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編者按

磁懸浮列車通過(guò)電磁力實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間的無(wú)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。磁懸浮列車的構(gòu)想于20世紀(jì)初首次被提出，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前磁懸浮列車已逐步投入使用。2021年1月，我國(guó)成都市在165 m長(zhǎng)的軌道上首次試運(yùn)行了最高時(shí)速為620 km的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車，為未來(lái)我國(guó)高速軌道交通的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

中國(guó)工程院院刊《Engineering》2021年第7期刊發(fā)《風(fēng)馳電掣——磁懸浮列車穩(wěn)步發(fā)展》，報(bào)道了磁懸浮列車在全球主要國(guó)家的發(fā)展現(xiàn)狀以及技術(shù)創(chuàng)新情況，指出了磁懸浮列車發(fā)展面臨的主要問(wèn)題，總結(jié)了磁懸浮列車未來(lái)的發(fā)展前景。文章指出，建造具有商業(yè)可行性的磁懸浮線路的主要挑戰(zhàn)是找到合適建造地點(diǎn)以及成本效益等。

2021年1月，最高時(shí)速為620 km的高溫超導(dǎo)（HTS）磁懸浮列車在165 m長(zhǎng)的軌道上進(jìn)行第一次試運(yùn)行，這是其首次在中國(guó)四川省成都市公開(kāi)亮相。這列21 m長(zhǎng)的空氣動(dòng)力機(jī)車及其試驗(yàn)軌道均由輕質(zhì)炭纖維制成，為中國(guó)高速鐵路未來(lái)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

香港理工大學(xué)和美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校工程學(xué)教授及高速鐵路規(guī)劃、工程和運(yùn)營(yíng)專家Tsung-Chung Kao說(shuō)：“盡管HTS技術(shù)不是一項(xiàng)巨大的革新，但重要的是他們真的在努力研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。”

20世紀(jì)初，美國(guó)人Robert Goddard和Emile Bachelet首次構(gòu)想出由磁場(chǎng)力懸浮并向前推進(jìn)的無(wú)摩擦列車，當(dāng)時(shí)磁懸浮列車就已經(jīng)被譽(yù)為鐵路的未來(lái)。然而直到20世紀(jì)30年代，德國(guó)工程師Hermann Kemper將這一概念付諸實(shí)際，該技術(shù)才再次得以發(fā)展。幾十年后，在20世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家James Powell和Gordon Danby獲得了磁懸浮列車技術(shù)的首批專利，其中一項(xiàng)是針對(duì)迄今為止開(kāi)發(fā)的所有磁懸浮列車設(shè)計(jì)背后的線性電動(dòng)機(jī)的概念專利。

這些列車的磁懸浮系統(tǒng)分為兩類：電動(dòng)懸架（EDS）和電磁懸架（EMS）。20世紀(jì)70年代，日本工程師開(kāi)始廣泛開(kāi)發(fā)EDS，其中，軌道和列車上的超導(dǎo)磁鐵會(huì)施加相反的磁場(chǎng)，由此產(chǎn)生的排斥力將列車抬升到軌道上方。EMS的發(fā)展則主要由德國(guó)工程師推動(dòng)，其通過(guò)磁引力以與EDS相反的方式工作。想想一下拿起一個(gè)巨大的“T”形塊，你的手（列車）繞著木塊（鐵軌）螺旋移動(dòng)。你指尖上的磁鐵會(huì)被“T”形塊下側(cè)的磁鐵吸引，這就是列車被抬起的原理。同時(shí)，大拇指內(nèi)側(cè)以及指關(guān)節(jié)的磁鐵會(huì)被“T”形塊末端的磁鐵吸引，從而為列車在沿軌道向前行駛時(shí)提供引導(dǎo)。無(wú)論是EDS還是EMS方案，列車都懸浮在軌道上方1~10 cm處。軌道中內(nèi)置的帶交流電的電動(dòng)推進(jìn)回路會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)既可以從前面拉動(dòng)列車，也可以從后面推動(dòng)列車。

