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    高速飛車 貼地“飛行”

    時間:2023-09-08 10:20:31       來源:光明網-《光明日報》

    作者:程虹丹 王雪晴(中國航天科工集團有限公司第三研究院磁電總體部工程師)


    (資料圖片僅供參考)

    從馬車、蒸汽火車到高鐵、飛機,每一次交通工具的變革,都伴隨著旅行速度的飛躍。如今,人們對于速度的要求進一步提高,下一代交通工具會是什么樣?高速飛車,或許就是答案。

    2013年美國太空探索技術公司創始人埃隆·馬斯克提出,將磁懸浮技術和真空管道技術相結合,研制新一代交通工具——超級高鐵,即高速飛車。這種列車不僅可以大幅縮短出行時間,提高旅行舒適度,還具有更高的環境適應性,運行不再受天氣影響。

    高速飛車通過管道連接實現無縫接駁,可在城市里運行。其發車間隔可達到與地鐵相似水平,旅客進站后能即上即下,節省換乘等候時間。理想狀態下,高速飛車的應急運行能力強,車輛設備磨損小、運行阻力低,其維護成本及能耗成本也更低,因而更經濟環保。

    的確,作為一種新型軌道交通工具,高速飛車快捷、安全、舒適、經濟、環保,是很有潛力的未來出行方式。在這方面,我國也在發力。

    列車貼地“飛”起來

    高速飛車,是“超高速低真空管道磁浮交通系統”的簡稱,它是基于超導電動懸浮與低真空管道兩大技術原理而設計的新一代交通工具。

    高速飛車利用磁懸浮技術,使列車脫離軌道懸浮在空中運行,從而讓車體“飛”起來。它借助真空管道技術,隔絕外界環境影響,使車體運行時的空氣阻力大幅減小,列車行駛時既能達到飛機的飛行速度,又能保持平穩,實現列車超高速近地“飛行”。

    自20世紀20年代以來,已有多個國家研究各種形式的磁懸浮列車。根據不同的技術路線,磁懸浮列車可以分為高溫超導釘扎懸浮車、電磁懸浮車與電動懸浮車等。上述幾種磁懸浮列車,在工作原理、結構形式、系統組成上各具特色,均能大幅度提高列車運行速度。

    其中,釘扎懸浮車的基本原理是利用高溫超導的磁通釘扎特性,實現穩定懸浮。磁通釘扎特性是指處于超導態的高溫超導體內存在一些缺陷,外界磁場以“磁通量子束”形式通過這些位置時,會被牢牢地束縛在缺陷中心,從而達到穩定懸浮狀態的特性。

    電磁懸浮車是利用不同磁極相吸的原理實現磁體懸浮的。在軌道與車身上分別布置線圈與電磁鐵,通電后,導體產生巨大的磁場,利用磁場的吸力實現車體懸浮,再利用高精度的電控反饋系統,實時調整電磁鐵中的電流,控制車體與軌道之間的間隙及運行速度。

    根據不同的運行速度,電磁懸浮車的發展又可以分為高速磁懸浮列車、中低速磁懸浮列車等。目前,電磁懸浮的技術已較為成熟,并建設完成了多條中低速電磁懸浮的商業運行線路。

    電動懸浮車的基本工作原理為電磁感應,它利用超導體產生的強磁場與線圈相互作用實現懸浮。在列車及軌道兩側分別布置超導磁體與線圈,利用直線電機產生的電磁力牽引列車高速向前運行。在車載超導體高速前進時,地面線圈被磁感線切割,從而產生感應電流,上下兩部分產生方向相反的磁場,使車體抬升并最終實現穩定懸浮。

    相較其他兩種技術路線,電動磁懸浮的技術相對成熟,并且具有懸浮穩定、懸浮間隙大的優點,懸浮性能和安全性更高,更適合高速運行的場景,也是未來高速飛車的主要研究方向。

    隨著技術的發展,人們對更高速、便捷的交通運輸工具需求越來越高,中低速磁懸浮列車已逐漸進入城市交通運輸系統。自德國工程師赫爾曼·肯佩爾于1922年提出電磁懸浮原理之后,美國、日本、德國、韓國等國家相繼開始了磁懸浮運輸系統的研發。

    20世紀60年代,日本率先開展了中低速電磁懸浮列車、電動懸浮列車的研究。2005年,日本開通了電磁懸浮示范線,實現了世界上第一條中低速磁懸浮列車的通車與運營。2015年,由日本JR東海鐵路公司研制的電動懸浮列車,在中央新干線上完成了運行試驗,使日本在新型交通運輸方式上的技術達到新水平。

    我國是世界上第三個擁有中低速磁懸浮技術的國家。2003年在上海建成了磁浮示范線。

    由此可見,中低速磁懸浮交通技術已經逐漸成熟并得到成功推廣使用。磁懸浮交通技術的創新發展,不斷刷新著人類地面交通速度的紀錄。作為一種新型的交通工具,磁懸浮列車正在逐步展現其強大的生命力和廣闊的應用前景。

    中國高速飛車進行時

    高速飛車日益受到矚目。目前,在全球范圍內,有多家企業、研究單位聚焦發展新型地面快速軌道交通工具,競相布局高速飛車的研發。

    日本在2019年開始基于超導電動磁懸浮列車,進行低真空管(隧)道高速列車技術研究。

    美國自2013年提出超級高鐵的概念后,便開始進行流體力學、建筑設計和真空管道方面的技術研究。2017年,美國一家公司首次在真空管道中進行了磁懸浮列車運行測試。2020年,美國維珍公司的超級高鐵項目已經完成了首次載人試驗,測試使用500米真空管道,車體僅用十幾秒就到達了終點。

    我國也有多家科研單位、高校開展相關的技術研發工作。2017年,中國航天科工集團有限公司啟動高速飛車研發項目。該項目將超導電動懸浮技術與低真空管道技術相結合,計劃研制具有世界先進水平的新一代交通工具,希望借助航天領域的新技術、新裝備、新產品,促進我國交通科技的進步,與高鐵、民航等多種交通工具一起,共同構建我國綜合立體交通網,建立我國核心城市群“一小時經濟圈”,推動經濟快速發展。

    中國航天科工集團有限公司目前正同國內多家科研單位、相關企業、高等院校廣泛進行技術合作,持續開展超高速、超導、低真空技術研究,以快速提升我國高速飛車的整體技術水平。

    2021年9月,中國航天科工集團有限公司與山西省人民政府開展合作,共同建設了高速飛車全尺寸試驗線(一期)示范項目,并于2022年4月正式開工建設。為加快項目建設進度,該項目采取“邊建設、邊集成、邊試驗”的模式,在不到一年的時間里,完成了試驗基地和首期試驗線基礎建設,進行了首段設備集成調試,并成功完成了永磁、超導航行試驗。

    2023年1月,項目團隊在山西省大同市高速飛車試驗基地,完成了高速飛車全尺寸試驗線(一期)首次超導航行試驗。本次試驗是國內首次全尺寸超導航行試驗,初步驗證了高速飛車系統總體方案的正確性和各系統的協調匹配性,為后續進一步開展相關技術研發工作奠定了堅實的技術基礎。

    可以預見,在不久的將來,更加高速、便捷、安全、舒適的高速飛車將進入現實生活,進而改變人們的出行方式,提高出行效率。

    《光明日報》(2023年09月07日?16版)

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