世界高速磁懸浮鐵路發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析

沈通，馬志文，杜曉潔，趙文秀，史俊玲

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京100081）

1 研究背景

速度是世界軌道交通領(lǐng)域研究發(fā)展的核心，不僅決定了軌道交通的運輸能力和效率，也決定了軌道交通系統(tǒng)所采用的技術(shù)體系。輪軌鐵路作為當(dāng)前世界軌道交通技術(shù)體系的主流方式，運營速度受空氣阻力、輪軌黏著、蛇行失穩(wěn)及弓網(wǎng)關(guān)系等問題制約，同時能耗和機械摩擦磨損隨速度的提高不斷增大，目前最高經(jīng)濟與技術(shù)速度在400 km/h左右［1-2］。磁懸浮鐵路可以解決輪軌鐵路存在的輪軌黏著、摩擦、振動和高速受流等問題，具有更高的提速潛力，近年來逐漸成為地面交通領(lǐng)域的研究熱點。

無論是輪軌鐵路還是磁懸浮鐵路，當(dāng)車輛處于開放空間大氣環(huán)境下以超過160 km/h速度運行時，均要面臨巨大的空氣阻力和噪聲問題，從而在商業(yè)運營上帶來經(jīng)濟性和環(huán)保性的挑戰(zhàn)。因此，為獲得更高的經(jīng)濟運行速度，在利用懸浮技術(shù)減少車軌摩擦、振動的基礎(chǔ)上，再構(gòu)建低真空運行環(huán)境以減小空氣阻力和噪聲是未來更高速度軌道交通技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2 世界高速磁懸浮鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國和日本、德國、美國等國家在高速磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。日本主要發(fā)展電動磁懸浮制式，已達到準(zhǔn)商業(yè)運營；德國主要發(fā)展常導(dǎo)磁懸浮制式，相關(guān)技術(shù)在我國上海磁懸浮專線上得到應(yīng)用；美國主要發(fā)展低真空管道磁懸浮技術(shù)，目前處于試驗驗證階段；我國對于不同制式的高速磁懸浮技術(shù)均有研究，其中常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)工程化應(yīng)用程度最高，以西南交通大學(xué)為代表的高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位。以下分別從技術(shù)裝備、線路建設(shè)、推廣應(yīng)用等方面介紹典型國家的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 日本

日本是世界上發(fā)展電動制式磁懸浮鐵路最具代表性的國家之一，其原理是利用車上磁鐵與地面線圈之間的相對運動產(chǎn)生感應(yīng)磁場，磁極之間同性相斥、異性相吸使車體懸浮起來［3］。采用該種技術(shù)需要車輛達到一定速度才能處于懸浮狀態(tài)。

技術(shù)裝備方面，日本研制了MLX01、L0等多款磁懸浮列車。其中，L0系列車是日本于2010年推出的為中央新干線配置的第一代新型磁懸浮列車，試驗時最大編組為12輛，運營時計劃編組為16輛。L0系列車始發(fā)時采用橡膠輪走行，當(dāng)速度超過150 km/h時，電磁力能夠?qū)④圀w抬起，從而轉(zhuǎn)換為磁懸浮走行。2015年4月21日，L0系列車在山梨試驗線的試乘活動中創(chuàng)造了載人走行603 km/h的世界紀(jì)錄（見圖1）。此外，JR東海公司基于L0系技術(shù)平臺研發(fā)的改進型試驗車已于2020年3月下線。

圖1 日本L0系列車

線路建設(shè)方面，日本首條磁懸浮商業(yè)運營線路——中央新干線第一階段（東京—名古屋）于2014年12月17日開工建設(shè)。中央新干線全長438 km，86%為山嶺隧道區(qū)間，最高設(shè)計速度505 km/h，第一階段計劃2027年開通；第二階段原計劃2045年完工開通，但日本政府計劃提前8年開通，即2037年開通。目前，第一階段工程中南阿爾卑斯隧道—山梨標(biāo)段和計劃的6個站點均已開工建設(shè)［4］。

