貼地“飛行”的磁懸浮列車

高速行駛一直是人類的夢(mèng)想，也是鐵路工作者孜孜追求的目標(biāo)之一。世界各國(guó)在發(fā)展大功率牽引機(jī)車的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)不斷變化的形勢(shì)，也開(kāi)始沖破傳統(tǒng)模式，并積極研制各種新型列車。

1842年，英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家Samuel Earnshaw 就提出了磁懸浮的概念，同時(shí)指出：?jiǎn)慰坑谰么盆F是不能將一個(gè)鐵磁體在所有六個(gè)自由度上都保持在自由穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。1900年初，美國(guó)、法國(guó)等專家曾提出物體擺脫自身重力、阻力并高效運(yùn)營(yíng)的若干猜想--也就是磁懸浮的早期模型，并列出了無(wú)摩擦阻力的磁懸浮列車使用的可能性。1922年，德國(guó)工程師 Hermann Kemper就提出了電磁浮原理，并于1934年申請(qǐng)了磁浮列車的專利。20 世紀(jì)70年代以后，隨著世界工業(yè)化國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷加強(qiáng)，為提高交通運(yùn)輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，德國(guó)、日本、美國(guó)、中國(guó)大陸以及前蘇聯(lián)等國(guó)家相繼開(kāi)始籌劃進(jìn)行磁浮運(yùn)輸系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。而美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)家先后放棄了這項(xiàng)研究計(jì)劃，目前只有德國(guó)、日本、中國(guó)仍在繼續(xù)進(jìn)行磁浮系統(tǒng)的研究，并均取得了令世人矚目的進(jìn)展。

德國(guó)對(duì)磁懸浮鐵路的研究始于1968年。在研究初期，是常導(dǎo)和超導(dǎo)并重。到1977年，前后研制出常導(dǎo)電磁鐵吸引式和超導(dǎo)電磁鐵相斥式試驗(yàn)車輛，最高時(shí)速達(dá)400千米。后來(lái)經(jīng)過(guò)分析比較，認(rèn)為超導(dǎo)磁懸浮鐵路所需的技術(shù)水平太高，短期內(nèi)難以取得較大進(jìn)展，于是決定集中力量發(fā)展常導(dǎo)磁懸浮鐵路。1980年，開(kāi)工興建全長(zhǎng)31.5千米的埃姆斯蘭德試驗(yàn)線。1984年，列車最高試驗(yàn)時(shí)速達(dá)到400公里。德國(guó)高速常導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)至今已有8個(gè)型號(hào)。

日本于1962年開(kāi)始研究常導(dǎo)磁懸浮鐵路，后由于超導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展，從70年代初開(kāi)始轉(zhuǎn)而研究超導(dǎo)磁懸浮鐵路。1972年首次成功地進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮列車試驗(yàn)。1982年11月，磁懸浮列車的載人試驗(yàn)獲得成功。為了進(jìn)行東京至大阪間修建磁懸浮鐵路的可行性研究，于1990年著手建設(shè)山梨磁懸浮鐵路試驗(yàn)線，到2013年建成了全長(zhǎng)為42.8公里的磁懸浮列車綜合試驗(yàn)線。2015年4月21日，日本東海鐵路公司(JR 東海)在日本山梨縣的磁懸浮試驗(yàn)線創(chuàng)造了載人行駛時(shí)速603公里的世界紀(jì)錄，這也是迄今為止我們?nèi)祟愒谲壍澜煌I(lǐng)域的最高速度記錄。

我國(guó)在 20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究磁懸浮列車技術(shù)。1986年，西南交通大學(xué)就率先召開(kāi)了磁浮技術(shù)與磁浮列車技術(shù)研究大會(huì)，成為國(guó)內(nèi)較早啟動(dòng)該領(lǐng)域研究的高校科研單位。在1988年，交大磁浮團(tuán)隊(duì)完成了單自由度鐵球懸浮實(shí)驗(yàn)，對(duì)電磁吸力懸浮原理有了本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。1989年3月，國(guó)防科技大學(xué)研制出中國(guó)第一臺(tái)磁懸浮試驗(yàn)樣車。

