徐 飛， 羅世輝， 鄧自剛

(西南交通大學 軌道交通國家實驗室(籌), 四川 成都 610031)

目前,我國城市軌道交通總里程超過5 000 km，全國鐵路營業(yè)里程達到12.7萬km，其中高鐵2.5萬km，支撐了國民經濟可持續(xù)發(fā)展。日益完善的軌道交通網絡，為旅客出行帶來極大便利的同時，也進一步激發(fā)了人們的期望。例如追求400 km/h及更高的遠程出行速度，更快捷完善的市域軌道交通網絡，降低城市軌道交通建設成本，改善軌道交通振動噪聲環(huán)境等。這些期望和需求，為磁懸浮軌道交通的發(fā)展提供機遇。

磁懸浮交通已在中低速(80～120 km/h)和高速(430 km/h)實現(xiàn)了商業(yè)運用[1-2]，或達到了商業(yè)運用的程度[3]。在中速和超高速域，磁懸浮的研究也在持續(xù)進行，其中具有較大影響力的研發(fā)工作有：西南交通大學高溫超導磁懸浮[4-6]和美國太空探索技術公司、Hyperloop One及HTT等公司的超級環(huán)電動磁懸浮[7-8]；美國磁動力公司的M3電磁磁懸浮[9-10]、磁飛機公司的電動懸浮方案，以及加拿大的電動懸浮方案。由此可見，以磁懸浮交通方式，在全速度域布局未來軌道交通，已成為熱點研究方向[11]。我國地域遼闊，人口眾多，對軌道交通需求形成的市場優(yōu)勢，有利于促進未來各類交通技術的發(fā)展，在中低速和高速域的磁懸浮交通技術已基本具備規(guī)?；l(fā)展的技術積累[12]，在中速和超高速域的研究積累也處于世界前列。

本文從磁懸浮交通的角度對不同速度域進行了劃分，分析了社會發(fā)展對地面交通速度的訴求，總結對比傳統(tǒng)輪軌與磁懸浮交通的最基本特點，研究磁懸浮交通方式在全速度域應用的可行性和亟待解決的關鍵技術問題。

1 磁懸浮軌道交通速度域劃分

交通工具速度域劃分與其技術原理密不可分,且隨著技術的發(fā)展，速度域劃分也并非一成不變。

傳統(tǒng)輪軌鐵路的速度域通常劃分為4個等級，即普速鐵路(120 km/h以下)、提速鐵路(120～160 km/h)、準高速鐵路(160～200 km/h)和(包括既有線改造與專線)高速鐵路(200～400 km/h)?；谧罡咚俣冗€有上浮空間的考慮，專線250～400 km/h速度范圍基本上可涵蓋輪軌鐵路全高速區(qū)范圍[13]。

基于磁懸浮非接觸運行的基本原理，其應用速度范圍可覆蓋從城市軌道交通速度直至數個馬赫，本文從磁懸浮列車的角度，將這一寬泛的速度范圍定義為全速度域，根據磁懸浮軌道交通的應用和研究現(xiàn)狀，可將其劃分為以下5個等級：即中低速域、中速域、高速域、超高速域，如果進一步考慮未來磁懸浮應用，還應包括極高速域(或稱宇航域)。速度域的分界線是模糊而不是精確的，隨著技術的發(fā)展，速度域既有可能重疊，也有可能調整。

在中低速域，日本于1974年開始的研發(fā)以最高速度300 km/h為目標[14]，目前最高商業(yè)運用速度在80～120 km/h。西南交通大學及中車株洲電力機車有限公司、中車大連機車車輛有限公司的中低速磁浮設計目標速度已達到160 km/h，研究表明，中低速域的速度潛力有望達到200 km/h。

在高速域，德國、日本的磁懸浮列車工程化速度均達到了500 km/h。中國速度為600 km/h高速磁浮也被列入國家重點研發(fā)計劃。高速域的劃分應當覆蓋輪軌高鐵與航空間的空白，400～1 000 km/h范圍基本上可涵蓋磁懸浮軌道交通全高速區(qū)范圍。