總體上看，電動制式磁懸浮技術(shù)具有懸浮間隙大、車輛懸浮控制簡單等優(yōu)點，懸浮高度能達到100 mm。缺點是采用昂貴的液氦作為冷卻劑，工程應(yīng)用成本較高，并且在低速運行時必須要有車輛支撐系統(tǒng)。

2.2 德國

德國從20世紀(jì)60年代后期開始進行磁懸浮技術(shù)的研究，目前已經(jīng)形成了成套的常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，并開展了多項試驗驗證，相關(guān)技術(shù)在我國上海已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)依靠電磁鐵異性相吸的原理將車體向上吸起，懸浮間隙通常保持在10 mm左右。

技術(shù)裝備方面，德國研發(fā)了TR01—TR09系列磁懸浮列車，試驗中最高速度達到550 km/h。TR08是德國最具代表性的磁懸浮列車（見圖2），該列車利用安裝在車體上的懸浮電磁鐵與安裝在導(dǎo)軌上的定子之間的吸引產(chǎn)生懸浮力［5］，設(shè)計速度為450 km/h，在上海浦東磁懸浮示范線的運營速度達到431 km/h，最高試驗速度為501 km/h。

圖2 德國TR08磁懸浮列車

線路建設(shè)方面，目前德國尚無商業(yè)化運營的磁懸浮線路。20世紀(jì)90年代以來，德國曾提出柏林—漢堡、多特蒙德—杜塞爾道夫、慕尼黑機場—慕尼黑中央車站等3項磁懸浮鐵路建設(shè)計劃，但由于預(yù)算成本較高、未來盈利前景暗淡、項目融資失敗等原因遭遇擱淺。德國遲遲未能進行磁懸浮鐵路商業(yè)運營與其自身國情也有很大關(guān)系:一方面，德國高速鐵路發(fā)展迅速，并且能夠?qū)崿F(xiàn)跨線運行，已經(jīng)逐步形成高速與普速兼容的路網(wǎng)格局，磁懸浮鐵路不能與既有路網(wǎng)兼容；另一方面，德國人口分布均勻，不存在大運量的運輸通道，加上磁懸浮鐵路的建設(shè)成本高于輪軌高速鐵路，預(yù)計運輸收入不能彌補成本。

2006年，德國發(fā)生磁懸浮列車與工程車相撞事故，對磁懸浮鐵路在德國的推廣應(yīng)用造成了重大打擊，導(dǎo)致近年來發(fā)展幾乎停滯。

2.3 美國

2013年，埃隆·馬斯克發(fā)表了一份題為《Hyperloop Alpha》的白皮書，從車輛、管道、牽引、線路、安全與可靠性以及造價等方面闡述了對Hyperloop系統(tǒng)如何運作的技術(shù)思考，并提出“超級高鐵”系統(tǒng)最高速度可達1 223 km/h。Hyperloop Alpha的懸浮原理與傳統(tǒng)氣墊船基本相同，利用滑板在車廂與地面軌道間形成的一層薄薄氣墊把車廂支撐住，使其不與地面接觸［5］。

“超級高鐵”概念吸引了多個公司和團隊開展商業(yè)化應(yīng)用研究。目前，美國從事“超級高鐵”研發(fā)的公司主要包括SpaceX、Virgin Hyperloop One和HTT公司，相關(guān)研究進展如下:

（1）SpaceX公司。SpaceX公司于2016年在其位于加利福尼亞州霍桑市的總部建造了外徑為1.83 m、長1.6 km的測試管道，并以該測試管道為基礎(chǔ)舉行了3屆超級高鐵競賽。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的WARR Hyperloop團隊在2018年第三屆比賽的決賽中采用模型車達到了457 km/h的最高速度。2018年4月，埃隆·馬斯克宣布旗下“超級高鐵乘客艙”將進行測試，目標(biāo)運行速度為音速的一半，并在1.2 km內(nèi)完成制動。

