鄧自剛，李海濤

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

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高溫超導(dǎo)磁懸浮車研究進(jìn)展

鄧自剛，李海濤

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

從1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象至今，新型超導(dǎo)材料不斷涌現(xiàn)。隨著臨界溫度及內(nèi)部磁通釘扎性能不斷提升，實(shí)用型超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)成為可能。首先介紹了當(dāng)前主要的磁懸浮交通模式及其特點(diǎn)，具體包括常導(dǎo)電磁懸浮(EMS, Electromagnetic Suspension)、低溫超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮(LTS EDS, Low-Temperature Superconducting Electrodynamic Suspension)、及高溫超導(dǎo)磁懸浮(HTS Maglev, High-Temperature Superconducting Magnetic Levitation)。其次，針對高溫超導(dǎo)磁懸浮，重點(diǎn)闡述了其自穩(wěn)定懸浮原理、發(fā)展歷程以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)樣車研究現(xiàn)狀。2014年6月西南交通大學(xué)將高溫超導(dǎo)磁懸浮與真空管道相結(jié)合，成功搭建了新一代的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮車試驗(yàn)平臺(tái)“Super-Maglev”，以期探討高溫超導(dǎo)磁懸浮未來可能的交通模式與技術(shù)定位等問題。最后，總結(jié)了高溫超導(dǎo)磁懸浮相比于其他磁懸浮模式的優(yōu)勢，并進(jìn)一步討論了可能的軌道交通應(yīng)用速度等級(jí)。

高溫超導(dǎo)磁懸浮；軌道交通；真空管道；磁通釘扎；自穩(wěn)定懸浮

1 前 言

人類在文明發(fā)展史中，對速度的追求從未停止過。當(dāng)代軌道交通發(fā)展過程中，高速鐵路已經(jīng)證明了它的效率和作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年9月11日鄭州至徐州高速鐵路正式開通運(yùn)營，我國高鐵運(yùn)營里程突破20000 km。然而，由于輪軌間粘著作用及其摩擦損耗問題，輪軌高鐵技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)更高的速度，難以滿足現(xiàn)代社會(huì)對更高運(yùn)行速度的要求。

面對更高速度需求，磁懸浮列車(可簡稱磁懸浮)擺脫了輪軌間粘著作用，利用電磁力實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間無接觸的懸浮和導(dǎo)向，再利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力牽引列車運(yùn)行，具備運(yùn)行速度高、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、能耗低、噪音低、振動(dòng)小、安全等優(yōu)點(diǎn)[1]。

近年來，隨著高鐵產(chǎn)業(yè)的持續(xù)升溫，德、日、美、中等國再次聚焦磁懸浮。2014年5月27日，日本政府宣布實(shí)施低溫超導(dǎo)磁懸浮商業(yè)運(yùn)行線——中央新干線項(xiàng)目，該線將連接?xùn)|京、名古屋和大阪，計(jì)劃于2027年建成東京到名古屋線路，時(shí)速505 km。2016年5月6日，我國長沙中低速常導(dǎo)磁懸浮工程建設(shè)完成并正式通車運(yùn)營，線路全長約18.55 km，最高速度100 km/h。在此之前，日本低溫超導(dǎo)磁懸浮中央新干線創(chuàng)造了載人時(shí)速603 km的世界新紀(jì)錄，引起了全世界的關(guān)注。

2 各種磁懸浮模式及特點(diǎn)

主要的懸浮原理包括氣動(dòng)懸浮、聲懸浮、光懸浮、磁懸浮等[2-4]，其中氣動(dòng)懸浮與磁懸浮能實(shí)現(xiàn)大尺寸的載重懸浮。1969年，法國于奧爾良郊外率先建起了世界上第一條18 km氣動(dòng)懸浮列車實(shí)驗(yàn)線路，最高速度達(dá)到 422 km/h[2]。氣動(dòng)懸浮列車存在運(yùn)行不穩(wěn)定、可控性差等問題，因此相關(guān)研究工作逐漸停滯不前。相比較下，磁懸浮通過電磁場中電流與磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力來抵消重力場中物體的自身重量，實(shí)現(xiàn)無接觸懸浮，可控性較強(qiáng)。因此，早在1934年就有相關(guān)專利技術(shù)提出了將磁懸浮原理運(yùn)用于軌道交通工具中，從而形成一種新型的軌道交通運(yùn)輸方式。

