第532期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《新型磁悬浮列车》

讲座题目:透视新科技——新型磁悬浮列车

主 持 人:胜 春

做客嘉宾:金朝辉,西南交通大学设计研究院高级工程师。

郭 亮,中国科学院力学研究所工程师。

讲座时间:2024年2月5日~2月11日

(备注:讲座视频可循环播放)

透视新科技——新型磁悬浮列车

讲座内容:

各位好!欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目,我是主持人胜春。2021年的1月13日,由我国自主研发设计的高温超导磁浮工程化样车在成都正式下线,它的时速达到了620千米。2021年1月13日,由我国自主研发设计、自主制造的世界首条高温超导高速磁浮工程化样车。在成都下线启用,该条试验线全长165米,设计时速高达620千米。由于采用新的磁浮技术,极大提高了列车的速度,这种新型高速列车一旦投入使用后,将为我们的出行节约大量的时间。这种新型磁浮列车的安全性如何保障?它什么时候才能开始商业运行呢?我们今天请来的两位嘉宾,一位是西南交通大学设计研究院高温超导磁浮列车项目的负责人金朝辉,欢迎您!另外一位是中科院力学研究所的工程师郭亮,欢迎郭亮!刚才我们通过短片已经了解到了,这个车怎么会这么快,未来有了我们这个磁浮列车,我们从北京到上海需要多长时间?

目前,我们陆地上的高温超导磁浮列车,最高速度设计的是620(千米每小时)。现在是4个半小时,如果这个高温超导磁浮列车出来以后,大概我估计3个小时也都可以到,上海到北京。下一步,我们把它放在真空管道里,我们目前研究的是每小时1500公里的这个列车,一个小时内就可以到了。郭亮,怎么来理解这个速度的变化?我们现在的动车和高铁,高铁能达到300多公里每小时,我们天上飞的飞机,民航飞机速度基本上就(每小时)八九百公里。我们现在这个高温超导磁浮列车,这(每小时)600多公里已经接近飞机了,甚至未来还会超过。对(每小时)1500公里的时候,每小时的时候就已经是我们经常说叫超音速了,它已经超过了音速,所以已经比现在的民航飞机还要快。有轮子的东西跑得快,为什么这个磁浮没有轮子的跑得更快?有轮子是把摩擦变成滚动摩擦了,就跑得快,比平推要快(得)多,这是基本的原理是吧。现在把车浮起来,浮起来的就是它浮起来以后,就没有摩擦力了,地面给它动力以后,它可以跑得很快,飞机能跑多快,它基本上就能跑多快了,基本上这个样子的。

其实对我们大多数人,了解过一些磁悬浮的概念,就是从上海机场到市中心的这样一段路,请问我们加上高温超导,为什么这个磁浮速度就快了那么多?这个高温超导能通俗地讲给我们吗?首先说超导,超导就是说在某一个比较低的温度下,零下100多(摄氏)度、200(摄氏)度的时候,一个导体它就电阻为零了,电流就很大了。电流大了就可以产生一个强磁场,这个强磁场就会产生强大的磁力,就把这个车可以浮起来。浮起来以后,它就没有摩擦,就刚才说没有那个滚动摩擦了,它就跑得快了,原理就是这个原理。首先第一个我们要说悬浮起来,它的阻力就减小了,所以别管是之前的电磁的悬浮,还是我们现在的高温超导悬浮。它的核心目的,我先把这个东西先抬起来,先飘起来。对,飘起来了之后,就像刚才金老师说的,那么我的列车已经跟地面脱离了,所以只要脱离了之后,原来的不管你是滚动摩擦还是滑动摩擦,摩擦基本上就没有了。没有了,我这个车就可以开得非常快,所以就类似于贴地面的飞机,你可以把它这么去想象上海的那个磁悬浮,那就用的就是这个原理,只不过它用的是通电,它的弊端就在于它要一直通电。而我们现在提出的这一套叫高温超导磁浮的这套技术,你会发现我就不用通电了,不通电结构就简单。

那过去的磁悬浮它也是飘起来,为什么加了高温超导,它飘起来就更快了。过去的磁悬浮飘起来以后,它是用电磁浮飘的,就相当于两个电磁铁把它浮起来。另外它还要导向,它要朝一个方向走,它有个导向,导向原来也是用电磁浮来导向的,这样的话就要求对那个控制系统要复杂一些,我们现在是利用了一个自然现象,就是这个超导了,它就自动把它浮起来。自悬浮自导向,这样就少掉了这个控制系统,简单了,约束的少了,它跑得快了。我们的列车一节车厢,怎么也得有个十几吨重,整个一趟列车挂那么多车厢,这个重量是相当大的,这么大的列车高速行进的过程当中,如何来控制它的行驶状态,这个我们是怎么做到的?真正的火车怎么做呢,是有两根磁轨,像铁轨有两根磁轨,磁轨上面列车下面,布置了很多个悬浮器,高温超导悬浮器,那个悬浮器里灌的液氮装了超导体,就产生了刚才说那个悬浮现象,就把车举起来了,浮起来了。浮起来以后,而且它还就是沿着磁轨跑,叫自导向,不用通电,就用-196OC的液氮就超导了,它就正常地就跑起来了。就相当于理解车厢底下挂了很多个冰块,冰块里放了超导体,然后在磁轨上就浮起来了。那说到这个话题,我们通过短片去了解一下。

