西南交大副校長何川：“如國家支持建設(shè)長距離試驗線，短則兩三年，長則五六年，我是有充分信心的”
如果把火車的輪子去掉，讓它沿著軌道上方十多毫米的地方懸空疾馳，并且還能跑出620公里的時速，甚至有一天會超過飛機(jī)的速度……這還是我們通常意義上的“火車”嗎？
這就是磁懸浮列車，問世多年但仍然令人感到神秘、可能引發(fā)未來交通方式革命的一種新型交通工具。
最近，在四川成都亮相的一款高速磁懸浮樣車，再次引發(fā)人們對這種帶有科幻色彩的交通工具的關(guān)注。
1月13日，中國自主研發(fā)設(shè)計、自主制造的世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗線，在西南交通大學(xué)正式啟用。這輛采用全碳纖維、流線型頭型的樣車，設(shè)計時速620公里，有望創(chuàng)造在大氣環(huán)境下陸地交通的速度新紀(jì)錄。
與其他磁懸浮技術(shù)相比，高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)尤其適合未來的真空管（隧）道交通運輸，理論預(yù)計速度可高于1000公里/小時?？紤]到民航客機(jī)的飛行速度大約為900公里/小時，這個速度堪稱“貼地飛行”。
“汽車、飛機(jī)、現(xiàn)代船舶，原創(chuàng)都不是中國人。就包括我們現(xiàn)在領(lǐng)跑世界的高鐵，也是從引進(jìn)開始，進(jìn)行消化吸收再創(chuàng)造，從跟跑變?yōu)轭I(lǐng)跑。但我們這個技術(shù)一旦成功，就完全是中國人的原創(chuàng)。它將成為一種顛覆性的交通方式，填補陸地交通和航空交通的速度空白。”教育部科學(xué)技術(shù)委員會委員、西南交通大學(xué)副校長何川這樣評價這臺樣車和試驗線的意義。
高溫超導(dǎo)磁懸浮列車有“獨門絕技”
磁懸浮是一種完全依靠磁場使物體懸浮的新技術(shù)。吸力（或者斥力）不僅可以抵消重力，使物體懸空，還可以把物體牢牢鎖定在特定的位置、保持穩(wěn)定。
為了幫助公眾更直觀地了解磁懸浮列車的工作原理，西南交通大學(xué)超高速真空管道磁懸浮交通研究中心副主任鄧自剛教授在高速磁懸浮樣車的軌道上做了一個實驗。他雙手抬起一片長方形的鋁板，在永磁軌道上方拋出。結(jié)果，鋁板并沒有直接砸向軌道：它先墜落，然后在距離軌道很近的位置“飄”起來，沿著軌道方向滑行一小段距離才落地，輕盈得像一片羽毛。
鄧自剛告訴記者，因為鋁板有電阻，電流會衰減，這塊鋁板最終會落到軌道上。如果把鋁板換成超導(dǎo)體，即在一定溫度下電阻變?yōu)?的導(dǎo)體，就可以實現(xiàn)長時間的懸浮。
磁懸浮列車可以采用3種原理實現(xiàn)懸浮，即電磁懸浮(EMS)、電動懸?。‥DS）和高溫超導(dǎo)懸浮(HTS)。電磁懸浮原理比高溫超導(dǎo)懸浮原理出現(xiàn)得更早，高溫超導(dǎo)懸浮原理是在20世紀(jì)80年代后期發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)材料后才提出的。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)運用，而高溫超導(dǎo)懸浮還未進(jìn)入商用。
國內(nèi)外已經(jīng)有人利用前面兩種原理造出了時速600公里的磁懸浮樣車。
2015年，日本低溫超導(dǎo)磁懸浮中央新干線曾創(chuàng)造了載人時速603公里的世界新紀(jì)錄，引起廣泛關(guān)注。
2019年，中國時速600公里高速電磁懸浮試驗樣車在青島下線，標(biāo)志著中國在高速磁浮技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。
西南交通大學(xué)超高速真空管道磁浮交通研究中心首席科學(xué)家張衛(wèi)華教授認(rèn)為，高溫超導(dǎo)懸浮技術(shù)有自己的獨特優(yōu)勢。
第一，運營成本低。所謂“高溫”指的是零下196攝氏度，這個溫度顯著高于低溫超導(dǎo)體所對應(yīng)的溫度要求（零下269攝氏度），意味著可以用更經(jīng)濟(jì)的方式實現(xiàn)懸浮。“日本的低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)要求零下269攝氏度，需要用液氦來冷卻，這在全世界都是稀缺資源。但高溫超導(dǎo)磁懸浮用液氮就行了，空氣中78%都是氮氣，液氮的成本比礦泉水的成本還低。”張衛(wèi)華說。
第二，系統(tǒng)更簡單。同樣以日本的低溫超導(dǎo)磁懸浮車為參照，它需要加速到一定的速度才能懸浮，而采用高溫超導(dǎo)技術(shù)可以實現(xiàn)列車的靜止懸浮，這樣就省去了復(fù)雜的起跑系統(tǒng)。