中速域的速度范圍為200～400 km/h，介于高速域與中低速域之間的速度區(qū)間。

在超高速域，美國的磁浮滑橇在火箭引擎推動下已達到1 019 km/h的速度，其終極目標是從亞音速直到9.1馬赫。

在軌道交通應用方面，隨著列車速度超過600 km/h，必然要與真空管道概念結合，以減小巨大空氣阻力的影響，形成真空管道磁懸浮高速軌道交通。西南交通大學高溫超導真空管道磁浮和美國HTT等公司的真空管道磁浮，都把速度1 000 km/h作為基本目標，如果進一步考慮軌道交通速度目標值選定的原則，如優(yōu)勢距離、旅行時間、時間價值、跨線運輸、工程投資、未來發(fā)展等諸多因素[15]，作為公共運輸工具，1 000～2 000 km/h速度范圍是未來努力的目標。作為非公共交通屬性的超級載體，第一宇宙速度可作為其上限。

基于上述磁懸浮交通技術的應用和研究現(xiàn)狀，本文將磁懸浮軌道方式速度域進行劃分，見表1。

表1全速度域磁懸浮軌道方式的速度域劃分km/h

中低速域中速域高速域超高速域宇航域80～200200～400400～1 0001 000～10 000>28 440

2 社會發(fā)展對地面交通速度的訴求

每一次工業(yè)革命都標志著人類社會文明發(fā)展達到了一個新的里程碑，從紀年的尺度清晰地描述了人類科技進步與地面交通速度相輔相成的關系[16],見圖1。

十七世紀蒸汽動力機械的發(fā)明和應用，誕生了現(xiàn)代軌道交通，之后軌道交通進入了快速發(fā)展階段，牽引能力已能滿足大運量集中客貨運輸需求。

以電氣化為代表的第二次工業(yè)革命，實現(xiàn)了軌道交通的高速化。1964年日本東海道新干線開通，地面大運量旅行速度突破了200 km/h，1983年、1991年法、德兩國相繼開行高速列車，速度分別達到270 km/h和250 km/h，較之第一次工業(yè)革命時代大約翻了一番。

第三次工業(yè)革命，以計算機及信息化為表征之一。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)軌道交通牽引能力顯著增長，使我國普遍開行350 km/h高速列車成為現(xiàn)實，且有望將運行速度進一步提升到400 km/h；另一方面，以高速磁懸浮列車為標志，基于材料、電子、信息、控制技術最新發(fā)展的新型大運量軌道交通，運行速度已可達到500 km/h，較之第二次工業(yè)革命的地面大運量交通速度大約又翻了一番。

進入二十一世紀，迎來了以新能源、人工智能、量子通訊等為特征的第四次工業(yè)革命的曙光?？梢酝茢?，推升軌道交通速度的訴求不會改變，地面軌道交通速度是否再翻一番，達到1 000 km/h值得期待，磁懸浮軌道交通最有可能去實現(xiàn)這一目標。盡管航空方式已實現(xiàn)了1 000 km/h的旅行速度，但地面高速交通仍有必要，對沿線經濟的帶動作用和轉移航空客流減少高空溫室氣體排放的影響極為明顯[17]。

3 磁懸浮交通基本特點

磁懸浮和輪軌系統(tǒng)各有特點，也有局限性[18-20]，在不同速度域可以形成互補。本節(jié)就未來面向高速和超高速域，通過2種系統(tǒng)的對比闡述磁懸浮交通的可行性。

3.1 不同磁懸浮方式沒有通用性

輪軌鐵路歷經200多年的發(fā)展，無論機車、客車還是貨車，遵循相同的基本原理，即利用輪軌滾動接觸實現(xiàn)支撐、導向、牽引或制動，線路基本結構簡潔通用。

磁懸浮交通系統(tǒng)的工程化研究始于上世紀60年代，已實現(xiàn)商業(yè)應用的3種典型磁懸浮軌道交通方式,分別是日本的中低速磁懸浮、低溫超導高速磁懸浮和德國的高速磁懸浮，這3個系統(tǒng)實現(xiàn)懸浮支撐、導向和牽引的基本原理不同，線路基本結構也不同。目前還在研究中的多種中速、超高速磁懸浮系統(tǒng)，在基本原理和線路基本結構方面也有很大差別。由此可見，不同速度域的磁懸浮交通甚至同一速度域的磁懸浮交通系統(tǒng)的車輛和線路基本結構缺乏通用性。

