王麟

在高速交通領(lǐng)域，高鐵和飛機(jī)無疑是一對最有力的競爭者。高鐵在時(shí)速160～400千米范圍很難遇見競爭對手，而民用飛機(jī)在時(shí)速800～1 000千米范圍也是稱雄一方。細(xì)心的人會(huì)注意到，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，誰能擔(dān)當(dāng)大任呢？這就需要我們今天的主角——高速磁浮列車閃亮登場了。

磁浮列車是利用電磁力讓車體懸浮在軌道之上，并通過電磁力推動(dòng)車輛運(yùn)行的交通工具。磁浮列車在運(yùn)行過程中不與地面接觸，消除了輪軌系統(tǒng)才有的摩擦阻力，可以達(dá)到很高的速度，被贊為“零高度飛行器”，具有噪聲小、磨損小、安全高效的特點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型交通工具。

2021年1月13日，世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線在成都下線啟用，這條試驗(yàn)線位于西南交通大學(xué)校園內(nèi)，全長137米，試驗(yàn)時(shí)速高達(dá)620千米，不由得讓人驚嘆——未來高速交通領(lǐng)域的王者就要來了……

早就投入運(yùn)營的電磁懸浮列車

磁浮列車采用的技術(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。

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，軌道梁底部的長定子鐵芯和線圈產(chǎn)生磁場，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，屬于“吸引懸浮”。列車開行之后，通過控制導(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。除了德國的TR磁浮列車，日本的HSST中低速磁浮列車和我國的中低速磁浮列車，也采用了這個(gè)技術(shù)方案。

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

需要輔助輪的電動(dòng)懸浮列車

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”字形軌道梁側(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”字形線圈下部磁場與車載超導(dǎo)磁體之間相互排斥，上部磁場與車載超導(dǎo)磁體之間相互吸引，使得車體懸浮起來。因此，電動(dòng)懸浮列車需要達(dá)到100千米/小時(shí)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1 962年開始研究電動(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603千米/小時(shí)的試驗(yàn)速度。

并不“高溫”的高溫超導(dǎo)磁浮列車

高溫超導(dǎo)磁懸浮的技術(shù)原理比較復(fù)雜，通俗講，就是高溫超導(dǎo)體有一項(xiàng)很特殊的性質(zhì)叫“釘扎效應(yīng)”，可以使超導(dǎo)體隨外磁場變化感應(yīng)出與外磁場相排斥的超導(dǎo)強(qiáng)電流，超導(dǎo)電流再與外磁場相互作用，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。而液氮的溫度為-196℃，遠(yuǎn)高于低溫超導(dǎo)使用的液氦溫度（-269℃），所以能夠大大簡化低溫制冷系統(tǒng)，可降低列車的自重。原來，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)量僅為輕軌列車的一半，可以減少建造成本;冷卻超導(dǎo)體所需的氮?dú)鈦碜钥諝?，不?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)生的磁場為靜磁場，輻射量很小，對乘客的影響可以忽略不計(jì)。因此，高溫超導(dǎo)磁浮列車是一種新型、高效、節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適的未來軌道交通工具。

中國走在這一領(lǐng)域的最前沿

1 904年，美國火箭先驅(qū)羅伯特-戈達(dá)德以大學(xué)新生的身份發(fā)表了一篇論文，提出可以通過電磁排斥力讓列車懸浮在路基上，然后在真空管道中高速運(yùn)行，這是世界上首次提出的磁浮列車的概念。1934年，德國磁浮列車之父赫爾曼-肯佩爾申請了“沒有輪子的單軌車輛”的專利，這是基于電磁原理并結(jié)合飛機(jī)和火車優(yōu)點(diǎn)的新型車輛，是磁浮列車從概念向?qū)嵱没l(fā)展的重要里程碑。而超導(dǎo)磁浮技術(shù)的研發(fā)先驅(qū)是美國科學(xué)家詹姆斯·鮑威爾和戈登-丹比，他們在1 966年聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于超導(dǎo)磁懸浮的論文，指出可利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場來懸浮和驅(qū)動(dòng)列車，使得列車的時(shí)速能超過592千米。

在高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)領(lǐng)域，我國自始至終是走在前面的。最早的磁浮模型車就是我國和德國聯(lián)合研制成功的，時(shí)間是1 997年。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”，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、巴西、美國、意大利、日本、俄羅斯等國也都開展了高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)的研究，取得不俗的成果。比如，德國研制成功“SupraTrans 1”實(shí)驗(yàn)車，巴西在2014年修建完成一條長度為200米的高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)線，美國建造了真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)平臺。而我國最早研究高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)的西南交大也在與時(shí)俱進(jìn)，在20 1 4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)形實(shí)驗(yàn)線及真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)平臺。

在高速交通領(lǐng)域，輪軌式高速列車時(shí)速不超過400千米是比較經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)橐坏┏^這個(gè)臨界速度，無論是列車控制、運(yùn)行安全方面還是技術(shù)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400千米的時(shí)候，采用磁浮技術(shù)是必然的選擇。但是，無論是采用磁浮技術(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強(qiáng)，而克服空氣阻力耗能很大，性價(jià)比不高，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，中國的科學(xué)家依然走在了前面。

（責(zé)任編輯：白玉磊）

電磁懸浮技術(shù)的缺點(diǎn)

一是采用液氦低溫超導(dǎo)技術(shù)，由于液氦的溫度為-269℃，對制冷設(shè)備要求很高，增加了列車的自重：二是懸浮導(dǎo)向線圈離散分布，磁力作用不均衡，使得乘坐的舒適性很差：三是超導(dǎo)磁體產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，造成列車車廂中漏磁嚴(yán)重，需要加裝磁屏蔽層。

電磁懸浮技術(shù)的缺點(diǎn)

一是維持穩(wěn)定的懸浮間隙需要較大的電流，線圈電阻較大，導(dǎo)致線圈發(fā)熱嚴(yán)重，懸浮功耗大：二是由于懸浮能耗的限制，使得懸浮間隙不能太大，一般選取懸浮間隙為9毫米，這就對軌道精度提出了更高的要求，勢必增加投資：三是對列車控制系統(tǒng)要求較高，屬于被動(dòng)懸浮技術(shù)。

神奇的“釘扎效應(yīng)”

高溫超導(dǎo)體內(nèi)部密布著因各種晶格缺陷或摻雜而產(chǎn)生的釘扎中心，與周邊的超導(dǎo)區(qū)域相比，它們屬于非超導(dǎo)區(qū)域。外界磁場以磁通量子的形式經(jīng)過非超導(dǎo)區(qū)域（釘扎中心）附近時(shí)，被其周圍的超導(dǎo)區(qū)域排斥和阻滯，使得磁通量子被迫通過釘扎中心，這種現(xiàn)象被稱為“釘扎效應(yīng)”。在釘扎效應(yīng)作用下，高溫超導(dǎo)體束縛已被俘獲的磁力線，使其停留在釘扎中心內(nèi)，同時(shí)阻止未被俘獲的自由磁力線滲透進(jìn)入高溫超導(dǎo)體內(nèi)。這種現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)電流，而超導(dǎo)電流與外磁場的電磁相互作用，會(huì)產(chǎn)生與懸浮體自身重力相平衡的懸浮力，并保證穩(wěn)定所需的導(dǎo)向力。