世界高速磁懸浮鐵路發展現狀與趨勢分析

沈通，馬志文，杜曉潔，趙文秀，史俊玲

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 科學技術信息研究所，北京100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 標準計量研究所，北京100081）

1 研究背景

速度是世界軌道交通領域研究發展的核心，不僅決定了軌道交通的運輸能力和效率，也決定了軌道交通系統所采用的技術體系。輪軌鐵路作為當前世界軌道交通技術體系的主流方式，運營速度受空氣阻力、輪軌黏著、蛇行失穩及弓網關系等問題制約，同時能耗和機械摩擦磨損隨速度的提高不斷增大，目前最高經濟與技術速度在400 km/h左右［1-2］。磁懸浮鐵路可以解決輪軌鐵路存在的輪軌黏著、摩擦、振動和高速受流等問題，具有更高的提速潛力，近年來逐漸成為地面交通領域的研究熱點。

無論是輪軌鐵路還是磁懸浮鐵路，當車輛處于開放空間大氣環境下以超過160 km/h速度運行時，均要面臨巨大的空氣阻力和噪聲問題，從而在商業運營上帶來經濟性和環保性的挑戰。因此，為獲得更高的經濟運行速度，在利用懸浮技術減少車軌摩擦、振動的基礎上，再構建低真空運行環境以減小空氣阻力和噪聲是未來更高速度軌道交通技術的重要發展方向。

2 世界高速磁懸浮鐵路發展現狀

目前，我國和日本、德國、美國等國家在高速磁懸浮技術領域處于領先地位。日本主要發展電動磁懸浮制式，已達到準商業運營；德國主要發展常導磁懸浮制式，相關技術在我國上海磁懸浮專線上得到應用；美國主要發展低真空管道磁懸浮技術，目前處于試驗驗證階段；我國對于不同制式的高速磁懸浮技術均有研究，其中常導磁懸浮技術工程化應用程度最高，以西南交通大學為代表的高溫超導磁懸浮技術在世界上處于領先地位。以下分別從技術裝備、線路建設、推廣應用等方面介紹典型國家的發展現狀。

2.1 日本

日本是世界上發展電動制式磁懸浮鐵路最具代表性的國家之一，其原理是利用車上磁鐵與地面線圈之間的相對運動產生感應磁場，磁極之間同性相斥、異性相吸使車體懸浮起來［3］。采用該種技術需要車輛達到一定速度才能處于懸浮狀態。

技術裝備方面，日本研制了MLX01、L0等多款磁懸浮列車。其中，L0系列車是日本于2010年推出的為中央新干線配置的第一代新型磁懸浮列車，試驗時最大編組為12輛，運營時計劃編組為16輛。L0系列車始發時采用橡膠輪走行，當速度超過150 km/h時，電磁力能夠將車體抬起，從而轉換為磁懸浮走行。2015年4月21日，L0系列車在山梨試驗線的試乘活動中創造了載人走行603 km/h的世界紀錄（見圖1）。此外，JR東海公司基于L0系技術平臺研發的改進型試驗車已于2020年3月下線。

圖1 日本L0系列車

線路建設方面，日本首條磁懸浮商業運營線路——中央新干線第一階段（東京—名古屋）于2014年12月17日開工建設。中央新干線全長438 km，86%為山嶺隧道區間，最高設計速度505 km/h，第一階段計劃2027年開通；第二階段原計劃2045年完工開通，但日本政府計劃提前8年開通，即2037年開通。目前，第一階段工程中南阿爾卑斯隧道—山梨標段和計劃的6個站點均已開工建設［4］。

總體上看，電動制式磁懸浮技術具有懸浮間隙大、車輛懸浮控制簡單等優點，懸浮高度能達到100 mm。缺點是采用昂貴的液氦作為冷卻劑，工程應用成本較高，并且在低速運行時必須要有車輛支撐系統。

2.2 德國

德國從20世紀60年代后期開始進行磁懸浮技術的研究，目前已經形成了成套的常導磁懸浮技術，并開展了多項試驗驗證，相關技術在我國上海已經實現商業化應用。常導磁懸浮技術依靠電磁鐵異性相吸的原理將車體向上吸起，懸浮間隙通常保持在10 mm左右。