3.2 非黏著運行

傳統(tǒng)鐵路依靠輪軌滾動摩擦運行，即所謂黏著運行，摩擦利用程度既決定、也限制了系統(tǒng)牽引能力的發(fā)揮。為實現(xiàn)更高速度，必定要求盡可能多地利用列車質量產生摩擦力，最終是列車全部質量都被用于產生摩擦力，所有車軸均為動軸。在這一條件下，列車單位質量基本阻力和基本牽引力曲線見圖2[16]，曲線最終的交點所對應的就是速度極限。需要特別說明的是，該圖僅是大致的結果，反映基本趨勢。雖然法國高速列車利用線路下坡道達到了574.8 km/h的最大試驗速度，但在平直道上它是無法保持這一速度的。

無論采用什么原理，磁懸浮交通在高速域均不存在機械接觸摩擦，突破了摩擦限制，為非黏著運行。日本低溫超導電動磁懸浮達到了603 km/h，德國電磁磁懸浮達到了501 km/h，原理上磁懸浮方式可以適應更高的速度。

3.3 非車載動力

高速輪軌列車牽引電機安裝在車上，通過車頂受電弓與接觸網導線滑動接觸將牽引電能從地面?zhèn)鬏數搅熊?，接觸壓力需要合理選擇，既能保持接觸又能減少磨耗。接觸導線張力，列車運行速度和碳滑板接觸壓力之間的關系,見圖3。

接觸網波速越大越有利于保持接觸，有標準規(guī)定，列車最大運用速度不應超過接觸線波速的70%[21]。而接觸線的極限波速是導線張力、許用應力、電阻率等因素折衷的結果，列車最大速度也因此受到限制。

中速及以上速度域磁懸浮交通均采用軌道側長定子直線同步電機牽引，牽引電能不需要從地面?zhèn)魉偷搅熊嚿希垢咚俅艖腋×熊嚨臓恳芰?、坡道能力不再受到受流限制?/p>

3.4 懸浮分布載荷

我國大部分高鐵線路采用了高架橋方式，磁懸浮交通也是如此。除了幾何偏差產生的線路隨機不平順，高架結構決定了列車、線路相互之間存在周期性激擾。輪軌高鐵列車質量由有限個輪軌剛性接觸點承載并傳遞到線路上，屬于集中載荷。無論采用什么原理的磁懸浮，列車的質量都由懸浮均勻地施加于線路，且懸浮具有一定的懸掛特性，屬于分布載荷。

傳統(tǒng)高鐵雖然是集中載荷，但列車屬于被動支撐方式，可以采用較大的橋梁撓跨比，有利于降低建設成本。不過在高速時，車輪不圓度、軌道幾何不平順、車橋間周期激擾等因素可能導致動態(tài)響應成份很大，增加線路和車輛的維護成本。

從支撐的角度，磁懸浮交通可分為被動支撐和主動支撐兩類。被動支撐與傳統(tǒng)高鐵類似，可采用較大的橋梁撓跨比，且動態(tài)響應顯著低于輪軌；主動支撐通過列車與軌道間的主動控制，使懸浮間隙保持在額定值，必須有效抑制車-線耦合振動才能保持良好的支撐，因此需采用足夠小的橋梁撓跨比。例如，德國TVE試驗線最薄弱的路段也采用1/4 000的撓跨比[22]，上海龍陽路磁懸浮線路作為世界第一條商業(yè)應用高速磁懸浮線路，橋梁撓跨比則達到了約1/17 000，這無疑增加線路建設成本，一項早期研究結果見圖4。由圖4可見,由于懸浮分布載荷，磁懸浮車輛導致的橋梁動態(tài)沖擊響應相比輪軌車輛更小[23]，根據上海高速磁懸浮實踐經驗，磁懸浮線路維護成本約為傳統(tǒng)高鐵的50%[22]。