常見的磁懸浮模式有電磁懸浮EMS (Electromagnetic Suspension)、電動(dòng)懸浮EDS(Electrodynamic Suspension)和高溫超導(dǎo)磁懸浮HTS Maglev(High-Temperature Superconducting Maglev)。

2.1 電磁懸浮EMS

20世紀(jì)20年代德國工程師Hermann Kemper 提出了磁吸式常導(dǎo)磁懸浮列車(又稱電磁懸浮EMS)的構(gòu)想，1934年他以此高速磁浮列車概念為基礎(chǔ)申請了專利。70年代開始，英國的華威大學(xué)、薩塞克斯大學(xué)以及德比鐵路技術(shù)中心開始了這種常導(dǎo)電磁懸浮的研究[5,6]。高速電磁懸浮EMS以德國Transrapid(TR)系列為代表，現(xiàn)已發(fā)展到了TR09型列車。2000年我國上海引進(jìn)了TR08型(最高速度500 km/h)，建成了世界上首條商業(yè)運(yùn)行的高速磁懸浮線路[7]，其原理示意圖如圖1所示。

圖1 EMS常導(dǎo)磁懸浮列車原理示意圖Fig.1 Principle sketch of the EMS

電磁懸浮EMS通過檢測與反饋控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)檢測車體在空間相對位移，并將檢測的位置信息及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)電磁鐵中電流大小來達(dá)到穩(wěn)定懸浮目的。常導(dǎo)磁懸浮列車在靜止時(shí)仍然需要位置檢測和反饋控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。懸浮高度一般為8 mm，因此，EMS系統(tǒng)對地面、軌道、橋梁等的施工精度要求很高。

另外，日本也曾開發(fā)類似的EMS系統(tǒng)——HSST(High Speed Surface Transport)，早期的HSST-01車型曾跑出308 km的時(shí)速，后來的車型時(shí)速定位100 km，逐漸面向中低速城市軌道交通系統(tǒng)[8]。

我國從20世紀(jì)90年代開始研究EMS技術(shù)，經(jīng)過20余年的積累，已經(jīng)基本掌握中低速磁懸浮技術(shù)。國內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁懸浮——長沙磁浮快線于2016年5月6日投入運(yùn)營[9]。

2.2 電動(dòng)懸浮EDS

另一種相對成熟的磁懸浮列車采用的是同性相斥原理建成，起源于1966年美國約翰-霍普金斯大學(xué)James Powell教授的專利。目前日本處于領(lǐng)先地位，采用低溫超導(dǎo)線材開發(fā)了低溫超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮列車LTS EDS[10]。低溫超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮列車將Nb-Ti線低溫超導(dǎo)線圈浸泡在液氦(4.2 K)中，冷卻達(dá)到超導(dǎo)態(tài)。如圖2原理圖所示，在超導(dǎo)線圈中通以電流，形成強(qiáng)磁場的超導(dǎo)磁體?！癠”字形軌道梁側(cè)壁上連續(xù)排布著“8”字形線圈。當(dāng)車載低溫超導(dǎo)磁體沿著軌道水平移動(dòng)時(shí)，軌道側(cè)壁上線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，“8”字型線圈下部磁場與車載超導(dǎo)磁體之間相互排斥，上部磁場與車載超導(dǎo)磁體之間相互吸引，使得車體懸浮起來[11]。因此，EDS列車需要達(dá)到一定初始速度(100 km/h)才能實(shí)現(xiàn)懸浮。

