一騎絕塵，駛向未來的高速軌道交通
——高溫超導磁浮列車

■文/王麟

同學們，你們認為在交通領域，哪種交通工具的速度最快？有同學會說，陸地上最快的交通工具是高鐵吧；也有同學說，是飛在空中的飛機。在高速交通領域，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。

細心的同學會發現，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400～800千米的速度領域，誰能擔當大任呢？這就需要我們今天的主角——高溫超導磁浮列車閃亮登場了。

2021年1月13日，世界首臺高溫超導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，是我國自主研發設計、自主制造的，標志著高溫超導高速磁浮工程化研究實現從無到有的突破。

“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，這主要和同學們了解的兩大知識點——電與磁有關。

磁懸浮列車跑得快的秘密之一，在于“電流的磁效應”這個原理。1820年，丹麥物理學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，轉到與鉑絲垂直的方向。這正是他苦苦求證的電流磁效應。此后，法國物理學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。

在磁性物質中，這些電流沿磁軸方向規律地排列，從而顯現一種繞磁軸旋轉的電流，如同螺線管電流一樣。這就是電流間產生的相互作用力，它與兩塊磁鐵間的“異性相吸、同性相斥”作用力類似。“同性相斥”時，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。

有同學會問：懸浮會有什么優勢呢？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！

技術不同，懸浮方式也不同

磁懸浮列車采用的技術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磁浮。

超導電動磁斥式

常導電磁吸引式

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軌之間產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抱軌道梁，軌道梁的底部安裝有長定子鐵芯和線圈，側面安裝有導向和制動軌。而列車“U”形車體底端安裝懸浮和牽引電磁鐵，側端安裝導向和制動線圈。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，通過控制導向和制動線圈與導軌之間的磁力，實現列車的導向和制動。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。

采用超導電動磁斥式的日本ML100

采用常導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”，依靠車輛上的超導磁體，在列車運動時切割安裝在線路上的導體，從而產生感應電流。該電流產生的磁力線與車輛磁體產生的磁力線相反，從而形成斥力，實現懸浮。這是一種利用電動排斥力來實現懸浮的技術，排斥力與導體切割磁感線的速度有關。速度越快，感應磁場越大，懸浮力就越大。但是，它不能實現靜止懸浮，因為列車靜止的時候，不會切割磁力線，也不會產生感應電流，所以無法產生懸浮力。因此，在列車速度較低的時候，需要輔助輪幫忙。該技術的優點是車輛的懸浮高度高、自穩性強、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

以日本的低溫超導磁浮列車為例，其技術原理是在“U”形軌道梁側壁上連續排布著“8”字形線圈。當車載低溫超導磁體沿著軌道水平移動時，軌道側壁線圈內會產生感應電流，“8”字形線圈下部磁場與車載超導磁體之間相互排斥，上部磁場與車載超導磁體之間相互吸引，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懸浮，在此之前，需要輔助輪幫助列車在導軌上運行。

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

3 高溫超導磁浮列車：溫度并不高

高溫超導磁懸浮的技術原理比較復雜，通俗來講，就是高溫超導體有一個很特殊的性質叫“釘扎效應”，可以使超導體隨外磁場變化，感應出與外磁場相排斥的超導強電流。超導電流再與外磁場相互作用，就能夠產生懸浮力，從而實現列車的自懸浮與導向。

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

高溫超導磁浮列車的懸浮高度為10～30毫米，車體質量僅為輕軌列車的一半，可以減少建造成本；冷卻超導體所需的氮氣來自空氣，不會造成環境污染；其運行能耗也小，僅為飛機的1/20。最主要的是，高溫超導磁浮軌道產生的磁場為靜磁場，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和新工藝，設計時速達620千米，有望創造陸地交通速度新紀錄。高溫超導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。在這些優勢的加持下，高溫超導才能幫助磁浮列車實現高速“奔跑”。

高溫超導磁懸浮

西南交通大學內的高溫超導磁浮列車試驗線

新型高溫超導磁浮列車向前滑行演示

中國走在這一領域的前沿

在高溫超導磁浮技術領域，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年聯合研制成功的。這輛高溫超導磁浮模型車重20千克，懸浮高度為7毫米。2000年12月31日，西南交通大學的高溫超導磁浮研究團隊研制出世界首輛載人高溫超導磁懸浮車“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磁浮技術的研究，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米的高溫超導磁懸浮試驗線，美國建造了真空管道高溫超導磁懸浮試驗平臺。而我國最早研究高溫超導磁浮技術的西南交通大學也在與時俱進，在2014年6月將高溫超導磁懸浮與真空管道概念相結合，研制成功新一代的高溫超導磁懸浮環形試驗線及真空管道高溫超導磁懸浮試驗平臺。

在高速交通領域，輪軌式高速列車時速不超過400千米是比較經濟的，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濟方面，輪軌式高速列車都會面臨很多挑戰。當列車運行時速超過400千米的時候，采用磁浮技術是必然的選擇。但是，無論是采用磁浮技術還是輪軌技術，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，高速磁浮列車的發展方向最終就是與真空管道技術相結合，研制和推廣真空管道高溫超導磁浮列車。在這個領域，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磁懸浮試驗平臺