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        浮寄孤懸,磁懸浮列車的門門道道

        2021-03-04 16:44:04四川省南充市纖維檢驗(yàn)所陳春全

        四川省南充市纖維檢驗(yàn)所 陳春全

        世界上的懸浮技術(shù)多種多樣,比如磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、電懸浮、粒子束懸浮等等。但這其中以磁懸浮技術(shù)最為成熟和可靠。磁懸浮列車主要由懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)等組成。磁懸浮列車在行駛過(guò)程中始終懸浮于軌道上方,因此最大限度地減少了摩擦力,從而具有高速、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

        常導(dǎo)和超導(dǎo)

        磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的機(jī)電一體化技術(shù),而作為前沿科技之一的磁懸浮列車技術(shù),一直是世界上各大國(guó)研究的熱點(diǎn)。

        美國(guó)在上世紀(jì)70 年代放棄了研究磁懸浮列車技術(shù),但最近幾年又“重起爐灶”,搞出了一個(gè)“真空管道磁懸浮星際列車”項(xiàng)目。簡(jiǎn)而言之,就是讓磁懸浮列車在真空管道中行駛,由于真空管道中既沒有摩擦力也沒有空氣阻力,所以其速度可高達(dá)每小時(shí)數(shù)千千米。不過(guò),這種理論上可行的技術(shù)還面臨很多現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題,目前尚處于實(shí)驗(yàn)室初級(jí)階段。

        世界上第一次載人試驗(yàn)的磁懸浮列車技術(shù)是1982 年底在日本的宮崎磁懸浮鐵路試驗(yàn)線上完成的。當(dāng)時(shí),日本采用的是超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)。而我國(guó)上海2003 年正式運(yùn)營(yíng)的全長(zhǎng)29.863 千米的磁懸浮列車專線,則是我國(guó)第一條投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁懸浮列車線路。其中,車輛、控制、驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)均從德國(guó)引進(jìn),采用的是常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)。2016 年5 月,我國(guó)首條完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的長(zhǎng)沙磁浮快線投入運(yùn)營(yíng)。這條全長(zhǎng)18.55 千米的中低速磁懸浮列車商運(yùn)線路,采用的也是常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)。

        那么,常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)和超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)又有什么區(qū)別呢?

        所謂“常導(dǎo)”和“超導(dǎo)”,其實(shí)就是磁懸浮方式的不同而已?!俺?dǎo)”采用的是電磁懸浮技術(shù),而“超導(dǎo)”采用的則是電動(dòng)懸浮技術(shù)。

        簡(jiǎn)單地說(shuō),常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)就是列車下部的電磁鐵與軌道繞組上的電磁鐵產(chǎn)生磁鐵反作用力使列車懸浮起來(lái),超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)則是利用列車運(yùn)動(dòng)時(shí)其下部電磁鐵與軌道間繞組上的電磁鐵產(chǎn)生的電動(dòng)斥力使列車懸浮起來(lái)。

        我們判斷一輛磁懸浮列車究竟采用的是哪一種技術(shù),只需要看列車停車后是否仍然能夠懸浮便可知道。停車后還能懸浮的就是常導(dǎo)型磁懸浮技術(shù),停車后不能懸浮的就是超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)了。

        高溫超導(dǎo)和低溫超導(dǎo)

        日本在其中央新干線上采用低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù),曾經(jīng)創(chuàng)造過(guò)磁懸浮列車每小時(shí)600 千米左右的載人運(yùn)行世界紀(jì)錄。2021 年初,我國(guó)自主研發(fā)的高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線在成都的西南交大啟用,據(jù)稱設(shè)計(jì)時(shí)速為每小時(shí)620 千米。

        那么,低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)和高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)又有什么區(qū)別呢?

        所謂的“高溫超導(dǎo)”是一種物理現(xiàn)象,指一些具有較其他超導(dǎo)物質(zhì)相對(duì)較高的臨界溫度的物質(zhì),在液態(tài)氮的環(huán)境下產(chǎn)生的超導(dǎo)現(xiàn)象。其中,“臨界溫度”是指使物質(zhì)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的最高溫度。每一種物質(zhì)的臨界溫度都不相同。在常壓下,液態(tài)氮的沸點(diǎn)為-196.56 ℃。具有高溫超導(dǎo)特性的物質(zhì)就被稱為“高溫超導(dǎo)體”。

        人類在1911 年便發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體,但是由于它們都只是在極低的溫度下才顯示出超導(dǎo)性能,因此在過(guò)去將近百年的時(shí)間內(nèi)其應(yīng)用都非常有限。直到1987 年,科學(xué)家卡爾·亞歷山大·米勒和約翰內(nèi)斯·格奧爾格·貝德諾爾茨因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了“高溫”的銅氧化物超導(dǎo)體而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

        值得注意的是,這里所講的“高溫”和“低溫”是相對(duì)的,并不是我們一般認(rèn)為的高溫就是幾百幾千攝氏度,低溫就是零下多少攝氏度。以日本的低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)來(lái)說(shuō),它就需要-268 ℃的條件,因此要用液態(tài)的氦來(lái)進(jìn)行冷卻。而我國(guó)的高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)只需要用液態(tài)氮(-196.56 ℃)來(lái)進(jìn)行冷卻便完全可以達(dá)到要求。同時(shí),由于氦元素稀缺而氮元素常見,因此高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)比低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)更為方便和節(jié)約成本。

        低溫超導(dǎo)磁懸浮列車最大的特點(diǎn)是在停止時(shí)車身無(wú)法懸浮于軌道之上,而在啟動(dòng)時(shí),需要列車速度達(dá)到每小時(shí)100 千米才能實(shí)現(xiàn)懸浮。

        高溫超導(dǎo)磁懸浮列車

        目前,由我國(guó)西南交大研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車還屬于工程化樣車,也就是處在從實(shí)驗(yàn)室走向工程化的這個(gè)階段,還需要通過(guò)后續(xù)的試驗(yàn)、改進(jìn)等一系列環(huán)節(jié),才能真正成為我們可以乘坐的交通工具。

        此款高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車采用了全碳纖維輕量化車體,整車重約12.5噸。因?yàn)槭菓腋∮谲壍郎戏?~3 厘米的位置,所以一個(gè)人便可輕松將其推動(dòng)。由于采用了低風(fēng)阻設(shè)計(jì),整個(gè)車體看起來(lái)就像一個(gè)碳纖維的鴨嘴形狀,非常科幻。

        和以前各種類型的磁懸浮列車不同的是,高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車采用的是永磁體軌道,僅在車底安裝有高溫超導(dǎo)體。因此,只要用液態(tài)氮進(jìn)行冷卻便可實(shí)現(xiàn)懸浮。而傳統(tǒng)的電磁懸浮列車需要通電后才能懸浮,電動(dòng)懸浮列車則需要運(yùn)動(dòng)起來(lái)才能實(shí)現(xiàn)懸浮。

        磁懸浮技術(shù)在全世界范圍內(nèi)來(lái)說(shuō),都還處于研究和發(fā)展的階段,各種磁懸浮技術(shù)都有各自的特點(diǎn)與不足,但建設(shè)成本過(guò)高一直是磁懸浮列車飽受詬病的一個(gè)弱點(diǎn)。據(jù)了解,其建設(shè)成本比高鐵還要高數(shù)倍?,F(xiàn)在已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁懸浮列車線路大多處于虧損狀態(tài),被嘲諷為“賠本賺吆喝”的項(xiàng)目。因此,我國(guó)研發(fā)的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車能否真正投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)還需要拭目以待。

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