一騎絕塵，駛向未來(lái)的高速軌道交通——高溫超導(dǎo)磁懸浮列車

王麟

同學(xué)們，你們認(rèn)為在交通領(lǐng)域，哪種交通工具的速度最快？有同學(xué)會(huì)說(shuō)，陸地上最快的交通工具是高鐵吧;也有同學(xué)說(shuō)，是飛在空中的飛機(jī)。在高速交通領(lǐng)域，高鐵和飛機(jī)無(wú)疑是一對(duì)最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。在陸地上，高鐵在時(shí)速160～400千米范圍很難遇見(jiàn)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手;而在空中，民用飛機(jī)在時(shí)速800～1000千米范圍也是稱雄一方。

細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，在高鐵和飛機(jī)各自“管轄”的速度范圍之間，還有一個(gè)空當(dāng)尚未被填補(bǔ)。那么，在時(shí)速400～800千米的速度領(lǐng)域，誰(shuí)能擔(dān)當(dāng)大任呢？這就需要我們今天的主角——高溫超導(dǎo)磁浮列車閃亮登場(chǎng)了。

2021年1月13日，世界首臺(tái)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線在我國(guó)成都下線啟用。這臺(tái)重達(dá)12噸的樣車就像是漂浮在水面上的一片葉子，僅用手就能輕松向前推動(dòng)，其時(shí)速則高達(dá)620千米，是我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)、自主制造的，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化研究實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的突破。

“同性相斥”原理，讓列車懸浮起來(lái)

為什么磁懸浮列車可以跑那么快，其實(shí)，這主要和同學(xué)們了解的兩大知識(shí)點(diǎn)——電與磁有關(guān)。

磁懸浮列車跑得快的秘密之一，在于“電流的磁效應(yīng)”這個(gè)原理。1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特在一個(gè)小伽伐尼電池的兩極之間接上一根很細(xì)的鉑絲，在鉑絲正下方放置一枚磁針，然后接通電源，小磁針微微地跳動(dòng)，轉(zhuǎn)到與鉑絲垂直的方向。這正是他苦苦求證的電流磁效應(yīng)。此后，法國(guó)物理學(xué)家安培又通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究了電流間的相互作用，并且提出了著名的分子電流假說(shuō)：磁性物質(zhì)中，每個(gè)分子都有一段微觀電流，每個(gè)分子的圓電流會(huì)形成一個(gè)小磁體。

在磁性物質(zhì)中，這些電流沿磁軸方向規(guī)律地排列，從而顯現(xiàn)一種繞磁軸旋轉(zhuǎn)的電流，如同螺線管電流一樣。這就是電流間產(chǎn)生的相互作用力，它與兩塊磁鐵間的“異性相吸、同性相斥”作用力類似。“同性相斥”時(shí)，兩塊磁鐵中間有股看不見(jiàn)的力量，在極力“拒絕”兩塊磁鐵相吸。磁懸浮列車亦是如此。在磁懸浮列車運(yùn)行過(guò)程中，車體與軌道會(huì)始終處于一種“若即若離”的狀態(tài)。

有同學(xué)會(huì)問(wèn)：懸浮會(huì)有什么優(yōu)勢(shì)呢？當(dāng)普通火車在車軌上開(kāi)動(dòng)時(shí)，車輪是在車軌上行駛的，那么就存在摩擦，有摩擦就有阻力，有阻力就會(huì)影響速度。而讓列車懸浮于車軌上，可以減小摩擦力，列車速度就更快了。這么一說(shuō)，大家就都能理解了吧！

技術(shù)不同，懸浮方式也不同

磁懸浮列車采用的技術(shù)按照懸浮方式的不同，可分為電磁懸浮、電動(dòng)懸浮和高溫超導(dǎo)磁浮。

1電磁懸浮列車：早就投入運(yùn)營(yíng)

