中國(guó)研制，時(shí)速620公里!“貼地飛行”何時(shí)夢(mèng)圓?

西南交大副校長(zhǎng)何川：“如國(guó)家支持建設(shè)長(zhǎng)距離試驗(yàn)線(xiàn)，短則兩三年，長(zhǎng)則五六年，我是有充分信心的”

本報(bào)記者王迪、吳曉穎

如果把火車(chē)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(shí)速，甚至有一天會(huì)超過(guò)飛機(jī)的速度……這還是我們通常意義上的“火車(chē)”嗎?

這就是磁懸浮列車(chē)，問(wèn)世多年但仍然令人感到神秘、可能引發(fā)未來(lái)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(chē)，再次引發(fā)人們對(duì)這種帶有科幻色彩的交通工具的關(guān)注。

1月13日，中國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)、自主制造的世界首臺(tái)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車(chē)及試驗(yàn)線(xiàn)，在西南交通大學(xué)正式啟用。這輛采用全碳纖維、流線(xiàn)型頭型的樣車(chē)，設(shè)計(jì)時(shí)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(lái)的真空管(隧)道交通運(yùn)輸，理論預(yù)計(jì)速度可高于1000公里/小時(shí)?？紤]到民航客機(jī)的飛行速度大約為900公里/小時(shí)，這個(gè)速度堪稱(chēng)“貼地飛行”。

“汽車(chē)、飛機(jī)、現(xiàn)代船舶，原創(chuàng)都不是中國(guó)人。就包括我們現(xiàn)在領(lǐng)跑世界的高鐵，也是從引進(jìn)開(kāi)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(gè)技術(shù)一旦成功，就完全是中國(guó)人的原創(chuàng)。它將成為一種顛覆性的交通方式，填補(bǔ)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(huì)委員、西南交通大學(xué)副校長(zhǎng)何川這樣評(píng)價(jià)這臺(tái)樣車(chē)和試驗(yàn)線(xiàn)的意義。

高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)有“獨(dú)門(mén)絕技”

磁懸浮是一種完全依靠磁場(chǎng)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(guān)地了解磁懸浮列車(chē)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(chē)的軌道上做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他雙手抬起一片長(zhǎng)方形的鋁板，在永磁軌道上方拋出。結(jié)果，鋁板并沒(méi)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(lái)，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?yàn)殇X板有電阻，電流會(huì)衰減，這塊鋁板最終會(huì)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的懸浮。

磁懸浮列車(chē)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)。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(chē)已在中低速域和高速域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)運(yùn)用，而高溫超導(dǎo)懸浮還未進(jìn)入商用。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有人利用前面兩種原理造出了時(shí)速600公里的磁懸浮樣車(chē)。

2015年，日本低溫超導(dǎo)磁懸浮中央新干線(xiàn)曾創(chuàng)造了載人時(shí)速603公里的世界新紀(jì)錄，引起廣泛關(guān)注。

2019年，中國(guó)時(shí)速600公里高速電磁懸浮試驗(yàn)樣車(chē)在青島下線(xiàn)，標(biāo)志著中國(guó)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。

第一，運(yùn)營(yíng)成本低。所謂“高溫”指的是零下196攝氏度，這個(gè)溫度顯著高于低溫超導(dǎo)體所對(duì)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(shí)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(lái)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?dú)?，液氮的成本比礦泉水的成本還低。”張衛(wèi)華說(shuō)。

第二，系統(tǒng)更簡(jiǎn)單。同樣以日本的低溫超導(dǎo)磁懸浮車(chē)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(shí)現(xiàn)列車(chē)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)看來(lái)，高溫超導(dǎo)懸浮技術(shù)還有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，那就是擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

“我們這個(gè)技術(shù)一旦成功，就完全是中國(guó)人的原創(chuàng)，從基礎(chǔ)研究到基礎(chǔ)應(yīng)用，從實(shí)用技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化，都是中國(guó)人在做。”何川說(shuō)。

