■文/王麟

同學(xué)們，你們認為在交通領(lǐng)域，哪種交通工具的速度最快？有同學(xué)會說，陸地上最快的交通工具是高鐵吧；也有同學(xué)說，是飛在空中的飛機。在高速交通領(lǐng)域，高鐵和飛機無疑是一對最有力的競爭者。在陸地上，高鐵在時速160～400千米范圍很難遇見競爭對手；而在空中，民用飛機在時速800～1 000千米范圍也是稱雄一方。

細心的同學(xué)會發(fā)現(xiàn)，在高鐵和飛機各自“管轄”的速度范圍之間，還有一個空當尚未被填補。那么，在時速400～800千米的速度領(lǐng)域，誰能擔當大任呢？這就需要我們今天的主角——高溫超導(dǎo)磁浮列車閃亮登場了。

2021年1月13日，世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗線在我國成都下線啟用。這臺重達12噸的樣車就像是漂浮在水面上的一片葉子，僅用手就能輕松向前推動，其時速則高達620千米，是我國自主研發(fā)設(shè)計、自主制造的，標志著高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化研究實現(xiàn)從無到有的突破。

“同性相斥”原理，讓列車懸浮起來

為什么磁懸浮列車可以跑那么快，其實，這主要和同學(xué)們了解的兩大知識點——電與磁有關(guān)。

磁懸浮列車跑得快的秘密之一，在于“電流的磁效應(yīng)”這個原理。1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特在一個小伽伐尼電池的兩極之間接上一根很細的鉑絲，在鉑絲正下方放置一枚磁針，然后接通電源，小磁針微微地跳動，轉(zhuǎn)到與鉑絲垂直的方向。這正是他苦苦求證的電流磁效應(yīng)。此后，法國物理學(xué)家安培又通過大量的實驗研究了電流間的相互作用，并且提出了著名的分子電流假說：磁性物質(zhì)中，每個分子都有一段微觀電流，每個分子的圓電流會形成一個小磁體。

在磁性物質(zhì)中，這些電流沿磁軸方向規(guī)律地排列，從而顯現(xiàn)一種繞磁軸旋轉(zhuǎn)的電流，如同螺線管電流一樣。這就是電流間產(chǎn)生的相互作用力，它與兩塊磁鐵間的“異性相吸、同性相斥”作用力類似?！巴韵喑狻睍r，兩塊磁鐵中間有股看不見的力量，在極力“拒絕”兩塊磁鐵相吸。磁懸浮列車亦是如此。在磁懸浮列車運行過程中，車體與軌道會始終處于一種“若即若離”的狀態(tài)。

有同學(xué)會問：懸浮會有什么優(yōu)勢呢？當普通火車在車軌上開動時，車輪是在車軌上行駛的，那么就存在摩擦，有摩擦就有阻力，有阻力就會影響速度。而讓列車懸浮于車軌上，可以減小摩擦力，列車速度就更快了。這么一說，大家就都能理解了吧！

技術(shù)不同，懸浮方式也不同

磁懸浮列車采用的技術(shù)按照懸浮方式的不同，可分為電磁懸浮、電動懸浮和高溫超導(dǎo)磁浮。

超導(dǎo)電動磁斥式

常導(dǎo)電磁吸引式

上海浦東機場線

1 電磁懸浮列車：早就投入運營

電磁懸浮是利用車載電磁鐵與導(dǎo)軌之間產(chǎn)生的吸引力懸浮列車。以德國TR高速磁浮列車為例，列車車體跨坐在軌道梁上面并環(huán)抱軌道梁，軌道梁的底部安裝有長定子鐵芯和線圈，側(cè)面安裝有導(dǎo)向和制動軌。而列車“U”形車體底端安裝懸浮和牽引電磁鐵，側(cè)端安裝導(dǎo)向和制動線圈。通電以后，軌道梁底部的長定子鐵芯和線圈產(chǎn)生磁場，吸引“U”形車體底端的懸浮和牽引電磁鐵，從而讓車體懸浮起來，屬于“吸引懸浮”。列車開動之后，通過控制導(dǎo)向和制動線圈與導(dǎo)軌之間的磁力，實現(xiàn)列車的導(dǎo)向和制動。列車的懸浮間隔為8～10毫米，運行時速可達400～500千米。日本的HSST中低速磁浮列車和我國的中低速磁浮列車也采用了這個技術(shù)方案。

2000年，我國引進了德國的TR08車型電磁懸浮列車，建成上海浦東機場線，并于2004年正式投入商業(yè)運營。2016年5月，我國中低速磁浮軌道交通長沙磁浮快線正式開通，其設(shè)計最高時速為100千米。2018年6月，長沙磁浮列車最高時速提至160千米。2019年5月23日，我國時速600千米的高速電磁懸浮試驗樣車在青島下線，并進行了列車運行試驗。

