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磁悬浮列车、轮轨交通及未来超级高铁
    时间:2017-2-20     点击率:1019

《力学园地》编辑部:刚刚迎来2017年,就听到北京首条磁浮线S1将在年底通车的消息。能否介绍一下中国的磁悬浮线建设情况、今后磁悬浮列车以及未来轮轨交通的发展趋势?谢谢!

                                                        一名北京读者 2017-01-10                                                        

磁悬浮列车、轮轨交通及未来超级高铁

尊敬的读者

感谢你对《力学园地》的关注。对于你的问题,我做如下的简要介绍,希望能给出使你满意的答复。

长沙正在载客试运营的磁悬浮列车

首先谈谈磁悬浮列车在中国的建设情况。200314日,中德合作开发的世界第一条磁悬浮商运线正式在上海开始运营,专线全长29.863公里。它属于高速磁悬浮列车范畴,运营速度为430公里/小时。此外,中国同时在自主研发中低速磁悬浮技术,并取得了长足的进展。201656日,中国首条完全拥有自主知识产权的中低速磁浮商业运营铁路——长沙磁浮快线载客试运营,标志着中国磁浮技术实现了从研发到应用的全覆盖,成为世界上少数几个掌握该项技术的国家之一。长沙线全长18.55公里,是世界上最长的中低速磁悬浮商业运营示范线。其磁悬浮列车与轨道距离保持在8毫米,运行速度为每小时100公里。当它以时速80公里运行时,噪音约70分贝,可以做到车辆从楼宇窗户10米外穿过,而楼内的人员不易察觉。最后,要提到的是,全长10.2公里的北京首条磁浮线S1线也将于2017年试运行,该线路同样使用中低速磁悬浮列车,运行速度小于120公里/小时(试运行阶段为60公里/小时)。

北京S1磁悬浮线的“玲龙号”列车正在调试中

由于没有车轮直接与轨道接触而依靠磁力悬浮于空中(空隙大约1厘米),因此磁悬浮列车运行相对平稳;由于采用抱轨运行模式,不会发生侧翻和脱轨事故;与传统轨道线路比,中低速磁浮列车转弯半径小、爬坡能力强;由于是悬浮设计,没有轮轨之间的摩擦(其实,磁悬浮列车干脆就取消了轮子),所以磨损小、噪音低。因此,中低速磁悬浮列车穿梭在城市楼群间能“悄然而至”,可以实现“门到门”的无缝衔接。

中低速磁悬浮列车特点解析

当然,对于中国是否要发展磁悬浮交通?一直存在着争议。主要的质疑在于:电磁辐射,停电安全,过载危险,等等。有关专家的解释是:(1)和高速磁悬浮不同,中低速磁悬浮是一种吸力型的磁浮,它的轨道就是导电铝板并没有设置电流线圈,其辐射不会泄露到红线范围外,对周围的居民不会产生影响;此外,磁浮是非电离辐射,类似手机、电台,只有一些加热效应,不会影响健康。(2)除了持续供电之外,磁悬浮列车上还配有专门的蓄电池。一旦发生断电情况,它可以给车辆供应两分钟的电,而车辆安全下落的时间只要20秒,蓄电池的电足够车辆安全落在轨道上。(3)有人担心,乘坐旅客很多时车辆会被压下去或者反之会飘起来。其实列车有专门的系统来控制磁浮的力量,以保证有810毫米的悬浮高度。如果人多,列车的“浮力”就会自动加大;反之则会自动缩小。对乘客来说,基本感受不到这些细微的差别。目前北京S1线使用的中低速磁悬浮技术,工程造价大体上与轻轨持平、比地铁低,在市内交通、市郊交通等近距离交通中有可能与地铁、轻轨进行竞争。不过,与通常的快轨相比,磁悬浮列车用电量要高、载客量偏低,这些则会影响它的广泛应用。

