磁懸浮軌道交通關(guān)鍵技術(shù)及全速度域應(yīng)用研究

徐 飛， 羅世輝， 鄧自剛

(西南交通大學(xué) 軌道交通國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌), 四川 成都 610031)

目前,我國(guó)城市軌道交通總里程超過(guò)5 000 km，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12.7萬(wàn)km，其中高鐵2.5萬(wàn)km，支撐了國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。日益完善的軌道交通網(wǎng)絡(luò)，為旅客出行帶來(lái)極大便利的同時(shí)，也進(jìn)一步激發(fā)了人們的期望。例如追求400 km/h及更高的遠(yuǎn)程出行速度，更快捷完善的市域軌道交通網(wǎng)絡(luò)，降低城市軌道交通建設(shè)成本，改善軌道交通振動(dòng)噪聲環(huán)境等。這些期望和需求，為磁懸浮軌道交通的發(fā)展提供機(jī)遇。

磁懸浮交通已在中低速(80～120 km/h)和高速(430 km/h)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)運(yùn)用[1-2]，或達(dá)到了商業(yè)運(yùn)用的程度[3]。在中速和超高速域，磁懸浮的研究也在持續(xù)進(jìn)行，其中具有較大影響力的研發(fā)工作有：西南交通大學(xué)高溫超導(dǎo)磁懸浮[4-6]和美國(guó)太空探索技術(shù)公司、Hyperloop One及HTT等公司的超級(jí)環(huán)電動(dòng)磁懸浮[7-8]；美國(guó)磁動(dòng)力公司的M3電磁磁懸浮[9-10]、磁飛機(jī)公司的電動(dòng)懸浮方案，以及加拿大的電動(dòng)懸浮方案。由此可見(jiàn)，以磁懸浮交通方式，在全速度域布局未來(lái)軌道交通，已成為熱點(diǎn)研究方向[11]。我國(guó)地域遼闊，人口眾多，對(duì)軌道交通需求形成的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，有利于促進(jìn)未來(lái)各類交通技術(shù)的發(fā)展，在中低速和高速域的磁懸浮交通技術(shù)已基本具備規(guī)模化發(fā)展的技術(shù)積累[12]，在中速和超高速域的研究積累也處于世界前列。

本文從磁懸浮交通的角度對(duì)不同速度域進(jìn)行了劃分，分析了社會(huì)發(fā)展對(duì)地面交通速度的訴求，總結(jié)對(duì)比傳統(tǒng)輪軌與磁懸浮交通的最基本特點(diǎn)，研究磁懸浮交通方式在全速度域應(yīng)用的可行性和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 磁懸浮軌道交通速度域劃分

交通工具速度域劃分與其技術(shù)原理密不可分,且隨著技術(shù)的發(fā)展，速度域劃分也并非一成不變。

傳統(tǒng)輪軌鐵路的速度域通常劃分為4個(gè)等級(jí)，即普速鐵路(120 km/h以下)、提速鐵路(120～160 km/h)、準(zhǔn)高速鐵路(160～200 km/h)和(包括既有線改造與專線)高速鐵路(200～400 km/h)?；谧罡咚俣冗€有上浮空間的考慮，專線250～400 km/h速度范圍基本上可涵蓋輪軌鐵路全高速區(qū)范圍[13]。

基于磁懸浮非接觸運(yùn)行的基本原理，其應(yīng)用速度范圍可覆蓋從城市軌道交通速度直至數(shù)個(gè)馬赫，本文從磁懸浮列車的角度，將這一寬泛的速度范圍定義為全速度域，根據(jù)磁懸浮軌道交通的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，可將其劃分為以下5個(gè)等級(jí)：即中低速域、中速域、高速域、超高速域，如果進(jìn)一步考慮未來(lái)磁懸浮應(yīng)用，還應(yīng)包括極高速域(或稱宇航域)。速度域的分界線是模糊而不是精確的，隨著技術(shù)的發(fā)展，速度域既有可能重疊，也有可能調(diào)整。

在中低速域，日本于1974年開(kāi)始的研發(fā)以最高速度300 km/h為目標(biāo)[14]，目前最高商業(yè)運(yùn)用速度在80～120 km/h。西南交通大學(xué)及中車株洲電力機(jī)車有限公司、中車大連機(jī)車車輛有限公司的中低速磁浮設(shè)計(jì)目標(biāo)速度已達(dá)到160 km/h，研究表明，中低速域的速度潛力有望達(dá)到200 km/h。

在高速域，德國(guó)、日本的磁懸浮列車工程化速度均達(dá)到了500 km/h。中國(guó)速度為600 km/h高速磁浮也被列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。高速域的劃分應(yīng)當(dāng)覆蓋輪軌高鐵與航空間的空白，400～1 000 km/h范圍基本上可涵蓋磁懸浮軌道交通全高速區(qū)范圍。

