時速達4000公里 “第五種交通方式”的“高速飛行列車”至少有三大問題待解

• 2017年9月5日 GuoMeng來源：科技日報 666 39
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要實現(xiàn)目標速度，至少有三大問題待解：如何低成本獲得真空管道以及管道維護;如何確保高速運動下磁浮系統(tǒng)的動力學(xué)穩(wěn)定性;如何保證高速運動下的直線驅(qū)動效率?！斑@些都需要實驗數(shù)據(jù)支撐?！?/p>

8月的最后一天，一條科技新聞引發(fā)了輿論場“海嘯”：中國航天科工集團公司宣布，正在推進結(jié)合了超聲速飛行技術(shù)與軌道交通技術(shù)的“高速飛行列車”項目，時速有望高達4000公里。一旦實現(xiàn)，國內(nèi)超級城市群便能形成1小時經(jīng)濟圈。

被稱為“第五種交通方式”的“高速飛行列車”是個什么“鬼”?4000公里的時速，是否考慮過乘車群眾“小心臟”的承受力?記者就此采訪了有關(guān)專家。

有理論與技術(shù)基礎(chǔ) 尚缺試驗數(shù)據(jù)支撐

“在真空管道中運行4000公里時速，是基于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的推斷，有一定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，但缺乏實驗依據(jù)?！蔽髂辖煌ù髮W(xué)超導(dǎo)中心教授趙勇說。

國防科技大學(xué)磁浮技術(shù)工程研究中心教授李杰也認為，依據(jù)磁浮原理，磁浮列車速度確實可以“無極限”。4000公里時速，理論上可行。

不過，理想很豐滿，現(xiàn)實仍“骨感”。

趙勇介紹，要實現(xiàn)目標速度，至少有三大問題待解：如何低成本獲得真空管道以及管道維護;如何確保高速運動下磁浮系統(tǒng)的動力學(xué)穩(wěn)定性;如何保證高速運動下的直線驅(qū)動效率?！斑@些都需要實驗數(shù)據(jù)支撐。”

磁浮列車主要涉及懸浮、導(dǎo)向、牽引等核心關(guān)鍵技術(shù)。時速1000公里以上的超高速列車，如何穩(wěn)定懸浮、且“不跑偏”，如何獲得與超高速相匹配的牽引技術(shù)，都需要一步步向前推進。

根據(jù)我國軌道交通國家標準，中低速磁浮列車，每10米允許的“跑偏”誤差不超過3毫米。高速磁浮列車每跨“跑偏”誤差必須控制在1毫米以內(nèi)。對于1000公里以上的“超級高鐵”，其誤差控制精度，則更高。

如何讓它“不跑偏”?

航天科工集團三院三部主任助理、高速飛行列車項目技術(shù)負責(zé)人毛凱介紹，目前開展的多項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)中，有一項高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)正是要解決這個問題。

2014年，西南交通大學(xué)搭建了全球首個真空管超高速磁懸浮列車原型測試平臺，實驗環(huán)線半徑為6米。有兩個課題組開展了在真空管道中的高溫超導(dǎo)磁浮問題研究。其中，一組偏重載人磁浮系統(tǒng)研究，目前在平臺中載人運行可達時速30公里。另一組則偏重高速運動下的動力學(xué)行為，在平臺中運行可達時速160公里。

“我們的高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)，是基于高溫超導(dǎo)體與永磁體間的抗磁和磁通釘扎作用，是一種由材料內(nèi)在特性決定的被動懸浮。它具有結(jié)構(gòu)簡單、安全、自導(dǎo)向、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢?！壁w勇說。正因為其“自導(dǎo)向性”，確保了在合理軌道設(shè)計下列車沿軌道穩(wěn)定運行的可能。“嚴格說，它是‘非理想第二類超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)、磁通釘扎’與‘量子磁浮記憶效應(yīng)’的結(jié)合?！?/p>