技術裝備方面，德國研發了TR01—TR09系列磁懸浮列車，試驗中最高速度達到550 km/h。TR08是德國最具代表性的磁懸浮列車（見圖2），該列車利用安裝在車體上的懸浮電磁鐵與安裝在導軌上的定子之間的吸引產生懸浮力［5］，設計速度為450 km/h，在上海浦東磁懸浮示范線的運營速度達到431 km/h，最高試驗速度為501 km/h。

圖2 德國TR08磁懸浮列車

線路建設方面，目前德國尚無商業化運營的磁懸浮線路。20世紀90年代以來，德國曾提出柏林—漢堡、多特蒙德—杜塞爾道夫、慕尼黑機場—慕尼黑中央車站等3項磁懸浮鐵路建設計劃，但由于預算成本較高、未來盈利前景暗淡、項目融資失敗等原因遭遇擱淺。德國遲遲未能進行磁懸浮鐵路商業運營與其自身國情也有很大關系:一方面，德國高速鐵路發展迅速，并且能夠實現跨線運行，已經逐步形成高速與普速兼容的路網格局，磁懸浮鐵路不能與既有路網兼容；另一方面，德國人口分布均勻，不存在大運量的運輸通道，加上磁懸浮鐵路的建設成本高于輪軌高速鐵路，預計運輸收入不能彌補成本。

2006年，德國發生磁懸浮列車與工程車相撞事故，對磁懸浮鐵路在德國的推廣應用造成了重大打擊，導致近年來發展幾乎停滯。

2.3 美國

2013年，埃隆·馬斯克發表了一份題為《Hyperloop Alpha》的白皮書，從車輛、管道、牽引、線路、安全與可靠性以及造價等方面闡述了對Hyperloop系統如何運作的技術思考，并提出“超級高鐵”系統最高速度可達1 223 km/h。Hyperloop Alpha的懸浮原理與傳統氣墊船基本相同，利用滑板在車廂與地面軌道間形成的一層薄薄氣墊把車廂支撐住，使其不與地面接觸［5］。

“超級高鐵”概念吸引了多個公司和團隊開展商業化應用研究。目前，美國從事“超級高鐵”研發的公司主要包括SpaceX、Virgin Hyperloop One和HTT公司，相關研究進展如下:

（1）SpaceX公司。SpaceX公司于2016年在其位于加利福尼亞州霍桑市的總部建造了外徑為1.83 m、長1.6 km的測試管道，并以該測試管道為基礎舉行了3屆超級高鐵競賽。德國慕尼黑工業大學的WARR Hyperloop團隊在2018年第三屆比賽的決賽中采用模型車達到了457 km/h的最高速度。2018年4月，埃隆·馬斯克宣布旗下“超級高鐵乘客艙”將進行測試，目標運行速度為音速的一半，并在1.2 km內完成制動。

（2）Virgin Hyperloop One公司。Virgin Hyperloop One公司于2015年12月開始在拉斯維加斯北部建設測試點，包括建設1段長約1 km的測試軌道。2016年該公司位于內華達州的首家工廠開工，2017年展示了該工廠生產由鋁和碳纖維構成的全尺寸乘客艙XP-1。試驗驗證方面，Virgin Hyperloop One公司于2017年在內華達州的測試管道進行了3個階段的測試，最高速度達到387 km/h。推廣應用方面，Virgin Hyperloop One公司先后與印度馬哈拉施特拉邦、迪拜道路交通局（RTA）等機構達成合作協議，計劃2020年年底開始在印度孟買—浦那修建首條真空管道高速鐵路。

（3）HTT公司。HTT公司以概念圖為基礎，采用志愿者科研眾籌方式推動其研發工作，主要致力于全球宣傳推廣，先后與斯洛伐克、捷克、法國、印度尼西亞、韓國、印度、巴西、阿聯酋、烏克蘭等國家開展合作。2018年10月，HTT公司在西班牙展示了首款Hyperloop全尺寸乘客艙，由1種特制的雙層智能復合材料制造而成，其強度比鋼材強8倍，比同類鋁制品強10倍。該乘客艙將轉移到法國圖盧茲市進行額外組裝，組裝完畢后將會部署到首批超級高鐵商用軌道上。