中速域的速度范圍為200～400 km/h，介于高速域與中低速域之間的速度區(qū)間。

在超高速域，美國(guó)的磁浮滑橇在火箭引擎推動(dòng)下已達(dá)到1 019 km/h的速度，其終極目標(biāo)是從亞音速直到9.1馬赫。

在軌道交通應(yīng)用方面，隨著列車速度超過(guò)600 km/h，必然要與真空管道概念結(jié)合，以減小巨大空氣阻力的影響，形成真空管道磁懸浮高速軌道交通。西南交通大學(xué)高溫超導(dǎo)真空管道磁浮和美國(guó)HTT等公司的真空管道磁浮，都把速度1 000 km/h作為基本目標(biāo)，如果進(jìn)一步考慮軌道交通速度目標(biāo)值選定的原則，如優(yōu)勢(shì)距離、旅行時(shí)間、時(shí)間價(jià)值、跨線運(yùn)輸、工程投資、未來(lái)發(fā)展等諸多因素[15]，作為公共運(yùn)輸工具，1 000～2 000 km/h速度范圍是未來(lái)努力的目標(biāo)。作為非公共交通屬性的超級(jí)載體，第一宇宙速度可作為其上限。

基于上述磁懸浮交通技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，本文將磁懸浮軌道方式速度域進(jìn)行劃分，見(jiàn)表1。

表1全速度域磁懸浮軌道方式的速度域劃分km/h

中低速域中速域高速域超高速域宇航域80～200200～400400～1 0001 000～10 000>28 440

2 社會(huì)發(fā)展對(duì)地面交通速度的訴求

每一次工業(yè)革命都標(biāo)志著人類社會(huì)文明發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新的里程碑，從紀(jì)年的尺度清晰地描述了人類科技進(jìn)步與地面交通速度相輔相成的關(guān)系[16],見(jiàn)圖1。

十七世紀(jì)蒸汽動(dòng)力機(jī)械的發(fā)明和應(yīng)用，誕生了現(xiàn)代軌道交通，之后軌道交通進(jìn)入了快速發(fā)展階段，牽引能力已能滿足大運(yùn)量集中客貨運(yùn)輸需求。

以電氣化為代表的第二次工業(yè)革命，實(shí)現(xiàn)了軌道交通的高速化。1964年日本東海道新干線開(kāi)通，地面大運(yùn)量旅行速度突破了200 km/h，1983年、1991年法、德兩國(guó)相繼開(kāi)行高速列車，速度分別達(dá)到270 km/h和250 km/h，較之第一次工業(yè)革命時(shí)代大約翻了一番。

第三次工業(yè)革命，以計(jì)算機(jī)及信息化為表征之一。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)軌道交通牽引能力顯著增長(zhǎng)，使我國(guó)普遍開(kāi)行350 km/h高速列車成為現(xiàn)實(shí)，且有望將運(yùn)行速度進(jìn)一步提升到400 km/h；另一方面，以高速磁懸浮列車為標(biāo)志，基于材料、電子、信息、控制技術(shù)最新發(fā)展的新型大運(yùn)量軌道交通，運(yùn)行速度已可達(dá)到500 km/h，較之第二次工業(yè)革命的地面大運(yùn)量交通速度大約又翻了一番。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，迎來(lái)了以新能源、人工智能、量子通訊等為特征的第四次工業(yè)革命的曙光。可以推斷，推升軌道交通速度的訴求不會(huì)改變，地面軌道交通速度是否再翻一番，達(dá)到1 000 km/h值得期待，磁懸浮軌道交通最有可能去實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。盡管航空方式已實(shí)現(xiàn)了1 000 km/h的旅行速度，但地面高速交通仍有必要，對(duì)沿線經(jīng)濟(jì)的帶動(dòng)作用和轉(zhuǎn)移航空客流減少高空溫室氣體排放的影響極為明顯[17]。

3 磁懸浮交通基本特點(diǎn)

磁懸浮和輪軌系統(tǒng)各有特點(diǎn)，也有局限性[18-20]，在不同速度域可以形成互補(bǔ)。本節(jié)就未來(lái)面向高速和超高速域，通過(guò)2種系統(tǒng)的對(duì)比闡述磁懸浮交通的可行性。

3.1 不同磁懸浮方式?jīng)]有通用性

輪軌鐵路歷經(jīng)200多年的發(fā)展，無(wú)論機(jī)車、客車還是貨車，遵循相同的基本原理，即利用輪軌滾動(dòng)接觸實(shí)現(xiàn)支撐、導(dǎo)向、牽引或制動(dòng)，線路基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔通用。

磁懸浮交通系統(tǒng)的工程化研究始于上世紀(jì)60年代，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的3種典型磁懸浮軌道交通方式,分別是日本的中低速磁懸浮、低溫超導(dǎo)高速磁懸浮和德國(guó)的高速磁懸浮，這3個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)懸浮支撐、導(dǎo)向和牽引的基本原理不同，線路基本結(jié)構(gòu)也不同。目前還在研究中的多種中速、超高速磁懸浮系統(tǒng)，在基本原理和線路基本結(jié)構(gòu)方面也有很大差別。由此可見(jiàn)，不同速度域的磁懸浮交通甚至同一速度域的磁懸浮交通系統(tǒng)的車輛和線路基本結(jié)構(gòu)缺乏通用性。