日本于1977年建成一條7 km長的宮崎試驗(yàn)線，軌道采用倒T型，后來又改為U型。1990年開始，日本著手修建42.8 km長的山梨線，并于1993年完成了其中的18.4 km。在山梨試驗(yàn)線上，2015年4月21日，日本低溫超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮L0系車型跑出了載人時(shí)速603 km的世界紀(jì)錄[12]。

圖2 LTS EDS低溫超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮列車原理示意圖Fig.2 Principle sketch of the LTS EDS

另一方面，1986年，美國休斯敦大學(xué)朱經(jīng)武教授小組和中國科學(xué)院物理研究所趙忠賢教授小組相繼發(fā)現(xiàn)了臨界溫度達(dá)93 K的氧化物超導(dǎo)體釔鋇銅氧YBaCuO[13,14]。超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度被提升至液氮(77 K)溫區(qū)以上，形成了高溫超導(dǎo)體類別。高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)使得超導(dǎo)應(yīng)用擺脫了稀有資源液氦(4.2 K)的制約。2007年，日本山梨線采用高溫超導(dǎo)Bi系線圈，替換車載低溫超導(dǎo)磁體，最終試驗(yàn)速度達(dá)到了553 km/h[15]。然而，采用高溫超導(dǎo)Bi系線圈替代低溫超導(dǎo)Nb-Ti線線圈的方案沒有實(shí)施在日本正在建設(shè)的超導(dǎo)磁懸浮中央新干線商業(yè)項(xiàng)目中。

2.3 高溫超導(dǎo)磁懸浮HTS Maglev

高溫超導(dǎo)磁懸浮利用非理想第二類超導(dǎo)體的磁通釘扎特性在具有梯度磁場中產(chǎn)生的自穩(wěn)定懸浮現(xiàn)象，來實(shí)現(xiàn)一種新型的、懸浮導(dǎo)向一體化的軌道交通應(yīng)用工具。就當(dāng)前材料進(jìn)展來看，這種高溫超導(dǎo)磁懸浮，是無法被其他電磁材料替代的，具有唯一性。相比較下，電動(dòng)懸浮中超導(dǎo)材料是可以用普通電磁體或永磁體實(shí)現(xiàn)的。

高溫超導(dǎo)磁懸浮的工作原理是：在外磁場中，高溫超導(dǎo)體獨(dú)有的強(qiáng)釘扎能力使得磁力線既難逃離釘扎中心的束縛(對于已經(jīng)被俘獲的磁力線)也難滲透進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)(對于未被俘獲的自由磁力線)。這種獨(dú)特的釘扎特性使得超導(dǎo)體能夠隨外磁場的變化而感應(yīng)出阻礙這種變化的超導(dǎo)強(qiáng)電流。這種超導(dǎo)電流與外磁場的電磁相互作用在宏觀上產(chǎn)生與懸浮體自身重力平衡的懸浮力并提供橫向穩(wěn)定所需的導(dǎo)向力。并且這類超導(dǎo)體能在價(jià)廉的液氮溫區(qū)(77 K)中表現(xiàn)出良好的超導(dǎo)性能，簡化了低溫制冷系統(tǒng)。

微觀上來看，高溫超導(dǎo)體材料制備過程中產(chǎn)生的位錯(cuò)、沉淀物等缺陷，形成位能勢阱。將正常態(tài)的超導(dǎo)塊材放入磁場中，此時(shí)磁場能夠穿過塊材，塊材進(jìn)行冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，位能勢阱能阻止磁通線移動(dòng)，對磁通線進(jìn)行“束縛”，也就是磁通釘扎效應(yīng)。處于超導(dǎo)態(tài)的高溫超導(dǎo)塊材向永磁體逐漸靠近，外界磁場以磁通量子束形式開始進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)，在其通過的路徑上遇到結(jié)構(gòu)缺陷等(釘扎中心)，釘扎中心周圍超導(dǎo)區(qū)域?qū)a(chǎn)生渦流而牢牢地鎖定磁通量子束[16-18]，宏觀上表現(xiàn)為自穩(wěn)定懸浮現(xiàn)象。