超导指某一材料在低温环境下电阻为零的现象,当材料处在超导状态时,就会产生类似于同性相斥的悬浮现象。1911年,科学家们就发现了超导现象,并认识到超导的巨大应用前景。但实现超导需要极低温度,满足这样的低温条件成本高昂。因此,早期的超导材料只停留在实验室里,无法实际应用。为了解决这个难题,科学家坚持不懈地寻找新的超导材料。1987年,我国科学家研制出钇钡铜氧系超导材料,并在零下196摄氏度液氮环境中实现了超导,由此高温超导技术诞生了。那么,高温超导技术为什么会应用于列车之上?除了速度快之外,高温超导磁浮列车还有什么优势?据我们了解之前在青岛已经有了时速达到600公里的高速磁浮列车了,那我们这个研究高温超导列车跟它之间的这个对比是什么关系。就是说我们这个车要更简单一点。那个磁浮是什么样的磁浮,是电磁浮吗?电磁浮。那个是电磁浮,就说利用电磁的现象来导向和悬浮,您刚才说得特别简单,我们让技术变得更简单一点,这个简单意味着什么?简单意味可靠性增加了,因为一个系统要(用)工程术语叫工程耦合性,它和环境的耦合性就小了,外面干扰它的东西少了。刚才说那个电磁浮车,它需要三个方向控制,左右上下前后,我现在左右和上下都用这个超导现象解决了,不用管,只管前后就行了,就简单了。

就这个技术原理越来越简单,别的体系完全一样,别的是完全可以(借鉴)互相可以利用,就这个原理上我们稍有不同。目前我们现在能够说出来的高温超导这个磁浮列车,它的优势具体都体现在哪些方面?高温超导磁悬浮主要一个是速度快,比以往的轮轨关系要跑得快一点,最高可以(时速)600多(千米)。第二个节能,悬浮不用电,又没有滚动摩擦,它跑得快就节能。第三个它的维护费用低,因为它上面没有那个接触网,就没有挂受电弓,下面没有轮轨摩擦,它少了两个磨的东西,就不用修,修起来要方便点。像我们一个术语叫全寿命周期便宜,这是主要的三个优点。目前我们研究状况是什么样?它是一个从实验室走出来的东西,尽管我们今年(2021年)元月13号(1月3日),做了一个第一台工程化样车,可以想象还有工程化样车二、三,一代代迭代,要经过很多科技工作者的辛勤努力才会把它做出来。它的原理性东西到工程化东西,还有很多考验,比如实验室考虑到外部自然环境的变化没有,考虑到别的约束条件没有,这是个很难的东西,前面是依靠学校和科研机构,后面有更多依靠我们的工厂,来把它工程化做出来,依靠现有的经验。说到这个话题,我们看看相关的短片。

磁悬浮技术是20世纪20年代最早被提出的,此后几十年,这一概念受到多国科学家的追捧,被认为是未来高速铁路的最佳解决方案。20世纪70年代,德国利用电磁悬浮技术,日本利用低温超导磁悬浮技术先后建立试验线,但这两项技术过于复杂,成本较高,都没能在本国进行商业运营。我国从上世纪80年代在高温超导材料方面有所突破,由于高温超导材料可以依靠廉价的液氮进行冷却。因此,我国的磁浮技术使用成本较低,为日后投入实际运营提供了先决条件。西南交通大学抓住这一时机,率先开始了高温超导磁浮列车的研究工作。2014年,他们开始搭建国内首条载人高温超导磁悬浮环形线。在取得初步成功后,他们又为自己设定了新的速度目标,超过民航客机达到超音速。为此,2018年,他们搭建全球首个真空管道超高速磁悬浮列车环形试验线平台,这一平台将成为未来超音速高铁的雏形。那么这一系列技术投入到实际应用中将会面临哪些难题?如此高的速度如何保证安全平稳?目前我们在研究这项技术方面还有哪些难题吗?它里面很多关键设备,就刚才说那个保温瓶。嗯。就悬浮器现在不是48小时吗?可以保证保温48小时,能不能更长一点,另外对它的状态能不能监测,都要研究,这还是其中一个。