在西南交通大學(xué)的項目團(tuán)隊看來，高溫超導(dǎo)懸浮技術(shù)還有一個重要的優(yōu)勢，那就是擁有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)。
“我們這個技術(shù)一旦成功，就完全是中國人的原創(chuàng)，從基礎(chǔ)研究到基礎(chǔ)應(yīng)用，從實用技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化，都是中國人在做。”何川說。
值得一提的是，不論是采取哪種技術(shù)路線，相比其他交通方式，磁懸浮列車有很多共通的優(yōu)點，包括維護(hù)成本低、安全性高、環(huán)境污染少。
因為沒有輪軌接觸，列車不需要輪軌、齒輪箱、軸承等零部件，所以磁懸浮列車耗損情況比高鐵好很多，而且不會因為雨雪天氣延誤；
因為磁場的作用力可以使列車在水平和垂直方向保持穩(wěn)定，而且，磁懸浮列車采用“軌抱車”或者“車抱軌”的結(jié)構(gòu)形式，所以磁懸浮列車脫軌的可能性大幅降低；沒有輪軌的噪音，列車可以更安靜地運行。
然而，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，實現(xiàn)磁懸浮列車的商用仍面臨不小的挑戰(zhàn)，主要原因在于建設(shè)成本高、回報率低。全球范圍來看，只有中日韓三國有在運行的商用磁懸浮列車。
因缺經(jīng)費，一度進(jìn)展緩慢
在鄧自剛看來，過去20年里他所在團(tuán)隊的最大成就是大幅提升了高溫超導(dǎo)技術(shù)的懸浮載重性能。懸浮載重性能是指單位面積上能產(chǎn)生多大的懸浮力。
2000年年底，西南交通大學(xué)王家素和王素玉科研團(tuán)隊研制出了世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實驗車“世紀(jì)號”。目前，通過優(yōu)化研究，這輛車的懸浮性能提高了6-7倍。
“提升懸浮性能首先需要研究清楚車載高溫超導(dǎo)體和永磁軌道的作用機(jī)理，這是一項系統(tǒng)研究工作。有了研究結(jié)論作為指導(dǎo)后，具體實施過程像是一個拼圖游戲。”鄧自剛說。
超導(dǎo)塊材普通尺寸很小，因為越大對工藝的要求越高。研究者需要選擇超導(dǎo)塊材的形狀，比如圓形、正方形還是正六邊形，然后研究按照什么方式排列擺放、力求在間隙最小的前提下組合成更大體積的塊材，最大程度發(fā)揮出每一塊超導(dǎo)體的性能。
磁軌的設(shè)計面臨類似的難題。鄧自剛透露，“目前，1米長的軌道是由90段小磁體拼起來的”，他們要琢磨如何排布磁體，實現(xiàn)用最小成本發(fā)揮最大的磁場性能。
早期的軌道磁場在上下呈對稱分布，這就意味著軌道下方的一半、未處于工作面的磁場被浪費了。經(jīng)過不斷的仿真優(yōu)化和實驗，如今鄧自剛的團(tuán)隊可以讓90%以上的永磁體磁場聚集在軌道上方，發(fā)揮關(guān)鍵作用。
也有一些挑戰(zhàn)來自技術(shù)之外，比如籌集研發(fā)經(jīng)費。鄧自剛坦承，因為一直沒有爭取到上千萬元的投資建設(shè)試驗線，“前面有10年時間研究進(jìn)展非常緩慢”。眼看著巴西等國按照類似技術(shù)造出了高溫超導(dǎo)磁懸浮的小運量、短距離試驗線，他感到十分焦慮。
2012年，為了支持我國原創(chuàng)的高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)發(fā)展，西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室主任張衛(wèi)華教授撥給高溫超導(dǎo)磁懸浮研究團(tuán)隊一筆100萬元的專項經(jīng)費，總算建起了一條45米長的環(huán)形實驗線。
“可以說開啟了一片新天地，讓這項技術(shù)起死回生，讓外界再次看到了高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。”鄧自剛說。
實現(xiàn)了“浮起來”和“動起來”
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線的正式啟用是另一個里程碑。該項目由西南交通大學(xué)聯(lián)合中車公司、中國中鐵等單位協(xié)同攻關(guān)研發(fā)，是中國推動高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)從實驗室走出的重要一步，可驗證高溫超導(dǎo)磁浮列車高速化及長期運行的可靠性。
鄧自剛對此評價說，“1：1比例的樣車和試驗線，是研究所有關(guān)鍵技術(shù)所必需的。如果沒有工程化樣車和試驗線，就沒有辦法走向真正的工程化應(yīng)用。”
這條全長165米的試驗線只是個開始。