高溫超導(dǎo)磁懸浮整車系統(tǒng)主要由車載超導(dǎo)塊材及其低溫系統(tǒng)、地面永磁軌道系統(tǒng)和直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三大關(guān)鍵部分組成，其原理示意圖如圖3所示。車載超導(dǎo)體一般采用熔融織構(gòu)法制備的圓柱形或者方形高溫超導(dǎo)體YBaCuO塊材，軌道由NdFeB永磁體和聚磁鐵軛等按一定的結(jié)構(gòu)組裝而成，直線驅(qū)動(dòng)則由感應(yīng)或者同步直線電機(jī)來完成。

圖3 HTS Maglev高溫超導(dǎo)磁懸浮車原理示意圖Fig.3 Principle sketch of the HTS Maglev

高溫超導(dǎo)磁懸浮車的懸浮高度為10～30 mm，其車體質(zhì)量約為輕軌車的1/2，基建成本較低；冷卻所需的氮?dú)鈦碜钥諝猓欧庞只氐娇諝?，不?huì)造成環(huán)境污染；運(yùn)行能耗僅為飛機(jī)的1/20[1]；磁軌道所產(chǎn)生的磁場為靜磁場，以西南交通大學(xué)Halbach型永磁軌道[19]為例，距離永磁軌道上方56 mm處的磁場為34.05 mT，側(cè)向距離軌道邊緣38 mm處磁場為37.44 mT，低于國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)ICNIRP推薦的靜磁場暴露標(biāo)準(zhǔn)(不高于40 mT)，不存在電磁輻射和電磁干擾的問題。因此，高溫超導(dǎo)磁懸浮列車也被認(rèn)為是一種新型、高效、節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適的未來軌道交通工具。

3 高溫超導(dǎo)磁懸浮車研究現(xiàn)狀

早在1997年，中國和德國聯(lián)合研制出高溫超導(dǎo)磁懸浮模型車。該車重20 kg，懸浮高度7 mm，軌道直徑3.5 m[20]。2000年12月31日，西南交通大學(xué)王家素團(tuán)隊(duì)[21]研制出世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮車，取名“世紀(jì)號(hào)”。該車可搭載4名乘客，懸浮高度大于20 mm，在長15.5 m的直線軌道上運(yùn)行，懸浮力可達(dá)6350 N，可持續(xù)工作6 h。圖4為“世紀(jì)號(hào)”高溫超導(dǎo)磁懸浮車照片。

圖4 我國“世紀(jì)號(hào)”高溫超導(dǎo)磁懸浮車Fig.4 HTS Maglev test vehicle in China,“Century”

2004年，德國固體與材料研究所IFW[22]研制成功高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“SupraTrans I”，直線軌道長7 m，最大載重能力350 kg。其改進(jìn)后的第二代高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形試驗(yàn)線“SupraTrans II”于2011年完成?！癝upraTrans II”可承載2人，最大加速度1 m/s2，速度可達(dá)20 km/h，軌道為80 m的環(huán)形線。圖5為“SupraTrans II”照片?！笆兰o(jì)號(hào)”以及兩代“SupraTrans”的軌道磁場均為單峰分布結(jié)構(gòu)。

圖5 德國“SupraTrans II”高溫超導(dǎo)磁懸浮車[22]Fig.5 HTS Maglev test vehicle in Germany, “SupraTrans II”[22]

巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)從1998年開始高溫超導(dǎo)磁懸浮研究，并在2014年修建完成一條長度為200 m的“Maglev Cobra”高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)線。車體采用輕質(zhì)纖維材料減輕重量，可以搭載24人。該條試驗(yàn)線軌道從空中連接兩棟教學(xué)樓[23]。與中德實(shí)驗(yàn)線不同的是，“Maglev Cobra”的電機(jī)初級(jí)繞組安裝于車體上，次級(jí)感應(yīng)板鋪設(shè)在軌道中央，這樣可以減少鋪設(shè)線圈的費(fèi)用，但是在車體上安裝受電裝置，增加了接觸，這與高速無接觸的高溫超導(dǎo)磁懸浮理念是違背的，但是可應(yīng)用于短距離中低速線路的建設(shè)。同期，巴西團(tuán)隊(duì)詳細(xì)比較了高溫超導(dǎo)磁浮與城市輕軌，發(fā)現(xiàn)同等載重情況下高溫超導(dǎo)磁浮列車比輕軌更輕，每公里造價(jià)僅約后者的55.26%[24]。圖6為“Maglev Cobra”磁懸浮試驗(yàn)線照片。

圖6 巴西“Maglev Cobra”高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)線[23]Fig.6 HTS Maglev test line in Brazil, “Maglev Cobra”[23]

相比較下，西南交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在成功研制“世紀(jì)號(hào)”之后，持續(xù)深入研究，于2014年6月將高溫超導(dǎo)磁懸浮與真空管道概念相結(jié)合，研制成功了新一代的高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實(shí)驗(yàn)線及真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)平臺(tái)“Super-Maglev”[25]，如圖7所示。軌道全長45 m，分為兩個(gè)直線段(各長3.6 m)和兩個(gè)曲線段(半徑6 m)。在其中一段直線段安裝有直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)，受軌道較小曲線半徑的限制，車速最高為50 km/h?！癝uper-Maglev”主要參數(shù)如表1所示[25]。

“Super-Maglev”系統(tǒng)采用了Halbach型永磁軌道，實(shí)現(xiàn)了在同等載重能力情況下軌道截面積最小成本最低的數(shù)據(jù)[25]。目前，已實(shí)驗(yàn)達(dá)到了最低氣壓0.029 atm，車架最高運(yùn)行速度50 km/h。

2014年7月，美國IEEE Spectrum針對真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)平臺(tái)“Super-Maglev” 以“A SUPER CHUTE”為題進(jìn)行了報(bào)道[26]，引起了人們對高溫超導(dǎo)磁懸浮列車技術(shù)和真空管道交通發(fā)展趨勢及其對社會(huì)和商業(yè)影響的關(guān)注和探討。

圖7 “Super-Maglev”高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)線[25]Fig.7 HTS Maglev test line in China, “Super-Maglev”[25]

Guideway45mdouble-trackcomposedoftwo3.6mstraight-linesandtwo6m-radiuscurve-linesLevitationheight10～20mmLoadcapabilitymax1000kgPropulsionmodeOnesectional3mlonglinearinductionmotorMaximumacceleration0.5m/s2Maximumspeed25km/h(normalpressure)50km/h(lowpressure)Tubepressure0.1～1atm

此外，意大利拉奎拉大學(xué)[27]采用“V”型軌道結(jié)構(gòu)，開展了高溫超導(dǎo)磁浮模型車的相關(guān)研究工作。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所AIST[28]、俄羅斯莫斯科航空學(xué)院[29]等也相繼研制出各自的高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)。這些工作都推動(dòng)著高溫超導(dǎo)磁懸浮不斷向前發(fā)展。2006年前后，西南交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[30]、北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)[31]將高溫超導(dǎo)磁懸浮與電磁彈射相結(jié)合，分別搭建了磁浮助推模型，并針對相關(guān)動(dòng)態(tài)性能開展了諸多實(shí)驗(yàn)研究。

綜上所述，從2000年至今的16年里，高溫超導(dǎo)磁懸浮研究重點(diǎn)已由早期的車載超導(dǎo)塊材組合與永磁軌道間的準(zhǔn)靜態(tài)電磁特性及優(yōu)化工作，發(fā)展到動(dòng)態(tài)特性分析、運(yùn)行試驗(yàn)、中試線建設(shè)等方面。高溫超導(dǎo)磁懸浮走出實(shí)驗(yàn)室，面向?qū)嶋H應(yīng)用正在得到更多的認(rèn)可和關(guān)注。

