摘要：自人类诞生之际，人类对速度的追求便深埋于基因里。为了不断突破速度极限，人们孜孜以求，不断研究和探索更为强大、便捷的交通工具。伴随着工业革命的浪潮，人们的出行模式也在大幅革新。从时速20公里的马车演变到时速100公里的汽车，再到时速350公里的高铁、时速1000
自人类诞生之际，人类对速度的追求便深埋于基因里。为了不断突破速度极限，人们孜孜以求，不断研究和探索更为强大、便捷的交通工具。伴随着工业革命的浪潮，人们的出行模式也在大幅革新。从时速20公里的马车演变到时速100公里的汽车，再到时速350公里的高铁、时速1000公里的飞机，它们每项都是一个时代的标志。其中，高铁作为现代化轨道交通建设的重大成果，历经多年飞速发展，成绩斐然，已然成为一张中国递给世界的“亮丽名片”。然而，轨道交通领域的研究并未就此停下脚步。后高铁时代，中国应如何继续领跑世界？在迈向更高速、更环保、更安全、更舒适的道路上，未来的交通工具又应如何变革？这一切，高温超导磁悬浮列车将给出答案。
一磁悬浮：轨道交通速度追求的新范式众所周知，高速列车依靠电机驱动，利用齿轮、轮轴等机构使车轮旋转，通过车轮与轮轨间接触产生的摩擦力带动列车运行。这种运行模式不可避免地会产生摩擦、磨损与噪声问题，轮轨黏着、弓网接触、蛇形失稳、运行噪音、空气阻力等均是制约高铁进一步提速的问题与挑战。我们要如何变革，才能将这些问题解决，把速度提上来呢？答案是磁悬浮！与高铁相比，磁悬浮列车最大的不同在于没有车轮，却可以沿着轨道前进。这一切要归功于电磁力。车载磁体与地面轨道相互作用产生电磁力，使列车克服重力悬浮于轨道之上，并依靠沿轨道铺设的直线电机来驱动列车运行。该运行模式使得磁悬浮列车具有诸多优点，其一是摆脱了传统轮轨接触，完全的悬浮会令其速度更快，阻力更小；其二是没有了轮轨接触，列车振动会减小，运行噪音将大大降低；其三是环保无污染，直线电机驱动列车运行，更加节能且无碳排放，环保性能更加优越。直至目前，磁悬浮制式主要分为四种，分别为永磁悬浮、电磁悬浮、电动悬浮和超导钉扎悬浮，且这四种制式我国均有研究。然而，不同磁悬浮制式，它们的工作原理也存在差异。其中，永磁悬浮的原理最为简单，就是我们小时候玩过的磁铁，当磁铁极性相同的两端足够靠近时，就会产生强大的排斥力。永磁悬浮就是依靠永磁体之间同性相斥的原理实现悬浮的。这种制式结构简单，但是导向不稳定，需要在横向上限制位移才能实现静态悬浮。电磁悬浮的原理可形象解释为“电生磁”，它是依靠列车上电磁铁通电产生的磁场与导轨上铁磁材料之间的吸引力来实现悬浮的。目前上海浦东国际机场运营的磁悬浮制式就是这种，其最高时速已达到550公里。电动悬浮的原理为“动生电”，就像列车在轨道上“打水漂”，需要达到一定的速度才能脱离轨道悬浮起来。此制式以日本的低温超导电动悬浮列车为代表，其最高时速已达603公里，它也是目前地面轨道交通工具最高速度记录的保持者。而超导钉扎悬浮顾名思义，超导材料会被无形的磁场牢牢“钉”在轨道上方。二高温超导钉扎磁悬浮拿我国拥有全部知识产权的高温超导钉扎磁悬浮技术为例，其原理可形象地解释为“感生电”。它不用通电，当超导体所在位置磁场发生变化时，在其内部就会产生感应电流，这个感应电流与外磁场相互作用就产生了悬浮力。高温超导磁悬浮被认为是一种非常神奇的磁悬浮技术，因为它既能悬浮，又能悬挂，就像图1所展示的那样！这一切都是源于超导材料自身的磁通钉扎特性。由于高温超导体属于非理想第Ⅱ类超导体，相较于第Ⅰ类超导体(也称为理想超导体)多了些“杂质”，我们把这部分“杂质”缺陷称为钉扎中心，如图2所示。永磁轨道的磁力线能穿透高温超导体，并被钉扎中心“抓”住。就像一个无形的弹簧一样，向下压超导体，它就会浮起来；若向上拉它，它就会被吸回去！这也使得高温超导磁悬浮具备了自稳定、自悬浮、自导向的优异特性。图1 装有高温超导材料的模型在永磁轨道上方悬浮及下方悬挂试验演示图
图2 第Ⅰ、Ⅱ类超导体在外磁场中磁力线分布示意图
介绍完高温超导磁悬浮的原理，大家或许会问，什么是高温超导呢？实际上，高温超导是相对于低温超导而言的。超导材料想要进入超导态，就需要降温，那要降到多少才能够应用呢？1911年，荷兰莱顿大学的Onnes教授发现了金属元素汞Hg在液氦温度(4.2K，零下268.95℃)，出现了零电阻的超导现象。1986年，镧钡铜氧材料被发现，它的临界温度为35 K(零下238.15℃)。仅过了一年，美国休斯敦大学朱经武团队和中科院物理所赵忠贤团队分别独立发现首个液氮温区(77 K，零下196.15℃)超导体——钇钡铜氧(YBCO)，这种材料的临界温度为93 K(零下180.15℃)。由于液氮温度，远高于液氦温度，且空气中氮气含量高达78.1%，而氦气在自然界中的储量跟氮气相比微乎其微，上述原因导致液氮的价格仅仅约为液氦的1/100。根据超导材料的临界温度，我们泛指能在相对更高温区下工作的超导体为高温超导体，同理，在相对低温区下工作的超导体为低温超导体。能在液氮温度下工作的高温超导体如YBCO，相较于低温超导体，运行成本会大大降低！三高温超导磁悬浮列车可弥补高铁与航空之间的速度空白如果将高温超导磁悬浮技术应用到列车上，将车轮改为悬浮装置，就得到了图3所示的高温超导磁悬浮列车。2021年1月13日，设计时速为620公里的世界首台高温超导磁悬浮工程化样车于四川成都西南交通大学成功下线。列车涵盖了车辆系统、悬浮系统、牵引系统、轨道系统等多个子系统。倘若按照“门到门”的概念计算实际出行时间，高温超导磁悬浮列车在服务1500公里运营里程范围内具有一定的优势。它可以填补高铁和航空之间的速度空白，是现有交通网络的重要补充。图3 高温超导磁悬浮列车实物图
高温超导磁悬浮列车最大的优势在于悬浮、导向自稳定：无需外加悬浮及导向控制系统，依靠高温超导体固有的磁通钉扎特性即可实现稳定悬浮。从图4所示的结构示意图中可以看出，高温超导磁悬浮列车结构简约且充分一体化，且其运行仅依靠液氮冷却超导体，成本极低。列车的悬浮高度可达10~20毫米，浮重比可达到20，且在行进方向上无固有的磁阻力！由于永磁轨道产生的是静磁场，乘客也无需担心电磁辐射的问题。为了更好适配现有的交通线路，列车的断面布局与高铁一致，可利用现有的高铁土建技术。同时，采用“轨抱车”的设计，与悬浮导向自稳定的特性形成双重保险保护乘客安全。编辑：余荫铠
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来源：中科院物理所
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