浮寄孤懸，磁懸浮列車的門門道道

四川省南充市纖維檢驗(yàn)所 陳春全

世界上的懸浮技術(shù)多種多樣，比如磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、電懸浮、粒子束懸浮等等。但這其中以磁懸浮技術(shù)最為成熟和可靠。磁懸浮列車主要由懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)等組成。磁懸浮列車在行駛過程中始終懸浮于軌道上方，因此最大限度地減少了摩擦力，從而具有高速、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

常導(dǎo)和超導(dǎo)

磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的機(jī)電一體化技術(shù)，而作為前沿科技之一的磁懸浮列車技術(shù)，一直是世界上各大國研究的熱點(diǎn)。

美國在上世紀(jì)70 年代放棄了研究磁懸浮列車技術(shù)，但最近幾年又“重起爐灶”，搞出了一個(gè)“真空管道磁懸浮星際列車”項(xiàng)目。簡(jiǎn)而言之，就是讓磁懸浮列車在真空管道中行駛，由于真空管道中既沒有摩擦力也沒有空氣阻力，所以其速度可高達(dá)每小時(shí)數(shù)千千米。不過，這種理論上可行的技術(shù)還面臨很多現(xiàn)實(shí)中的問題，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室初級(jí)階段。

世界上第一次載人試驗(yàn)的磁懸浮列車技術(shù)是1982 年底在日本的宮崎磁懸浮鐵路試驗(yàn)線上完成的。當(dāng)時(shí)，日本采用的是超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)。而我國上海2003 年正式運(yùn)營(yíng)的全長(zhǎng)29.863 千米的磁懸浮列車專線，則是我國第一條投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁懸浮列車線路。其中，車輛、控制、驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)均從德國引進(jìn)，采用的是常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)。2016 年5 月，我國首條完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的長(zhǎng)沙磁浮快線投入運(yùn)營(yíng)。這條全長(zhǎng)18.55 千米的中低速磁懸浮列車商運(yùn)線路，采用的也是常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)。

那么，常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)和超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)又有什么區(qū)別呢？

所謂“常導(dǎo)”和“超導(dǎo)”，其實(shí)就是磁懸浮方式的不同而已?！俺?dǎo)”采用的是電磁懸浮技術(shù)，而“超導(dǎo)”采用的則是電動(dòng)懸浮技術(shù)。

簡(jiǎn)單地說，常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)就是列車下部的電磁鐵與軌道繞組上的電磁鐵產(chǎn)生磁鐵反作用力使列車懸浮起來，超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)則是利用列車運(yùn)動(dòng)時(shí)其下部電磁鐵與軌道間繞組上的電磁鐵產(chǎn)生的電動(dòng)斥力使列車懸浮起來。

我們判斷一輛磁懸浮列車究竟采用的是哪一種技術(shù)，只需要看列車停車后是否仍然能夠懸浮便可知道。停車后還能懸浮的就是常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)，停車后不能懸浮的就是超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)了。

高溫超導(dǎo)和低溫超導(dǎo)

日本在其中央新干線上采用低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，曾經(jīng)創(chuàng)造過磁懸浮列車每小時(shí)600 千米左右的載人運(yùn)行世界紀(jì)錄。2021 年初，我國自主研發(fā)的高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線在成都的西南交大啟用，據(jù)稱設(shè)計(jì)時(shí)速為每小時(shí)620 千米。

那么，低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)和高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)又有什么區(qū)別呢？

所謂的“高溫超導(dǎo)”是一種物理現(xiàn)象，指一些具有較其他超導(dǎo)物質(zhì)相對(duì)較高的臨界溫度的物質(zhì)，在液態(tài)氮的環(huán)境下產(chǎn)生的超導(dǎo)現(xiàn)象。其中，“臨界溫度”是指使物質(zhì)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的最高溫度。每一種物質(zhì)的臨界溫度都不相同。在常壓下，液態(tài)氮的沸點(diǎn)為－196.56 ℃。具有高溫超導(dǎo)特性的物質(zhì)就被稱為“高溫超導(dǎo)體”。

人類在1911 年便發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體，但是由于它們都只是在極低的溫度下才顯示出超導(dǎo)性能，因此在過去將近百年的時(shí)間內(nèi)其應(yīng)用都非常有限。直到1987 年，科學(xué)家卡爾·亞歷山大·米勒和約翰內(nèi)斯·格奧爾格·貝德諾爾茨因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了“高溫”的銅氧化物超導(dǎo)體而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

值得注意的是，這里所講的“高溫”和“低溫”是相對(duì)的，并不是我們一般認(rèn)為的高溫就是幾百幾千攝氏度，低溫就是零下多少攝氏度。以日本的低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)來說，它就需要－268 ℃的條件，因此要用液態(tài)的氦來進(jìn)行冷卻。而我國的高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)只需要用液態(tài)氮（－196.56 ℃）來進(jìn)行冷卻便完全可以達(dá)到要求。同時(shí)，由于氦元素稀缺而氮元素常見，因此高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)比低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)更為方便和節(jié)約成本。

低溫超導(dǎo)磁懸浮列車最大的特點(diǎn)是在停止時(shí)車身無法懸浮于軌道之上，而在啟動(dòng)時(shí)，需要列車速度達(dá)到每小時(shí)100 千米才能實(shí)現(xiàn)懸浮。

高溫超導(dǎo)磁懸浮列車

目前，由我國西南交大研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車還屬于工程化樣車，也就是處在從實(shí)驗(yàn)室走向工程化的這個(gè)階段，還需要通過后續(xù)的試驗(yàn)、改進(jìn)等一系列環(huán)節(jié)，才能真正成為我們可以乘坐的交通工具。

此款高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車采用了全碳纖維輕量化車體，整車重約12.5噸。因?yàn)槭菓腋∮谲壍郎戏?～3 厘米的位置，所以一個(gè)人便可輕松將其推動(dòng)。由于采用了低風(fēng)阻設(shè)計(jì)，整個(gè)車體看起來就像一個(gè)碳纖維的鴨嘴形狀，非?？苹?。

和以前各種類型的磁懸浮列車不同的是，高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車采用的是永磁體軌道，僅在車底安裝有高溫超導(dǎo)體。因此，只要用液態(tài)氮進(jìn)行冷卻便可實(shí)現(xiàn)懸浮。而傳統(tǒng)的電磁懸浮列車需要通電后才能懸浮，電動(dòng)懸浮列車則需要運(yùn)動(dòng)起來才能實(shí)現(xiàn)懸浮。

磁懸浮技術(shù)在全世界范圍內(nèi)來說，都還處于研究和發(fā)展的階段，各種磁懸浮技術(shù)都有各自的特點(diǎn)與不足，但建設(shè)成本過高一直是磁懸浮列車飽受詬病的一個(gè)弱點(diǎn)。據(jù)了解，其建設(shè)成本比高鐵還要高數(shù)倍。現(xiàn)在已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁懸浮列車線路大多處于虧損狀態(tài)，被嘲諷為“賠本賺吆喝”的項(xiàng)目。因此，我國研發(fā)的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車能否真正投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)還需要拭目以待。