4 磁懸浮交通方式的分類及系統(tǒng)特征

從不同的角度對磁懸浮進行分類。

(1) 運行速度：如表1所述，可分為中低速、中速、高速、超高速和宇航速磁懸?。?/p>

(2) 驅動方式：可分為車載直線感應電機牽引(LIM)，軌道側長定子直線同步電機牽引(LSM)磁懸?。?/p>

(3) 支撐原理：可分為主動支撐、被動支撐磁懸浮；

(4) 導體材料的應用：可分為常導、高溫超導、低溫超導磁懸??；

(5) 永磁體的應用：可分為不采用永磁體、部分采用或主要采用車載永磁體，軌道永磁體磁懸?。?/p>

(6) 懸浮原理：可分為電磁懸浮(EMS)、電動懸浮(EDS)、高溫超導懸浮(HTS)、電磁-永磁混合懸浮(本質上仍是電磁懸浮)。

從分類上，可對目前已商業(yè)化運用的磁懸浮列車的技術特征進行準確描述。例如，日本高速磁懸浮列車是采用LSM方式的低溫超導EDS被動支撐高速磁懸浮系統(tǒng)；德國高速磁懸浮列車是采用LSM方式的常導EMS主動支撐高速磁懸浮系統(tǒng)；日本中低速磁懸浮列車是采用LIM方式的常導EMS主動支撐中低速磁懸浮系統(tǒng)。

對還未實現(xiàn)商業(yè)運用的其他系統(tǒng)，也可以從分類上對其技術特征進行準確描述。例如，西南交通大學的超高速磁懸浮方案是采用軌道永磁體和LSM方式的HTS被動支撐超高速磁懸浮系統(tǒng)；美國超級環(huán)列車方案是采用LSM方式的車載永磁體EDS被動支撐超高速磁懸浮系統(tǒng)；美國M3列車是采用LSM方式的混合EMS主動支撐中速磁懸浮系統(tǒng)。西南交通大學新一代中低速磁懸浮列車[24]的技術特征描述與日本中低速磁懸浮完全相同，國防科大新型中速磁懸浮列車[25]的技術特征描述與美國M3中速磁懸浮完全相同。

從懸浮架結構、驅動布置方式、導向方式等角度，還可以進行更細致的分類，但其基本技術特征并沒有改變。

5 3種不同原理磁懸浮列車的關鍵技術

磁懸浮列車可以采用3種原理實現(xiàn)懸浮，即電磁懸浮(EMS)、電動懸浮(EDS)和高溫超導懸浮(HTS)，本節(jié)對不同原理磁懸浮列車的關鍵技術進行分析。

5.1 電磁懸浮列車關鍵技術

采用電磁懸浮原理的列車已在中低速域和高速域實現(xiàn)了商業(yè)應用，例如上海的TR08高速磁懸浮列車，日本、韓國和中國的中低速磁懸浮列車。在中速域的應用研究也備受關注，如西南交通大學的新一代中低速磁懸浮列車，國防科技大學的中速磁懸浮列車，以及美國的M3磁懸浮列車。其中國防科技大學中速磁浮列車和美國M3列車，在電磁懸浮中加入了永磁體，被視為混合電磁懸浮。原理上電磁懸浮也適用于超高速列車，但還未見有相關報導。

電磁懸浮(EMS)利用通電導體產生磁場，磁場吸力吸附軌道鐵磁體將車輛吸起，并通過主動控制保持額定的小間隙，該間隙約為8～10 mm。

電磁懸浮方式的關鍵技術有2個方面：一是如何抑制車線耦合振動，二是如何實現(xiàn)懸浮冗余。

在車線耦合振動方面，應用實踐表明車輛懸浮對自身結構、高架線路、以及控制系統(tǒng)非常敏感，尤其是在靜懸或低速運行于輕型道岔梁時，車岔耦合振動問題非常突出，極易導致懸浮失效。例如日本的HSST-01、HSST-02、HSST-04車、韓國的UTM-01車均遇到過此類問題。上海高速磁浮線路采用TR09車型后，盡管結構變化很小，仍需要重新優(yōu)化懸浮控制系統(tǒng)適應已經具有很大剛度的軌道。

在懸浮冗余方面，上海TR高速磁懸浮列車通過電磁鐵搭接的結構方式實現(xiàn)了機械冗余，個別懸浮點失效時，車輛仍能保持懸浮。中低速磁懸浮則尚未很好地解決這一問題。