值得一提的是，不論是采取哪種技術(shù)路線(xiàn)，相比其他交通方式，磁懸浮列車(chē)有很多共通的優(yōu)點(diǎn)，包括維護(hù)成本低、安全性高、環(huán)境污染少。

因?yàn)闆](méi)有輪軌接觸，列車(chē)不需要輪軌、齒輪箱、軸承等零部件，所以磁懸浮列車(chē)耗損情況比高鐵好很多，而且不會(huì)因?yàn)橛暄┨鞖庋诱`;

因?yàn)榇艌?chǎng)的作用力可以使列車(chē)在水平和垂直方向保持穩(wěn)定，而且，磁懸浮列車(chē)采用“軌抱車(chē)”或者“車(chē)抱軌”的結(jié)構(gòu)形式，所以磁懸浮列車(chē)脫軌的可能性大幅降低;沒(méi)有輪軌的噪音，列車(chē)可以更安靜地運(yùn)行。

然而，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)磁懸浮列車(chē)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(bào)率低。全球范圍來(lái)看，只有中日韓三國(guó)有在運(yùn)行的商用磁懸浮列車(chē)。

因缺經(jīng)費(fèi)，一度進(jìn)展緩慢

在鄧自剛看來(lái)，過(guò)去20年里他所在團(tuán)隊(duì)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(duì)研制出了世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車(chē)“世紀(jì)號(hào)”。目前，通過(guò)優(yōu)化研究，這輛車(chē)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(chē)載高溫超導(dǎo)體和永磁軌道的作用機(jī)理，這是一項(xiàng)系統(tǒng)研究工作。有了研究結(jié)論作為指導(dǎo)后，具體實(shí)施過(guò)程像是一個(gè)拼圖游戲。”鄧自剛說(shuō)。

超導(dǎo)塊材普通尺寸很小，因?yàn)樵酱髮?duì)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(jì)面臨類(lèi)似的難題。鄧自剛透露，“目前，1米長(zhǎng)的軌道是由90段小磁體拼起來(lái)的”，他們要琢磨如何排布磁體，實(shí)現(xiàn)用最小成本發(fā)揮最大的磁場(chǎng)性能。

早期的軌道磁場(chǎng)在上下呈對(duì)稱(chēng)分布，這就意味著軌道下方的一半、未處于工作面的磁場(chǎng)被浪費(fèi)了。經(jīng)過(guò)不斷的仿真優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)，如今鄧自剛的團(tuán)隊(duì)可以讓90%以上的永磁體磁場(chǎng)聚集在軌道上方，發(fā)揮關(guān)鍵作用。

也有一些挑戰(zhàn)來(lái)自技術(shù)之外，比如籌集研發(fā)經(jīng)費(fèi)。鄧自剛坦承，因?yàn)橐恢睕](méi)有爭(zhēng)取到上千萬(wàn)元的投資建設(shè)試驗(yàn)線(xiàn)，“前面有10年時(shí)間研究進(jìn)展非常緩慢”。眼看著巴西等國(guó)按照類(lèi)似技術(shù)造出了高溫超導(dǎo)磁懸浮的小運(yùn)量、短距離試驗(yàn)線(xiàn)，他感到十分焦慮。

2012年，為了支持我國(guó)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(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張衛(wèi)華教授撥給高溫超導(dǎo)磁懸浮研究團(tuán)隊(duì)一筆100萬(wàn)元的專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，總算建起了一條45米長(zhǎng)的環(huán)形實(shí)驗(yàn)線(xiàn)。

“可以說(shuō)開(kāi)啟了一片新天地，讓這項(xiàng)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(shuō)。

實(shí)現(xiàn)了“浮起來(lái)”和“動(dòng)起來(lái)”

1月13日世界首臺(tái)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車(chē)及試驗(yàn)線(xiàn)的正式啟用是另一個(gè)里程碑。該項(xiàng)目由西南交通大學(xué)聯(lián)合中車(chē)公司、中國(guó)中鐵等單位協(xié)同攻關(guān)研發(fā)，是中國(guó)推動(dòng)高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走出的重要一步，可驗(yàn)證高溫超導(dǎo)磁浮列車(chē)高速化及長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