（山梨磁懸浮鐵路試驗(yàn)線）

1995年，中國(guó)第一條磁懸浮列車試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)建成，并且成功進(jìn)行了穩(wěn)定懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)控制和載人運(yùn)行等時(shí)速為30.0km 的試驗(yàn)。西南交通大學(xué)這條試驗(yàn)線的建成，標(biāo)志中國(guó)已經(jīng)掌握制造磁懸浮列車的技術(shù)。2001年，開(kāi)始動(dòng)工修建長(zhǎng)430m 的青城山磁浮列車工程試驗(yàn)線。

磁懸浮列車的基本原理很簡(jiǎn)單，就是利用同性相斥、異性相吸的電磁學(xué)原理，使列車懸起來(lái)（一般不超過(guò)1厘米），并沿軌道行駛。磁懸浮列車車廂上裝有超導(dǎo)磁鐵，軌道底部安裝電磁線圈。車廂電磁體極性與軌道線圈下側(cè)極性相同產(chǎn)生排斥力，與上側(cè)相反產(chǎn)生吸引力，兩者合力使列車懸浮起來(lái)。常規(guī)火車的動(dòng)力來(lái)自于機(jī)車，磁懸浮列車的動(dòng)力來(lái)自于軌道。軌道兩側(cè)裝有電磁線圈，交流電使線圈變?yōu)殡姶朋w，它與列車上的磁鐵相互作用。列車行駛時(shí)，車頭的磁鐵(N極)被軌道上靠前一點(diǎn)的電磁體(S極)所吸引，同時(shí)被軌道上稍后一點(diǎn)的電磁體(N 極)所排斥，前拉后推使列車前進(jìn)。

（磁懸浮列車原理）

磁懸浮列車的原理很簡(jiǎn)單，但要實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:第一，要產(chǎn)生能讓列車懸浮和運(yùn)行起來(lái)的巨大電磁力；第二個(gè)，要對(duì)產(chǎn)生上述電磁力的磁場(chǎng)進(jìn)行合理的控制。針對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，當(dāng)今磁懸浮列車設(shè)計(jì)有兩種技術(shù)路線，一種是常導(dǎo)磁懸浮，另一種是超導(dǎo)磁懸浮。常導(dǎo)磁懸浮以德國(guó)為代表，列車是以常導(dǎo)磁鐵和導(dǎo)軌作為導(dǎo)磁體，用氣隙傳感器來(lái)調(diào)節(jié)列車與線路之間的懸浮間隙大小，在一般情況下，其懸浮間隙大小在10mm 左右。常導(dǎo)磁懸浮列車的運(yùn)行速度通常在300-500km/h 范圍內(nèi)，適合于城際及市郊的交通運(yùn)輸。超磁懸浮以日本為代表，利用超導(dǎo)磁鐵和低溫技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)列車與線路之間懸浮運(yùn)行，其懸浮間隙大小一般在 100mm左右，這種磁懸浮列車低速時(shí)并不懸浮，當(dāng)速度達(dá)到100km/h 時(shí)才懸浮起來(lái)。超導(dǎo)磁懸浮列車最高運(yùn)行速度理論上可以達(dá)到1000km/h，但建造技術(shù)和成本要比常導(dǎo)吸型磁懸浮列車高得多。

對(duì)于磁懸浮列車的運(yùn)行速度，科學(xué)家們最初認(rèn)為比輪軌高速列車的300多公里的時(shí)速還要快些，最高可以達(dá)到每小時(shí)500公里。但是人類的科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，早已打破了科學(xué)家的預(yù)言。2015 年4月 21日，日本東海鐵路公司在山梨磁懸浮試驗(yàn)線上創(chuàng)造了載人行駛時(shí)速603公里，以及一天行駛4064公里的新世界記錄。

（創(chuàng)造新記錄的 L0 磁懸浮列車）

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