電磁懸浮是利用車載電磁鐵與導(dǎo)軌之間產(chǎn)生的吸引力懸浮列車。以德國(guó)TR高速磁浮列車為例，列車車體跨坐在軌道梁上面并環(huán)抱軌道梁，軌道梁的底部安裝有長(zhǎng)定子鐵芯和線圈，側(cè)面安裝有導(dǎo)向和制動(dòng)軌。而列車“U”形車體底端安裝懸浮和牽引電磁鐵，側(cè)端安裝導(dǎo)向和制動(dòng)線圈。通電以后，軌道梁底部的長(zhǎng)定子鐵芯和線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引“U”形車體底端的懸浮和牽引電磁鐵，從而讓車體懸浮起來(lái)，屬于“吸引懸浮”。列車開(kāi)動(dòng)之后，通過(guò)控制導(dǎo)向和制動(dòng)線圈與導(dǎo)軌之間的磁力，實(shí)現(xiàn)列車的導(dǎo)向和制動(dòng)。列車的懸浮間隔為8～10毫米，運(yùn)行時(shí)速可達(dá)400～500千米。日本的HSST中低速磁浮列車和我國(guó)的中低速磁浮列車也采用了這個(gè)技術(shù)方案。

2000年，我國(guó)引進(jìn)了德國(guó)的TR08車型電磁懸浮列車，建成上海浦東機(jī)場(chǎng)線，并于2004年正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。2016年5月，我國(guó)中低速磁浮軌道交通長(zhǎng)沙磁浮快線正式開(kāi)通，其設(shè)計(jì)最高時(shí)速為100千米。2018年6月，長(zhǎng)沙磁浮列車最高時(shí)速提至160千米。2019年5月23日，我國(guó)時(shí)速600千米的高速電磁懸浮試驗(yàn)樣車在青島下線，并進(jìn)行了列車運(yùn)行試驗(yàn)。

2電動(dòng)懸浮列車：

需要輔助輪幫忙

電動(dòng)懸浮也稱“磁斥式懸浮”，依靠車輛上的超導(dǎo)磁體，在列車運(yùn)動(dòng)時(shí)切割安裝在線路上的導(dǎo)體，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流產(chǎn)生的磁力線與車輛磁體產(chǎn)生的磁力線相反，從而形成斥力，實(shí)現(xiàn)懸浮。這是一種利用電動(dòng)排斥力來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮的技術(shù)，排斥力與導(dǎo)體切割磁感線的速度有關(guān)。速度越快，感應(yīng)磁場(chǎng)越大，懸浮力就越大。但是，它不能實(shí)現(xiàn)靜止懸浮，因?yàn)榱熊囲o止的時(shí)候，不會(huì)切割磁力線，也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以無(wú)法產(chǎn)生懸浮力。因此，在列車速度較低的時(shí)候，需要輔助輪幫忙。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是車輛的懸浮高度高、自穩(wěn)性強(qiáng)、不消耗電能。日本高速磁浮列車的懸浮高度可達(dá)到100毫米，美國(guó)GA公司研發(fā)的低速磁浮列車的懸浮高度為25毫米。

以日本的低溫超導(dǎo)磁浮列車為例，其技術(shù)原理是在“U”形軌道梁側(cè)壁上連續(xù)排布著“8”字形線圈。當(dāng)車載低溫超導(dǎo)磁體沿著軌道水平移動(dòng)時(shí)，軌道側(cè)壁線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，“8”字形線圈下部磁場(chǎng)與車載超導(dǎo)磁體之間相互排斥，上部磁場(chǎng)與車載超導(dǎo)磁體之間相互吸引，使得車體懸浮起來(lái)。因此，電動(dòng)懸浮列車需要達(dá)到每小時(shí)100千米的初始速度才能實(shí)現(xiàn)懸浮，在此之前，需要輔助輪幫助列車在導(dǎo)軌上運(yùn)行。

日本從1962年開(kāi)始研究電動(dòng)懸浮技術(shù)，1979年，ML500型試驗(yàn)車的時(shí)速已經(jīng)達(dá)到517千米。2015年，日本超導(dǎo)磁懸浮列車實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)603千米的試驗(yàn)速度。