抑制車軌耦合振動的主要措施，目前還是控制軌道梁撓跨比，高速磁懸浮線路還要求盡量提高梁的一階垂彎頻率。在高速磁懸浮線路設計中，通過頻率比vc非常重要，定義 “vc=(車速/跨距)/梁的一階垂彎頻率”，它與梁的變形關系見圖5。上海高速磁懸浮軌道梁要求vc<0.9，相當于梁的一階垂彎頻率必須大于1.1×(車速/跨距)，這一要求顯著增加了線路建設成本。

優(yōu)化懸浮控制也有可能改善耦合振動[26-30]，但在特定線路結構和車輛約束條件下，僅靠優(yōu)化懸浮控制來有效抑制耦合振動的效果并不樂觀。

如同傳統(tǒng)鐵道車輛轉向架結構與懸掛顯著影響車輛的動力學性能，懸浮架結構與懸掛設計對車線耦合振動也有顯著影響。理論和試驗表明，西南交通大學提出的低動力作用懸浮架概念，在抑制電磁懸浮列車車線耦合振動方面具有良好效果[31-32]。

5.2 電動懸浮列車關鍵技術

電動懸浮具有車載強磁場和較高運動速度等典型特征?；驹硎?，利用車載磁場與無磁的非鐵磁材料良導體之間的相對運動，在良導體軌道上產生感應電流并生成鏡像磁場，利用兩者磁場間的排斥力實現(xiàn)車體懸浮。

隨著永磁材料科學的發(fā)展，現(xiàn)有永磁體已能基本滿足軌道交通運用要求，由此也提出了多種車載永磁體的電動懸浮技術方案。但由于早期永磁體的磁場強度偏弱，難以滿足軌道交通工程實際運用需要，因此日本采用了車載超導磁體,見圖6，利用強電流產生強磁場繼而實現(xiàn)運動懸浮[3,33]。

電動懸浮在低速段磁阻力很大，日本低溫超導高速磁浮列車原型車的磁阻力試驗值，見圖7。當懸浮高度230 mm，峰值達到約130 N/kN，這是一個巨大的阻力值，對比圖2可知，它已超過了高速列車400 km/h時的總比阻力，即使列車速度達到了500 km/h，其磁阻力也有約30 N/kN，而輪軌滾動阻力僅為2 N/kN，電磁懸浮的渦流阻力僅約1.5 N/kN。因此電動磁浮方式用于中速域及以下的速度域是極不經濟的。有文獻認為其最佳運用速度應不低于400 km/h[34]。由于高速時列車空氣阻力起主導作用，因此電動懸浮與真空管道技術相結合，實現(xiàn)高速或超高速運行是一種很好的選擇。

電動懸浮屬被動支撐方式，懸浮工作高度可達到200 mm以上，且只要給予少量阻尼控制就可以實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。對軌道的要求相對EMS方式要低得多。其關鍵技術包含2個方面：一是車載強磁場的獲得，既可采用超導磁體，也可采用永磁體；二是需要巧妙利用車載磁體與感應磁場的磁力作用，實現(xiàn)高速懸浮狀態(tài)下車輛的導向?，F(xiàn)有工業(yè)技術能力，已可應對這些挑戰(zhàn)，不存在重大技術障礙。

5.3 高溫超導磁懸浮列車關鍵技術

高溫超導磁懸浮基本原理是利用在外磁場中高溫超導體獨有的強磁通釘扎能力，使超導體能隨外磁場變化感應出阻礙這種變化的超導強電流。這種獨特的電磁相互作用在宏觀上實現(xiàn)了懸浮體的自懸浮與導向，見圖8。圖8中HPMy、HPMz分別表示一側永磁軌道的磁場橫向、垂向分量；J為感應電流。懸浮力Fz與磁場橫向分量相關，在平衡點，因對稱得到加強；導向力Fy與磁場垂向分量相關，在平衡點，因反對稱而抵消。高溫超導磁浮列車不需要主動控制就能實現(xiàn)懸浮和導向，因此質量較輕，且運行方向零磁阻，可實現(xiàn)高速穩(wěn)定運行[35]。

