中國科學院北京分 發表於 2021-01-06 11:33:04
從人類起源至今，人類出行的交通方式一直在更替變換，從步行到人力車和人力船，到牛車和馬車等畜力車，到帆船和滑翔機等依靠自然外力工作的交通工具，到蒸汽火車和內燃汽車等利用化石能源工作的交通工具，再到電力機車和電動汽車等利用電力驅動的交通工具。人類出行方式的種類由單一逐漸繁多、由費時費力逐漸快捷方便，古代「進京趕考，三月未達」已成歷史，如今「進京辦事，朝發夕至」。改革開放的「時代快車」把中國和中華民族載回了世界發展舞臺的中心，工業革命的「科技颶風」帶來的高鐵、磁懸浮等高科技產物徹底改變和提高了中國人民、世界人民的生活質量。
接下來，本文將從以下五個部分和大家一起分享筆者對磁懸浮列車和相關領域的認識和理解。
第一部分，中國高鐵的「前世今生」；
第二部分，有中國高鐵了，為什麼還要發展中國磁懸浮？
第三部分，磁懸浮列車的「前世今生」；
第四部分，世界上仍在商業運營的磁懸浮線路；
第五部分，這幾年火爆全世界的超級高鐵與磁懸浮有什麼關係？
（一）中國高鐵的「前世今生」
自1825年英國首先建成世界上第一條輪軌式鐵路以來，世界各國開始了從普通鐵路到快速鐵路、再到高速鐵路三個階段的發展，火車的牽引動力也從蒸汽機發展到內燃機、再到電氣牽引。1964年日本率先建成了電氣化高速鐵路，使鐵路的商業運營速度首次達到210km/h[1]。1978年，鄧小平主席訪問日本，乘坐新幹線鐵路上的高速列車，高速鐵路因此正式進入中國大眾的視野。1990年，中國開始高速鐵路技術攻關和實驗實踐規劃，至此拉開了我國高速鐵路建設和發展的帷幕。
中國高速鐵路（英文名China High-speed Railway），簡稱中國高鐵。中國高鐵從技術成分和商標上可分為CRH系列和CR系列[2]。其中，CRH系列動車組取名為「和諧號」（如圖1所示），寓意「建設和諧鐵路，打造和諧之旅，構建社會主義和諧社會」，為中國鐵道科學研究院集團有限公司註冊的商標，且動車組為中國與外國聯合設計生產；CR系列動車組取名「復興號」），寓意「承載著中華民族偉大復興中國夢」，為中國鐵路總公司註冊的商標，且動車組為中國自主研發生產。
根據《高速鐵路設計規範》（TB10621-2014）：中國高速鐵路是設計速度每小時250千米（含預留）以上、列車初期運營速度每小時200千米以上的客運專線鐵路[2]。中國高鐵的運營時速為200km/h-350km/h，最高運營速度350km/h，截止2019年底居全球首位。
另外，中國京滬高速鐵路最高實驗速度達486.1km/h，實驗室內最高實驗速度達605km/h，說明了高鐵的運營速度有提高的空間。2017年底，中國鐵路「四橫四縱」快速通道全部建成通車，東部、中部、西部和東北四大板塊區域之間完成高鐵互聯互通，基本實現了「國內朝發夕至」這一宏偉目標，極大地提高了人們出行的便捷性和舒適性。
截至2019年底，中國高鐵營業裡程達到3.5萬公裡，遠超過世界高鐵總裡程的三分之二，成為世界上高鐵裡程最長、運輸密度最高、成網運營場景最複雜的國家。
（二）有中國高鐵了，為什麼還需要發展中國磁懸浮？
高鐵屬於輪軌交通，高鐵車體的車輪與軌道是接觸式的，推動高鐵向前行駛的推力由輪子與軌道的接觸摩擦產生。然而，隨著高鐵運行速度的增加，出現了以下三個方面的問題： 第一，高鐵車體受到的空氣摩擦力隨速度的增加激增，而輪軌能夠提供的牽引力下降，這一實際情況導致高鐵提速所需要的能量損耗巨大，制約了高鐵運行速度的進一步提高； 第二，現有高鐵技術依靠弓網和供電電纜的接觸實現高鐵供電和驅動，以控制高鐵動車組的加速和減速，車輛弓網和供電電纜的接觸供電方式也不允許高鐵速度的無限提高； 第三，隨著速度的增加，高鐵運行產生的輪軌噪聲和氣動摩擦噪聲也與之激增，對周邊環境具有較大的幹擾破壞。也就是說，在綜合考慮經濟、安全、技術可行等條件的基礎之上，高鐵長期運營的最高速度約為350km/h。