鄧自剛對(duì)此評(píng)價(jià)說(shuō)，“1：1比例的樣車(chē)和試驗(yàn)線(xiàn)，是研究所有關(guān)鍵技術(shù)所必需的。如果沒(méi)有工程化樣車(chē)和試驗(yàn)線(xiàn)，就沒(méi)有辦法走向真正的工程化應(yīng)用。”

這條全長(zhǎng)165米的試驗(yàn)線(xiàn)只是個(gè)開(kāi)始。

“我們現(xiàn)在的試驗(yàn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了‘浮起來(lái)’ ‘動(dòng)起來(lái)’兩個(gè)目標(biāo)，而要實(shí)現(xiàn)‘跑起來(lái)’的目標(biāo)，需要在長(zhǎng)距離試驗(yàn)線(xiàn)上，才能進(jìn)行600公里級(jí)的真車(chē)試驗(yàn)，完成高溫超導(dǎo)高速磁浮列車(chē)投入民用前的最后一步驗(yàn)證。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、成都西南交通大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司副院長(zhǎng)兼昆明分院院長(zhǎng)金朝輝說(shuō)。

還有多久才能跑起來(lái)?

中國(guó)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(shí)間里，中國(guó)從沒(méi)有一寸高速鐵路，發(fā)展到擁有世界上運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的高速鐵路，中國(guó)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(guó)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(guó)和日本、德國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)是世界上磁懸浮列車(chē)技術(shù)專(zhuān)利最多的五個(gè)國(guó)家。根據(jù)他在2017年11月26日完成的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)磁懸浮列車(chē)專(zhuān)利數(shù)量已經(jīng)占世界的27.11%。

中國(guó)也是推動(dòng)磁懸浮技術(shù)落地最積極的國(guó)家之一。2002年通車(chē)的上海磁懸浮列車(chē)成了世界上第一條商業(yè)運(yùn)營(yíng)的高速磁懸浮列車(chē)線(xiàn)路。上海磁浮列車(chē)采用的是電磁懸浮，青島時(shí)速600公里的高速電磁懸浮試驗(yàn)樣車(chē)就是在上海磁浮列車(chē)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(guó)務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，明確提出合理統(tǒng)籌安排時(shí)速600公里級(jí)高速磁懸浮系統(tǒng)、低真空管(隧)道高速列車(chē)等技術(shù)儲(chǔ)備研發(fā)。2020年，云南、浙江兩省分別宣布計(jì)劃投資1000億元以上建設(shè)高速磁懸浮列車(chē)。

金朝輝認(rèn)為，中國(guó)已經(jīng)具備建設(shè)高速磁懸浮試驗(yàn)線(xiàn)和產(chǎn)業(yè)落地的基礎(chǔ)。首先，高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)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(lèi)似，主要變化是將鋼軌變成了磁軌，中間加了直線(xiàn)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(guó)的稀土資源儲(chǔ)備極其豐富，若將其應(yīng)用于高溫超導(dǎo)磁浮線(xiàn)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(guó)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(shí)未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。若實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，在市場(chǎng)驅(qū)使下可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

其四，其他如直線(xiàn)電機(jī)、列車(chē)控制技術(shù)、安全管理技術(shù)等，中國(guó)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(guó)在高速超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)完全具備建設(shè)高速試驗(yàn)線(xiàn)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(chē)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(chǎng)景建設(shè)長(zhǎng)距離試驗(yàn)線(xiàn)，完成系統(tǒng)總集成的驗(yàn)證工作，打通投入商用的最后一關(guān)。

另外，當(dāng)開(kāi)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(chē)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(xiàn)電機(jī)、磁軌這種新產(chǎn)品，之前沒(méi)有大規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)景，成本還偏高。研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)于高溫超導(dǎo)高速磁懸浮列車(chē)投入商用的時(shí)間表，何川預(yù)計(jì)，“如國(guó)家支持建設(shè)長(zhǎng)距離試驗(yàn)線(xiàn)，短則兩三年，長(zhǎng)則五六年，我是有充分信心的。”

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