未來的軌道交通：高溫超導磁懸浮列車及真空管道高速交通模式

利用車載高溫超導體與永磁軌道相互作用產生的自穩定懸浮力可以將列車懸浮起來，消除傳統的輪軌接觸和噪音；再將高溫超導磁懸浮列車置於真空管道中,使管道內的空氣壓力降到0.1個標準大氣壓,利用真空消除空氣阻力，進而提升速度。這些正是西南交通大學牽引動力國家重點實驗室的研究人員正在研究的內容。未來，他們研製的高溫超導磁懸浮列車極有可能刷新目前地面軌道交通的速度紀錄。

未來的地面交通工具應該是什麼樣的?它必須既節能環保，又安全舒適，最重要的是速度快。放眼望去，電動汽車和飛機或存在不可控的安全問題，或存在雜訊問題，似乎都不是完美的答案。而未來軌道交通領域則擁有一個更為理想的選擇：高溫超導磁懸浮列車。

高溫超導磁懸浮列車是一種懸浮和導向不需要車載電源和控制的自穩定系統。它通過車載塊狀高溫超導體與永磁軌道之間的電磁作用力實現車體的穩定懸浮，可兼容高溫超導直線電機推進技術，實現懸浮、導向和推進超導一體化，形成一種真正意義上的節能（能耗約為航空的5%）、環保（無化學和雜訊污染）、安全、舒適、快速的地面軌道交通工具。

高溫超導磁懸浮系統主要由車載高溫超導體及其低溫系統、地面軌道系統和直線驅動系統三大部分組成。目前，超導體一般為採用熔融織構法製備的圓形或者方形高溫超導釔鋇銅氧塊材，軌道由釹鐵硼永磁體和聚磁鐵軛按一定的結構組裝而成，直線驅動由感應或者同步式直線電機來完成。

這種新型的自穩定磁懸浮系統無需控制，實現條件簡單，穩定懸浮空間連續，非常適合大尺寸工程應用，更重要的是，它還具有系統自重輕、結構簡單、製造和運行成本低、節能和無電磁污染等獨特的優點。

高溫超導磁懸浮環形實驗線遠景圖

車載高溫超導塊材只需通過液氮冷卻即可進入超導狀態，超導體位置移動後，所在外磁場發生變化，在其內部感生超導永久環流，與軌道磁場相互作用產生懸浮力；導向力由高溫超導體內部特有的釘扎中心對永磁導軌磁力線的釘扎作用實現，節能效果明顯。高溫超導磁懸浮能夠靜止懸浮，不會產生雜訊污染；永磁軌道產生的是靜磁場，不會產生電磁污染；使用無公害的液氮和電能，不會產生化學污染，因此符合環保的要求。高溫超導磁懸浮列車的懸浮高度（10～30毫米）可根據設計需要，用於從靜止至低、中、高速和超高速運行。

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道交通運輸（理論預計速度可高於1000 公里/小時）。懸浮力隨著懸浮高度的降低呈指數函數增加，即高溫超導磁懸浮車在載重負荷變化大時，垂直方向無需控制又能保證運行安全。自穩定的導向系統在水平方向可以保證運行安全；高溫超導體特殊的「釘扎力」保持了車體上下左右的穩定懸浮狀態，實現了其他任何交通工具都難以達到的平穩性，因此在乘坐時，乘客體會到的是「沒有感覺的感覺」，非常舒適。

另外，高溫超導磁懸浮列車車體重量約為輕軌車的1/2，基礎設施建設成本也相應降低，且用於冷卻超導體的液氮占空氣的78%，成本非常低，在運行總成本中幾乎可以忽略不計，總體建設成本和運行成本與城市輕軌相當。

高溫超導磁懸浮環形實驗線近景圖

目前，高溫超導磁懸浮列車技術的研究內容已經由原理性模型發展到中低速試驗線、中試化等實用化命題。國際上，德國和巴西等國正在加大力度推進高溫超導磁懸浮車的實用化進程。例如，德國自2004年起持續投入資金，於2011年完成了一條長80米的高溫超導磁懸浮環形演示線「SupraTrans II」，進一步擴大了該項交通前沿技術的影響力和發展；巴西里約熱內盧聯邦大學在政府、銀行及多家公司的支持下，提出輕量化高溫超導磁懸浮列車新概念「Maglev Cobra」，於2006年開始研製新式小型化車廂模塊（載24人），並於2014年修建完成200米的試驗線。

