高溫超導磁浮列車：未來高速交通領(lǐng)域的王者

王麟

在高速交通領(lǐng)域，高鐵和飛機無疑是一對最有力的競爭者。高鐵在時速160～400千米范圍很難遇見競爭對手，而民用飛機在時速800～1 000千米范圍也是稱雄一方。細心的人會注意到，在高鐵和飛機各自“管轄”的速度范圍之間，還有一個空當尚未被填補。那么，在時速400～800千米的速度領(lǐng)域，誰能擔當大任呢？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，并通過電磁力推動車輛運行的交通工具。磁浮列車在運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，是一種具有廣闊應用前景的新型交通工具。

2021年1月13日，世界首臺高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線在成都下線啟用，這條試驗線位于西南交通大學校園內(nèi)，全長137米，試驗時速高達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、電動懸浮和高溫超導磁浮。

電磁懸浮是利用車載電磁鐵與導軌之間產(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)面安裝有導向和制動軌，而列車“U”形車體底端安裝懸浮和牽引電磁鐵，側(cè)端安裝導向和制動線圈。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，通過控制導向和制動線圈與導軌之間的磁力，實現(xiàn)列車的導向和制動。列車的懸浮間隔為8～10毫米，運行時速可達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，也采用了這個技術(shù)方案。

2000年，我國引進了德國的TR08車型電磁懸浮列車，建成上海浦東機場線，并于2004年正式投入商業(yè)運營。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，其設計最高時速為100千米。2018年6月，長沙磁浮列車最高時速提至160千米。2019年5月23日，我國時速600千米的高速電磁懸浮試驗樣車在青島下線，并開始了列車運行試驗。

需要輔助輪的電動懸浮列車

電動懸浮也稱“磁斥式懸浮”，依靠車輛上的超導磁體，在列車運動時切割安裝在線路上的導體，從而產(chǎn)生感應電流。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.實現(xiàn)懸浮。這是一種利用電動排斥力來實現(xiàn)懸浮的技術(shù)，排斥力與導體切割磁感線的速度有關(guān)，速度越快，感應磁場越大，懸浮力就越大。但是，它不能實現(xiàn)靜止懸浮，因為列車靜止的時候，不會切割磁力線，也不會產(chǎn)生感應電流，所以無法產(chǎn)生懸浮力。因此，在列車速度較低的時候，需要輔助輪幫忙。該技術(shù)的優(yōu)點是車輛的懸浮高度高，自穩(wěn)性強，不消耗電能。日本高速磁浮列車的懸浮高度可達到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，當車載低溫超導磁體沿著軌道水平移動時，軌道側(cè)壁線圈內(nèi)會產(chǎn)生感應電流，“8”字形線圈下部磁場與車載超導磁體之間相互排斥，上部磁場與車載超導磁體之間相互吸引，使得車體懸浮起來。因此，電動懸浮列車需要達到100千米/小時的初始速度才能實現(xiàn)懸浮，在此之前，需要輔助輪幫助列車在導軌上運行。

日本從1 962年開始研究電動懸浮技術(shù)，1979年，ML500型試驗車的時速已經(jīng)達到517千米。2015年，日本超導磁懸浮列車實現(xiàn)了603千米/小時的試驗速度。

并不“高溫”的高溫超導磁浮列車

高溫超導磁懸浮的技術(shù)原理比較復雜，通俗講，就是高溫超導體有一項很特殊的性質(zhì)叫“釘扎效應”，可以使超導體隨外磁場變化感應出與外磁場相排斥的超導強電流，超導電流再與外磁場相互作用，就能夠產(chǎn)生懸浮力，從而實現(xiàn)列車的自懸浮與導向。

這類超導體采用液氮冷卻，超導性能良好。而液氮的溫度為-196℃，遠高于低溫超導使用的液氦溫度（-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，而是和低溫超導技術(shù)相比，它是“高溫”而已。

高溫超導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;冷卻超導體所需的氮氣來自空氣，不會造成環(huán)境污染;其運行能耗也小，僅為飛機的1/20。最主要的是，高溫超導磁浮軌道產(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。因此，高溫超導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-戈達德以大學新生的身份發(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)合飛機和火車優(yōu)點的新型車輛，是磁浮列車從概念向?qū)嵱没l(fā)展的重要里程碑。而超導磁浮技術(shù)的研發(fā)先驅(qū)是美國科學家詹姆斯·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)于超導磁懸浮的論文，指出可利用超導磁體產(chǎn)生的磁場來懸浮和驅(qū)動列車，使得列車的時速能超過592千米。

在高溫超導磁浮技術(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，時間是1 997年。這輛高溫超導磁浮模型車重20千克，懸浮高度為7毫米。2000年12月31日，西南交通大學的高溫超導磁浮研究團隊研制出世界首輛載人高溫超導磁懸浮車“世紀號”，可以乘坐4名乘客，車輛懸浮高度為20毫米。與此同時，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”實驗車，巴西在2014年修建完成一條長度為200米的高溫超導磁懸浮試驗線，美國建造了真空管道高溫超導磁懸浮試驗平臺。而我國最早研究高溫超導磁浮技術(shù)的西南交大也在與時俱進，在20 1 4年6月將高溫超導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磁懸浮環(huán)形實驗線及真空管道高溫超導磁懸浮試驗平臺。

在高速交通領(lǐng)域，輪軌式高速列車時速不超過400千米是比較經(jīng)濟的，因為一旦超過這個臨界速度，無論是列車控制、運行安全方面還是技術(shù)經(jīng)濟方面，輪軌式高速列車都會面臨很多挑戰(zhàn)。當列車運行時速超過400千米的時候，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)，列車的運行速度越快，遇到的空氣阻力就越強，而克服空氣阻力耗能很大，性價比不高，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磁浮列車。在這個領(lǐng)域，中國的科學家依然走在了前面。

（責任編輯：白玉磊）

電磁懸浮技術(shù)的缺點

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

電磁懸浮技術(shù)的缺點

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，導致線圈發(fā)熱嚴重，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，屬于被動懸浮技術(shù)。

神奇的“釘扎效應”

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