我国又一张大国名片现身,而这次是我们自己超越了自己。
前段时间,我国拥有完全自主知识产权的商用磁悬浮3.0列车,在同济大学磁浮试验线上,成功完成了动态试验和系统联调联试。
这款磁悬浮列车虽然目前规划时速仅有50到200公里/小时之间,但其理论时速却可以达到4000公里/小时。这种磁浮列车的成功研发,标志着我国在磁浮技术创新领域,再次走在世界前列,同时也意味着磁悬浮列车的使用空间更加广阔。
那么,随着磁悬浮3.0技术的突破,是否会动摇以高铁为主的,现有的陆路交通格局呢?磁悬浮和高铁,谁能代表交通工具的未来?在探讨这个问题之前,我们先聊聊为什么要研发磁悬浮技术。
一、磁浮列车的优势:速度众所周知,根据爱因斯坦狭义相对论,物体运动速度越快,其质量也会增加,需要的动能也会相应地增加,而且这种关系是非线性的【m=m0/(√(1-(v/c)^2))】。
因此,当速度越快时,需要的动能可能会呈几何式增加。在现实生活中,我们也有类似的案例,比如:如果以400公里时速行驶的高速列车,其能耗要明显高于350公里时速的高速列车。也可以说,350公里时速就是高铁商用的最佳速度极限。
如果要追求更高的速度怎么办?目前只有一种解决方案——磁悬浮列车。那么,磁悬浮列车能有多快?
2015年,日本“L0系”磁悬浮试验车在山梨县磁浮试验中心下线,跑出603公里的世界最高时速。2021年7月,由中国中车研制的高速磁浮列车,设计时速也达到600公里,而且已经实现稳定悬浮和动态运行。然而,这还不是磁悬浮的速度极限。
二、磁悬浮,为什么这么快?特斯拉CEO埃隆·马斯克在2013年时提出一个“超级高铁”的构想,磁悬浮与真空管道技术相结合,可使磁浮列车时速达到4000公里。
“磁悬浮列车”概念,最初由德国科学家赫尔曼在1922年提出。当时提出的原理也很简单:应用电磁同极相斥的原理,最大限度降低交通工具的运行阻力,从而实现速度的极限提升。
从理论研究到商业探索,经过近百年的研发过程,磁浮列车在技术原理、运行规制等方面,已经衍生出多种路线。比如在轨道线路设计方面,就有“长定子”、“短定子”之分。
长定子,指的是定子直接设置在导轨上,可无限延伸的轨道线路,此前提到的国产3.0磁浮列车,采用的就是“长定子”线路模式。而“短定子”,指的是直线电机定子直接放在车辆内。由于其长短定子度受限于列车长度,故名“短定子”。
此外,按照磁体的不同,磁浮列车还可以分为“常导磁悬浮”、“超导磁悬浮”、“永磁磁悬浮”三种类型。
常导磁悬浮,是磁浮列车中的“始祖”。其原理,正如磁悬浮概念创立之初所言,利用直流电磁体的磁力效应,使整部列车悬空10mm左右,从而实现高速运行。
超导磁悬浮列车的核心原理,也是利用电磁同极相斥的物理规则,但它的关键优势在“超导”二字上。所谓超导,指的是特定导体在处于极低温状态时,其电阻无限接近于零的状态。低电阻优势,使超导装置的内部电流,能够达到常导磁悬浮列车数百倍。因此,大多数挑战速度纪录的磁浮列车,均采用超导方案。比如日本创纪录的“L0”系磁浮,在青岛试运行的中车磁浮,均属此列。
可以看到,磁浮列车之所以能够实现极高的运行速度,根源就在于对阻力、摩擦力的消除。内部装置,大幅度消除电阻,追求电能动力的最大化;外部运行,通过流体外形、悬浮方式,最大限度减少空气阻力和接地摩擦力。
三、打破日德垄断,中国磁浮位列第一梯队虽然磁悬浮原理比较简单,但真正实施,却相当困难。我国的磁悬浮研发,也经历了一段由引进技术到自主攻关的艰难过程。国内最早铺设的商用磁悬浮线路,上海浦东机场到龙阳路的tr-8线,其建设技术,就是采购了德国蒂森克虏伯的TR磁浮项目。
随着高铁技术潜力开发的饱和,近年来,越来越多的科研资源开始向磁浮领域倾斜,进一步带动了国产磁浮技术的发展。
时至今日,我国磁浮布局,已经广泛延伸至磁浮发展的各个赛道。无论是常导磁浮,还是低温超导、高温超导,乃至真空管道路线,国内均取得了不俗的成绩。毫不夸张地讲,在磁浮领域,国内已经与德日等磁浮领域强国,位列同一梯队。
此次磁悬浮技术从1.0到3.0的进步,国内研发人员在通讯技术、牵引技术改良、导向改良、受流技术等方面,采用了很多创新举措。
通讯技术上,通过引入5G毫米波技术,确保了车辆全自动驾驶的实现,将行驶方式创新和驾驶方式创新较好地融合在了一起;长定子直线电机牵引技术的实施,使3.0磁浮列车牵引能力较2.0列车提升了20%,加速时间也缩短50%以上。
此外,主动导向控制系统的配置,使磁浮列车抗侧风能力、整车稳定性、转弯能力均得到大幅提升。较之前两代,在安全性能方面,3.0也实现了明显优化。
所谓“完全自主”,正如中车磁浮专家张文跃所说,在磁浮3.0列车项目上,国内掌握着牵引、制动、悬浮、受流等所有关键技术。
四、结语回到最初的问题,如今是否可以用磁悬浮列车取代现有的高铁呢?答案是不能。
虽然我国磁悬浮技术已经跻身世界一流,但磁悬浮列车造价贵也是各个国家尚未解决的共同问题。目前,相同里程的磁悬浮列车造价是复兴号高铁列车的4倍。因此,短期谈替代,并不现实。
不过,随着我国在列车新材料方面的不断探索,总会有一天,磁悬浮列车的成本与其提供的价值将达到一个平衡点,支持更大规模的商业化。正如当初高铁慢慢替代传统的绿皮车一样。