌握。
研究更高速度轮轨系统耦合机理及能量场分布特征及内在机理，可优化部件系统功能，实现车辆-轨道系统全局性能最优，构建我国高速铁路全面系统正向设计理论和方法体系，为占领轮轨关系领域科学高地，持续引领世界高速铁路发展提供理论基础。
问题描述
列车运营速度是衡量一个国家铁路发展水平和工业科技水平的重要指标之一，轮轨系统耦合机理是制约轮轨制式交通运营速度、安全性、可靠性和舒适性进一步提升的关键核心。
在更高速度条件下，轮轨瞬态滚动接触行为变得更为复杂，存在强摩擦力、多环境能量交互、高应变率载荷等复杂效应。更高速度轮轨复杂的耦合接触行为将导致系统能量场发生不可预知的变化，并在轮轨系统多环境能量场交互机制作用下，产生车辆-轨道系统的能量重构现象，影响车辆和轨道系统的能量耗散响应，若能量耗散不合理，将导致车辆和轨道系统关键部件的不可逆伤损，严重影响列车运行的安全性和系统可靠性。
因此，如何探明更高速度条件下的轮轨耦合机理及能量场分布特征是提高列车运营速度、提升安全性、可靠性和舒适性，并降低车辆和轨道系统关键部件伤损的关键核心科学问题，是构建我国高速铁路全面系统正向设计理论和方法体系的核心基础。
最新进展
更高速度轮轨关系问题一直是国内外铁路领域的研究热点和难点，虽然国内外学者对更高速度轮轨系统耦合机理及能量分布有了初步性和建设性的探索，但当前仍存在需要重点攻克的科学问题，主要表现在：
- 复杂环境下更高速度轮轨耦合机理仿真理论及试验方法；
- 轮轨系统能量场分布特征及其积聚耗散表征方法；
- 异常轮轨表面状态形成和演变机理及多尺度综合反演方法；
- 多源轮轨系统智能感知及分析诊断方法。
更高速度轮轨系统耦合机理及能量场分布特征科学问题的突破，可推动轮轨关系科学领域的长足进步，构建我国高速铁路全面系统正向设计理论和方法体系，进一步提高我国高速铁路的安全性、可靠性和舒适性，降低运营安全风险和成本，对中国高铁持续领跑世界具有重要意义。
2023重大科学问题
工程技术难题和产业技术问题
前沿科学问题
- 如何实现低能耗人工智能?
- 如何实现飞行器在上层大气层机动飞行?
- 利用新型符合测量方式能否搜寻磁单极子和轴子暗物质的存在?
- 非线性效应会随尺度变化吗?
- 影响高性能纤维发展的基础科学问题是什么?
- 全球气候变化背景下作物如何适应土壤环境?
- 现代陆地生态系统是如何起源的?
- 生殖衰老的触发及延迟机制是什么?
- 如何实现可控核聚变的稳态燃烧?
- 如何探明更高速度轮轨系统耦合机理及能量场分布特征?
工程技术难题
- 如何实现在原子、电子本征尺度上的微观动力学实时、实空间成像?
- 如何解决稀土基体中痕量杂质的高效分离难题，突破高纯稀士材料工程化制备技术及装备?
- 适用于新型电力系统的长周期储能方式是什么?
- 如何实现大田作物绿色优质主产无人化栽培技术?
- 如何突破多灾种驱动作用下艰险山区国家重大铁路超高宽幅站场路基长期风险评估与性能保持技术难题?
- 如何突破新能源废料清洁高值化利用?
- 如何突破低铂、低成本车用燃料电池电堆关键技术?
- 如何实现核动力载人火星探测的快速往返?
- 如何将脑机接口技术应用到临床医疗中?
产业技术问题
- 如何突破碳纤维复合材料在我国未来超高速轨道交通车辆装备的应用?
- 如何发挥我国信息通信产业优势，快速实现芯粒 (Chiplet) 技术和产业突破?
- 石油基炭材料高端化技术如何发展?
- 如何通过柔性薄膜技术实现星载轻质可展开阵列天线?
- 如何实现生殖千细胞精准移植技术在养殖鱼类单性种质创制中的广泛应用?
- 梯级水库群如何实现汛限水位联合优化调控?
- 如何高值利用有机污染化工废盐，推动化工产业高质量发展?
- 如何在沙漠戈壁荒漠地区构建千万千瓦级新能源基地并实现安全稳定送出?
- 如何发展面向高性能和低成本产业升级的自主可控SoC芯片?
- 如何实现冲击地压煤层智能安全高效开采?
中国科协贯彻落实习近平总书记“科技攻关要坚持问题导向”的指示精神，聚焦“四个面向”，引领广大科技工作者研判趋势、凝练问题、寻求突破。今年的征集发布活动共收到89家全国学会和学会联合体、部分企业科协推荐的590个问题难题，涵盖数理化基础科学、地球科学、生态环境、制造科技、信息科技、先进材料、资源能源、农业科技、生命健康、空天科技等十大领域。征集过程中，进一步广泛动员，通过定向邀请等方式，号召一批知名院士专家和境外科技组织参与问题难题的凝练推荐；评选过程中，进一步突出高层次专家评议指导，包括中国科协学术交流与期刊出版专委会委员等在内的117位院士专家经过复选、终选等环节进行严格评议把关。
活动实施6年来，150多家全国学会、领军企业科协等组织，遵选推荐3362个具有前瞻性、创新性和引领性的问题难题，一批全国学会建立了本领域问题难题发布机制，并围绕发布的问题开展学术交流、智库建言、科普解读和协同攻关。中国科协将对发布的问题难题进行持续跟踪，引导广大科技工作者开展原创性、引领性攻关，加快实现高水平科技自立自强。