3.2 非黏著運(yùn)行

傳統(tǒng)鐵路依靠輪軌滾動(dòng)摩擦運(yùn)行，即所謂黏著運(yùn)行，摩擦利用程度既決定、也限制了系統(tǒng)牽引能力的發(fā)揮。為實(shí)現(xiàn)更高速度，必定要求盡可能多地利用列車質(zhì)量產(chǎn)生摩擦力，最終是列車全部質(zhì)量都被用于產(chǎn)生摩擦力，所有車軸均為動(dòng)軸。在這一條件下，列車單位質(zhì)量基本阻力和基本牽引力曲線見(jiàn)圖2[16]，曲線最終的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的就是速度極限。需要特別說(shuō)明的是，該圖僅是大致的結(jié)果，反映基本趨勢(shì)。雖然法國(guó)高速列車?yán)镁€路下坡道達(dá)到了574.8 km/h的最大試驗(yàn)速度，但在平直道上它是無(wú)法保持這一速度的。

無(wú)論采用什么原理，磁懸浮交通在高速域均不存在機(jī)械接觸摩擦，突破了摩擦限制，為非黏著運(yùn)行。日本低溫超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮達(dá)到了603 km/h，德國(guó)電磁磁懸浮達(dá)到了501 km/h，原理上磁懸浮方式可以適應(yīng)更高的速度。

3.3 非車載動(dòng)力

高速輪軌列車牽引電機(jī)安裝在車上，通過(guò)車頂受電弓與接觸網(wǎng)導(dǎo)線滑動(dòng)接觸將牽引電能從地面?zhèn)鬏數(shù)搅熊嚕佑|壓力需要合理選擇，既能保持接觸又能減少磨耗。接觸導(dǎo)線張力，列車運(yùn)行速度和碳滑板接觸壓力之間的關(guān)系,見(jiàn)圖3。

接觸網(wǎng)波速越大越有利于保持接觸，有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，列車最大運(yùn)用速度不應(yīng)超過(guò)接觸線波速的70%[21]。而接觸線的極限波速是導(dǎo)線張力、許用應(yīng)力、電阻率等因素折衷的結(jié)果，列車最大速度也因此受到限制。

中速及以上速度域磁懸浮交通均采用軌道側(cè)長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)牽引，牽引電能不需要從地面?zhèn)魉偷搅熊嚿?，使高速磁懸浮列車的牽引能力、坡道能力不再受到受流限制?/p>

3.4 懸浮分布載荷

我國(guó)大部分高鐵線路采用了高架橋方式，磁懸浮交通也是如此。除了幾何偏差產(chǎn)生的線路隨機(jī)不平順，高架結(jié)構(gòu)決定了列車、線路相互之間存在周期性激擾。輪軌高鐵列車質(zhì)量由有限個(gè)輪軌剛性接觸點(diǎn)承載并傳遞到線路上，屬于集中載荷。無(wú)論采用什么原理的磁懸浮，列車的質(zhì)量都由懸浮均勻地施加于線路，且懸浮具有一定的懸掛特性，屬于分布載荷。

傳統(tǒng)高鐵雖然是集中載荷，但列車屬于被動(dòng)支撐方式，可以采用較大的橋梁撓跨比，有利于降低建設(shè)成本。不過(guò)在高速時(shí)，車輪不圓度、軌道幾何不平順、車橋間周期激擾等因素可能導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)成份很大，增加線路和車輛的維護(hù)成本。

從支撐的角度，磁懸浮交通可分為被動(dòng)支撐和主動(dòng)支撐兩類。被動(dòng)支撐與傳統(tǒng)高鐵類似，可采用較大的橋梁撓跨比，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)顯著低于輪軌；主動(dòng)支撐通過(guò)列車與軌道間的主動(dòng)控制，使懸浮間隙保持在額定值，必須有效抑制車-線耦合振動(dòng)才能保持良好的支撐，因此需采用足夠小的橋梁撓跨比。例如，德國(guó)TVE試驗(yàn)線最薄弱的路段也采用1/4 000的撓跨比[22]，上海龍陽(yáng)路磁懸浮線路作為世界第一條商業(yè)應(yīng)用高速磁懸浮線路，橋梁撓跨比則達(dá)到了約1/17 000，這無(wú)疑增加線路建設(shè)成本，一項(xiàng)早期研究結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn),由于懸浮分布載荷，磁懸浮車輛導(dǎo)致的橋梁動(dòng)態(tài)沖擊響應(yīng)相比輪軌車輛更小[23]，根據(jù)上海高速磁懸浮實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，磁懸浮線路維護(hù)成本約為傳統(tǒng)高鐵的50%[22]。

4 磁懸浮交通方式的分類及系統(tǒng)特征

從不同的角度對(duì)磁懸浮進(jìn)行分類。

(1) 運(yùn)行速度：如表1所述，可分為中低速、中速、高速、超高速和宇航速磁懸浮；

(2) 驅(qū)動(dòng)方式：可分為車載直線感應(yīng)電機(jī)牽引(LIM)，軌道側(cè)長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)牽引(LSM)磁懸?。?/p>

