磁悬浮列车和相关领域的认识和理解

 

从人类起源至今，人类出行的交通方式一直在更替变换，从步行到人力车和人力船，到牛车和马车等畜力车，到帆船和滑翔机等依靠自然外力工作的交通工具，到蒸汽火车和内燃汽车等利用化石能源工作的交通工具，再到电力机车和电动汽车等利用电力驱动的交通工具。人类出行方式的种类由单一逐渐繁多、由费时费力逐渐快捷方便，古代“进京赶考，三月未达”已成历史，如今“进京办事，朝发夕至”。改革开放的“时代快车”把中国和中华民族载回了世界发展舞台的中心，工业革命的“科技飓风”带来的高铁、磁悬浮等高科技产物彻底改变和提高了中国人民、世界人民的生活质量。

接下来，本文将从以下五个部分和大家一起分享笔者对磁悬浮列车和相关领域的认识和理解。

第一部分，中国高铁的“前世今生”；

第二部分，有中国高铁了，为什么还要发展中国磁悬浮？

第三部分，磁悬浮列车的“前世今生”；

第四部分，世界上仍在商业运营的磁悬浮线路；

第五部分，这几年火爆全世界的超级高铁与磁悬浮有什么关系？

（一）中国高铁的“前世今生”

自1825年英国首先建成世界上第一条轮轨式铁路以来，世界各国开始了从普通铁路到快速铁路、再到高速铁路三个阶段的发展，火车的牵引动力也从蒸汽机发展到内燃机、再到电气牵引。1964年日本率先建成了电气化高速铁路，使铁路的商业运营速度首次达到210km/h[1]。1978年，***主席访问日本，乘坐新干线铁路上的高速列车，高速铁路因此正式进入中国大众的视野。1990年，中国开始高速铁路技术攻关和实验实践规划，至此拉开了我国高速铁路建设和发展的帷幕。

中国高速铁路（英文名China High-speed Railway），简称中国高铁。中国高铁从技术成分和商标上可分为CRH系列和CR系列[2]。其中，CRH系列动车组取名为“和谐号”（如图1所示），寓意“建设和谐铁路，打造和谐之旅，构建社会主义和谐社会”，为中国铁道科学研究院集团有限公司注册的商标，且动车组为中国与外国联合设计生产；CR系列动车组取名“复兴号”），寓意“承载着中华民族伟大复兴中国梦”，为中国铁路总公司注册的商标，且动车组为中国自主研发生产。

根据《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）：中国高速铁路是设计速度每小时250千米（含预留）以上、列车初期运营速度每小时200千米以上的客运专线铁路[2]。中国高铁的运营时速为200km/h-350km/h，最高运营速度350km/h，截止2019年底居全球首位。

另外，中国京沪高速铁路最高实验速度达486.1km/h，实验室内最高实验速度达605km/h，说明了高铁的运营速度有提高的空间。2017年底，中国铁路“四横四纵”快速通道全部建成通车，东部、中部、西部和东北四大板块区域之间完成高铁互联互通，基本实现了“国内朝发夕至”这一宏伟目标，极大地提高了人们出行的便捷性和舒适性。

截至2019年底，中国高铁营业里程达到3.5万公里，远超过世界高铁总里程的三分之二，成为世界上高铁里程最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家。

（二）有中国高铁了，为什么还需要发展中国磁悬浮？

高铁属于轮轨交通，高铁车体的车轮与轨道是接触式的，推动高铁向前行驶的推力由轮子与轨道的接触摩擦产生。然而，随着高铁运行速度的增加，出现了以下三个方面的问题：   第一，高铁车体受到的空气摩擦力随速度的增加激增，而轮轨能够提供的牵引力下降，这一实际情况导致高铁提速所需要的能量损耗巨大，制约了高铁运行速度的进一步提高；   第二，现有高铁技术依靠弓网和供电电缆的接触实现高铁供电和驱动，以控制高铁动车组的加速和减速，车辆弓网和供电电缆的接触供电方式也不允许高铁速度的无限提高；   第三，随着速度的增加，高铁运行产生的轮轨噪声和气动摩擦噪声也与之激增，对周边环境具有较大的干扰破坏。也就是说，在综合考虑经济、安全、技术可行等条件的基础之上，高铁长期运营的最高速度约为350km/h。