（2）Virgin Hyperloop One公司。Virgin Hyperloop One公司于2015年12月開始在拉斯維加斯北部建設(shè)測試點，包括建設(shè)1段長約1 km的測試軌道。2016年該公司位于內(nèi)華達州的首家工廠開工，2017年展示了該工廠生產(chǎn)由鋁和碳纖維構(gòu)成的全尺寸乘客艙XP-1。試驗驗證方面，Virgin Hyperloop One公司于2017年在內(nèi)華達州的測試管道進行了3個階段的測試，最高速度達到387 km/h。推廣應(yīng)用方面，Virgin Hyperloop One公司先后與印度馬哈拉施特拉邦、迪拜道路交通局（RTA）等機構(gòu)達成合作協(xié)議，計劃2020年年底開始在印度孟買—浦那修建首條真空管道高速鐵路。

（3）HTT公司。HTT公司以概念圖為基礎(chǔ)，采用志愿者科研眾籌方式推動其研發(fā)工作，主要致力于全球宣傳推廣，先后與斯洛伐克、捷克、法國、印度尼西亞、韓國、印度、巴西、阿聯(lián)酋、烏克蘭等國家開展合作。2018年10月，HTT公司在西班牙展示了首款Hyperloop全尺寸乘客艙，由1種特制的雙層智能復(fù)合材料制造而成，其強度比鋼材強8倍，比同類鋁制品強10倍。該乘客艙將轉(zhuǎn)移到法國圖盧茲市進行額外組裝，組裝完畢后將會部署到首批超級高鐵商用軌道上。

2.4 中國

我國高速磁懸浮鐵路的發(fā)展已經(jīng)具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)和工程化應(yīng)用經(jīng)驗。2003年，通過引進德國技術(shù)在上海建設(shè)了機場磁懸浮專線，列車設(shè)計速度和運行速度分別為505 km/h和430 km/h。

目前，中國中車集團有限公司（簡稱中國中車）、西南交通大學(xué)、中國航天科工集團有限公司（簡稱航天科工）等多家單位正在積極開展高速磁懸浮鐵路的研究，涵蓋常導(dǎo)磁懸浮、電動磁懸浮、高溫超導(dǎo)磁懸浮等不同制式，并積極探索低真空管道超高速磁懸浮鐵路相關(guān)技術(shù)。

（1）中國中車。中國中車主要開展常導(dǎo)磁懸浮制式相關(guān)研究，在該領(lǐng)域具有一定的技術(shù)儲備和工程化應(yīng)用基礎(chǔ)。2016年，中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部將“磁懸浮交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”重點專項定向委托給中國中車組織實施，旨在攻克高速磁懸浮交通系統(tǒng)懸浮、牽引與控制核心技術(shù)，形成我國自主知識產(chǎn)權(quán)并具有國際普遍適應(yīng)性的新一代高速磁懸浮交通系統(tǒng)核心技術(shù)體系及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，使我國具備高速磁懸浮交通系統(tǒng)和裝備的完全自主化與產(chǎn)業(yè)化能力。依托該項目研制的時速600 km高速磁懸浮試驗樣車（見圖3）已于2019年5月下線。

圖3 中國時速600 km高速磁懸浮試驗樣車

（2）西南交通大學(xué)。西南交通大學(xué)長期研究高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，利用具有磁通釘扎特性的高溫超導(dǎo)體在梯度磁場中產(chǎn)生的自穩(wěn)定現(xiàn)象來實現(xiàn)懸浮導(dǎo)向一體化的磁懸浮系統(tǒng)［6］。2014年，西南交通大學(xué)將高溫超導(dǎo)磁懸浮與真空管道概念相結(jié)合，研制了新一代高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實驗線以及真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗系統(tǒng)“Super-Maglev”，這也是全球首個真空管道超高速磁懸浮列車原型測試平臺。目前，西南交通大學(xué)正在建設(shè)一條長140 m的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮直道試驗線，并計劃在成都搭建1條1.5 km長的動模試驗線，進行時速1 000 km以上的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮列車應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)和工程示范研究。