4 結(jié) 語

21世紀(jì)初，我國專家們就發(fā)展磁浮還是高鐵進(jìn)行了激烈討論，最終選擇了高鐵。經(jīng)過多年的積累，我國已掌握了高鐵核心技術(shù)，能保證時(shí)速300 km下列車的安全運(yùn)行(若不計(jì)運(yùn)營成本時(shí)速甚至可以超過400 km)?？v觀全球，德國ICE、日本新干線以及法國TGV均可達(dá)到這個(gè)速度量級(jí)。伴隨著高鐵產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，世界各國已經(jīng)開始了新一代軌道交通技術(shù)儲(chǔ)備和布局的激烈競爭。

輪軌交通想要獲得更快的速度，必須要降低阻力，具體指：輪軌接觸和空氣阻力。

2014年5月起，日本政府實(shí)施了非輪軌接觸式的低溫超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮商業(yè)線項(xiàng)目，計(jì)劃1 h內(nèi)跑完東京到大阪498 km的運(yùn)程。2013年美國Elon Musk拋出低空氣阻力的Hyperloop超級(jí)高鐵概念后，Hyperloop One公司計(jì)劃修建時(shí)速超過1200 km的真空管道“膠囊列車”。2016年5月11日， Hyperloop one在西部內(nèi)華達(dá)州荒漠首次對Hyperloop管道運(yùn)輸中的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行公開測試，實(shí)現(xiàn)了1 s加速到96 km/h。這一測試結(jié)果，使得真空管道高速磁浮交通概念再次引起全球范圍的關(guān)注。若美國的Hyperloop概念得以實(shí)現(xiàn)，洛杉磯到舊金山的行程將被縮短為0.5 h。近日，加拿大TransPod的公司也計(jì)劃出一套類似的超級(jí)高鐵方案(目前僅為設(shè)想)，將電磁懸浮EMS與真空管道結(jié)合起來，將多倫多至蒙特利爾的行程縮短為0.5 h。這些方案，包括我國西南交通大學(xué)的“Super-Maglev”平臺(tái)，均在非輪軌接觸的磁懸浮和低氣阻的真空管道概念技術(shù)上作出了不同程度的突破。

相比美、加計(jì)劃實(shí)施的其他類型磁懸浮方案，我國“Super-Maglev”試驗(yàn)平臺(tái)使用的高溫超導(dǎo)磁懸浮的技術(shù)優(yōu)勢包括：

(1)懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)無需供能，運(yùn)營成本低；

(2)懸浮高度較高，對基建施工精度要求較低；

(3)軌道磁場為靜磁場，無電磁輻射；

(4)自穩(wěn)定懸浮系統(tǒng)，系統(tǒng)簡單，操作方便。

當(dāng)前，“Super-Maglev”車體可以在半徑6 m的軌道上(無緩和曲線、無外軌超高)以時(shí)速50 km安全行駛。眾所周知，離心力與速度平方成正比，與半徑成反比。若等比推算，將曲線半徑擴(kuò)大到6 km(350 km時(shí)速高鐵的最小曲線半徑為7 km)，車載高溫超導(dǎo)塊材特有的自導(dǎo)向力可保證其以1500 km以上的時(shí)速安全行駛。

1992年，高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承最高實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速達(dá)到了52000 rpm[32](折算成線速度大于3600 km/h)。因此，理論和實(shí)驗(yàn)證明，高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的最高運(yùn)行速度有望超過1000 km/h。就不同的市場定位和需求而言，高溫超導(dǎo)磁懸浮具備低、中、高速，乃至超高速的多種發(fā)展方向：

(1)時(shí)速200 km，使得機(jī)場到市中心時(shí)間距離縮短到0.5 h之內(nèi)。高溫超導(dǎo)磁懸浮可以充分發(fā)揮造價(jià)低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、無噪音、無污染等優(yōu)點(diǎn)，為旅客帶來便利的同時(shí)節(jié)能環(huán)保。