盡管磁懸浮列車以超過(guò)600 km·h-1的速度行駛，但乘客所感受到的顛簸會(huì)比傳統(tǒng)鋼輪式列車要少，原因是列車唯一的摩擦源是空氣。磁懸浮列車的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其安全性較高。行駛在同一條路線上的磁懸浮列車都能夠以相同的速度行駛，因?yàn)樗麄儾粫?huì)追尾相撞。不過(guò)事故仍然可能發(fā)生：2006年，德國(guó)Transrapid公司制造的磁懸浮列車在試運(yùn)行期間與一列維修車輛相撞，事故造成25人死亡；這也導(dǎo)致德國(guó)徹底放棄將該技術(shù)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目。另外，磁懸浮列車也不可能因轉(zhuǎn)彎過(guò)快而脫軌——磁懸浮列車距離軌道壁的位置越遠(yuǎn)，將其移回原位的磁力就越強(qiáng)。此外，磁懸浮列車可以爬升高大10%的坡度，爬升高度是傳統(tǒng)列車的兩倍。

總得來(lái)說(shuō)，有關(guān)磁懸浮列車的絕大多數(shù)概念在許多年前就已經(jīng)被提出。Kao說(shuō)：“磁懸浮列車的基本技術(shù)與50年前幾乎相同，該技術(shù)已經(jīng)非常完善了，能改進(jìn)的方面非常有限。”

不過(guò)，這項(xiàng)技術(shù)最近在超導(dǎo)磁體方面得到了創(chuàng)新。中國(guó)運(yùn)用EDS設(shè)計(jì)的新原型機(jī)，采用了一種新的超導(dǎo)磁體類型。傳統(tǒng)的超導(dǎo)磁體需要用液氦冷卻到–269 ℃，以產(chǎn)生比普通電磁體強(qiáng)10倍的強(qiáng)磁場(chǎng)，這對(duì)懸浮和推動(dòng)列車來(lái)說(shuō)是必須的一步。相比之下，2000年西南交通大學(xué)（SWJTU）的工程師在一列3.5 m長(zhǎng)的原型機(jī)中首次應(yīng)用的HTS磁體則使用更容易獲得的液氦在–196 ℃下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，所需成本僅為液氦系統(tǒng)的1/50。

雖然中國(guó)擁有世界上最大的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，覆蓋超過(guò)37900 km，但中國(guó)目前只有3條磁懸浮線路正在運(yùn)營(yíng)。第一條是采用德國(guó)EMS技術(shù)的高速磁懸浮列車，于2003年推出，是世界上最長(zhǎng)、歷史最悠久的磁懸浮線路。列車最高時(shí)速為431 km，連接上海浦東機(jī)場(chǎng)與城市東側(cè)龍陽(yáng)路之間 30 km的路段。另外兩列采用中國(guó)EMS技術(shù)制造的磁懸浮列車的最高時(shí)速則較低。一列與2016年在中國(guó)湖南省長(zhǎng)沙市開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，其軌道總長(zhǎng)18 km，最高速度達(dá)到160 km·h–1。另一列于2017年投入運(yùn)營(yíng)，在北京地鐵某段9 km的路線上運(yùn)行，最高時(shí)速為100 km。

西南交通大學(xué)的HTS創(chuàng)新是中國(guó)政府推動(dòng)本土磁懸浮技術(shù)發(fā)展的一部分，目前還需要建造一些原型車以對(duì)該技術(shù)進(jìn)行廣泛測(cè)試。除了在成都亮相的超高速HTS原型車——西南交通大學(xué)、中國(guó)中車股份有限公司（CRRC）、中國(guó)中鐵股份有限公司以及其他大學(xué)與公司的合作成果，另一個(gè)行駛速度超過(guò)600 km·h–1的原型車也由類似的機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，并與2020年6月在同濟(jì)大學(xué)的一條短測(cè)試線上成功運(yùn)行。西南交通大學(xué)的工程致力于更輕盈的設(shè)計(jì)，從而提供更好的操控感。

Kao表示，阻礙建設(shè)更多磁懸浮線路的主要因素不是技術(shù)。他說(shuō)：“這一挑戰(zhàn)包含更多的可能是政治因素，其次是金融因素。”目前，高速磁懸浮列車的成本與平均最高時(shí)速為350 km的傳統(tǒng)子彈頭列車高約20%。但是由于磁懸浮列車的動(dòng)力來(lái)源于磁場(chǎng)，而且它們的運(yùn)動(dòng)部件很少，因此它們產(chǎn)生的污染很小，需要更換的部件更少，需要維護(hù)也更少。因此，支持者認(rèn)為，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，磁懸浮線路比傳統(tǒng)高速鐵路更具成本效益。而反對(duì)者認(rèn)為，為了實(shí)現(xiàn)列車和軌道之間的高精度對(duì)齊，維護(hù)復(fù)雜儀器的費(fèi)用將增加，可能會(huì)抵消其他方面節(jié)約的成本。