將高溫超導磁懸浮原理用于軌道交通車輛，形成一種新型軌道交通方式[36]，巴西將高溫超導磁懸浮方式用于城市中低速軌道交通，同原理的高溫超導磁懸浮軸承已實現(xiàn)線速度達896 km/h的穩(wěn)定旋轉[37]，原理上高溫超導磁懸浮方式可適用于全速度域。

高溫超導磁懸浮軌道車輛是西南交通大學2000年的原創(chuàng)技術[4]，系統(tǒng)主要由車載超導塊材及其低溫系統(tǒng)、地面永磁軌道系統(tǒng)和直線驅動系統(tǒng)三大關鍵部分組成，基本結構見圖9。巴西、德國[38-39]等也研制了相似結構的磁懸浮實驗車。

為充分發(fā)揮高溫超導磁懸浮列車結構簡潔、輕量、零磁阻的優(yōu)勢，西南交通大學結合真空管道概念，進一步研制了新一代高溫超導磁懸浮環(huán)形實驗線及真空管道高溫超導磁懸浮試驗平臺“Super-Maglev”[40]，實現(xiàn)了在同等載重能力情況下磁軌截面積最小成本最低的數據，最低實驗氣壓達到2.938 kPa。

高溫超導磁懸浮屬被動支撐方式，懸浮高度約10～15 mm。其關鍵技術在于：(1)進一步提升懸浮承載能力。(2)懸浮與導向是相對矛盾的，更高的場冷高度意味著更大的懸浮力,同時也意味著更小的導向力，因此需要用一個合理的場冷高度實現(xiàn)導向力和懸浮力的折衷[41]。(3)低溫保持器的合理設計與制造，低溫保持器不僅僅起到與外界隔熱的作用，它還是車輛的主要承載件，因此需要精密的材料和結構設計。

6 全速度域磁懸浮交通可行性與技術路線

采用電磁懸浮的磁懸浮交通分別在中低速、高速域投入運用十多年[1-2]，采用電動懸浮(EDS)的高速域磁懸浮交通商業(yè)線正在建設中[3]，美國采用固態(tài)火箭推進的低溫超導電動懸浮滑橇，創(chuàng)造了1 019 km/h的世界紀錄，最終目標達到9.1馬赫[42]，采用高溫超導磁懸浮(HTS)原理的軸承實現(xiàn)了線速度達896 km/h的穩(wěn)定旋轉[37]。

因此，從中低速直到宇航速的全速度域，原理上磁懸浮方式均具有可行性。

6.1 中低速域

中低速域磁懸浮交通具有轉彎半徑小、爬坡能力強、振動噪聲低等優(yōu)勢，短板是承載能力有限，適用于中等運量的城市軌道交通。

采用車載短定子方式從線路建設和運維角度，比采用軌道側長定子方式更經濟，因此中低速磁懸浮優(yōu)先采用車載直線感應電機牽引方式。

常導電磁懸浮和高溫超導磁懸浮均可用于該速度域。已投入商業(yè)運用的懸浮方式是采用F形鋼軌與U形電磁鐵相匹配的常導電磁懸浮，是中低速磁浮列車的主流。巴西一直在探索采用高溫超導方式[43]，其優(yōu)點是可以采用大撓跨比橋梁，但車輛承載能力、運維要求和技術成熟度還有待進一步驗證。

已商業(yè)運營的中低速磁列車采用了基本相同的懸浮架結構。最大運用速度為110 km/h。原理上這種方式的速度可以更高，日本第一代中低速磁懸浮曾達到了307.8 km/h的試驗速度[44-45]。電磁懸浮要求有效抑制車軌耦合振動，使得系統(tǒng)對線路的要求較高。針對這些問題，西南交通大學提出了創(chuàng)新懸浮架，見圖10，試驗表明該技術具備實現(xiàn)120 km/h以上運用速度和有效抑制車軌耦合振動的能力。

6.2 中速域

高速輪軌交通在200～400 km/h的速度范圍內展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，在這個速度域磁懸浮交通目前還沒有工程化運用的范例。

在中速域采用磁懸浮交通相比于輪軌方式,其優(yōu)勢在于：坡道能力和彎道能力強，列車對線路和車輛產生的振動沖擊更小，因而系統(tǒng)運營維護成本較低；劣勢在于：系統(tǒng)技術還未得到足夠的驗證，軌道結構的專用性導致其所需一次性投入的建設成本較高。在具體工程問題中，需要綜合考量系統(tǒng)成熟度、建設成本、運營維護成本等經濟性指標。