“我們現(xiàn)在的試驗線，實現(xiàn)了‘浮起來’ ‘動起來’兩個目標(biāo)，而要實現(xiàn)‘跑起來’的目標(biāo)，需要在長距離試驗線上，才能進(jìn)行600公里級的真車試驗，完成高溫超導(dǎo)高速磁浮列車投入民用前的最后一步驗證。”項目負(fù)責(zé)人、成都西南交通大學(xué)設(shè)計研究院有限公司副院長兼昆明分院院長金朝輝說。
還有多久才能跑起來？
中國在高鐵技術(shù)上的發(fā)展速度舉世矚目。在短短數(shù)十年時間里，中國從沒有一寸高速鐵路，發(fā)展到擁有世界上運營里程最長的高速鐵路，中國高鐵高速、高原、高寒、重載鐵路技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
如今，中國正努力在磁懸浮技術(shù)上取得相似的成功。北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司磁浮工程事業(yè)部總經(jīng)理茍勁松曾撰文指出，中國和日本、德國、美國、韓國是世界上磁懸浮列車技術(shù)專利最多的五個國家。根據(jù)他在2017年11月26日完成的統(tǒng)計，中國磁懸浮列車專利數(shù)量已經(jīng)占世界的27.11%。
中國也是推動磁懸浮技術(shù)落地最積極的國家之一。2002年通車的上海磁懸浮列車成了世界上第一條商業(yè)運營的高速磁懸浮列車線路。上海磁浮列車采用的是電磁懸浮，青島時速600公里的高速電磁懸浮試驗樣車就是在上海磁浮列車技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化取得的成果。2019年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，明確提出合理統(tǒng)籌安排時速600公里級高速磁懸浮系統(tǒng)、低真空管(隧)道高速列車等技術(shù)儲備研發(fā)。2020年，云南、浙江兩省分別宣布計劃投資1000億元以上建設(shè)高速磁懸浮列車。
金朝輝認(rèn)為，中國已經(jīng)具備建設(shè)高速磁懸浮試驗線和產(chǎn)業(yè)落地的基礎(chǔ)。首先，高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的土建技術(shù)非常接近于現(xiàn)有的高鐵技術(shù)，橋梁、隧道、路基的形式都很類似，主要變化是將鋼軌變成了磁軌，中間加了直線電機(jī)。這樣的好處是可以使得土建技術(shù)具有較高的成熟度，還可以利用現(xiàn)有的成熟產(chǎn)業(yè)鏈。因此在土建工程技術(shù)上完全具備建設(shè)條件。
其二，中國的稀土資源儲備極其豐富，若將其應(yīng)用于高溫超導(dǎo)磁浮線路中，完全足以支持軌道建設(shè)，因此磁軌也具備建設(shè)生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)落地的條件。
其三，國內(nèi)多家單位均可制備高溫超導(dǎo)塊材，但受限于需求量較小，暫時未實現(xiàn)量產(chǎn)。若實現(xiàn)工程應(yīng)用，在市場驅(qū)使下可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)。
其四，其他如直線電機(jī)、列車控制技術(shù)、安全管理技術(shù)等，中國均已具有成熟的技術(shù)和完整的產(chǎn)業(yè)鏈支持。因此，中國在高速超導(dǎo)磁懸浮列車完全具備建設(shè)高速試驗線和后續(xù)產(chǎn)業(yè)落地的基礎(chǔ)。
金朝輝認(rèn)為，高溫超導(dǎo)高速磁浮列車技術(shù)基本成熟，適用于包括山區(qū)在內(nèi)的各種環(huán)境和地形，特別適合于帶有旅游性質(zhì)的軌道或城際高速鐵路。目前的當(dāng)務(wù)之急是需要結(jié)合應(yīng)用場景建設(shè)長距離試驗線，完成系統(tǒng)總集成的驗證工作，打通投入商用的最后一關(guān)。
另外，當(dāng)開始建設(shè)后，還需要進(jìn)一步降低建設(shè)成本。在土建工程上，由于列車更輕，尺寸更小，采用均布荷載等原因，土建成本將比現(xiàn)有高鐵模式更低。但直線電機(jī)、磁軌這種新產(chǎn)品，之前沒有大規(guī)模的應(yīng)用場景，成本還偏高。研發(fā)團(tuán)隊還需要努力降低建造成本，讓高溫超導(dǎo)高速磁浮技術(shù)，更具競爭力。
對于高溫超導(dǎo)高速磁懸浮列車投入商用的時間表，何川預(yù)計，“如國家支持建設(shè)長距離試驗線，短則兩三年，長則五六年，我是有充分信心的。”記者王迪、吳曉穎
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