（3）航天科工。航天科工于2017年8月宣布正在開展時速1 000 km“高速飛行列車”項目研究論證。目前，航天科工已經(jīng)聯(lián)合國內(nèi)外20多家科研機構(gòu)，成立了我國首個國際性高速飛行列車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，團隊擁有相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠?00多項。航天科工主要基于電動制式開展低真空管道磁懸浮技術(shù)的相關(guān)研究，目前正在積極推進試驗線建設(shè)，并計劃開展相關(guān)試驗。

2.5 其他國家

瑞士、韓國、加拿大、荷蘭等國家在政府、企業(yè)等多方支持下，也在積極探索低真空管道高速磁懸浮鐵路新技術(shù)。

（1）瑞士。瑞士早在1992年就成立了Swissmetro AG公司，籌備和實施超高速地鐵工程項目（Swissmetro），采用地下隧道方式構(gòu)建低真空管道系統(tǒng)，計劃以高速度和高頻率客運服務(wù)將瑞士主要城市和地區(qū)聯(lián)系起來，并考慮未來向其他歐洲城市延伸。2009年，該項目由于缺少資金支持而終止，Swissmetro AG公司也被解散。2017年，Swissmetro NG（下一代Swissmetro）成立，這是一個非營利性組織，采用全新理念和技術(shù)開展低真空高速磁懸浮系統(tǒng)研究。

（2）韓國。韓國政府及相關(guān)學(xué)術(shù)機構(gòu)在2017年初宣布打造代號為“HTX”的超級高鐵計劃。2017年6月20日，韓國與美國HTT公司簽署了超級高鐵相關(guān)技術(shù)授權(quán)合同，HTT公司將授權(quán)和研發(fā)管道基礎(chǔ)架構(gòu)與安全平臺，并向韓國提供全面的測試軌道，同時韓國也將能夠使用HTT的懸浮、推進、電池及乘客體驗設(shè)計等技術(shù)［8］。

（3）加拿大。加拿大TransPod公司2016年從意大利安杰洛投資集團（Angelo Investments）獲得了1 500萬美元的種子基金，2017年提出了類似于Hyperloop Alpha系統(tǒng)的超級高鐵模型設(shè)計。同年TransPod發(fā)布了初步的建造成本研究，概述了在安大略省西南部溫莎和多倫多之間建立TransPod軌道系統(tǒng)的可行性。

（4）荷蘭。荷蘭Hardt Hyperloop公司于2019年開發(fā)了歐洲首個具有全部功能系統(tǒng)的超級高鐵測試設(shè)施，包括懸浮推進系統(tǒng)、車道開關(guān)、真空環(huán)境等。該公司的目標(biāo)是開發(fā)高速、零排放的交通工具，目前已經(jīng)籌集了1 000多萬歐元。該公司開發(fā)的超級高鐵系統(tǒng)中，列車可在不減速情況下從一條軌道切換到另一條軌道，這被視為該公司的核心技術(shù)。

3 高速磁懸浮鐵路發(fā)展趨勢分析

與輪軌高速鐵路相比，高速磁懸浮鐵路具有提速潛力大、安全性好、更節(jié)能環(huán)保、維修工作量小等優(yōu)點，但也具有與既有路網(wǎng)不兼容、缺乏研制和運用經(jīng)驗、道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、車內(nèi)噪聲大等缺點。從目前典型國家的發(fā)展現(xiàn)狀來看，高速磁懸浮鐵路在未來主要具有以下發(fā)展趨勢:

（1）高速磁懸浮鐵路速度將進一步提升。一方面，磁懸浮鐵路最高試驗速度不斷提高，目前已突破時速600 km；另一方面，多個國家及相關(guān)公司表示低真空管道磁懸浮系統(tǒng)的最高時速可達到1 000 km以上。

