高温超导磁悬浮或将引发交通运输的大变革

　　在我国首条高温超导磁悬浮车环形实验线“Super-Maglev”基础上，创建了世界上第一个真空管道高温超导磁悬浮车环形试验线平台。

　　在轨道交通领域，除铁路、地铁、轻轨以及有轨电车等传统的轮轨交通方式外，非接触式的磁悬浮交通拥有低噪音、无磨耗及高安全性等优势特征，同时又顺应当下绿色智能社会经济的发展需求，这使得磁悬浮成为轨道交通运输的一个重要发展方向。

　　什么是高温超导磁悬浮?

　　磁悬浮可分为常导和超导两个技术方向，其中超导又分为低温超导和高温超导两种类型。

　　与常导磁悬浮和低温超导磁悬浮不同，高温超导磁悬浮的工作原理源于自然界唯一的大尺寸无源自稳定悬浮现象。因此，高温超导磁悬浮列车系统是一种不需要车载电源和主动控制就可实现悬浮和导向的自稳定系统。它通过车载块状高温超导体与永磁轨道之间的电磁作用实现车体的稳定悬浮，可兼容高温超导直线电机推进技术，实现悬浮、导向和推进超导一体化，形成一种真正意义上的节能(能耗约为航空的5%)、环保(无化学和噪声污染)、安全、舒适、快速的地面轨道交通工具。

　　高温超导磁悬浮列车系统主要由车载超导块材及其低温系统、地面轨道系统和直线驱动系统三大部分组成。整车可以实现静止悬浮，不产生噪声污染;永磁轨道产生的是静磁场，不产生电磁污染;运行过程中仅使用无公害的液氮和电能，不产生化学污染，因此系统符合绿色环保的要求。

　　整车悬浮力随着悬浮高度的降低成指数函数增加，即高温超导磁悬浮列车在载重负荷变化较大时，垂直方向无需控制就能保证运行安全;自稳定的导向系统可以保证水平方向的安全运行。高温超导体特殊的“钉扎力”保持了车体上下左右四个方向的稳定悬浮状态，实现了其他交通工具难以达到的平稳性，因此乘客在乘坐时，体会到的是“没有感觉的感觉”，十分舒适。

　　高温超导磁悬浮列车的悬浮高度(10～30毫米)可根据实际运行需要进行设计，用于从静止至低、中、高速和超高速的运行环境。高温超导磁悬浮列车的最高运行速度理论上不受限，适合与未来的高速真空管道交通运输相结合，形成一种超高速的运输方式(理论预计可高于1000 公里/小时)。

　　此外，高温超导磁悬浮列车车体重量约为轻轨车的1/2，基础设施建设成本也相应得到了降低;而用于冷却超导体的液氮来源于空气中占78%的氮气，廉价易得，在运行总成本中几乎可以忽略不计，总体建设成本和运行成本与城市轻轨接近。

　　国内外发展现状

　　我国对载人高温超导磁悬浮车的研究始于1997年。西南交通大学超导技术研究所在“永磁导轨上钇钡铜氧高温超导体块材磁悬浮特性研究”结果的基础上，于2000年底研制成功世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”，引发了世界范围内的研究热潮。这项技术的发明专利于2007年被选为我国发明专利中具有突出代表性的3件展品之一，在国家知识产权局专利金奖展示厅中间展位长期陈列。此后，经过十余年的积累沉淀，研究团队坚持不懈，集中突破了高温超导磁悬浮交通基础科学问题和车辆、线路、驱动等关键技术问题，于2013年2月研制成功我国首条高温超导磁悬浮环形实验线“Super-Maglev”。

　　Super-Maglev环形实验线的线路总长为45米，设计载重300 千克(20毫米悬浮高度，可载1人)，最大载重可达1吨(10毫米悬浮高度)，是目前国际上同等载重能力下轨道截面积最小、永磁体用量最少的载人高温超导悬浮车系统。整个实验线系统直接面向实际应用，采用直线电机和无线通信控制驱动，可进行0～50公里/小时的实际动态运行实验，形成了含转向架、制动、无线通信等功能的高温超导磁悬浮整车系统。