20世紀60年代，鐵路專家們就關注到了這些實際問題，為此，列車輪子與軌道無接觸、弓網與供電電纜無接觸的磁懸浮列車孕育而生。
磁懸浮列車是基於磁極「同性相吸，異性相斥」的原理，利用永磁力、電磁力或超導磁力克服車輛重力的作用，使車輛和軌道相互間達到無機械接觸式的平衡狀態，並利用直線電機驅動控制列車的加減速[3]。
磁懸浮列車與高鐵最大的區別是無機械接觸，故與高鐵相比具有六大優勢[4][5]： （1）無接觸摩擦、摩擦能耗低，同一速度下高速磁浮列車的單個座位能耗比高鐵降低30%； （2）爬坡能力強、轉彎半徑小，同等距離下磁浮列車的爬坡能力可達10%，比高鐵高6%，同一速度下，磁浮列車的轉彎半徑更小，易於路線選定； （3）安全性好、舒適度高，基於電磁懸浮實現無接觸，車體振動小，不易脫軌，其安全性是輪軌列車的250倍； （4）速度可調範圍大、適應性強，中低速磁浮列車可用於解決城市-郊區之間的短途交通，高速磁浮列車速度可達500km/h，為遠距離的客運和貨運提供了更高效的解決方案； （5）汙染小、環境友好程度高，磁浮列車原理是基於磁懸浮實現無接觸式運行，故其碳排放量和噪音均遠低於普通有軌列車；
（6）系統耐用、維護費用低，磁浮列車正常工作屬於無接觸、無磨損運行，系統的維護費用僅佔傳統有軌列車的34%。 以上六點優勢是磁懸浮特有的，也是磁懸浮列車的最大潛力所在。其實在1998年中國建設京滬高速鐵路時，就出現高鐵技術和磁懸浮技術兩種方案的互斥爭議，京滬高速鐵路項目也因此擱置了一段時間，最終經專家論證選擇了當時技術更為成熟的高鐵技術。也正因為高鐵技術在京滬高速鐵路上的成功應用，中國高鐵技術在新世紀的20年內發展迅猛。 現如今，傳統的常導吸力型磁懸浮技術已完全成熟，中車青島四方、國防科大、西南交大和中科院電工所等單位已掌握了具有自主智慧財產權的常導型高速磁浮列車和常導型中低速磁浮列車技術。另外，低溫超導磁懸浮、高溫超導磁懸浮和超級高鐵等多種磁懸浮方案相繼提出，並逐步開展了原理性驗證、實驗示範等工作，使得磁懸浮列車的發展再次進入到了大眾的視野，也逐漸引起國家、相關行業和大眾的持續關注。
（三）磁懸浮列車的「前世今生」
世界上最早進行磁浮列車研究的國家是德國，並創造了磁浮列車技術發展歷史上的多個裡程碑。1922年，德國人赫爾曼·肯佩爾提出了電磁懸浮原理，並在1934年獲得世界上第一項有關磁懸浮技術的專利。20 世紀70年代以後，隨著工業化國家經濟實力不斷增強，為提高交通運輸能力以適應其經濟發展和民生的需要，德國、日本、英國、加拿大、美國、前蘇聯和中國相繼開展了磁懸浮運輸系統的研發工作。
從上個世紀20年代至今的一百年裡，世界範圍內研究、開發了多種磁懸浮列車，根據懸浮原理的不同，可將其分為五類。 第一類：常導吸引型磁懸浮列車，安裝在列車上的電磁鐵（常規導電線纜繞制而成）與軌道之間的吸力與列車的重力平衡，使得列車穩定懸浮於空中，懸浮高度約為8-10mm； 第二類：低溫超導斥力型磁懸浮列車，安裝在列車上的電磁鐵（超導線纜繞制而成）與布置在兩側軌道上的「8」字型線圈之間相對運行而產生斥力，使得列車穩定懸浮於空中，懸浮高度約為100mm； 第三類：高溫超導型磁懸浮列車，安裝在列車上的高溫超導磁體與布置在軌道上的永磁體相互作用，使得列車穩定懸浮於空中，懸浮高度約為20mm；