20世纪60年代，铁路专家们就关注到了这些实际问题，为此，列车轮子与轨道无接触、弓网与供电电缆无接触的磁悬浮列车孕育而生。

磁悬浮列车是基于磁极“同性相吸，异性相斥”的原理，利用永磁力、电磁力或超导磁力克服车辆重力的作用，使车辆和轨道相互间达到无机械接触式的平衡状态，并利用直线电机驱动控制列车的加减速[3]。

磁悬浮列车与高铁最大的区别是无机械接触，故与高铁相比具有六大优势[4][5]： （1）无接触摩擦、摩擦能耗低，同一速度下高速磁浮列车的单个座位能耗比高铁降低30%； （2）爬坡能力强、转弯半径小，同等距离下磁浮列车的爬坡能力可达10%，比高铁高6%，同一速度下，磁浮列车的转弯半径更小，易于路线选定； （3）安全性好、舒适度高，基于电磁悬浮实现无接触，车体振动小，不易脱轨，其安全性是轮轨列车的250倍； （4）速度可调范围大、适应性强，中低速磁浮列车可用于解决城市-郊区之间的短途交通，高速磁浮列车速度可达500km/h，为远距离的客运和货运提供了更高效的解决方案； （5）污染小、环境友好程度高，磁浮列车原理是基于磁悬浮实现无接触式运行，故其碳排放量和噪音均远低于普通有轨列车；

      （6）系统耐用、维护费用低，磁浮列车正常工作属于无接触、无磨损运行，系统的维护费用仅占传统有轨列车的34%。   以上六点优势是磁悬浮特有的，也是磁悬浮列车的最大潜力所在。其实在1998年中国建设京沪高速铁路时，就出现高铁技术和磁悬浮技术两种方案的互斥争议，京沪高速铁路项目也因此搁置了一段时间，最终经专家论证选择了当时技术更为成熟的高铁技术。也正因为高铁技术在京沪高速铁路上的成功应用，中国高铁技术在新世纪的20年内发展迅猛。   现如今，传统的常导吸力型磁悬浮技术已完全成熟，中车青岛四方、国防科大、西南交大和中科院电工所等单位已掌握了具有自主知识产权的常导型高速磁浮列车和常导型中低速磁浮列车技术。另外，低温超导磁悬浮、高温超导磁悬浮和超级高铁等多种磁悬浮方案相继提出，并逐步开展了原理性验证、实验示范等工作，使得磁悬浮列车的发展再次进入到了大众的视野，也逐渐引起国家、相关行业和大众的持续关注。  

（三）磁悬浮列车的“前世今生”

世界上最早进行磁浮列车研究的国家是德国，并创造了磁浮列车技术发展历史上的多个里程碑。1922年，德国人赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理，并在1934年获得世界上第一项有关磁悬浮技术的专利。20 世纪70年代以后，随着工业化国家经济实力不断增强，为提高交通运输能力以适应其经济发展和民生的需要，德国、日本、英国、加拿大、美国、前苏联和中国相继开展了磁悬浮运输系统的研发工作。

从上个世纪20年代至今的一百年里，世界范围内研究、开发了多种磁悬浮列车，根据悬浮原理的不同，可将其分为五类。   第一类：常导吸引型磁悬浮列车，安装在列车上的电磁铁（常规导电线缆绕制而成）与轨道之间的吸力与列车的重力平衡，使得列车稳定悬浮于空中，悬浮高度约为8-10mm；   第二类：低温超导斥力型磁悬浮列车，安装在列车上的电磁铁（超导线缆绕制而成）与布置在两侧轨道上的“8”字型线圈之间相对运行而产生斥力，使得列车稳定悬浮于空中，悬浮高度约为100mm；   第三类：高温超导型磁悬浮列车，安装在列车上的高温超导磁体与布置在轨道上的永磁体相互作用，使得列车稳定悬浮于空中，悬浮高度约为20mm；