3高溫超導(dǎo)磁浮列車：溫度并不高

高溫超導(dǎo)磁懸浮的技術(shù)原理比較復(fù)雜，通俗來(lái)講，就是高溫超導(dǎo)體有一個(gè)很特殊的性質(zhì)叫“釘扎效應(yīng)”，可以使超導(dǎo)體隨外磁場(chǎng)變化，感應(yīng)出與外磁場(chǎng)相排斥的超導(dǎo)強(qiáng)電流。超導(dǎo)電流再與外磁場(chǎng)相互作用，就能夠產(chǎn)生懸浮力，從而實(shí)現(xiàn)列車的自懸浮與導(dǎo)向。

這類超導(dǎo)體采用液氮冷卻，超導(dǎo)性能良好。而液氮的溫度約為-196°C，遠(yuǎn)高于低溫超導(dǎo)使用的液氦溫度（-269°C），所以能夠大大簡(jiǎn)化低溫制冷系統(tǒng)，可降低列車的自重。原來(lái)，高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)并不像我們想象中的那樣有很高的溫度，而是和低溫超導(dǎo)技術(shù)相比，它是“高溫”而已。

高溫超導(dǎo)磁浮列車的懸浮高度為10～30毫米，車體質(zhì)量?jī)H為輕軌列車的一半，可以減少建造成本;冷卻超導(dǎo)體所需的氮?dú)鈦?lái)自空氣，不會(huì)造成環(huán)境污染;其運(yùn)行能耗也小，僅為飛機(jī)的1/20。最主要的是，高溫超導(dǎo)磁浮軌道產(chǎn)生的磁場(chǎng)為靜磁場(chǎng)，輻射量很小，對(duì)乘客的影響可以忽略不計(jì)。

而且，此次啟用的高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車采用全碳纖維輕量化車體、低阻力頭型等新技術(shù)和新工藝，設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)620千米，有望創(chuàng)造陸地交通速度新紀(jì)錄。高溫超導(dǎo)磁浮還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)——列車前進(jìn)方向的磁阻力幾乎為0。在這些優(yōu)勢(shì)的加持下，高溫超導(dǎo)才能幫助磁浮列車實(shí)現(xiàn)高速“奔跑”。

中國(guó)走在這一領(lǐng)域的前沿

在高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)自始至終是走在前面的。最早的磁浮模型車就是我國(guó)和德國(guó)于1997年聯(lián)合研制成功的。這輛高溫超導(dǎo)磁浮模型車重20千克，懸浮高度為7毫米。2000年12月31日，西南交通大學(xué)的高溫超導(dǎo)磁浮研究團(tuán)隊(duì)研制出世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮車“世紀(jì)號(hào)”，可以乘坐4名乘客，車輛懸浮高度為20毫米。與此同時(shí)，德國(guó)、巴西、美國(guó)、意大利、日本、俄羅斯等國(guó)也都開(kāi)展了高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)的研究，取得不俗的成果。比如，德國(guó)研制成功“SupraTransI”試驗(yàn)車，巴西在2014年修建完成一條長(zhǎng)度為200米的高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)線，美國(guó)建造了真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)平臺(tái)。而我國(guó)最早研究高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)的西南交通大學(xué)也在與時(shí)俱進(jìn)，在2014年6月將高溫超導(dǎo)磁懸浮與真空管道概念相結(jié)合，研制成功新一代的高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形試驗(yàn)線及真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)平臺(tái)。

在高速交通領(lǐng)域，輪軌式高速列車時(shí)速不超過(guò)400千米是比較經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)橐坏┏^(guò)這個(gè)臨界速度，無(wú)論是列車控制、運(yùn)行安全方面還是經(jīng)濟(jì)方面，輪軌式高速列車都會(huì)面臨很多挑戰(zhàn)。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速超過(guò)400千米的時(shí)候，采用磁浮技術(shù)是必然的選擇。但是，無(wú)論是采用磁浮技術(shù)還是輪軌技術(shù)，列車的運(yùn)行速度越快，遇到的空氣阻力就越大，而克服空氣阻力耗能越大，性價(jià)比越不高，得不償失。所以，高速磁浮列車的發(fā)展方向最終就是與真空管道技術(shù)相結(jié)合，研制和推廣真空管道高溫超導(dǎo)磁浮列車。在這個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)依然走在了前面。

（責(zé)任編輯：陸艷）