中國為何選擇高鐵而非磁懸浮 技術與日本仍有差距

來源:新浪軍事中國軍情 2015-12-25 13:30:50
資料圖:磁懸浮列車

12月8日,由中國鐵建鐵四院設計施工總承包的湖南長沙中低速磁浮鐵路工程全線疏散平台鋪架完畢,將於近期開通試運行。每當中國取得技術突破之際,總有人會拿外國最先進的技術與之相比較。誠然中國目前在磁懸浮列車方麵的技術成果和德國、日本依舊有一定差距,但已經取得的進步是顯而易見的。另外,就下一代軌道交替而言,磁懸浮並非唯一的選擇,長沙磁浮工程的意義更多的是技術儲備和技術驗證,以及積累運營經驗,是國家兩條腿走路的具體體現。

磁懸浮技術基本原理

磁懸浮列車能抵抗地球引力,懸浮於軌道上,根據工作原理不同,可以分為常導電磁吸引式懸浮和超導推斥型懸浮。

常導電磁吸引式磁懸浮是電磁力主動控製懸浮,由車上常導電流產生的電磁吸引力,吸引軌道下方的導磁體,使列車浮起,再由直線電動機驅動前進。具體來說,就是對置於導軌下方的懸浮電磁鐵線圈提供電流產生電磁場,使之與軌道上的鐵磁性導軌相互作用,利用他們之間的電磁吸力,使列車懸浮至一定的高度。但由於電磁吸引力與氣隙大小近似成平方反比的非線性關係——氣隙減小會使電磁吸力增大,導致氣隙進一步減小;而氣隙增大則使電磁吸力減小,導致氣隙進一步增大。因此,這種懸浮係統本質上是不穩定的,加上這種列車懸浮的高度約10mm,必須通過精確快速的反饋控製,才能保證列車可靠穩定地懸浮。德國的TR型磁懸浮列車就是電磁吸力型懸浮的典型代表。

超導推斥型磁懸浮列車是利用同性磁極之間相互排斥的原理來實現車輛懸浮的,其原理是在磁懸浮列車的車體上安裝超導線圈或永磁,而在軌道上分布有按一定規則排列的8字形線圈,當列車以一定速度前進時,超導線圈產生的強磁場就在軌道的8字形線圈內產生感應電流,感應電流進而產生強大電磁場,在8字形下半環中形成推斥磁場——上半環中形成吸引磁場,使列車懸浮。這種磁懸浮列車的超導係統電磁力強大,可使列車懸浮100mm,但超導技術相當複雜,並需屏蔽發散的強磁場。

由於抵抗地球引力的根源在於感應電流的磁場與超導線圈的磁場相互排斥而產生排斥力,因而列車速度愈大這個排斥力就愈大,當速度超過一定值時,列車就脫離路軌表麵而實現懸浮。因此,超導推斥型磁懸浮列車往往是高速磁懸浮列車,日本山梨線的MLU型車即為超導推斥型磁懸浮列車的代表。

磁懸浮列車為何敗於高鐵

上世紀90年代,新建高速鐵路成為業界共識,但在技術產生了分歧,磁浮派認為磁懸浮列車代表著未來技術發展趨勢,輪軌派認為新建高鐵才是當務之急。在此背景下,兩派各建一條鐵路,一條是上海龍陽路至浦東機場的磁懸浮實驗線,另一條是秦沈客運專線。

上海磁懸浮實驗線於2002年底通車,而秦沈客運專線於2003年初開始試運行,在“中華之星”270公裏時速動車組夭折之後,磁懸浮列車和高鐵並未分出高下。

2006年,京滬高速鐵路與滬杭磁懸浮交通項目的項目建議書先後獲批,京滬高鐵順利建成,而滬杭磁懸浮卻不見蹤影。這當中既有決策者在技術選擇上趨於保守,也有高鐵可以兼容現有的鐵路網絡的優勢,還有磁懸浮在造價方麵數倍於高鐵的因素。

從事後諸葛亮的視角去看,選擇高鐵未必不是明智之舉:

就造價而言,當年的京滬磁懸浮報價是4000億人民幣,而高鐵報價約1300億,雖然實際造價達2200億,但比起磁懸浮4000億人民幣的報價而言(如果實際建造的話,造價可能會高於4000億),依舊具有成本優勢。