(2)時(shí)速600 km，彌補(bǔ)高鐵(時(shí)速300 km)與飛機(jī)(時(shí)速800 km)之間的速度空白。人類的生活習(xí)慣將一天分為3個(gè)工作時(shí)間段(上午、下午、晚上各4 h)。按照600 km時(shí)速行駛，從北京到上海、武漢、成都、蘭州等區(qū)域中心城市的旅行均可在一個(gè)工作時(shí)間段內(nèi)完成。

(3)時(shí)速1000 km(真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮交通)，在大城市之間(如北京到上海、成都到北京)修建專線，充分發(fā)揮運(yùn)行成本低、運(yùn)行周期短、無噪音、無污染、車站可修建于市中心的優(yōu)勢，以緩解民航運(yùn)輸?shù)膲毫Α?/p>

然而，軌道交通領(lǐng)域的項(xiàng)目動(dòng)輒過億，全部依靠科研經(jīng)費(fèi)是不現(xiàn)實(shí)的，需要軌道交通領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的加入，以及市場的支持和引導(dǎo)。自穩(wěn)定特征的高溫超導(dǎo)磁懸浮具有成為高速軌道交通工具的潛力，隨著研發(fā)工作的不斷深入，上述3種速度的運(yùn)營模式將逐漸得到肯定、試驗(yàn)與實(shí)現(xiàn)，更高速軌道交通研究也將得以實(shí)質(zhì)性推進(jìn)。

References

[1] Wang Jiasu(王家素), Wang Suyu(王素玉).JournalofElectricalEngineering(電氣工程學(xué)報(bào))[J], 2015, 10(11):1-10.

[2] Yang Xueshi(楊學(xué)實(shí)).JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology(交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息)[J], 2003, 3(3):66-70.

[3] King L V.OntheAcousticRadiationPressureonSpheres[C]. London:Proceedings of the Royal Society of London A Mathematical Physical & Engineering Sciences, 1934, 147(861): 212-240.

[4] Brandt E H.Science[J], 1989, 243(4889):349-355.

[5] Jayawant B V, Sinha P K, Wheeler A R,etal.ProceedingsoftheInstitutionofElectricalEngineers[J], 1976, 123(9):941-948.

[6] Sinha P K.JournalofDynamicSystems,Measurement,andControl[J], 1978, 100(4):333-342.

[7] Anteleff W, Barnard G, Kurtz C,etal.ScienceandTechnologyofWestChina(中國西部科技) [J], 2005, 6: 54-56.

[8] Sawada K, Murai M, Tanaka M.JapanRailwayandTransportReview[J], 2000, 25:58-67.

[9] Tang Lu(唐 璐).FinanceEconomy(金融經(jīng)濟(jì)) [J], 2016, 9: 15-17.

[10]Sawada K.ProceedingoftheIEEE[J], 2009, 97(11):1881-1885.

[11]Fujiwara S, Fujimoto T.CharacteristicsoftheCombinedLevitationandGuidanceSystemUsingGroundCoilsontheSideWalloftheGuideway[C]//Proceedingofthe11thInternationalConferenceonMagneticallyLevitatedSystemsandLinearDrives(Maglev’89). Yokohama:Conference Held in Argonne, 1989: 241-244.

[12]Koei Tsuge. Central Japan Railway Company[EB/OL].(2016-03-30)[2017-05-15]. http://english.jr-central.co.jp/company/ir/investor-meeting/_pdf/im_2016_03.pdf

[13]Wu M K, Ashburn J R, Torng C J,etal.PhysicalReviewLetters[J], 1987, 58(9):908-910.

[14]Zhao Zhongxian(趙忠賢), Chen Liquan(陳立泉), Yang Qiansheng(楊乾聲),etal.ChineseScienceBulletin(科學(xué)通報(bào)) [J], 1987, 6: 412-414.

[15]Kusada S, Igarashi M, Nemoto K,etal.IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity[J], 2007, 17(2):2111-2116.