(3) 支撐原理：可分為主動(dòng)支撐、被動(dòng)支撐磁懸??；

(4) 導(dǎo)體材料的應(yīng)用：可分為常導(dǎo)、高溫超導(dǎo)、低溫超導(dǎo)磁懸??；

(5) 永磁體的應(yīng)用：可分為不采用永磁體、部分采用或主要采用車載永磁體，軌道永磁體磁懸??；

(6) 懸浮原理：可分為電磁懸浮(EMS)、電動(dòng)懸浮(EDS)、高溫超導(dǎo)懸浮(HTS)、電磁-永磁混合懸浮(本質(zhì)上仍是電磁懸浮)。

從分類上，可對(duì)目前已商業(yè)化運(yùn)用的磁懸浮列車的技術(shù)特征進(jìn)行準(zhǔn)確描述。例如，日本高速磁懸浮列車是采用LSM方式的低溫超導(dǎo)EDS被動(dòng)支撐高速磁懸浮系統(tǒng)；德國(guó)高速磁懸浮列車是采用LSM方式的常導(dǎo)EMS主動(dòng)支撐高速磁懸浮系統(tǒng)；日本中低速磁懸浮列車是采用LIM方式的常導(dǎo)EMS主動(dòng)支撐中低速磁懸浮系統(tǒng)。

對(duì)還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)用的其他系統(tǒng)，也可以從分類上對(duì)其技術(shù)特征進(jìn)行準(zhǔn)確描述。例如，西南交通大學(xué)的超高速磁懸浮方案是采用軌道永磁體和LSM方式的HTS被動(dòng)支撐超高速磁懸浮系統(tǒng)；美國(guó)超級(jí)環(huán)列車方案是采用LSM方式的車載永磁體EDS被動(dòng)支撐超高速磁懸浮系統(tǒng)；美國(guó)M3列車是采用LSM方式的混合EMS主動(dòng)支撐中速磁懸浮系統(tǒng)。西南交通大學(xué)新一代中低速磁懸浮列車[24]的技術(shù)特征描述與日本中低速磁懸浮完全相同，國(guó)防科大新型中速磁懸浮列車[25]的技術(shù)特征描述與美國(guó)M3中速磁懸浮完全相同。

從懸浮架結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)布置方式、導(dǎo)向方式等角度，還可以進(jìn)行更細(xì)致的分類，但其基本技術(shù)特征并沒(méi)有改變。

5 3種不同原理磁懸浮列車的關(guān)鍵技術(shù)

磁懸浮列車可以采用3種原理實(shí)現(xiàn)懸浮，即電磁懸浮(EMS)、電動(dòng)懸浮(EDS)和高溫超導(dǎo)懸浮(HTS)，本節(jié)對(duì)不同原理磁懸浮列車的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

5.1 電磁懸浮列車關(guān)鍵技術(shù)

采用電磁懸浮原理的列車已在中低速域和高速域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用，例如上海的TR08高速磁懸浮列車，日本、韓國(guó)和中國(guó)的中低速磁懸浮列車。在中速域的應(yīng)用研究也備受關(guān)注，如西南交通大學(xué)的新一代中低速磁懸浮列車，國(guó)防科技大學(xué)的中速磁懸浮列車，以及美國(guó)的M3磁懸浮列車。其中國(guó)防科技大學(xué)中速磁浮列車和美國(guó)M3列車，在電磁懸浮中加入了永磁體，被視為混合電磁懸浮。原理上電磁懸浮也適用于超高速列車，但還未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

電磁懸浮(EMS)利用通電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)吸力吸附軌道鐵磁體將車輛吸起，并通過(guò)主動(dòng)控制保持額定的小間隙，該間隙約為8～10 mm。

電磁懸浮方式的關(guān)鍵技術(shù)有2個(gè)方面：一是如何抑制車線耦合振動(dòng)，二是如何實(shí)現(xiàn)懸浮冗余。

在車線耦合振動(dòng)方面，應(yīng)用實(shí)踐表明車輛懸浮對(duì)自身結(jié)構(gòu)、高架線路、以及控制系統(tǒng)非常敏感，尤其是在靜懸或低速運(yùn)行于輕型道岔梁時(shí)，車岔耦合振動(dòng)問(wèn)題非常突出，極易導(dǎo)致懸浮失效。例如日本的HSST-01、HSST-02、HSST-04車、韓國(guó)的UTM-01車均遇到過(guò)此類問(wèn)題。上海高速磁浮線路采用TR09車型后，盡管結(jié)構(gòu)變化很小，仍需要重新優(yōu)化懸浮控制系統(tǒng)適應(yīng)已經(jīng)具有很大剛度的軌道。

在懸浮冗余方面，上海TR高速磁懸浮列車通過(guò)電磁鐵搭接的結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)械冗余，個(gè)別懸浮點(diǎn)失效時(shí)，車輛仍能保持懸浮。中低速磁懸浮則尚未很好地解決這一問(wèn)題。

抑制車軌耦合振動(dòng)的主要措施，目前還是控制軌道梁撓跨比，高速磁懸浮線路還要求盡量提高梁的一階垂彎頻率。在高速磁懸浮線路設(shè)計(jì)中，通過(guò)頻率比vc非常重要，定義 “vc=(車速/跨距)/梁的一階垂彎頻率”，它與梁的變形關(guān)系見(jiàn)圖5。上海高速磁懸浮軌道梁要求vc<0.9，相當(dāng)于梁的一階垂彎頻率必須大于1.1×(車速/跨距)，這一要求顯著增加了線路建設(shè)成本。