中速域磁懸浮交通的牽引動力通過車載短定子方式已難以滿足，應采用軌道側長定子牽引方式。電磁懸浮和高溫超導懸浮均可作為中速域的磁浮交通方式。

2016年國家已將200 km/h中速磁懸浮列車列為重點研發(fā)計劃，提出的2種方案均采用了電磁懸浮方式和軌道側長定子牽引，一種方案基于德國高速磁懸浮基本技術，另一種方案是在中低速磁浮列車懸浮架基礎上，進行中速域運用的適應性改進，見圖11[25]。

目前高溫超導磁懸浮列車的關注點要么在中低速域，要么在高速或超高速域，其車輛技術原理上同樣適用于中速域。西南交通大學利用環(huán)形軌道對高溫超導單懸浮模塊進行了實驗研究，相對運行速度已達到238 km/h[46]，為中速域高溫超導磁懸浮提供了一個基本方案。

6.3 高速域

按2016年7月頒布的《中長期鐵路網規(guī)劃》，到2025年中國高鐵里程將達到3.8萬km，“八縱八橫”高速鐵路主通道將實現(xiàn)相鄰大中城市間1～4 h交通圈。目前中國民航業(yè)共有206個民用機場，國內遠距離城市間基本上能實現(xiàn)4 h通達[47]。在此背景下，發(fā)展高速域磁懸浮仍有其必要性。400～1 000 km/h的高速域磁懸浮，可視為輪軌高鐵向更高速度的延伸，填補了輪軌高鐵與航空客運的速度空白，可強化輪軌高鐵已有的優(yōu)勢和經濟聚集效應，進一步轉移航空客流，有利于中國實現(xiàn)對國際社會的減排承諾[48]。高速磁浮的能耗和排放與其他客運交通方式的對比見表2。

表2 不同交通方式的能耗與排放[49]

3種懸浮原理均適用于400～1 000 km/h這一范圍。由于速度、受流、輕量化等要求，需采用軌道側長定子牽引方式。

常導電磁懸浮已實現(xiàn)了高速域商業(yè)應用，低溫超導電動懸浮的商業(yè)線也在建設之中，2016年中國已將600 km/h高速磁懸浮列車列為重點研發(fā)計劃，采用了德國常導高速磁浮交通技術路線，但在懸浮功耗、列車阻力、最高速度等方面進行了較大改進與提升。

在這一速度域，列車與真空管道技術的結合還沒有形成確定的速度界限，目前正開展的600 km/h的高速磁浮交通系統(tǒng)關鍵技術研究，沒有與真空管道技術結合。

高速域磁懸浮還處在發(fā)展初期，技術路線的研究和確定尤其重要?？山梃b的有德國、日本2種不同技術路線。高溫超導磁懸浮也適用于高速域，目前西南交通大學正在建設400 km/h級的高溫超導磁懸浮高速運行試驗平臺，預計2019年底完成。

除以上所述外，還存在第4條技術路線，即采用常導車載永磁電動懸浮的技術路線，既可避免常導電磁懸浮對軌道的極高要求，也可避免超導電動懸浮在超導應用方面的技術難點，典型的車輛方案有美國磁飛機、超級環(huán)等。永磁材料科學的發(fā)展，為這一技術路線的實施提供了有力支撐。

6.4 超高速域

超高速域從亞音速直至超音速，將軌道交通置于真空管道環(huán)境中是目前惟一的途徑，依賴磁懸浮實現(xiàn)車輛非接觸運行也是必然選擇，兩者合而為一形成了真空管道磁懸浮技術路線[5,40]。

超高速域的速度跨越非常大。從公共客運交通屬性看，目標速度并不是僅按交通工具的特定能力來確定，需要考慮多方面因素合理確定[15]。超高速軌道交通的最低要求是能達到與航空相當，實現(xiàn)轉移航空客流的目的，其次是要滿足未來公眾對更高速度的期望。作為公共客運工具，1 000～2 000 km/h速度范圍是超高速域磁懸浮軌道交通努力的目標。從非公共交通屬性，利用數倍于音速的磁懸浮軌道式超級載體，可以成為多種科學試驗的平臺工具。美國的磁浮滑橇達到了1 019 km/h的最高速度，且最終目標是9.1馬赫，中國也在開展類似研究，由西南交通大學承擔的“多態(tài)耦合軌道交通動模試驗平臺”的建設工作業(yè)已啟動。

