堪比時光機的高速飛行列車

○趙俊環

真空、永磁、磁懸浮、超導……其中的任一詞匯都代表了某一科學領域的前沿，也因此具備了挑戰、刺激我們感官、感知的神秘力量，那么將這些高科技應用匯聚于一體能造就什么？那就是堪比“時光機”的高速飛行列車！

2017年8月30日，中國航天科工集團公司透露，正在研究論證最高時速達4000千米的“高速飛行列車”，擬通過商業化、市場化模式，將超聲速飛行技術與軌道交通技術相結合。研制的新一代交通工具，將利用超導磁懸浮技術和真空管道，致力于實現超音速的“近地飛行”。這一消息引發社會廣泛關注，并就技術、安全、成本等問題展開熱議。我們在此僅就其發展歷史與現狀、以及技術方面的一些關鍵詞進行淺顯解讀。

1904年美國現代火箭技術之父羅伯特·戈達德就提出了飛行列車的設想。當前，世界上對外宣布開展大于1000千米/小時運輸系統研究的公司主要有三家，包括美國的HTT公司、Hyperloop One公司以及中國航天科工集團公司。在高速飛行列車領域，美國的公司起步早，但中國的企業起點高，利用航天超聲速相關技術，中國航天科工集團公司是全球首個提出超聲速地面運輸系統的集團公司。我國在航天領域的技術沉淀及系統工程領域有著獨到優勢，特別是高速飛行列車項目所需的超聲速技術、高溫超導磁懸浮技術、仿真建模技術等居于國際領先水平。我國的高速飛行列車項目是從時速1000千米起步，逐步發展到時速4000千米，并且區別于國外車輪加速的技術，我國在“高速飛行列車”項目的啟動加速是采用電磁推進技術，技術的起點要高于國外。

中國對載人高溫超導磁懸浮車的研究始于1997年。西南交通大學超導技術研究所于2000年底研制成功世界首輛載人高溫超導磁懸浮實驗車“世紀號”，證明了高溫超導磁懸浮車在原理上的可行性。2013年，西南交通大學建成了全球首個真空管道超高速磁懸浮列車原型測試平臺。2016年1月，西南交大“第二代高速真空管道高溫超導側浮系統”，也就是中國版的“管道超級高鐵”完成第一階段調試。

美國的類似項目現在仍處在各部分獨立測試階段，比如，2016年5月11日，美國創業公司的超級高鐵推進系統首次戶外測試成功。這個推進系統測試裝置用時1秒，將3米長的實驗“滑車”從0加速到時速96千米。而西南交大這一項目則已進入整體系統實驗階段，在項目開發上走得更快。同時，西南交大獨創將軌道鋪在管壁上，形成“壁掛式”磁懸浮列車，能有效解決實驗室中軌道半徑太小所帶來的離心力問題。

專家解釋高速飛行列車的原理是：利用車載高溫超導體與永磁軌道相互作用產生的自穩定磁懸浮力將列車懸浮起來，消除傳統的輪軌接觸和噪音，減小摩擦阻力；再將高溫超導磁懸浮列車置于真空管道中,使管道內的空氣壓力降到0.1個標準大氣壓,利用低真空環境和超聲速外形減小空氣阻力，進而進一步提升速度，最終實現超聲速運行。下面我們就一一簡析其中的關鍵技術詞語：超導、磁懸浮、真空。

超導，顧名思義，可以理解為超級導電，科學嚴密的解釋就是指導電材料在溫度接近絕對零度的時候，物體分子熱運動下材料的電阻趨近于0的性質。“超導體”則是指能進行超導傳輸的導電材料。

超導體具有兩個非常重要的特性：零電阻和抗磁性。超導體的抗磁性可以理解為超導體處在超導狀態時，對磁場磁力的排斥性，磁力線不能穿過內部。利用超導體的抗磁性可以實現磁懸浮，將超導材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導體，磁體和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁體上方。

磁懸浮列車正是利用這種磁懸浮效應而使列車處于懸浮狀態，與軌道脫離接觸，進而降低列車運行阻力，實現高速運行。現在研發應用的磁懸浮列車主要有超導電動型磁懸浮列車、常導電磁吸力型高速磁懸浮列車以及常導電磁吸力型中低速磁懸浮列車。而本文介紹的高溫超導磁懸浮列車是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（無化學和噪聲污染）、安全、舒適、快速的地面軌道交通工具。在這里，“高溫”是相對于“低溫”超導體而言的。使超導體電阻為零的溫度，叫超導臨界溫度。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。不要小看這提升的幾十攝氏度，對于實際應用而言，高溫超導體的發現應用，超導態就可以在液氮溫區(零下169度以上)出現，超導懸浮的裝置更為簡單，成本也大為降低。

如果高溫超導磁懸浮列車的運行時速超過400千米，將有超過80%的牽引力浪費在對抗空氣阻力上。同時，空氣動力學噪聲也會超過90分貝(環境噪聲標準為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，高溫超導磁懸浮列車的運行環境選擇了真空管道。我們將磁懸浮列車置于真空管道中，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。

隨著對真空管道高溫超導磁懸浮技術及其后續技術的深入探索，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。高速飛行列車項目將最終形成一張繼航天、高鐵、核電之后的中國新名片。