由於高鐵可以兼容現有軌道網絡,普通機車也能跑高鐵的線路,而磁懸浮列車隻能跑專線;一條高鐵線路可以跑多列列車,而磁懸浮隻能跑單列……在運營成本方麵,高鐵的成本要大幅低於磁懸浮列車,由於京滬磁懸浮僅僅存在圖紙上,就隻能以建成的上海磁懸浮實驗線為例。上海磁懸浮實驗線全程29.8公裏,即使在票價高達數十元且次次滿載,也很難收回運行成本,據估算,若要收回成本票價應該為240元左右。而從溫州到上海,若乘高鐵二等座,票價也不過226元。

當高速磁懸浮列車在製動時,磁懸浮列車的頻率與人體頻率相近,會引起人體的共振,而五髒六腑與列車共振顯然不會是令人愉悅的感受。在舒適度方麵,高鐵雖然在很多情況下,未必優於磁懸浮列車,但不會出現因列車製動,引發人體共振的情況。

在知識產權方麵受製於人也是關鍵因素。由於中國隻在中低速磁懸浮列車技術上擁有自主知識產權,而引進的高速磁懸浮產權主要在德國,若選擇磁懸浮列車,那中國上萬公裏的鐵路都將受製於人,在建設、維護、運營等方麵將被外商無限抽血。而高鐵中國具有完全的知識產權,選擇高鐵不僅免於受製於人,還使南車、北車茁壯成長,將西門子、阿爾斯通、龐巴迪等昔日的老師逐一超越。

此外,磁懸浮列車車速定位比較尷尬——磁懸浮列車在車速上不比高鐵快多少,但卻比下一代軌道交通係統慢了五倍左右——中國正在研發的下一代真空運輸係統理論時速達2900公裏,甚至在理論上有提速到5000公裏極限時速的潛力。據了解,該係統采用真空管道技術,而且在這兩年進步很快。

長沙磁浮工程的意義

長沙磁浮工程全線長18.5公裏,完成投資約35億元,最高時速100公裏,乘客從長沙高鐵南站搭乘磁浮列車,隻需約10分鍾即可到達黃花機場。該工程最大的亮點是中國首條自主研發的磁懸浮線(向中車和中南大學(微博)致敬),使用中車株洲電力機車公司自主研發生產的中低速磁浮列車“追風者”。該款列車於2012年1月誕生,多項成果達到國際領先水平,中國也由此成為世界少數幾個掌握中低速磁懸浮列車技術的國家之一。

相對於發揮類似於輕軌的實際作用,長沙磁浮工程更像是花小錢賺吆喝,順帶做磁懸浮技術儲備和技術驗證。另外,在實現列車能夠懸浮之後,列車能高速行駛就必須依賴另一項技術——直線電機,而該技術也可以被用於航母電磁彈射。

雖然電磁彈射器的直線電機與磁懸浮列車用的直線電機有一定區別——磁懸浮列車的直線電機大多做勻速工作,而電磁彈射器卻是加速度工作。電磁彈射器的感應動子比較短,而含有線圈的定子長;磁懸浮列車的直線電機帶線圈定子短,而動子很長……但最基本的原理是相通的。

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能,而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。

日常所見的電動機都是旋轉型的,它是由定子包圍著圓筒形的轉子,當通過三相交流電的時候,定子形成旋轉磁場,旋轉磁場會因感應在轉子中流過電流,而轉子產生的電流與定子磁場作用從而使轉子產生旋轉力矩。

而直線電機可以看成是一台旋轉電機按徑向剖開,並展成平麵而成。對應旋轉電機定子的部分叫初級,對應轉子的部分叫次級。在初級繞組中通多相交流電,便產生一個平移交變磁場稱為行波磁場。在行波磁場與次級永磁體的作用下產生驅動力,從而實現運動部件的直線運動。相對於適用於磁懸浮列車的直線電機,電磁彈射所使用的直線電機的技術難點是盡可能提高它的功率密度和能量效率,以及針對海洋環境的強悍適宜能力。

可以說,電磁彈射器和磁懸浮列車所使用的直線電機在技術原理上具有相似性,磁懸浮列車技術的發展與電磁彈射器的進步可以起到相輔相成的作用。因此,長沙磁浮工程除了驗證磁懸浮列車技術之外,還能對電磁彈射器的發展有一定促進和借鑒作用。

點擊查看原文

相關鏈接