2.4 中國

我國高速磁懸浮鐵路的發展已經具備一定的技術基礎和工程化應用經驗。2003年，通過引進德國技術在上海建設了機場磁懸浮專線，列車設計速度和運行速度分別為505 km/h和430 km/h。

目前，中國中車集團有限公司（簡稱中國中車）、西南交通大學、中國航天科工集團有限公司（簡稱航天科工）等多家單位正在積極開展高速磁懸浮鐵路的研究，涵蓋常導磁懸浮、電動磁懸浮、高溫超導磁懸浮等不同制式，并積極探索低真空管道超高速磁懸浮鐵路相關技術。

（1）中國中車。中國中車主要開展常導磁懸浮制式相關研究，在該領域具有一定的技術儲備和工程化應用基礎。2016年，中華人民共和國科學技術部將“磁懸浮交通系統關鍵技術”重點專項定向委托給中國中車組織實施，旨在攻克高速磁懸浮交通系統懸浮、牽引與控制核心技術，形成我國自主知識產權并具有國際普遍適應性的新一代高速磁懸浮交通系統核心技術體系及標準規范體系，使我國具備高速磁懸浮交通系統和裝備的完全自主化與產業化能力。依托該項目研制的時速600 km高速磁懸浮試驗樣車（見圖3）已于2019年5月下線。

圖3 中國時速600 km高速磁懸浮試驗樣車

（2）西南交通大學。西南交通大學長期研究高溫超導磁懸浮技術，利用具有磁通釘扎特性的高溫超導體在梯度磁場中產生的自穩定現象來實現懸浮導向一體化的磁懸浮系統［6］。2014年，西南交通大學將高溫超導磁懸浮與真空管道概念相結合，研制了新一代高溫超導磁懸浮環形實驗線以及真空管道高溫超導磁懸浮試驗系統“Super-Maglev”，這也是全球首個真空管道超高速磁懸浮列車原型測試平臺。目前，西南交通大學正在建設一條長140 m的真空管道高溫超導磁懸浮直道試驗線，并計劃在成都搭建1條1.5 km長的動模試驗線，進行時速1 000 km以上的真空管道高溫超導磁懸浮列車應用關鍵技術和工程示范研究。

（3）航天科工。航天科工于2017年8月宣布正在開展時速1 000 km“高速飛行列車”項目研究論證。目前，航天科工已經聯合國內外20多家科研機構，成立了我國首個國際性高速飛行列車產業聯盟，團隊擁有相關領域專利200多項。航天科工主要基于電動制式開展低真空管道磁懸浮技術的相關研究，目前正在積極推進試驗線建設，并計劃開展相關試驗。

2.5 其他國家

瑞士、韓國、加拿大、荷蘭等國家在政府、企業等多方支持下，也在積極探索低真空管道高速磁懸浮鐵路新技術。

（1）瑞士。瑞士早在1992年就成立了Swissmetro AG公司，籌備和實施超高速地鐵工程項目（Swissmetro），采用地下隧道方式構建低真空管道系統，計劃以高速度和高頻率客運服務將瑞士主要城市和地區聯系起來，并考慮未來向其他歐洲城市延伸。2009年，該項目由于缺少資金支持而終止，Swissmetro AG公司也被解散。2017年，Swissmetro NG（下一代Swissmetro）成立，這是一個非營利性組織，采用全新理念和技術開展低真空高速磁懸浮系統研究。

（2）韓國。韓國政府及相關學術機構在2017年初宣布打造代號為“HTX”的超級高鐵計劃。2017年6月20日，韓國與美國HTT公司簽署了超級高鐵相關技術授權合同，HTT公司將授權和研發管道基礎架構與安全平臺，并向韓國提供全面的測試軌道，同時韓國也將能夠使用HTT的懸浮、推進、電池及乘客體驗設計等技術［8］。

（3）加拿大。加拿大TransPod公司2016年從意大利安杰洛投資集團（Angelo Investments）獲得了1 500萬美元的種子基金，2017年提出了類似于Hyperloop Alpha系統的超級高鐵模型設計。同年TransPod發布了初步的建造成本研究，概述了在安大略省西南部溫莎和多倫多之間建立TransPod軌道系統的可行性。