真空管道作為高速或超高速域列車的基礎設施，需要解決超長度真空管道的建設，真空獲得與維持，環(huán)境控制，災害預防，應急救援，適用車輛，站場過渡等一系列在傳統(tǒng)交通工具中不曾遇到的技術問題[50]。

高溫超導磁懸浮、電動磁懸浮已被證實，原理上可達到超過1 000 km/h的速度[35,37]，常導電磁懸浮原理上也適用于超高速域，但目前還沒有相關試驗驗證的報導。因此，超高速域磁懸浮列車采用“真空管道技術(ETT)+高溫超導磁懸浮(HTS)”或者“真空管道技術(ETT)+電動懸浮(EDS)”2種技術路線都具有可行性。前者具有永磁軌道、可靜懸、零磁阻等特點，從工程化角度，需要解決好大載重懸浮、合理分配懸浮和導向力、低動力作用車輛設計等關鍵技術；后者具有軌道簡單的特點，需要解決好彎道導向、列車輕量化等關鍵技術。這2種技術路線均已開展相關研究，實現(xiàn)工程化都需要堅持不懈的努力，才能久久為功。

6.5 宇航域磁懸浮

利用一次性火箭進行航天發(fā)射成本高昂，每公斤發(fā)射成本通常為2～3萬美元，SpaceX公司使用可回收并重復使用的推進器發(fā)射重型火箭，不僅直接降低了發(fā)射成本，而且減少了太空垃圾，低成本可循環(huán)航天貨運發(fā)射不再是一個夢。

然而，將磁懸浮平臺非接觸運行和電磁大推力推進的特點相結合并用于航天發(fā)射，或至少部分用于航天發(fā)射[51]，是一項極具挑戰(zhàn)性的任務。

原理上最適合于這一任務的技術路線是“真空管道+超導電動磁懸浮系統(tǒng)”，采用超導獲得極強的移動磁場，采用真空管道盡可能快地獲得速度，減小對基礎設施長度的要求，采用電動磁懸浮可以顯著減小對軌道精度的要求，軌道側長定子應當布置在垂直面，以利用車載超導磁體的強磁場獲得最大的推力。這一技術路線移動平臺的技術特征與美國NASA的磁浮滑橇相同。已有學者對其技術路線進行了嘗試[51-52]。

7 結束語

我國高速列車已實現(xiàn)了350 km/h商業(yè)運行，高速磁懸浮列車已具備500 km/h的運用能力，技術的發(fā)展已激發(fā)對更高速的期盼，追求1 000 km/h甚至更高的軌道交通速度已然成為一個大趨勢[53]。

基于磁懸浮非接觸運行的基本原理，其應用速度范圍可覆蓋從城市軌道交通速度直至數個馬赫，本文提出了全速度域的概念覆蓋這一寬泛的速度范圍，并將其劃分為5個等級。

磁懸浮列車實現(xiàn)懸浮的3種基本方式分別是電磁懸浮、電動懸浮和高溫超導懸浮。其中，電磁懸浮方式和高溫超導懸浮方式具有在全速度域均可運用的潛力，前者的技術關鍵是有效抑制車軌耦合振動，后者的技術關鍵是進一步提升承載能力。電動懸浮方式可用于高速域，由于磁阻力很大，不適用于中速及以下速度域。

目前在中低速域和高速域均已成功實現(xiàn)磁懸浮軌道交通商業(yè)化運營，在中速域和超高速域應用磁懸浮交通的研究也在持續(xù)開展。從原理可行到工程化實現(xiàn)，尚需解決一系列關鍵技術。超高速磁懸浮交通是一個十分復雜的巨系統(tǒng)，如何加速突破技術瓶頸并將眾多關鍵技術有機集成實現(xiàn)工程化和商業(yè)化，還有大量的工作要做。