中國對載人高溫超導磁懸浮車的研究始於1997年。西南交通大學超導技術研究所在永磁導軌上高溫超導塊材磁懸浮特性研究結果的基礎上，於2000年底研製成功世界首輛載人高溫超導磁懸浮實驗車「世紀號」。此後，隨著國際上高溫超導磁懸浮的實用化進程不斷深入，西南交通大學牽引動力國家重點實驗室在「世紀號」的基礎上開展了深入的工作，於2013年研製完成中國首條高溫超導磁懸浮車環形實驗線「Super-Maglev」，並且在車體上搭建了多功能、多參數實時監測的實驗平台，為高溫超導磁懸浮的後續應用研究提供了軟硬體平台，推動中國原始創新的高溫超導磁懸浮列車逐漸步入人們的實際生活。

Super-Maglev環形實驗線的線路總長為45米，設計載重300 千克（載1人），最大載重可達1噸，是目前在同等載重能力下國際上軌道截面積最小、永磁體用量最少的載人高溫超導懸浮車實驗線系統。整個實驗線系統直接面向實際應用，採用直線電機和無線通信控制驅動，可進行0～50 公里/小時的實際動態運行試驗，形成了含轉向架、制動、無線通信等功能的高溫超導磁懸浮整車系統。

雖然取得了這些成果，但我們依然面臨著嚴峻的挑戰：速度。目前速度最高的磁懸浮列車已超過400公里/小時，以日本由東京到大阪的低溫超導磁懸浮列車商業化方案——中央新幹線磁浮線為例，其最高運營速度設計為505公里/小時。與西南交通大學牽引動力國家重點實驗室研究的高溫超導磁懸浮技術不同，日本採用的是低溫超導磁懸浮技術。在這裡，「高溫」是相對於「低溫」超導體而言的：低溫超導磁懸浮的工作溫度為零下269攝氏度，而高溫超導磁懸浮的工作溫度為零下196攝氏度，工作溫度得到了大幅提高。

實際上，依據高速旋轉實驗結論，高溫超導磁懸浮的運行速度早在1992年就已經得到了推斷：理論上可達3600公里/小時。然而從理論走向實際還有很長的路要走。對於我們來說，首要目標是突破600公里/小時。但問題是，如果時速超過400公里，將有超過80%的牽引力浪費在對抗空氣阻力上。同時，空氣動力學雜訊也會超過90分貝(環境雜訊標準為75分貝)。

我們經過探索發現，能夠打破這一屏障的唯一途徑就是降低運行環境的空氣壓力。因此，我們選擇了真空管道。

管道內運行的高溫超導磁懸浮車遊客體驗場景

到目前為止，真空管道運輸在世界上只是一個設計概念，還沒有可以借鑒的案例。我們將磁懸浮列車置於真空管道中,將真空管道內的空氣壓力降到0.1個標準大氣壓,利用真空消除空氣阻力，進而提升速度。這樣，從理論上來講，真空管道運輸系統就能夠使高溫超導磁懸浮列車的速度大幅提升,極有可能打破目前581.7公里/小時的地面軌道交通速度紀錄。

在此基礎上，我們於2014年4月建設完成了真空管道高溫超導磁懸浮車環形試驗線平台，得到了國際上的廣泛關注。真空管道與高溫超導磁懸浮車的技術結合，為未來600～1000 公里/小時的高速交通方式提供了可能的解決方案。將誕生於中國的世界首輛高溫超導磁懸浮實驗車與真空管道高溫超導磁懸浮車環形試驗線平台相結合，車、軌結構更為簡單、可靠，具有突出的應用優勢（自然界中唯一可實現無源穩定懸浮），極有可能發展成為低溫超導磁懸浮車商業化道路上強有力的競爭對手。

高溫超導磁懸浮現象於1988年被人類發現，至今已有二十多年的歷程。現在，發展高溫超導磁懸浮技術的關鍵時期即將到來。在過去的16年中，西南交通大學牽引動力國家重點實驗室超導技術研究所已經積累了相當多的經驗，伴隨著中國首條載人高溫超導磁懸浮環形實驗線的建成和真空管道高溫超導磁懸浮車試驗系統的研製成功，高溫超導磁懸浮技術已經完成了第一階段和第二階段的目標；我們下一步的研究重點將集中在高速運行條件下高溫超導磁浮車輛懸浮和導向等基礎問題上，同時解決工程應用中的技術問題，如彎道、坡度、道岔、驅動、供電、檢測、控制、通信、車輛結構和車輛動力學等一系列系統技術問題。

隨著對真空管道高溫超導磁懸浮技術及其後續技術的深入探索，在真空管道內實現地面超高速運行的夢想與現實的距離正在不斷縮短。假以時日，高溫超導磁懸浮這一具有廣闊應用前景的技術必將發展成為一個龐大的產業，為未來的軌道交通注入新的活力。

專家簡介

鄧自剛：西南交通大學牽引動力國家重點實驗室副教授。

張衛華：西南交通大學牽引動力國家重點實驗室主任、教授。

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