（4）荷蘭。荷蘭Hardt Hyperloop公司于2019年開發了歐洲首個具有全部功能系統的超級高鐵測試設施，包括懸浮推進系統、車道開關、真空環境等。該公司的目標是開發高速、零排放的交通工具，目前已經籌集了1 000多萬歐元。該公司開發的超級高鐵系統中，列車可在不減速情況下從一條軌道切換到另一條軌道，這被視為該公司的核心技術。

3 高速磁懸浮鐵路發展趨勢分析

與輪軌高速鐵路相比，高速磁懸浮鐵路具有提速潛力大、安全性好、更節能環保、維修工作量小等優點，但也具有與既有路網不兼容、缺乏研制和運用經驗、道岔結構復雜、車內噪聲大等缺點。從目前典型國家的發展現狀來看，高速磁懸浮鐵路在未來主要具有以下發展趨勢:

（1）高速磁懸浮鐵路速度將進一步提升。一方面，磁懸浮鐵路最高試驗速度不斷提高，目前已突破時速600 km；另一方面，多個國家及相關公司表示低真空管道磁懸浮系統的最高時速可達到1 000 km以上。

（2）高速磁懸浮鐵路將在高客流運輸通道中得到應用。目前輪軌高速鐵路發展迅速，在我國及日本、德國等典型高鐵國家已經具有較高覆蓋率。從需求角度出發，對于高客流運輸通道更需要高速磁懸浮鐵路等交通工具。此外，高速磁懸浮鐵路在我國和日本等國家的建設應用表明其成本比高鐵更高，為了能夠回收成本必須要有高客流密度的支撐。從目前正在建設和規劃的線路來看，日本中央新干線、美國Virgin Hyperloop One公司在印度規劃的線路均有較高客流作為支撐，加拿大TransPod公司、美國HTT公司等在全球范圍內推廣低真空管道磁懸浮技術時也將客流密度作為一項重要因素。而德國提出的多項磁懸浮線路建設計劃最終均未能實施，一大重要原因也是由于境內缺少高客流運輸通道。

（3）高速磁懸浮鐵路未來將重點向實用化、低成本方向發展。從我國及日本、德國等典型國家的發展現狀來看，高速磁懸浮鐵路在技術上已經基本成熟，但在商業應用方面缺少成功嘗試。日本采用的低溫超導材料對環境要求較高，在工程應用中成本巨大，且存在一定安全隱患，為此正在積極試驗高溫超導材料，以便在工程應用方面獲得更大便利。總體上看，未來高速磁懸浮鐵路將向技術實用化、低成本方向發展。

（4）低真空管道磁懸浮鐵路具有良好的發展前景。低真空管道磁懸浮鐵路具有速度更高、更加節能環保、能夠實現全天候運輸等優勢，極具新型交通運輸方式的發展技術經濟特征。目前，美國Virgin Hyperloop One、HTT、SpaceX等公司正在積極開展低真空管道磁懸浮鐵路相關技術研究，同時在世界范圍內進行快速布局。我國也在加快低真空管道磁懸浮鐵路研究，中國中車、西南交通大學、航天科工、中國鐵道科學研究院集團有限公司等多家單位正在積極探索，深圳、貴州等地正在積極引進低真空管道磁懸浮鐵路技術。盡管低真空管道磁懸浮鐵路距離實現商業化應用還有較大距離，但其獨有的速度優勢及不受外界環境影響的特點是其他地面交通運輸方式所無可比擬的。

4 結束語

高速磁懸浮鐵路在技術上完全可行，工程上也已經實現初步應用，在未來具有良好的發展前景。低真空管道高速磁懸浮鐵路盡管離實現商業運營還有較大距離，但具有提速潛力更高、能夠全天候運行等優點，因此是未來的重要發展方向之一。目前，美國、日本、韓國、加拿大、荷蘭等國家均在積極開展相關研究，力圖占據未來交通運輸發展的制高點。

我國在高速磁懸浮技術領域具有一定的技術儲備和研究基礎，并且具有國家支持力度大、研發模式優越等優勢。因此，我國應把握高速磁懸浮鐵路的發展機遇期，利用好我國的制度優勢，維持我國在高速鐵路運輸領域的領先地位。但該項技術的發展并不能一蹴而就，應當立足于現有技術水平，現階段首先研究解決常壓條件下高速磁懸浮鐵路的系統問題，下一階段再擴展到更高速度的低真空管道磁懸浮鐵路。