中國(guó)政府部門似乎相信這項(xiàng)技術(shù)足以推進(jìn)兩條更長(zhǎng)的磁懸浮線路的建設(shè)：一條與于2006年首次被提出，長(zhǎng)164 km，連通上海和杭州，預(yù)計(jì)到2025年可以投入商業(yè)使用；另一條長(zhǎng)110 km，主要在地下連接廣州和深圳。Kao說(shuō)“希望建設(shè)更多的線路使成本逐漸降低，這對(duì)中國(guó)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)絕對(duì)利好。”

據(jù)報(bào)道，中國(guó)還在湖北省建造了一條長(zhǎng)200 km的真空密封隧道，以消除磁懸浮列車面臨的空氣阻力，這可能使列車的最高速度達(dá)到1000 km·h–1。這種所謂的超回路由美國(guó)特斯拉公司和Space X公司的Elon Musk提出：它需要一條及其筆直、平坦的通道，不過(guò)這可能會(huì)限制它的運(yùn)行路線。

盡管有近幾十個(gè)國(guó)家正在探索磁懸浮列車的方案，其中包括由CRRC帶頭的幾個(gè)國(guó)家，但韓國(guó)和日本是目前僅有的其他兩個(gè)運(yùn)營(yíng)磁懸浮列車的國(guó)家。2015年，日本山梨縣磁懸浮列車在25 km長(zhǎng)的測(cè)試軌道上運(yùn)行，創(chuàng)下了603 km·h–1的列車速度記錄。以建造商業(yè)系統(tǒng)為目標(biāo)開(kāi)發(fā)磁懸浮技術(shù)的美國(guó)公司Maglev Technology的首席執(zhí)行官Tony Morris說(shuō)：“毫無(wú)疑問(wèn)，這是一項(xiàng)技術(shù)奇跡，但它從未被運(yùn)用于運(yùn)載乘客的日常業(yè)務(wù)。”

Kao 表示，建造具有商業(yè)可行性的磁懸浮線路的主要挑戰(zhàn)可能是找到建造它們的合適地點(diǎn)。他說(shuō)：“沒(méi)有那么多路線可以在經(jīng)濟(jì)上支持這項(xiàng)技術(shù)。你要尋找需求極高的線路，比如紐約到華盛頓或東京到大阪。”

事實(shí)上，日本從2009年就開(kāi)始建設(shè)跨越東京和名古屋之間的距離為286 km的商業(yè)磁懸浮線路。該線路預(yù)計(jì)于2017年開(kāi)通，最高時(shí)速為500 km，將在40 min內(nèi)完成兩個(gè)城市之間的通行，行程時(shí)間不到目前的一半。但該線路的成本估計(jì)接近1.1 × 1010美元，部分原因是80%以上的路線需要穿過(guò)修建費(fèi)用高昂的地下和山地隧道。日本希望到2045年能夠修建完成東京到大阪的路線，將東京到大阪的550 km的行程時(shí)間縮短一半（一個(gè)小時(shí)左右）。

與中國(guó)一樣，日本也希望向國(guó)外出售其高速鐵路技術(shù)。在2013年訪問(wèn)美國(guó)期間，日本當(dāng)時(shí)的首相安倍晉三建議使用日本的技術(shù)并由日本提供部分資金來(lái)推動(dòng)紐約市和華盛頓特區(qū)之間的高速鐵路建設(shè)。安倍晉三在2017年再次向美國(guó)總統(tǒng)提出了這個(gè)想法。但到目前為止，雙方還沒(méi)有達(dá)成任何協(xié)議。

Morris說(shuō)：“如果談?wù)摻?jīng)濟(jì)，這些項(xiàng)目中的每一個(gè)都需要以數(shù)以億計(jì)的運(yùn)營(yíng)成本補(bǔ)貼，并且可能需要數(shù)億甚至更多的資本成本補(bǔ)貼，這些系統(tǒng)并不能產(chǎn)生利潤(rùn)。因此，即使技術(shù)已經(jīng)存在，但如果你正在尋找的是財(cái)政和經(jīng)濟(jì)上的成功，那么你就還需要繼續(xù)探索。”