【大陸產業發展】 貼地飛行的磁懸浮列車

文/記者王迪、吳曉穎 |2021.03.27
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高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線啓用儀式現場。圖/新華社
世界首條高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線。圖/中新社
高溫超導高速磁浮工程化樣車內部。圖/新華社
高溫超導高速磁浮工程化樣車內部。圖/新華社
高溫超導高速磁浮工程化樣車杜瓦(相當於車輪)。圖/新華社

文/記者王迪、吳曉穎 

今年一月,中國大陸自主研發設計、自主製造的世界首台高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線,在西南交通大學正式啓用。這輛採用全碳纖維、流線型頭型的樣車,設計時速六百二十公里,有望創造在大氣環境下陸地交通的速度新紀錄。

與其他磁懸浮技術相比,高溫超導磁懸浮技術尤其適合未來的真空管(隧)道交通運輸,理論預計速度可高於每小時一千公里。考慮到民航客機的飛行速度大約為每小時九百公里,這個速度堪稱「貼地飛行」。

「汽車、飛機、現代船舶,原創都不是中國人。就包括我們現在領跑世界的高鐵,也是從引進開始,進行消化吸收再創造,從跟跑變為領跑。但我們這個技術一旦成功,就完全是中國人的原創。它將成為一種顛覆性的交通方式,填補陸地交通和航空交通的速度空白。」教育部科學技術委員會委員、西南交通大學副校長何川這樣評價這台樣車和試驗線的意義。

磁懸浮列車獨門絕技

磁懸浮是一種完全依靠磁場使物體懸浮的新技術。吸力(或者斥力)不僅可以抵消重力,使物體懸空,還可以把物體牢牢鎖定在特定的位置、保持穩定。

為了幫助民眾更直觀地了解磁懸浮列車的工作原理,西南交通大學超高速真空管道磁懸浮交通研究中心副主任鄧自剛在高速磁懸浮樣車的軌道上做了一個實驗。他雙手抬起一片長方形的鋁板,在永磁軌道上方拋出。結果,鋁板並沒有直接砸向軌道:它先墜落,然後在距離軌道很近的位置「飄」起來,沿著軌道方向滑行一小段距離才落地,輕盈得像一片羽毛。

鄧自剛說,因為鋁板有電阻,電流會衰減,這塊鋁板最終會落到軌道上。如果把鋁板換成超導體,即在一定溫度下電阻變為零的導體,就可以實現長時間的懸浮。

磁懸浮列車可以採用三種原理實現懸浮,即電磁懸浮(EMS)、電動懸浮(EDS)和高溫超導懸浮(HTS)。電磁懸浮原理比高溫超導懸浮原理出現得更早,高溫超導懸浮原理是在一九八○年代後期發現高溫超導材料後才提出的。採用電磁懸浮原理的列車已在中低速域和高速域實現了商業運用,而高溫超導懸浮還未進入商用。

事實上,在此之前,已經有人利用前面兩種原理造出了時速六百公里的磁懸浮樣車。

二○一五年,日本低溫超導磁懸浮中央新幹線曾創造了載人時速六百零三公里的世界新紀錄,引起廣泛關注。二○一九年,中國大陸時速六百公里高速電磁懸浮試驗樣車在青島下線,標誌著中國大陸在高速磁浮技術領域實現重大突破。

西南交通大學超高速真空管道磁浮交通研究中心首席科學家張衛華教授認為,高溫超導懸浮技術有獨特優勢。

第一是運營成本低。所謂「高溫」指的是攝氏零下一百九十六度,這個溫度顯著高於低溫超導體所對應的溫度要求(攝氏零下二百六十九度),意味著可以用更經濟的方式實現懸浮。「日本的低溫超導磁懸浮技術要求攝氏零下二百六十九度,需要用液氦來冷卻,這在全世界都是稀缺資源。但高溫超導磁懸浮用液氮就行了,空氣中百分之七十八都是氮氣,液氮的成本比礦泉水的成本還低。」張衛華說。

第二是系統更簡單。同樣以日本的低溫超導磁懸浮車為參照,它需要加速到一定的速度才能懸浮,而採用高溫超導技術可以實現列車的靜止懸浮,這樣就省去了複雜的起跑系統。

在西南交通大學的項目團隊看來,高溫超導懸浮技術還有一個重要的優勢,那就是擁有完全自主的知識產權。「我們這個技術一旦成功,就完全是中國人的原創,從基礎研究到基礎應用,從實用技術到產業化,都是中國人在做。」何川說。