第四类：磁悬浮飞机，安装在列车上的永磁体与布置在轨道上的感应板或感应线圈相互作用，使得磁悬浮飞机稳定悬浮于空中，悬浮高度约为80-150mm（之所以称为磁悬浮飞机有三点原因： 第一，磁悬浮飞机的悬浮高度比磁悬浮列车的悬浮高度更高； 第二，机身两侧设计有边条或小翼，尾部还设计有起平衡作用的尾翼，具有许多飞机的特点； 第三，磁悬浮飞机的自动控制系统、车体、定位系统等设备都是按飞机标准设计，具有无噪音、无污染、速度快、节能等优点）。   第五类：超级高铁，将磁悬浮技术和真空管道技术结合，无机械摩擦阻力和降低空气摩擦阻力，大幅提高其运行速度。   各类磁悬浮列车的发展历程总结如表1所示[6-10]。

表1 磁悬浮列车发展历程简表

（四）世界上仍在商业运营的磁悬浮线路

到目前为止，全世界范围内仍在商业运营的磁悬浮线路均为常导吸引型磁悬浮。常导吸引型磁悬浮分为高速型和中低速型，高速型磁悬浮的运行时速一般大于400km/h，如德国TR系列高速磁悬浮列车和具有中国自主知识产权的高速磁悬浮列车；中低速型磁悬浮的运行时速约为80-120km/h，如日本HSST系列中低速磁悬浮列车、中国CMS系列中低速磁悬浮列车和韩国MLV系列中低速磁悬浮列车。  

除德国、日本、韩国和中国四个国家外，英国、加拿大、美国、前苏联等国家从上世纪中期起，均开展了EMS型磁悬浮列车技术的研究。到目前为止，我国在2002年底引进的德国磁浮技术于上海建成的国内首条高速磁浮线，仍是全球唯一商业运营的高速磁浮列车线路，最高运行时速达430km/h（如图3所示）。

目前还在运营的中低速型磁浮列车，全球一共四条线路，分别是中国长沙磁浮快线（最高运行速度100Km/h，如图4所示）、中国北京S1号地铁线（最高运行速度80Km/h）、日本名古屋磁浮线（最高运行速度100Km/h，如图5所示）和韩国仁川国际机场线（最高运行速度100Km/h，如图6所示）。

（五）这两年火爆全世界的超级高铁与磁悬浮有什么关系？

超级高铁的概念雏形是真空管道运输技术，最初是由机械工程师达里尔·奥斯特在上世纪90年代提出，在1999年获得该项技术专利，并注册成立了ET3公司，提出在纽约和洛杉矶之间修建一条长为4600 km的线路，最高时速为6500km/h，预计每公里成本125万美元，每辆车体造价27万美元。

2013年美国SpaceX公司创始人、新能源汽车公司特斯拉CEO埃隆·马斯克将其丰富，正式提出超级高铁的概念，是将磁悬浮技术和中真空技术等技术相集成而产生的现代交通工具，时速可达600km/h至1200km/h，甚至有学者相信其速度能远超过音速（音速为每小时1224km/h），达到4000km/h以上。由于超级高铁列车的外形类似于胶囊，故又称为超回路胶囊列车，这种列车不仅可将时空大幅缩短，方便人们的出行，其高效的能量利用还将使运输成本大幅度下降。很多学者认为，若该技术发展成熟投入使用，运输成本远低于现有的高速铁路[11][12]。

总结而言，磁悬浮技术和真空管道技术是超级高铁的两大核心技术。磁悬浮技术使得列车与轨道和供电电缆之间无机械接触，避免了超高速运行过程中造成的机械摩擦损耗；真空管道技术使得列车与空气之间的运动摩擦力减小，使得超高速运行过程中所产生的空气阻力减小。这两项技术不仅是保证超级高铁运行到超高速的前提，更是超级高铁降低运营成本的关键。

（六）超级高铁到底行不行？

从2013年马斯克提出超级高铁的概念以来，相关领域的学者和专家对“超级高铁”这一想法持有完全相反的争议。部分学者认为在现有交通网络下没有必要发展超级高铁，也有学者认为超级高铁是一个天方夜谭的概念，是一个技术上不可信的圈钱骗局；尽管如此，仍有数家公司、研究单位一直在坚持超级高铁的研究和开发工作。