第四類：磁懸浮飛機，安裝在列車上的永磁體與布置在軌道上的感應板或感應線圈相互作用，使得磁懸浮飛機穩定懸浮於空中，懸浮高度約為80-150mm（之所以稱為磁懸浮飛機有三點原因： 第一，磁懸浮飛機的懸浮高度比磁懸浮列車的懸浮高度更高； 第二，機身兩側設計有邊條或小翼，尾部還設計有起平衡作用的尾翼，具有許多飛機的特點； 第三，磁懸浮飛機的自動控制系統、車體、定位系統等設備都是按飛機標準設計，具有無噪音、無汙染、速度快、節能等優點）。 第五類：超級高鐵，將磁懸浮技術和真空管道技術結合，無機械摩擦阻力和降低空氣摩擦阻力，大幅提高其運行速度。 各類磁懸浮列車的發展歷程總結如表1所示[6-10]。
表1 磁懸浮列車發展歷程簡表
（四）世界上仍在商業運營的磁懸浮線路
到目前為止，全世界範圍內仍在商業運營的磁懸浮線路均為常導吸引型磁懸浮。常導吸引型磁懸浮分為高速型和中低速型，高速型磁懸浮的運行時速一般大於400km/h，如德國TR系列高速磁懸浮列車和具有中國自主智慧財產權的高速磁懸浮列車；中低速型磁懸浮的運行時速約為80-120km/h，如日本HSST系列中低速磁懸浮列車、中國CMS系列中低速磁懸浮列車和韓國MLV系列中低速磁懸浮列車。
除德國、日本、韓國和中國四個國家外，英國、加拿大、美國、前蘇聯等國家從上世紀中期起，均開展了EMS型磁懸浮列車技術的研究。到目前為止，我國在2002年底引進的德國磁浮技術於上海建成的國內首條高速磁浮線，仍是全球唯一商業運營的高速磁浮列車線路，最高運行時速達430km/h（如圖3所示）。
目前還在運營的中低速型磁浮列車，全球一共四條線路，分別是中國長沙磁浮快線（最高運行速度100Km/h，如圖4所示）、中國北京S1號地鐵線（最高運行速度80Km/h）、日本名古屋磁浮線（最高運行速度100Km/h，如圖5所示）和韓國仁川國際機場線（最高運行速度100Km/h，如圖6所示）。
（五）這兩年火爆全世界的超級高鐵與磁懸浮有什麼關係？
超級高鐵的概念雛形是真空管道運輸技術，最初是由機械工程師達裡爾·奧斯特在上世紀90年代提出，在1999年獲得該項技術專利，並註冊成立了ET3公司，提出在紐約和洛杉磯之間修建一條長為4600 km的線路，最高時速為6500km/h，預計每公裡成本125萬美元，每輛車體造價27萬美元。
2013年美國SpaceX公司創始人、新能源汽車公司特斯拉CEO埃隆·馬斯克將其豐富，正式提出超級高鐵的概念，是將磁懸浮技術和中真空技術等技術相集成而產生的現代交通工具，時速可達600km/h至1200km/h，甚至有學者相信其速度能遠超過音速（音速為每小時1224km/h），達到4000km/h以上。由於超級高鐵列車的外形類似於膠囊，故又稱為超迴路膠囊列車，這種列車不僅可將時空大幅縮短，方便人們的出行，其高效的能量利用還將使運輸成本大幅度下降。很多學者認為，若該技術發展成熟投入使用，運輸成本遠低於現有的高速鐵路[11][12]。
總結而言，磁懸浮技術和真空管道技術是超級高鐵的兩大核心技術。磁懸浮技術使得列車與軌道和供電電纜之間無機械接觸，避免了超高速運行過程中造成的機械摩擦損耗；真空管道技術使得列車與空氣之間的運動摩擦力減小，使得超高速運行過程中所產生的空氣阻力減小。這兩項技術不僅是保證超級高鐵運行到超高速的前提，更是超級高鐵降低運營成本的關鍵。
（六）超級高鐵到底行不行？
從2013年馬斯克提出超級高鐵的概念以來，相關領域的學者和專家對「超級高鐵」這一想法持有完全相反的爭議。部分學者認為在現有交通網絡下沒有必要發展超級高鐵，也有學者認為超級高鐵是一個天方夜譚的概念，是一個技術上不可信的圈錢騙局；儘管如此，仍有數家公司、研究單位一直在堅持超級高鐵的研究和開發工作。
2013年，HTT與Ansys、加州大學洛杉磯分校、Aecom和Oerlikon達成合作協議，分別進行流體力學、建築設計和真空管道技術方面的合作[13]。2016年5月，Hyperloop One在內達華沙漠公開演示了其推進系統原型，推進裝置在1.1秒內從0加速到97km/h，最高時速達187km/h[14]。
