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"超級高鐵"時速達4000公裏 "第五種交通方式"可行嗎?
2017-09-05 16:43:39 來源: 科技日報
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原標題:“第五種交通方式”可行嗎? ——從時速四千公裏的“超級高鐵”看磁浮技術“星球爭霸”

  8月的最後一天,一條科技新聞引發了輿論場“海嘯”:中國航天科工集團公司宣布,正在推進結合了超聲速飛行技術與軌道交通技術的“高速飛行列車”項目,時速有望高達4000公裏。一旦實現,國內超級城市群便能形成1小時經濟圈。

  被稱為“第五種交通方式”的“高速飛行列車”是個什麼“鬼”?4000公裏的時速,是否考慮過乘車群眾“小心臟”的承受力?科技日報記者就此採訪了有關專家。

  有理論與技術基礎 尚缺試驗數據支撐

  “在真空管道中運行4000公裏時速,是基于現有技術基礎上的推斷,有一定理論和技術基礎,但缺乏實驗依據。”西南交通大學超導中心教授趙勇説。

  國防科技大學磁浮技術工程研究中心教授李傑也認為,依據磁浮原理,磁浮列車速度確實可以“無極限”。4000公裏時速,理論上可行。

  不過,理想很豐滿,現實仍“骨感”。

  趙勇介紹,要實現目標速度,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係統的動力學穩定性;如何保證高速運動下的直線驅動效率。“這些都需要實驗數據支撐。”

  磁浮列車主要涉及懸浮、導向、牽引等核心關鍵技術。時速1000公裏以上的超高速列車,如何穩定懸浮、且“不跑偏”,如何獲得與超高速相匹配的牽引技術,都需要一步步向前推進。

  根據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。對于1000公裏以上的“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負責人毛凱介紹,目前開展的多項關鍵技術攻關中,有一項高溫超導磁懸浮技術正是要解決這個問題。

  2014年,西南交通大學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磁浮問題研究。其中,一組偏重載人磁浮係統研究,目前在平臺中載人運行可達時速30公裏。另一組則偏重高速運動下的動力學行為,在平臺中運行可達時速160公裏。

  “我們的高溫超導磁浮技術,是基于高溫超導體與永磁體間的抗磁和磁通釘扎作用,是一種由材料內在特性決定的被動懸浮。它具有結構簡單、安全、自導向、節能環保等優勢。”趙勇説。正因為其“自導向性”,確保了在合理軌道設計下列車沿軌道穩定運行的可能。“嚴格説,它是‘非理想第二類超導體的邁斯納效應、磁通釘扎’與‘量子磁浮記憶效應’的結合。”

  1000公裏時速以上的磁浮成熟技術還沒出現

  按懸浮形式,磁浮技術可分為常導與超導兩類。

  日本採用了基于電磁動態懸浮的低溫超導磁浮技術,這一技術業已成熟,載人速度可達時速600多公裏。2014年,日本開工建設世界首條最高時速達505公裏的超導磁懸浮高速鐵路,預期2027年建成通車。而上海430公裏時速的磁浮列車,則採用了德國的常導磁浮技術,利用的是電磁吸引懸浮原理。目前全球尚未形成1000公裏時速以上的磁浮成熟技術。

  中車株洲電機有限公司牽引電機研發部副經理何雲風介紹,根據速度,磁浮列車有高速和中低速之分。中低速磁浮列車,一般採用短定子直線感應電機牽引,如長沙磁浮列車。高速磁浮列車中,上海磁浮列車採用了長定子同步直線電機牽引,日本高速磁浮列車則採用了低溫超導直線電機牽引。“國內對長定子直線電機尚未實現工程化應用,且有同步,永磁、超導等技術路線之分,國內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公裏時速的直線同步電機,600公裏以上的還在前期研究中。”

  趙勇補充解釋,所謂航天技術與磁浮技術的結合,是指將其空氣動力學方面的優勢,運用于高速運動的穩定性、氣動設計等方面,並非簡單的“航天技術+磁浮技術”。

  全球磁浮技術的“星際爭霸”

  “高速飛行列車”為真空管道列車,實質也是“Hyperloop超級高鐵”概念。千公裏時速的超級高鐵架構由特斯拉創始人埃隆·馬斯克提出,被稱為“第五種交通方式”。這一概念提出後,吸引了國際廣泛關注,包括Space X、HTT、Hyperloop One等在內的大企業,均參與了研究。

  對超級高鐵這一前沿技術的研究,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難題。退休物理學家、超導磁懸浮概念的聯合提出者詹姆士·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,都可能導致災難。此外,長真空管道如何維持低壓,甚至接近真空狀態極為困難。

  “整套係統非常脆弱,哪怕一個點失敗,都可能引發災難。”鮑威爾説。譬如,假設有人在管壁穿孔,或地震導致管道稍微移位,都可能導致乘客艙崩潰。

  超級高鐵成本一點也不“平民”,但沒有擋住這些大企業探索的腳步。HTT正在搭建長達8公裏的全球首個全尺寸Hyperloop模型,可對該交通方式的係統和技術進行全局測試和考量。這段僅8公裏長的測試軌道預估需耗資1億美元——還只是最初期測試軌道的鋪設花費。

  來自研發團隊rLoop的萊納德的説法看起來既務實又樂觀。他説,超級高鐵能在未來5年到10年成為現實已非常了不起,但在任何形式的公共使用之前,將會有大量的測試和監管問題有待解決。(記者 俞慧友)

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