優(yōu)化懸浮控制也有可能改善耦合振動(dòng)[26-30]，但在特定線路結(jié)構(gòu)和車輛約束條件下，僅靠?jī)?yōu)化懸浮控制來(lái)有效抑制耦合振動(dòng)的效果并不樂(lè)觀。

如同傳統(tǒng)鐵道車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)與懸掛顯著影響車輛的動(dòng)力學(xué)性能，懸浮架結(jié)構(gòu)與懸掛設(shè)計(jì)對(duì)車線耦合振動(dòng)也有顯著影響。理論和試驗(yàn)表明，西南交通大學(xué)提出的低動(dòng)力作用懸浮架概念，在抑制電磁懸浮列車車線耦合振動(dòng)方面具有良好效果[31-32]。

5.2 電動(dòng)懸浮列車關(guān)鍵技術(shù)

電動(dòng)懸浮具有車載強(qiáng)磁場(chǎng)和較高運(yùn)動(dòng)速度等典型特征?；驹硎?，利用車載磁場(chǎng)與無(wú)磁的非鐵磁材料良導(dǎo)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在良導(dǎo)體軌道上產(chǎn)生感應(yīng)電流并生成鏡像磁場(chǎng)，利用兩者磁場(chǎng)間的排斥力實(shí)現(xiàn)車體懸浮。

隨著永磁材料科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)有永磁體已能基本滿足軌道交通運(yùn)用要求，由此也提出了多種車載永磁體的電動(dòng)懸浮技術(shù)方案。但由于早期永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度偏弱，難以滿足軌道交通工程實(shí)際運(yùn)用需要，因此日本采用了車載超導(dǎo)磁體,見(jiàn)圖6，利用強(qiáng)電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)繼而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)懸浮[3,33]。

電動(dòng)懸浮在低速段磁阻力很大，日本低溫超導(dǎo)高速磁浮列車原型車的磁阻力試驗(yàn)值，見(jiàn)圖7。當(dāng)懸浮高度230 mm，峰值達(dá)到約130 N/kN，這是一個(gè)巨大的阻力值，對(duì)比圖2可知，它已超過(guò)了高速列車400 km/h時(shí)的總比阻力，即使列車速度達(dá)到了500 km/h，其磁阻力也有約30 N/kN，而輪軌滾動(dòng)阻力僅為2 N/kN，電磁懸浮的渦流阻力僅約1.5 N/kN。因此電動(dòng)磁浮方式用于中速域及以下的速度域是極不經(jīng)濟(jì)的。有文獻(xiàn)認(rèn)為其最佳運(yùn)用速度應(yīng)不低于400 km/h[34]。由于高速時(shí)列車空氣阻力起主導(dǎo)作用，因此電動(dòng)懸浮與真空管道技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高速或超高速運(yùn)行是一種很好的選擇。

電動(dòng)懸浮屬被動(dòng)支撐方式，懸浮工作高度可達(dá)到200 mm以上，且只要給予少量阻尼控制就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。對(duì)軌道的要求相對(duì)EMS方式要低得多。其關(guān)鍵技術(shù)包含2個(gè)方面：一是車載強(qiáng)磁場(chǎng)的獲得，既可采用超導(dǎo)磁體，也可采用永磁體；二是需要巧妙利用車載磁體與感應(yīng)磁場(chǎng)的磁力作用，實(shí)現(xiàn)高速懸浮狀態(tài)下車輛的導(dǎo)向。現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)能力，已可應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，不存在重大技術(shù)障礙。

5.3 高溫超導(dǎo)磁懸浮列車關(guān)鍵技術(shù)

高溫超導(dǎo)磁懸浮基本原理是利用在外磁場(chǎng)中高溫超導(dǎo)體獨(dú)有的強(qiáng)磁通釘扎能力，使超導(dǎo)體能隨外磁場(chǎng)變化感應(yīng)出阻礙這種變化的超導(dǎo)強(qiáng)電流。這種獨(dú)特的電磁相互作用在宏觀上實(shí)現(xiàn)了懸浮體的自懸浮與導(dǎo)向，見(jiàn)圖8。圖8中HPMy、HPMz分別表示一側(cè)永磁軌道的磁場(chǎng)橫向、垂向分量；J為感應(yīng)電流。懸浮力Fz與磁場(chǎng)橫向分量相關(guān)，在平衡點(diǎn)，因?qū)ΨQ得到加強(qiáng)；導(dǎo)向力Fy與磁場(chǎng)垂向分量相關(guān)，在平衡點(diǎn)，因反對(duì)稱而抵消。高溫超導(dǎo)磁浮列車不需要主動(dòng)控制就能實(shí)現(xiàn)懸浮和導(dǎo)向，因此質(zhì)量較輕，且運(yùn)行方向零磁阻，可實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定運(yùn)行[35]。