1000公里時速以上的磁浮成熟技術(shù)還沒出現(xiàn)

按懸浮形式，磁浮技術(shù)可分為常導(dǎo)與超導(dǎo)兩類。

日本采用了基于電磁動態(tài)懸浮的低溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)，這一技術(shù)業(yè)已成熟，載人速度可達時速600多公里。2014年，日本開工建設(shè)世界首條最高時速達505公里的超導(dǎo)磁懸浮高速鐵路，預(yù)期2027年建成通車。而上海430公里時速的磁浮列車，則采用了德國的常導(dǎo)磁浮技術(shù)，利用的是電磁吸引懸浮原理。目前全球尚未形成1000公里時速以上的磁浮成熟技術(shù)。

中車株洲電機有限公司牽引電機研發(fā)部副經(jīng)理何云風(fēng)介紹，根據(jù)速度，磁浮列車有高速和中低速之分。中低速磁浮列車，一般采用短定子直線感應(yīng)電機牽引，如長沙磁浮列車。高速磁浮列車中，上海磁浮列車采用了長定子同步直線電機牽引，日本高速磁浮列車則采用了低溫超導(dǎo)直線電機牽引。“國內(nèi)對長定子直線電機尚未實現(xiàn)工程化應(yīng)用，且有同步，永磁、超導(dǎo)等技術(shù)路線之分，國內(nèi)正在開展長定子直線電機工程化研究。不過目前主要是針對400—600公里時速的直線同步電機，600公里以上的還在前期研究中?！?/p>

趙勇補充解釋，所謂航天技術(shù)與磁浮技術(shù)的結(jié)合，是指將其空氣動力學(xué)方面的優(yōu)勢，運用于高速運動的穩(wěn)定性、氣動設(shè)計等方面，并非簡單的“航天技術(shù)+磁浮技術(shù)”。

全球磁浮技術(shù)的“星際爭霸”

“高速飛行列車”為真空管道列車，實質(zhì)也是“Hyperloop超級高鐵”概念。千公里時速的超級高鐵架構(gòu)由特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克提出，被稱為“第五種交通方式”。這一概念提出后，吸引了國際廣泛關(guān)注，包括Space X、HTT、Hyperloop One等在內(nèi)的大企業(yè)，均參與了研究。

對超級高鐵這一前沿技術(shù)的研究，多家公司正處于一種類似“太空競賽”般的激烈競爭中，顯示出對這一可能改變世界的交通技術(shù)的極大熱情。

他們看好“超級高鐵”的形勢，也絲毫不回避諸多技術(shù)難題。退休物理學(xué)家、超導(dǎo)磁懸浮概念的聯(lián)合提出者詹姆士·鮑威爾曾警示，軌道誤差必須非常小，如果軌道墻壁位置差之毫厘，都可能導(dǎo)致災(zāi)難。此外，長真空管道如何維持低壓，甚至接近真空狀態(tài)極為困難。

“整套系統(tǒng)非常脆弱，哪怕一個點失敗，都可能引發(fā)災(zāi)難。”鮑威爾說。譬如，假設(shè)有人在管壁穿孔，或地震導(dǎo)致管道稍微移位，都可能導(dǎo)致乘客艙崩潰。

超級高鐵成本一點也不“平民”，但沒有擋住這些大企業(yè)探索的腳步。HTT正在搭建長達8公里的全球首個全尺寸Hyperloop模型，可對該交通方式的系統(tǒng)和技術(shù)進行全局測試和考量。這段僅8公里長的測試軌道預(yù)估需耗資1億美元——還只是最初期測試軌道的鋪設(shè)花費。

來自研發(fā)團隊rLoop的萊納德的說法看起來既務(wù)實又樂觀。他說，超級高鐵能在未來5年到10年成為現(xiàn)實已非常了不起，但在任何形式的公共使用之前，將會有大量的測試和監(jiān)管問題有待解決。

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