这就是未来高铁？
2018-04-10 12:51
速度是衡量一个国家高铁研发水平的重要指标，追求更高速度是未来高铁发展的必然趋势，也是高铁研究者们孜孜以求的目标。那么，高铁究竟能跑多快呢？
从实验看，2010年，在京沪高铁枣庄至蚌埠间的先导段联调联试和综合试验中，中国高铁最高时速达到486.1公里，刷新了世界铁路运营试验的最高速。
从实践看，2017年，“复兴号”中国标准动车组实现了以350公里的时速运营，使我国成为世界上高铁商业运营速度最快的国家。
从理论看，来自西南交通大学的科研团队认为，结合了真空管道技术和高温超导磁悬浮技术的未来“超级高铁”，时速有望突破1000公里。这也意味着，从成都到北京的时间将由现在的7个多小时，缩短到100分钟以内。
但鲜为人知的是，从提出设想到研究设计出试验线，西南交通大学真空管道高温超导磁浮团队在这条路上足足探索了30多年。
超导磁悬浮：让列车“浮”起来
磁浮列车是20世纪的一项技术发明，其原理并不深奥：它运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即磁性悬浮。科学家将磁性悬浮运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道，成为“浮”在空中的列车，这就是磁浮列车。
德国在常导磁悬浮、日本在低温超导磁悬浮方面一直保持着技术领先。上世纪80年代中期，我国开始在磁浮列车领域奋起直追，但想要赶上60年的技术差距，无疑是一个巨大的挑战。
1986年，西南交通大学召开磁浮技术与磁浮列车技术研究大会，成为国内较早启动该领域研究的高校科研单位；1988年，西南交通大学磁浮团队完成了单自由度铁球悬浮实验，对电磁吸力悬浮原理有了本质上的认识；2000年，该校王家素团队研制出了世界上第一辆载人高温超导磁悬浮实验车。
所谓高温超导，是指在零下196摄氏度的液氮环境中，特殊材料制成的超导体具有零电阻和迈斯纳效应。与低温超导相比，高温超导具有悬浮导向自稳定性。换句话说，把高温超导体放在永磁轨道上，其就能提供稳定的导向力和悬浮力，既能悬浮又能悬挂，并且不会上下左右摇晃，从而保证了列车运行的稳定性。
2012年4月至2013年2月，西南交通大学成功研制出了中国首条载人高温超导磁悬浮环形试验线。据介绍，这条试验线全长45米，曲线半径6米，悬浮高度10~20毫米，最大载重1吨，最高载人时速25公里。
这个系统是目前国际上同等载重能力中截面最小、永磁材料用量最少的高温超导悬浮系统，同时它还建立起了面向实际应用的含转向架、制动、无线通讯、车载实时监测等功能于一体的高温超导磁浮整车系统。
真空管道：让列车“飞”起来
数据显示，当列车时速达到400公里以上时，超过83%的牵引力都会浪费在抵抗空气阻力上。因此，科研人员一直希望能通过建造真空环境，减少空气对磁浮列车的阻力。
2004年12月18日，两院院士、西南交通大学教授沈志云发起“真空管道高速交通”院士研讨会，7位院士莅临会议。
会上，沈志云提出了一个设想，即将我国真空管道高速交通的战略定位于600~1000公里/小时的超高速，并分四个阶段推行：从2005年开始，用5年推出小比例模型，10年做出全尺寸模型，15年完成实验线路，25年即2020~2030年实现运营线。
与会学者围绕沈志云的观点，就真空管道高速交通技术及相关问题进行了广泛的探讨。他们认为，真空管道高速交通具有可行性，但不排除某些技术问题的解决难度。
得益于沈志云和王家素等专家的创新想法，真空管道和高温超导磁浮被结合在了一起。而两者结合首先考虑的便是安全性，高温超导磁悬浮采用永磁轨道，而封闭管道为其提供了一个良好的屏障；其次是环保性，列车高速运行时与空气摩擦会产生较大噪声，而封闭的真空空间则可以解决这个问题。
在西南交通大学首席教授张卫华的组织下，牵引动力国家重点实验室邓自刚研究团队将真空管道磁浮交通的设想付诸了实践。在原有的高温超导磁悬浮车环形实验线基础上，研究团队于2014年6月研制完成和调试成功了世界首个真空管道高温超导磁悬浮车试验系统。
45米的环形轨道线外罩着一层由钢架和有机玻璃做成的全封闭管道，使得其看起来就像一颗透明的胶囊。张卫华介绍，在理想状态下，如果把轨道的曲线半径扩大到6公里，那么列车的理论时速就可能达到1500公里以上。
1000公里：一个小目标
科学探索的脚步永不会停歇。在前期试验线的基础上，西南交通大学又设计建设了多功能高速列车运行模拟试验台。
这是一条直径4.2米、长140米的特制管道，它采用直线电机弹射加速，可将列车模型在140米的距离内加速至400公里/小时，并在行驶过程中完成列车空气动力学、管道—磁轨—车体耦合振动、运行平稳性及稳定性等一系列测试，为下一步的载人中试打下基础。
全新的试验线将在低气压环境中测试，试验车车底布满特制的高温超导材料，其依靠液氮形成的低温达到超导和磁悬浮效果，悬浮高度10毫米，承重200公斤，测试时速最高可达400公里。目前，该试验台已经进行了管道抽空降压实验，正处于关键技术突破的重要时期。
与此同时，试验团队还正与中国中车联合研发能载100人的1：1样车，这种实用化原型车的悬浮能力将达到2吨/米，悬浮高度15毫米，能够满足现有轨道交通运营的载重要求。
在项目主持人张卫华看来，目前真空技术已经成熟，高温超导技术也已经有了成型的解决方案，一旦二者成功结合，未来“超级高铁”的时速就有望突破1000公里。而且，真空管道高温超导磁悬浮的超高速、磁悬浮特性使其在交通运输、航空航天以及科研等诸多领域具有广泛而诱人的应用前景，势必将带动一大批相关产业的蓬勃发展，推动人类社会的进步。
目前，西南交通大学的科研团队正在持续进行真空管道高温超导磁悬浮的理论与应用研究，同时积极推动真空管道磁浮交通工程化。但这一目标的实现不可能一蹴而就，其距离最终的商业化运行还有很长一段路要走，同时也需要更多的科研自信和支持。■
（作者之一许金砖单位为西南交通大学）
《科学新闻》 (科学新闻2018年3月刊 交通)