將高溫超導(dǎo)磁懸浮原理用于軌道交通車輛，形成一種新型軌道交通方式[36]，巴西將高溫超導(dǎo)磁懸浮方式用于城市中低速軌道交通，同原理的高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承已實(shí)現(xiàn)線速度達(dá)896 km/h的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)[37]，原理上高溫超導(dǎo)磁懸浮方式可適用于全速度域。

高溫超導(dǎo)磁懸浮軌道車輛是西南交通大學(xué)2000年的原創(chuàng)技術(shù)[4]，系統(tǒng)主要由車載超導(dǎo)塊材及其低溫系統(tǒng)、地面永磁軌道系統(tǒng)和直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三大關(guān)鍵部分組成，基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。巴西、德國(guó)[38-39]等也研制了相似結(jié)構(gòu)的磁懸浮實(shí)驗(yàn)車。

為充分發(fā)揮高溫超導(dǎo)磁懸浮列車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、輕量、零磁阻的優(yōu)勢(shì)，西南交通大學(xué)結(jié)合真空管道概念，進(jìn)一步研制了新一代高溫超導(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(tái)“Super-Maglev”[40]，實(shí)現(xiàn)了在同等載重能力情況下磁軌截面積最小成本最低的數(shù)據(jù)，最低實(shí)驗(yàn)氣壓達(dá)到2.938 kPa。

高溫超導(dǎo)磁懸浮屬被動(dòng)支撐方式，懸浮高度約10～15 mm。其關(guān)鍵技術(shù)在于：(1)進(jìn)一步提升懸浮承載能力。(2)懸浮與導(dǎo)向是相對(duì)矛盾的，更高的場(chǎng)冷高度意味著更大的懸浮力,同時(shí)也意味著更小的導(dǎo)向力，因此需要用一個(gè)合理的場(chǎng)冷高度實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向力和懸浮力的折衷[41]。(3)低溫保持器的合理設(shè)計(jì)與制造，低溫保持器不僅僅起到與外界隔熱的作用，它還是車輛的主要承載件，因此需要精密的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

6 全速度域磁懸浮交通可行性與技術(shù)路線

采用電磁懸浮的磁懸浮交通分別在中低速、高速域投入運(yùn)用十多年[1-2]，采用電動(dòng)懸浮(EDS)的高速域磁懸浮交通商業(yè)線正在建設(shè)中[3]，美國(guó)采用固態(tài)火箭推進(jìn)的低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮滑橇，創(chuàng)造了1 019 km/h的世界紀(jì)錄，最終目標(biāo)達(dá)到9.1馬赫[42]，采用高溫超導(dǎo)磁懸浮(HTS)原理的軸承實(shí)現(xiàn)了線速度達(dá)896 km/h的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)[37]。

因此，從中低速直到宇航速的全速度域，原理上磁懸浮方式均具有可行性。

6.1 中低速域

中低速域磁懸浮交通具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、振動(dòng)噪聲低等優(yōu)勢(shì)，短板是承載能力有限，適用于中等運(yùn)量的城市軌道交通。

采用車載短定子方式從線路建設(shè)和運(yùn)維角度，比采用軌道側(cè)長(zhǎng)定子方式更經(jīng)濟(jì)，因此中低速磁懸浮優(yōu)先采用車載直線感應(yīng)電機(jī)牽引方式。

常導(dǎo)電磁懸浮和高溫超導(dǎo)磁懸浮均可用于該速度域。已投入商業(yè)運(yùn)用的懸浮方式是采用F形鋼軌與U形電磁鐵相匹配的常導(dǎo)電磁懸浮，是中低速磁浮列車的主流。巴西一直在探索采用高溫超導(dǎo)方式[43]，其優(yōu)點(diǎn)是可以采用大撓跨比橋梁，但車輛承載能力、運(yùn)維要求和技術(shù)成熟度還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

已商業(yè)運(yùn)營(yíng)的中低速磁列車采用了基本相同的懸浮架結(jié)構(gòu)。最大運(yùn)用速度為110 km/h。原理上這種方式的速度可以更高，日本第一代中低速磁懸浮曾達(dá)到了307.8 km/h的試驗(yàn)速度[44-45]。電磁懸浮要求有效抑制車軌耦合振動(dòng)，使得系統(tǒng)對(duì)線路的要求較高。針對(duì)這些問(wèn)題，西南交通大學(xué)提出了創(chuàng)新懸浮架，見(jiàn)圖10，試驗(yàn)表明該技術(shù)具備實(shí)現(xiàn)120 km/h以上運(yùn)用速度和有效抑制車軌耦合振動(dòng)的能力。

6.2 中速域

高速輪軌交通在200～400 km/h的速度范圍內(nèi)展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，在這個(gè)速度域磁懸浮交通目前還沒(méi)有工程化運(yùn)用的范例。

在中速域采用磁懸浮交通相比于輪軌方式,其優(yōu)勢(shì)在于：坡道能力和彎道能力強(qiáng)，列車對(duì)線路和車輛產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊更小，因而系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較低；劣勢(shì)在于：系統(tǒng)技術(shù)還未得到足夠的驗(yàn)證，軌道結(jié)構(gòu)的專用性導(dǎo)致其所需一次性投入的建設(shè)成本較高。在具體工程問(wèn)題中，需要綜合考量系統(tǒng)成熟度、建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