值得一提的是,不論是採取哪種技術路線,相比其他交通方式,磁懸浮列車有很多共通的優點,包括維護成本低、安全性高、環境汙染少。

然而,在現有的技術條件下,實現磁懸浮列車的商用仍面臨不小的挑戰,主要原因在於建設成本高、回報率低。目前只有中、日、韓三國運行商用磁懸浮列車。

缺經費一度進展緩慢

在鄧自剛看來,過去二十年裡他所在團隊的最大成就,是大幅提升了高溫超導技術的懸浮載重性能。懸浮載重性能是指單位面積上能產生多大的懸浮力。

二○○○年年底,西南交通大學王家素和王素玉科研團隊研製出了世界首輛載人高溫超導磁懸浮實驗車「世紀號」。目前,通過優化研究,這輛車的懸浮性能提高了六到七倍。「提升懸浮性能首先需要研究清楚車載高溫超導體和永磁軌道的作用機理,這是一項系統研究工作。有了研究結論作為指導後,具體實施過程像是一個拼圖遊戲。」鄧自剛說。

超導塊材普通尺寸很小,因為愈大對工藝的要求愈高。研究者需要選擇超導塊材的形狀,比如圓形、正方形還是正六邊形,然後研究按照什麼方式排列擺放、力求在間隙最小的前提下組合成更大體積的塊材,最大程度發揮出每一塊超導體的性能。

磁軌的設計面臨類似的難題。鄧自剛透露,「目前,一公尺長的軌道是由九十段小磁體拼起來的」,他們要琢磨如何排布磁體,實現用最小成本發揮最大的磁場性能。

早期的軌道磁場在上下呈對稱分布,這就意味著軌道下方的一半、未處於工作面的磁場被浪費了。經過不斷的仿真優化和實驗,如今鄧自剛的團隊可以讓百分之九十以上的永磁體磁場聚集在軌道上方,發揮關鍵作用。

也有一些挑戰來自技術之外,比如籌集研發經費。鄧自剛坦承,因為一直沒有爭取到上千萬元的投資建設試驗線,「前面有十年時間研究進展非常緩慢」。眼看著巴西等國按照類似技術造出了高溫超導磁懸浮的小運量、短距離試驗線,他感到十分焦慮。

二○一二年,為了支持中國原創的高溫超導磁懸浮技術發展,西南交通大學牽引動力國家重點實驗室主任張衛華教授,撥給高溫超導磁懸浮研究團隊一筆人民幣一百萬元的專項經費,總算建起了一條四十五公尺長的環形實驗線。

「可以說開啓了一片新天地,讓這項技術起死回生,讓外界再次看到了高溫超導磁懸浮技術。」鄧自剛說。

列車「浮起來」也「動起來」

未來商用五六年可期

中國大陸在高鐵技術上的發展速度十分快速,只花了短短數十年時間,從沒有一寸高速鐵路,發展到擁有世界上運營里程最長的高速鐵路,高鐵高速、高原、高寒、重載鐵路技術達到世界領先水平。

成都西南交通大學設計研究院有限公司副院長兼昆明分院院長金朝輝是這個項目的負責人,他說:「我們現在的試驗線,實現了『浮起來』、『動起來』兩個目標,而要實現『跑起來』的目標,需要在長距離試驗線上,才能進行六百公里級的真車試驗,完成高溫超導高速磁浮列車投入民用前的最後一步驗證。」

金朝輝認為,中國大陸已經具備建設高速磁懸浮試驗線和產業落地的基礎。首先,高溫超導磁懸浮列車的土建技術非常接近於現有的高鐵技術,橋梁、隧道、路基的形式都很類似,主要變化是將鋼軌變成了磁軌,中間加了直線電機。這樣的好處是可以使得土建技術具有較高的成熟度,還可以利用現有的成熟產業鏈。因此在土建工程技術上完全具備建設條件。

其二,中國大陸的稀土資源儲備極其豐富,若將其應用於高溫超導磁浮線路中,完全足以支持軌道建設,因此磁軌也具備建設生產和產業落地的條件。

其三,大陸多家單位均可製備高溫超導塊材,但受限於需求量較小,暫時未實現量產。若實現工程應用,在市場驅使下可以在短時間內實現量產。

其四,其他如直線電機、列車控制技術、安全管理技術等,中國均已具有成熟的技術和完整的產業鏈支持。因此,中國在高速超導磁懸浮列車完全具備建設高速試驗線和後續產業落地的基礎。

金朝輝認為,高溫超導高速磁浮列車技術基本成熟,適用於包括山區在內的各種環境和地形,特別適合於帶有旅遊性質的軌道或城際高速鐵路。目前的當務之急是需要結合應用場景建設長距離試驗線,完成系統總集成的驗證工作,打通投入商用的最後一關。

另外,當開始建設後,還需要進一步降低建設成本。在土建工程上,由於列車更輕,尺寸更小,採用均布荷載等原因,土建成本將比現有高鐵模式更低。但直線電機、磁軌這種新產品,之前沒有大規模的應用場景,成本還偏高。研發團隊還需要努力降低建造成本,讓高溫超導高速磁浮技術,更具競爭力。

對於高溫超導高速磁懸浮列車投入商用的時間表,何川預計,「如國家支持建設長距離試驗線,短則兩三年,長則五六年,我是有充分信心的」。

新華社港台部供稿

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