全球首列稀土磁浮列車如何“懸掛飛馳”

賈利民

8月9日，一列紅頭白身的空軌列車——“紅軌”平穩(wěn)駛出江西興國縣永豐站。它懸浮在藍色軌道之下，一路向北至靜調(diào)庫。這條看似“鏡像”翻轉(zhuǎn)后的列車線路，正是世界首條稀土永磁磁浮軌道交通工程試驗線。

到目前為止，全球所有的懸掛式導向運輸系統(tǒng)都采用膠輪進行承載和導向，“紅軌”則完全采用稀土永磁材料實現(xiàn)懸浮和導向。這是“紅軌”和現(xiàn)有磁浮交通系統(tǒng)最大的區(qū)別，其也在世界范圍內(nèi)豐富了導向運輸系統(tǒng)譜系。

市場前景巨大

說起磁浮列車，大家并不陌生。早在2003年，我國首列也是世界首列商用高速磁浮列車在上海浦東機場線運行。由于完全克服機械摩擦阻力，磁浮列車高速、平穩(wěn)運行，被稱為21世紀理想的超級特別快車。中、日、德、英、韓、美等國在不同時期都非常重視磁浮交通系統(tǒng)的發(fā)展。

磁浮列車依靠磁極相斥或相吸機理，克服重力，產(chǎn)生懸浮效應。采用電生磁性磁體產(chǎn)生懸浮效應的磁浮列車一旦斷電，磁體磁性就會消失;磁體磁性強弱隨勵磁電流大小變化，且耗能較大。另外，電磁懸?。ㄈ缟虾腋〗煌?、日本超導懸浮列車方案）是不穩(wěn)定懸浮，要靠復雜的控制技術(shù)實現(xiàn)懸浮，將增大技術(shù)和運維難度，而永磁懸浮是利用非電勵磁的永久磁體（能夠長期保持其磁性的磁體）來產(chǎn)生懸浮效應，即永磁體與軌道（由電磁軌道或?qū)Т挪牧希┫喑獠⒈３衷诓劭谥芯€懸浮運行，電磁導向和懸浮可實現(xiàn)零機械摩擦運行。因此，尋找磁性穩(wěn)定、密度足夠高，磁力足夠強，且滿足列車懸浮需求的永磁體，一直是科技界孜孜以求的替代方案。

稀土永磁磁浮列車的出現(xiàn)，解決了這一難題。

目前的研究結(jié)果表明，借助稀土元素的合金材料，可以制造出體積小、磁性密度高、有足夠懸浮力的永磁體。這是天然磁鐵礦石材料難以做到的?！凹t軌”永磁磁浮交通系統(tǒng)采用的永磁體是釹鐵硼合金，具有磁性強、磁性穩(wěn)定、磁能分布合理等特點，且稀土元素釹、硼自然儲量豐度高，因而成本低。它是一種適用于磁浮交通系統(tǒng)的稀土永磁合金材料。

用稀土材料制造永磁體，江西有著得天獨厚的優(yōu)勢。江西贛州號稱“稀土王國”，是我國三大稀土生產(chǎn)基地之一，年產(chǎn)出全球70%的中重稀土。稀土永磁磁浮列車的應用，讓更多人看到了稀土產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展。如果其能夠在交通上實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，對于我國稀土產(chǎn)業(yè)的應用模式、市場推廣很有意義。

稀土永磁磁浮列車特別適合于中小運量的旅客、貨物運輸。同時，它也是干線交通網(wǎng)絡(luò)的有力補充，能夠解決“最后一公里”的交通運輸和主干運輸系統(tǒng)的接入問題，實現(xiàn)機場、景區(qū)、園區(qū)載客等場景應用。初步估計，我國類似的接入運輸系統(tǒng)需求在100萬公里左右。稀土永磁磁浮列車有顯著的節(jié)能效應，且噪聲低，對環(huán)境友好，還可根據(jù)實際應用需求進行定制，對運輸需求的適應性非常強。

此外，和地鐵、城際鐵路及其他懸掛式系統(tǒng)相比，其成本優(yōu)勢明顯。稀土永磁磁浮列車的成本僅為輕軌的1/2左右，每公里建設(shè)成本小于1億元，是如今中高速磁浮交通系統(tǒng)成本的1/3，規(guī)?；瘧弥螅杀具€會進一步降低。其未來的應用潛力、科技產(chǎn)業(yè)化規(guī)模不容小覷。

技術(shù)上有四大看點

由江西理工大學主導研發(fā)的“紅軌”稀土永磁磁浮交通系統(tǒng)，在技術(shù)上有四大亮點。

一是磁浮列車載人后所需的懸浮力巨大。制造體積小、磁能密度大、有足夠懸浮力且經(jīng)濟性好的永磁體，在材料領(lǐng)域是一項挑戰(zhàn)。在“紅軌”中，這一技術(shù)問題得到了很好的解決。

二是從前的懸掛式交通系統(tǒng)，列車和軌道通過車輪實現(xiàn)支撐和導向。而“紅軌”沒有輪子，采用獨創(chuàng)的列車走行系，克服了缺少硬約束和永磁體懸浮力不可控的難題，實現(xiàn)了列車行走過程中懸浮導向的平穩(wěn)協(xié)同控制。

三是列車采用了輕型材料、結(jié)構(gòu)和輕量化設(shè)計，在既定能量消耗下，可以最大程度提高運輸效率。

四是列車大量采用新興信息技術(shù)，如人工智能、5G、智能控制、機器學習、多目標智能規(guī)劃等，在實現(xiàn)無人駕駛的同時可以給乘客提供豐富的在途信息服務(wù)。

對于公眾來說，最關(guān)心的是稀土永磁磁浮列車的安全問題。其實，這在前期的設(shè)計中已有充分考慮。

比如，采用了封閉箱梁包裹走行系統(tǒng)，轎廂懸掛在走行系之下，列車永遠不會出軌。一旦列車出現(xiàn)故障，通過類似于高層建筑救援的彈性管道，乘客可在第一時間內(nèi)離開列車逃生。車與車之間通過通信實現(xiàn)智能控制和運行調(diào)度，從根本上避免了追尾的發(fā)生。如果一節(jié)車廂內(nèi)發(fā)生火災，并不會波及整車，因為廂體采用了阻燃材料，具有很強的防火功能。

作為一種全新的中低運量導向運輸系統(tǒng)，“紅軌”經(jīng)過技術(shù)驗證、工程驗證，已經(jīng)具備了規(guī)?；茝V和產(chǎn)業(yè)化的條件。接下來，需要加緊建設(shè)運營示范線，同時進一步加強標準體系建設(shè)，把“紅軌”可按需求定制、應用廣泛、需求適應性強、技術(shù)經(jīng)濟性好的潛力通過規(guī)?；瘧贸浞滞诰虺鰜?，使之成為“源于中國、普適全球”的高效、綠色、經(jīng)濟、智能的新型交通系統(tǒng)的典范。

◎ 來源|中國科學報