中速域磁懸浮交通的牽引動(dòng)力通過(guò)車載短定子方式已難以滿足，應(yīng)采用軌道側(cè)長(zhǎng)定子牽引方式。電磁懸浮和高溫超導(dǎo)懸浮均可作為中速域的磁浮交通方式。

2016年國(guó)家已將200 km/h中速磁懸浮列車列為重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，提出的2種方案均采用了電磁懸浮方式和軌道側(cè)長(zhǎng)定子牽引，一種方案基于德國(guó)高速磁懸浮基本技術(shù)，另一種方案是在中低速磁浮列車懸浮架基礎(chǔ)上，進(jìn)行中速域運(yùn)用的適應(yīng)性改進(jìn)，見(jiàn)圖11[25]。

目前高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的關(guān)注點(diǎn)要么在中低速域，要么在高速或超高速域，其車輛技術(shù)原理上同樣適用于中速域。西南交通大學(xué)利用環(huán)形軌道對(duì)高溫超導(dǎo)單懸浮模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，相對(duì)運(yùn)行速度已達(dá)到238 km/h[46]，為中速域高溫超導(dǎo)磁懸浮提供了一個(gè)基本方案。

6.3 高速域

按2016年7月頒布的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年中國(guó)高鐵里程將達(dá)到3.8萬(wàn)km，“八縱八橫”高速鐵路主通道將實(shí)現(xiàn)相鄰大中城市間1～4 h交通圈。目前中國(guó)民航業(yè)共有206個(gè)民用機(jī)場(chǎng)，國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)距離城市間基本上能實(shí)現(xiàn)4 h通達(dá)[47]。在此背景下，發(fā)展高速域磁懸浮仍有其必要性。400～1 000 km/h的高速域磁懸浮，可視為輪軌高鐵向更高速度的延伸，填補(bǔ)了輪軌高鐵與航空客運(yùn)的速度空白，可強(qiáng)化輪軌高鐵已有的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)聚集效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)移航空客流，有利于中國(guó)實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)際社會(huì)的減排承諾[48]。高速磁浮的能耗和排放與其他客運(yùn)交通方式的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 不同交通方式的能耗與排放[49]

3種懸浮原理均適用于400～1 000 km/h這一范圍。由于速度、受流、輕量化等要求，需采用軌道側(cè)長(zhǎng)定子牽引方式。

常導(dǎo)電磁懸浮已實(shí)現(xiàn)了高速域商業(yè)應(yīng)用，低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮的商業(yè)線也在建設(shè)之中，2016年中國(guó)已將600 km/h高速磁懸浮列車列為重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，采用了德國(guó)常導(dǎo)高速磁浮交通技術(shù)路線，但在懸浮功耗、列車阻力、最高速度等方面進(jìn)行了較大改進(jìn)與提升。

在這一速度域，列車與真空管道技術(shù)的結(jié)合還沒(méi)有形成確定的速度界限，目前正開(kāi)展的600 km/h的高速磁浮交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，沒(méi)有與真空管道技術(shù)結(jié)合。

高速域磁懸浮還處在發(fā)展初期，技術(shù)路線的研究和確定尤其重要?？山梃b的有德國(guó)、日本2種不同技術(shù)路線。高溫超導(dǎo)磁懸浮也適用于高速域，目前西南交通大學(xué)正在建設(shè)400 km/h級(jí)的高溫超導(dǎo)磁懸浮高速運(yùn)行試驗(yàn)平臺(tái)，預(yù)計(jì)2019年底完成。

除以上所述外，還存在第4條技術(shù)路線，即采用常導(dǎo)車載永磁電動(dòng)懸浮的技術(shù)路線，既可避免常導(dǎo)電磁懸浮對(duì)軌道的極高要求，也可避免超導(dǎo)電動(dòng)懸浮在超導(dǎo)應(yīng)用方面的技術(shù)難點(diǎn)，典型的車輛方案有美國(guó)磁飛機(jī)、超級(jí)環(huán)等。永磁材料科學(xué)的發(fā)展，為這一技術(shù)路線的實(shí)施提供了有力支撐。

6.4 超高速域

超高速域從亞音速直至超音速，將軌道交通置于真空管道環(huán)境中是目前惟一的途徑，依賴磁懸浮實(shí)現(xiàn)車輛非接觸運(yùn)行也是必然選擇，兩者合而為一形成了真空管道磁懸浮技術(shù)路線[5,40]。

超高速域的速度跨越非常大。從公共客運(yùn)交通屬性看，目標(biāo)速度并不是僅按交通工具的特定能力來(lái)確定，需要考慮多方面因素合理確定[15]。超高速軌道交通的最低要求是能達(dá)到與航空相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移航空客流的目的，其次是要滿足未來(lái)公眾對(duì)更高速度的期望。作為公共客運(yùn)工具，1 000～2 000 km/h速度范圍是超高速域磁懸浮軌道交通努力的目標(biāo)。從非公共交通屬性，利用數(shù)倍于音速的磁懸浮軌道式超級(jí)載體，可以成為多種科學(xué)試驗(yàn)的平臺(tái)工具。美國(guó)的磁浮滑橇達(dá)到了1 019 km/h的最高速度，且最終目標(biāo)是9.1馬赫，中國(guó)也在開(kāi)展類似研究，由西南交通大學(xué)承擔(dān)的“多態(tài)耦合軌道交通動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)”的建設(shè)工作業(yè)已啟動(dòng)。