2014年6月，西南交通大學研究團隊將高溫超導磁懸浮與真空管道概念相結合，研製成功了新一代的高溫超導磁懸浮環形實驗線及真空管道高溫超導磁懸浮試驗平臺「Super-Maglev」。
2017年5月，Hyperloop One首次在真空環境中對超級高鐵進行了全面測試，時速113km/h，7月再次測試，時速達310km/h。同年8月，中國航天科技集團公司宣布，已啟動了1000km/h高速飛行列車研發項目，將開發最高運行速度2000km/h、4000km/h的超高速列車。
2018年4月，HTT與阿爾達爾籤署合同，將在杜拜與阿布達比間修建一條10公裡的試驗線，計劃2020年完成，未來將修建150公裡的全程，時速將達1123km/h。
2018年6月，在世界交通運輸大會「高速鐵路發展技術論壇」上，西南交通大學向外界宣布，世界上時速最快的真空高溫超導磁懸浮比例模型試驗線正在成都搭建調試，試驗線直徑4.2m，長140m，液氮製冷，懸浮高度10mm，承重200kg，最高測試時速可達400km/h。同月，HTT與烏克蘭籤署協議，在烏克蘭開始建設商業高級高鐵系統，隨後公布其超級高鐵乘客艙的尺寸為紐約市地鐵車廂的兩倍，最高時速達1233km/h。
2018年7月，HTT和中國貴州省銅仁市政府籤訂了「真空管道超級高鐵研發產業園項目」，雙方將按照1:1出資、各佔50%股權組建合資公司，在銅仁市建設一條10km長的超級高鐵線路，同時雙方將共同建設一個超級高鐵產業配套園區，佔地500-1000畝[15]。
2018年10月，HTT在西班牙展示了其首個全尺寸乘客艙，該乘客艙長32m，重5t，由複合材料製成，展出之後將轉移到法國的土魯斯市進行重新組裝，之後將被部署到首批超級高鐵商用軌道上。
2020年11月8日，維珍公司（Virgin）的超級高鐵（Hyperloop）項目在美國內華達州拉斯維加斯附近的沙漠中完成了首次載人試驗。在這次測試使用的500米長管道中，車體僅用了15秒就到達了終點，最高載人時速160Km/h。
作為磁懸浮領域的研究人員之一，筆者認為超級高鐵在原理上是能夠融洽自通的，在目前的技術上可能存下以下幾個方面的難點：
第一，現有磁懸浮技術的載重比普遍較低。載重比低也就意味著相同體積的載客空間可承載的乘客人數較少，故載客人均成本高，更無法應用於載貨；
第二，如何實現站臺處真空與正常大氣壓的有效隔絕。超級高鐵運行在真空環境中，而乘客是從正常的大氣壓環境通過站臺進入超級高鐵的乘客艙中，站臺處的氣密性設計是一項重要且艱難的工作；
第三，真空中如何維持熱平衡。眾所周知，由於真空狀態下沒有空氣，故是不能通過對流來實現散熱的，而超級高鐵在運行過程中不可避免的會有熱量產生，若不能快捷、高效的將真空環境中的熱量轉換或導離，真空環境下將熱失衡，影響整個系統的正常工作。
儘管超級高鐵技術目前仍存在不少技術難題，但阻擋不了人們對「更快速、更舒適、更安全、更經濟、更環保」出行方式的追求。只是從超級高鐵概念的提出，到理論探索研究，再到實驗原理性驗證，再到示範性運營，再到全面推廣還需要一代代磁浮人始終如一的堅持和漫長的時間沉澱。如同1865年中國第一條鐵路修建，到如今「四橫四縱，全國互通」的高鐵網搭建完成，誰也未曾想到100多年的時間人類的出行方式發生了翻天覆地的變化。故所謂「科技無極限，沒有不可能」，若干年後，磁懸浮列車、超級高鐵也許會和現在的普通列車、高鐵一樣普遍和適用！
原文標題：沒有輪子、會飛的火車——磁懸浮列車
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責任編輯：haq
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