采用超導(dǎo)電動磁斥式的日本ML100

采用常導(dǎo)電磁吸引式的中國長沙磁浮快線

2 電動懸浮列車：需要輔助輪幫忙

電動懸浮也稱“磁斥式懸浮”，依靠車輛上的超導(dǎo)磁體，在列車運動時切割安裝在線路上的導(dǎo)體，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流產(chǎn)生的磁力線與車輛磁體產(chǎn)生的磁力線相反，從而形成斥力，實現(xiàn)懸浮。這是一種利用電動排斥力來實現(xiàn)懸浮的技術(shù)，排斥力與導(dǎo)體切割磁感線的速度有關(guān)。速度越快，感應(yīng)磁場越大，懸浮力就越大。但是，它不能實現(xiàn)靜止懸浮，因為列車靜止的時候，不會切割磁力線，也不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以無法產(chǎn)生懸浮力。因此，在列車速度較低的時候，需要輔助輪幫忙。該技術(shù)的優(yōu)點是車輛的懸浮高度高、自穩(wěn)性強、不消耗電能。日本高速磁浮列車的懸浮高度可達到100毫米，美國GA公司研發(fā)的低速磁浮列車的懸浮高度為25毫米。

日本ML500 型試驗車

以日本的低溫超導(dǎo)磁浮列車為例，其技術(shù)原理是在“U”形軌道梁側(cè)壁上連續(xù)排布著“8”字形線圈。當車載低溫超導(dǎo)磁體沿著軌道水平移動時，軌道側(cè)壁線圈內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電流，“8”字形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。因此，電動懸浮列車需要達到每小時100 千米的初始速度才能實現(xiàn)懸浮，在此之前，需要輔助輪幫助列車在導(dǎo)軌上運行。

日本從1962年開始研究電動懸浮技術(shù)，1979年，ML500 型試驗車的時速已經(jīng)達到517千米。2015年，日本超導(dǎo)磁懸浮列車實現(xiàn)了每小時603千米的試驗速度。

3 高溫超導(dǎo)磁浮列車：溫度并不高

高溫超導(dǎo)磁懸浮的技術(shù)原理比較復(fù)雜，通俗來講，就是高溫超導(dǎo)體有一個很特殊的性質(zhì)叫“釘扎效應(yīng)”，可以使超導(dǎo)體隨外磁場變化，感應(yīng)出與外磁場相排斥的超導(dǎo)強電流。超導(dǎo)電流再與外磁場相互作用，就能夠產(chǎn)生懸浮力，從而實現(xiàn)列車的自懸浮與導(dǎo)向。

這類超導(dǎo)體采用液氮冷卻，超導(dǎo)性能良好。而液氮的溫度約為-196℃，遠高于低溫超導(dǎo)使用的液氦溫度（-269℃），所以能夠大大簡化低溫制冷系統(tǒng)，可降低列車的自重。原來，高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)并不像我們想象中的那樣有很高的溫度，而是和低溫超導(dǎo)技術(shù)相比，它是“高溫”而已。

高溫超導(dǎo)磁浮列車的懸浮高度為10～30毫米，車體質(zhì)量僅為輕軌列車的一半，可以減少建造成本；冷卻超導(dǎo)體所需的氮氣來自空氣，不會造成環(huán)境污染；其運行能耗也小，僅為飛機的1/20。最主要的是，高溫超導(dǎo)磁浮軌道產(chǎn)生的磁場為靜磁場，輻射量很小，對乘客的影響可以忽略不計。

而且，此次啟用的高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車采用全碳纖維輕量化車體、低阻力頭型等新技術(shù)和新工藝，設(shè)計時速達620千米，有望創(chuàng)造陸地交通速度新紀錄。高溫超導(dǎo)磁浮還有一個顯著的特點——列車前進方向的磁阻力幾乎為0。在這些優(yōu)勢的加持下，高溫超導(dǎo)才能幫助磁浮列車實現(xiàn)高速“奔跑”。

高溫超導(dǎo)磁懸浮

西南交通大學(xué)內(nèi)的高溫超導(dǎo)磁浮列車試驗線

新型高溫超導(dǎo)磁浮列車向前滑行演示

中國走在這一領(lǐng)域的前沿

在高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)領(lǐng)域，我國自始至終是走在前面的。最早的磁浮模型車就是我國和德國于1997年聯(lián)合研制成功的。這輛高溫超導(dǎo)磁浮模型車重20千克，懸浮高度為7毫米。2000年12月31日，西南交通大學(xué)的高溫超導(dǎo)磁浮研究團隊研制出世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮車“世紀號”，可以乘坐4名乘客，車輛懸浮高度為20毫米。與此同時，德國、巴西、美國、意大利、日本、俄羅斯等國也都開展了高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)的研究，取得不俗的成果。比如，德國研制成功“SupraTrans I”試驗車，巴西在2014 年修建完成一條長度為200米的高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗線，美國建造了真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗平臺。而我國最早研究高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)的西南交通大學(xué)也在與時俱進，在2014年6月將高溫超導(dǎo)磁懸浮與真空管道概念相結(jié)合，研制成功新一代的高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形試驗線及真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗平臺。

在高速交通領(lǐng)域，輪軌式高速列車時速不超過400千米是比較經(jīng)濟的，因為一旦超過這個臨界速度，無論是列車控制、運行安全方面還是經(jīng)濟方面，輪軌式高速列車都會面臨很多挑戰(zhàn)。當列車運行時速超過400千米的時候，采用磁浮技術(shù)是必然的選擇。但是，無論是采用磁浮技術(shù)還是輪軌技術(shù)，列車的運行速度越快，遇到的空氣阻力就越大，而克服空氣阻力耗能越大，性價比越不高，得不償失。所以，高速磁浮列車的發(fā)展方向最終就是與真空管道技術(shù)相結(jié)合，研制和推廣真空管道高溫超導(dǎo)磁浮列車。在這個領(lǐng)域，中國依然走在了前面。

日本展示的新型磁懸浮列車

美國正在研制的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗平臺