真空管道作為高速或超高速域列車的基礎(chǔ)設(shè)施，需要解決超長(zhǎng)度真空管道的建設(shè)，真空獲得與維持，環(huán)境控制，災(zāi)害預(yù)防，應(yīng)急救援，適用車輛，站場(chǎng)過(guò)渡等一系列在傳統(tǒng)交通工具中不曾遇到的技術(shù)問(wèn)題[50]。

高溫超導(dǎo)磁懸浮、電動(dòng)磁懸浮已被證實(shí)，原理上可達(dá)到超過(guò)1 000 km/h的速度[35,37]，常導(dǎo)電磁懸浮原理上也適用于超高速域，但目前還沒(méi)有相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證的報(bào)導(dǎo)。因此，超高速域磁懸浮列車采用“真空管道技術(shù)(ETT)+高溫超導(dǎo)磁懸浮(HTS)”或者“真空管道技術(shù)(ETT)+電動(dòng)懸浮(EDS)”2種技術(shù)路線都具有可行性。前者具有永磁軌道、可靜懸、零磁阻等特點(diǎn)，從工程化角度，需要解決好大載重懸浮、合理分配懸浮和導(dǎo)向力、低動(dòng)力作用車輛設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)；后者具有軌道簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，需要解決好彎道導(dǎo)向、列車輕量化等關(guān)鍵技術(shù)。這2種技術(shù)路線均已開(kāi)展相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)工程化都需要堅(jiān)持不懈的努力，才能久久為功。

6.5 宇航域磁懸浮

利用一次性火箭進(jìn)行航天發(fā)射成本高昂，每公斤發(fā)射成本通常為2～3萬(wàn)美元，SpaceX公司使用可回收并重復(fù)使用的推進(jìn)器發(fā)射重型火箭，不僅直接降低了發(fā)射成本，而且減少了太空垃圾，低成本可循環(huán)航天貨運(yùn)發(fā)射不再是一個(gè)夢(mèng)。

然而，將磁懸浮平臺(tái)非接觸運(yùn)行和電磁大推力推進(jìn)的特點(diǎn)相結(jié)合并用于航天發(fā)射，或至少部分用于航天發(fā)射[51]，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

原理上最適合于這一任務(wù)的技術(shù)路線是“真空管道+超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)”，采用超導(dǎo)獲得極強(qiáng)的移動(dòng)磁場(chǎng)，采用真空管道盡可能快地獲得速度，減小對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)度的要求，采用電動(dòng)磁懸浮可以顯著減小對(duì)軌道精度的要求，軌道側(cè)長(zhǎng)定子應(yīng)當(dāng)布置在垂直面，以利用車載超導(dǎo)磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)獲得最大的推力。這一技術(shù)路線移動(dòng)平臺(tái)的技術(shù)特征與美國(guó)NASA的磁浮滑橇相同。已有學(xué)者對(duì)其技術(shù)路線進(jìn)行了嘗試[51-52]。

7 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)高速列車已實(shí)現(xiàn)了350 km/h商業(yè)運(yùn)行，高速磁懸浮列車已具備500 km/h的運(yùn)用能力，技術(shù)的發(fā)展已激發(fā)對(duì)更高速的期盼，追求1 000 km/h甚至更高的軌道交通速度已然成為一個(gè)大趨勢(shì)[53]。

基于磁懸浮非接觸運(yùn)行的基本原理，其應(yīng)用速度范圍可覆蓋從城市軌道交通速度直至數(shù)個(gè)馬赫，本文提出了全速度域的概念覆蓋這一寬泛的速度范圍，并將其劃分為5個(gè)等級(jí)。

磁懸浮列車實(shí)現(xiàn)懸浮的3種基本方式分別是電磁懸浮、電動(dòng)懸浮和高溫超導(dǎo)懸浮。其中，電磁懸浮方式和高溫超導(dǎo)懸浮方式具有在全速度域均可運(yùn)用的潛力，前者的技術(shù)關(guān)鍵是有效抑制車軌耦合振動(dòng)，后者的技術(shù)關(guān)鍵是進(jìn)一步提升承載能力。電動(dòng)懸浮方式可用于高速域，由于磁阻力很大，不適用于中速及以下速度域。

目前在中低速域和高速域均已成功實(shí)現(xiàn)磁懸浮軌道交通商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，在中速域和超高速域應(yīng)用磁懸浮交通的研究也在持續(xù)開(kāi)展。從原理可行到工程化實(shí)現(xiàn)，尚需解決一系列關(guān)鍵技術(shù)。超高速磁懸浮交通是一個(gè)十分復(fù)雜的巨系統(tǒng)，如何加速突破技術(shù)瓶頸并將眾多關(guān)鍵技術(shù)有機(jī)集成實(shí)現(xiàn)工程化和商業(yè)化，還有大量的工作要做。