　　在国际上，德国和巴西等国正在加大力度推进高温超导磁悬浮车的实用化进程。德国自2004年起持续投入资金，于2011年建成了一条长为80米的高温超导磁悬浮环形演示线“SupraTrans II”，扩大了这项前沿交通技术在欧洲等发达国家中的影响力。巴西里约热内卢联邦大学在获得政府、银行及多家公司的支持下，提出轻量化高温超导磁悬浮列车概念“Maglev Cobra”，于2006年开始研制小型化车厢模块(可载24人)，并于2014年修建完成200米的试验线。可以看出，高温超导磁悬浮列车技术的研究方向已经由原理性模型发展到中低速试验线、中试化等实用化课题。

　　未来的高温超导磁悬浮

　　在交通领域的发展过程中，速度是永远的追求目标。自2014年5月起，日本政府开始实施低温超导磁悬浮列车商业运营线——中央新干线磁浮线，计划于2027年建成东京到名古屋线路。这条商业超导磁浮运营线旨在连接东京、名古屋和大阪三大城市，全程计划498公里，运行时速505公里。紧接着，2015年4月21日日本低温超导磁悬浮列车创造了地面轨道交通工具载人时速603公里的世界新纪录。

　　与我国的高温超导磁悬浮技术不同，日本采用的是低温超导磁悬浮技术。在这里，“高温”是相对于“低温”超导体而言的。低温超导磁悬浮的冷却温度为零下269摄氏度，而高温超导磁悬浮的冷却温度为零下196摄氏度，工作温度得到了大幅提高。实际上，依据高速旋转实验，高温超导磁悬浮的实验速度早在1992年就已经得到了推断：理论上可达3600公里/小时。然而从理论走向实际还有很长的路要走。对于西南交通大学的研究人员来说，首要目标是突破600公里/小时的试验运行速度。

　　2014年6月，西南交通大学持续创新发展，结合高温超导磁悬浮无摩擦、无电磁污染的特点，和真空管道运输低空气阻力、低气动噪音的优势，在我国首条高温超导磁悬浮车环形实验线“Super-Maglev”基础上创建了世界上第一个真空管道高温超导磁悬浮车环形试验线平台，为未来突破1000 公里/小时的超高速交通方式提供了可能的实现方案。一经公布，即引起美国IEEE Spectrum(IEEE Spectrum， 2014， vol. 51(7)， pp. 20-21)、英国BBC、德法ARTE等西方媒体的广泛关注。这一试验线平台的建立，奠定了我国在真空管道磁悬浮交通研究领域的国际先进地位和持续发展的优势。

　　而今正是高温超导磁悬浮技术走出实验室，迈进工程化中试线的关键时期。日本积极发展低温超导磁悬浮交通，美国也正在迅速开展Hyperloop超级高铁计划。在紧迫的国际现状下，我国自主研发拥有全部知识产权的高温超导磁悬浮交通技术可能发展成为引领国际超高速轨道交通发展的重大技术，并能够与日本低温超导磁悬浮交通和美国Hyperloop超级高铁相抗衡，抢占轨道交通技术制高点。

　　高温超导磁悬浮既能满足开放条件下时速600公里的高速轨道交通的需求，也能满足时速1000公里以上真空管道超高速轨道交通的需求。我们相信，随着对真空管道高温超导磁悬浮技术及其后续技术的深入探索，在地面实现超高速运输的梦想与现实的距离正在不断缩短。假以时日，高温超导磁悬浮这一拥有广阔应用前景的技术将可能引发交通运输的巨大变革，发展成为一个新兴的高技术产业，为磁悬浮轨道交通注入新的活力，创造巨大的经济和社会效益。

　　作者：邓自刚　张卫华 来源：金融经济 2016年6期