[16]Abrikosov A A.SovietPhysicsJETP[J], 1957, 5(6): 1174-1182.

[17]Essmann U, Trauble H.PhysicsLetters[J], 1967, 10(24A): 526-527.

[18]Gammel P L, Bishop D J, Dolan G J,etal.PhysicalReviewLetters[J], 1987, 59(22):2592-2595..

[19]Deng Z, Wang J, Zheng J,etal.SuperconductorScienceandTechnology[J], 2008, 21(11): 115018.

[20]Wang J R, Wu M Z, May H,etal.RareMetalMaterialsandEngineering[J], 1998, 27(4):240-243.

[21]Wang J, Wang S, Zeng Y,etal.PhysicaC[J], 2002, 378-381: 809-814.

[22]Schultz L, Haas De O, Verges P,etal.IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity[J], 2005, 15(2): 2301-2305.

[23]Sotelo G G, De Oliveira R A H, Costa F S,etal.IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity[J], 2015, 25(3): 3601005.

[24]David E G, Stephan R M, Costa G C,etal.FeasibilityStudyofanHTS-MaglevLineattheFederalUniversityofRiodeJaneiro[C]//Proceedingofthe19thInternationalConferenceonMagneticallyLevitatedSystemsandLinearDrives(Maglev’06). Dresden: Conference Held in Argonne, 2006.

[25]Deng Z, Zhang W, Zheng J,etal.IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity[J], 2016, 26(6):3602408.

[26]A Super Chute[N].IEEESpectrum, 2014-07-21.

[27]D’Ovidio G, Crisi F, Lanzara G.PhysicaC[J], 2008, 468(14): 1036-1040.

[28]Okano M, Iwamoto T, Furuse M,etal.JournalofPhysics:ConferenceSeries[J], 2006, 43: 999-1002.

[29]Kovalev K L, Koneev S M-A, Poltavec V N,etal.MagneticallyLevitatedHigh-SpeedCarriagesontheBasisofBulkHTSElements[C]//Proceedingofthe19thInternationalSymposiumonMagneticSuspensionTechnology. Dresden: Conference Held in Argonne, 2005: 51.

[30]Wang J, Wang S, Deng C,etal.IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity[J], 2007, 17(2): 2091-2094.

[31]Yang W J, Wen Z, Duan Y,etal.IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity[J], 2006, 16(2):1108-1111.

[32]Ma K B, Postrekhin Y V, Chu W K.ReviewofScientificInstruments[J], 2003, 74(12): 4989-5017.

(編輯 吳 琛)

Recent Development of High-Temperature Superconducting Maglev

DENG Zigang, LI Haitao

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

New superconductor materials have been constantly found since the discovery of superconductivity in 1911. With the critical temperature and inherent flux-pinning property improved continually, the practical superconducting magnetic levitation (maglev) technology became possible. Firstly, the main maglev transportation methods and their characteristics are introduced. They are electromagnetic suspension (EMS), low-temperature superconducting electrodynamic suspension (LTS EDS), and high-temperature superconducting Maglev (HTS Maglev). Secondly, the development history and the state of the art of HTS Maglev around the world are emphasized and described in detail by focusing on its self-stable levitation characteristics. In June 2014, Southwest Jiaotong University built a test platform for HTS Maglev-Evacuated tube transport (HTS Maglev-ETT), “Super-Maglev”. Based on the “Super-Maglev”, the HTS Maglev and the ETT concepts had been successfully combined. Finally, the prominent advantages of the HTS Maglev are summarized and compared with other Maglev technologies. Furthermore, several potential rail transit applications with different speeds are proposed and discussed in order to gain accesses to the markets.

high-temperature superconducting maglev; rail transit; evacuated tube; flux pining; self-stable levitation

2016-10-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375404, 51307147)

鄧自剛，男，1982年生，副教授，博士生導(dǎo)師， Email: deng@swjtu.cn.

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.05.02

U266.4

A

1674-3962(2017)05-0329-06