2013年，HTT与Ansys、加州大学洛杉矶分校、Aecom和Oerlikon达成合作协议，分别进行流体力学、建筑设计和真空管道技术方面的合作[13]。2016年5月，Hyperloop One在内达华沙漠公开演示了其推进系统原型，推进装置在1.1秒内从0加速到97km/h，最高时速达187km/h[14]。

2014年6月，西南交通大学研究团队将高温超导磁悬浮与真空管道概念相结合，研制成功了新一代的高温超导磁悬浮环形实验线及真空管道高温超导磁悬浮试验平台“Super-Maglev”。

2017年5月，Hyperloop One首次在真空环境中对超级高铁进行了全面测试，时速113km/h，7月再次测试，时速达310km/h。同年8月，中国航天科技集团公司宣布，已启动了1000km/h高速飞行列车研发项目，将开发最高运行速度2000km/h、4000km/h的超高速列车。

2018年4月，HTT与阿尔达尔签署合同，将在迪拜与阿布扎比间修建一条10公里的试验线，计划2020年完成，未来将修建150公里的全程，时速将达1123km/h。

2018年6月，在世界交通运输大会“高速铁路发展技术论坛”上，西南交通大学向外界宣布，世界上时速最快的真空高温超导磁悬浮比例模型试验线正在成都搭建调试，试验线直径4.2m，长140m，液氮制冷，悬浮高度10mm，承重200kg，最高测试时速可达400km/h。同月，HTT与乌克兰签署协议，在乌克兰开始建设商业高级高铁系统，随后公布其超级高铁乘客舱的尺寸为纽约市地铁车厢的两倍，最高时速达1233km/h。

2018年7月，HTT和中国贵州省铜仁市政府签订了“真空管道超级高铁研发产业园项目”，双方将按照1:1出资、各占50%股权组建合资公司，在铜仁市建设一条10km长的超级高铁线路，同时双方将共同建设一个超级高铁产业配套园区，占地500-1000亩[15]。

2018年10月，HTT在西班牙展示了其首个全尺寸乘客舱，该乘客舱长32m，重5t，由复合材料制成，展出之后将转移到法国的图卢兹市进行重新组装，之后将被部署到首批超级高铁商用轨道上。

2020年11月8日，维珍公司（Virgin）的超级高铁（Hyperloop）项目在美国内华达州拉斯维加斯附近的沙漠中完成了首次载人试验。在这次测试使用的500米长管道中，车体仅用了15秒就到达了终点，最高载人时速160Km/h。

作为磁悬浮领域的研究人员之一，笔者认为超级高铁在原理上是能够融洽自通的，在目前的技术上可能存下以下几个方面的难点：

第一，现有磁悬浮技术的载重比普遍较低。载重比低也就意味着相同体积的载客空间可承载的乘客人数较少，故载客人均成本高，更无法应用于载货；

第二，如何实现站台处真空与正常大气压的有效隔绝。超级高铁运行在真空环境中，而乘客是从正常的大气压环境通过站台进入超级高铁的乘客舱中，站台处的气密性设计是一项重要且艰难的工作；

第三，真空中如何维持热平衡。众所周知，由于真空状态下没有空气，故是不能通过对流来实现散热的，而超级高铁在运行过程中不可避免的会有热量产生，若不能快捷、高效的将真空环境中的热量转换或导离，真空环境下将热失衡，影响整个系统的正常工作。

尽管超级高铁技术目前仍存在不少技术难题，但阻挡不了人们对“更快速、更舒适、更安全、更经济、更环保”出行方式的追求。只是从超级高铁概念的提出，到理论探索研究，再到实验原理性验证，再到示范性运营，再到全面推广还需要一代代磁浮人始终如一的坚持和漫长的时间沉淀。如同1865年中国第一条铁路修建，到如今“四横四纵，全国互通”的高铁网搭建完成，谁也未曾想到100多年的时间人类的出行方式发生了翻天覆地的变化。故所谓“科技无极限，没有不可能”，若干年后，磁悬浮列车、超级高铁也许会和现在的普通列车、高铁一样普遍和适用！

 

原文标题：没有轮子、会飞的火车——磁悬浮列车

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责任编辑：haq