应当说,无论是在中国还是在世界,磁悬浮交通还处于研究试验或试运营示范阶段。而中低速磁悬浮是我国具有自主知识产权的新技术,目前中低速磁悬浮列车技术只有中国和日本掌握,美国和韩国都尚在研发中。这里还要说明的是,磁悬浮交通在经济上的价值不仅仅是通过磁悬浮交通系统本身来体现,它的经济价值还在于通过磁悬浮技术的研发带动我们国家基础工业和基础技术的发展,比如说磁悬浮技术涉及到的电磁驱动技术,其本质上和航母上的电磁弹射是一码事。另外像磁悬浮技术涉及稀土材料、永磁材料、复合材料等多种基础材料,这些都是工业发展的基础,只有占据这个技术的制高点,才能带动对我国有战略意义的其他基础工业的发展。因此,作为一种技术储备,大家不会放弃磁悬浮的研究。日本现在正在研发的时速500公里低温超导磁悬浮计划将于2027年建成投入运营,这对我们来说是一种战略干扰和遏制。因此,我们应当继续研发相关技术,据悉我国的目标是:高速磁浮为时速600公里,中速磁浮为时速200公里。

当然,对于城市轻轨,人们的研究范围不限于磁悬浮。201611月,从成都传来了世界首条新能源“空铁”在成都试运行的喜讯就是一例。该线路全长1.4公里,时速为60公里左右,采用空中悬挂式列车,以锂电池动力包为能源,具有平稳舒适安全性高、节能环保噪音低、占地少适应性强、建设工期短难度小、景象美观视野开阔等优点,可望成为未来中国城乡与城际之间实现立体交通对接、中心城市交通枢纽一体化衔接、热点旅游景区覆盖的一种现代新型交通系统。

成都新能源“空铁”在运行中

其次来谈谈轮轨交通。众所周知,中国在轮轨技术领域里研发了世界领先的高铁。中国高铁从2004年开始,经过引进、消化、吸收等过程,达到了如今的技术全面领先并广泛商业化运营。截止 2015 年底,中国高速铁路网络总里程已经达到 19000 公里,占据全球高铁里程的 60% 以上。目前,在线上以每小时380公里时速运行的是“和谐号”CRH380A。同时,我国相关部门正在进行更高速试验列车的研制。因为只有掌握技术的制高点,才能够使技术纵向与横向相互传递,覆盖市场的面积才能不断递增。试验列车以CRH380A新一代动车组技术创新成果为基础,遵循安全可靠的运行目标,针对系统集成、车体、转向架、牵引、网络控制、制动系统进行了诸多技术创新,实现了碳纤维材料、镁铝合金、纳米材料、风阻制动系统等一系列新技术、新材料的装车试验验证。在青岛四方机车车辆股份有限公司(南车)的厂区内,一列银灰色超速试验列车停放在厂区的铁轨上,它在台架试验中,速度达到了每小时605公里。中国高铁列车的时速有望翻倍!

最后来谈谈轮轨交通未来的发展。最近时速高达1220公里的“超级高铁”也跃入我们的视野,尽管它还是处于概念论证阶段。这就是美国SpaceX公司的埃伦·马斯克(Elon Musk)于2013年提出的“超级高铁”的概念,亦称为“超级环”(Hyperloop)。按照马斯克的设计,“超级高铁”在一条真空管道内运行,依靠磁悬浮技术提供动力,速度可达每小时1200公里。其客舱形似“胶囊”,183公斤,长4.87,能容纳46名乘客,还有存放行李的货厢。这是一种把空气摩擦阻力降到几乎为零的运输方式。相比火车和飞机,新技术更安全、更安静。

“超级高铁”概念图

“超级环”的“胶囊”式客舱示意

对于这个新概念,有不少人感到新颖并十分支持,在英国、北欧和俄罗斯都有一些机构在研发这种新的交通工具。我们中国的西南交通大学还建成了一个环形实验装置。

西南交通大学“超级环”实验装置

但是,也有人认为这是“世界级大骗局”,一些中国专家呼吁不要“盲目跟风”。当然,任何一种新的技术、新的交通工具的诞生,都不会是一帆风顺的。飞机、火箭在发明以前,人们也以为是异想天开呢!的确,巨型真空管道如何制造?又如何在乘客进进出出的情况下如何保持真空?铝制“胶囊”型列车的设计、制动和加速等问题如何实现?这些问题都要很好的解决。即使这些概念设计阶段工作完成之后,像任何一种完全新型的交通运输高技术战略发展一样,它的研发过程大致还要经历四个阶段:(1)技术方案的基础性研究阶段;(2)选定方案的工程技术研究发展阶段;(3)建造足够长的实用运营线,实现有关装备、工程与运营的产业化阶段;(4)大规模推广应用阶段。这个过程是十分艰辛困难的,有许多技术关键需要攻克。所以,“超级高铁”的研究开发还是任重而道远啊!

                                                              龙 翔

                                                                 2017/1/20