（2）高速磁懸浮鐵路將在高客流運輸通道中得到應(yīng)用。目前輪軌高速鐵路發(fā)展迅速，在我國及日本、德國等典型高鐵國家已經(jīng)具有較高覆蓋率。從需求角度出發(fā)，對于高客流運輸通道更需要高速磁懸浮鐵路等交通工具。此外，高速磁懸浮鐵路在我國和日本等國家的建設(shè)應(yīng)用表明其成本比高鐵更高，為了能夠回收成本必須要有高客流密度的支撐。從目前正在建設(shè)和規(guī)劃的線路來看，日本中央新干線、美國Virgin Hyperloop One公司在印度規(guī)劃的線路均有較高客流作為支撐，加拿大TransPod公司、美國HTT公司等在全球范圍內(nèi)推廣低真空管道磁懸浮技術(shù)時也將客流密度作為一項重要因素。而德國提出的多項磁懸浮線路建設(shè)計劃最終均未能實施，一大重要原因也是由于境內(nèi)缺少高客流運輸通道。

（3）高速磁懸浮鐵路未來將重點向?qū)嵱没⒌统杀痉较虬l(fā)展。從我國及日本、德國等典型國家的發(fā)展現(xiàn)狀來看，高速磁懸浮鐵路在技術(shù)上已經(jīng)基本成熟，但在商業(yè)應(yīng)用方面缺少成功嘗試。日本采用的低溫超導(dǎo)材料對環(huán)境要求較高，在工程應(yīng)用中成本巨大，且存在一定安全隱患，為此正在積極試驗高溫超導(dǎo)材料，以便在工程應(yīng)用方面獲得更大便利。總體上看，未來高速磁懸浮鐵路將向技術(shù)實用化、低成本方向發(fā)展。

（4）低真空管道磁懸浮鐵路具有良好的發(fā)展前景。低真空管道磁懸浮鐵路具有速度更高、更加節(jié)能環(huán)保、能夠?qū)崿F(xiàn)全天候運輸?shù)葍?yōu)勢，極具新型交通運輸方式的發(fā)展技術(shù)經(jīng)濟特征。目前，美國Virgin Hyperloop One、HTT、SpaceX等公司正在積極開展低真空管道磁懸浮鐵路相關(guān)技術(shù)研究，同時在世界范圍內(nèi)進行快速布局。我國也在加快低真空管道磁懸浮鐵路研究，中國中車、西南交通大學(xué)、航天科工、中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司等多家單位正在積極探索，深圳、貴州等地正在積極引進低真空管道磁懸浮鐵路技術(shù)。盡管低真空管道磁懸浮鐵路距離實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用還有較大距離，但其獨有的速度優(yōu)勢及不受外界環(huán)境影響的特點是其他地面交通運輸方式所無可比擬的。

4 結(jié)束語

高速磁懸浮鐵路在技術(shù)上完全可行，工程上也已經(jīng)實現(xiàn)初步應(yīng)用，在未來具有良好的發(fā)展前景。低真空管道高速磁懸浮鐵路盡管離實現(xiàn)商業(yè)運營還有較大距離，但具有提速潛力更高、能夠全天候運行等優(yōu)點，因此是未來的重要發(fā)展方向之一。目前，美國、日本、韓國、加拿大、荷蘭等國家均在積極開展相關(guān)研究，力圖占據(jù)未來交通運輸發(fā)展的制高點。

我國在高速磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域具有一定的技術(shù)儲備和研究基礎(chǔ)，并且具有國家支持力度大、研發(fā)模式優(yōu)越等優(yōu)勢。因此，我國應(yīng)把握高速磁懸浮鐵路的發(fā)展機遇期，利用好我國的制度優(yōu)勢，維持我國在高速鐵路運輸領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。但該項技術(shù)的發(fā)展并不能一蹴而就，應(yīng)當(dāng)立足于現(xiàn)有技術(shù)水平，現(xiàn)階段首先研究解決常壓條件下高速磁懸浮鐵路的系統(tǒng)問題，下一階段再擴展到更高速度的低真空管道磁懸浮鐵路。