另外,比如达到(时速)1500千米以后,它通讯,车队通讯行不行,有很多个问题都需要解决的。其实,我们的这个高温超导,刚才金老师也说了,其实主要利用的是低温,我没有别的太多的其他的,就是一个轨道加一个低温装置就可以了。那么,我如何维系它持续的低温,这个其实是唯一一个需要解决的,类似于你说的电。就像电一样。那我就一定要有一个持续的低温源,我们真正用的叫液氮,液氮其实就是。它的特性是?它就是我们平时日常生活中,咱们空气里边有氮气,那么这个氮气把它降低,降低到非常低的温度的时候,它就变成液体了,那么这个时候大概零下190多(摄氏)度。这个时候液氮它是很冷的,要比我们日常生活中,咱们家里边能见到的所有的冷的东西都要冷,比如说冰块、干冰,干冰也就零下70多(摄氏)度,而液氮零下190多(摄氏)度。我们把这个液氮,不是一点点液体,是我整个可能是一桶,或者是一个装置,我是放在这里边,然后拿保温瓶放好了。那么它在持续地给这个列车的下方相关的材料,我们给它降温,就能保证这个东西一直属于我们要的那个温度,这个时候液氮的量其实是很重要的,这个是我们科学家经过计算的,我能保证这个液氮在48小时之内是不会挥发完的。那也就是说,我能保证这一列车一直保证48个小时的持续低温,那你跑的时候,只要别超过48小时,它就会有不叫源源不断的电,它就会有用不完的所谓的电,也就是能量。

说到安全性的问题,其实刚才我们谈到了磁悬浮,我们在想在电磁悬浮的时候,它就靠的是电,我们会担心停电了会怎么办?现在我们高温超导磁浮列车,它如果一旦失去了什么,会让它成为自由落体一样,那种让我们担心的画面和场面?安全它是有两个来保证,一个这种列车的形式是轨道的形式叫轨抱车,它是先做一个U型的槽,把列车放在这个槽里面,这是第一个保证。第二个是槽里面放了两个磁轨,这两个磁轨上面是超导体,列车下面压着超导体。这个超导体,根据刚才说的现象叫钉扎现象,它就像钉子一样扎在磁轨上面,它就顺着磁轨跑了,不会跑出去的,稍微偏一点,那个力量很大,要把它拽回来。因为它这个磁场是抗拒这个方向移动的,就像一个弹簧离得越远,它的劲儿越大,越往回走的劲儿越大。所以它的安全性,相对会更有保障了是这意思吗?安全性其实是观众朋友们最担心的,当你速度特别快的时候,你又是悬着的,你不会跑一跑就脱轨了吗,你不会就跑到其他的地方,那么这个事儿我还真有幸,我们实验室就有一个磁悬浮的模型,也是他们西南交大给我们做的。那么这个我玩过的,那这个小车当你降低到了一定温度之后,你会发现它在那个铁轨上,正常它是可以这样这个方向,往你这个方向开的。

如果我拿手去往左去推它,我就想让它脱轨,你会发现它会有一个很大的斥力会顶着我,然后你会发现你看不到底下是悬浮的,没有任何人或者物体在它旁边帮它使劲,但是你真的就推不动它,你把它拿起来也拿不起来。因为它就会相当于是牢牢地吸在了那个地方,它有点像什么呢?有点像咱们这个拉锁,这个拉锁是什么情况?你看你拉锁,你拿着拉头,我想往左偏很难,想往右偏也很难,想把它拽起来也很难,那它就只能沿着它给你设定好的这个拉锁的轨迹,你只能上下运动,我们的高温超导磁悬浮其实就相当于是一个给你铺好了拉锁的一样一个长条。那么拉锁如果是弯的,你就跟着拉锁弯;拉锁如果是直的,你就跟着拉锁直。它只能在往前和往后这个维度来进行运动,你是没有办法,当然你要付出非常大的力量,那你有可能让它左右去偏,但这个力量是非常难以想象的,一般情况下,我们是达不到破坏的极限的。您刚才说到了非常大的力量,就让我想起了这个男子链球运动员,他在扔这个链球的时候,就是不停地旋转,旋转到极限的时候,突然一撒手,达到这个链球最远的这种可能性。我们知道设备不结实,手没有抓住都可能撒手,就不按轨迹去运转了,我们的这个高温超导磁浮列车会有这种可能性吗?

在极限状况下它还是要飞出去的,那怎么办?我刚才讲了轨抱车,轨道是抱着它的,另外我们旁边有相应的自动装置,当它偏了以后我们会自动把它顶回来,也有这个装置的,这个基本上就没问题了。另外我们设计的弯道、坡道,它的速度都是经过严密的理论计算,下一步要经过严密的实践以后,得出结论以后,要确保它安全,是这么来做的。当我们这个列车达到那么高时速的时候,怎么来保证我们乘客的舒适感呢?舒适感主要是加速度来决定的,慢慢地加速上去,它就比较舒适,比如你坐飞机,并没有明显的不舒服感。另外要保证它不颠簸、少颠簸,也就不会晕眩,这两点高温超导磁悬浮都有优势。我们就夸张一点儿说,我们现在在地球上咱们觉得现在坐在这儿。实际地球也在转,那你为什么不觉得头晕,是因为它没有加速的感觉,所以你根本体验不到,所以你在那个车里边,你可能还会拿着饮料跟别人一起座谈交流,你都觉得很平常。然后只有它会提示你说,我们当前站马上要减速了,然后要求你坐回去跟飞机一样。你坐回去的时候,你再把安全带系上,再去慢慢去减速。而在行驶的过程中,其实你是没有太多的感觉的,那说到这个磁悬浮列车,之前我们国家已经有一些线路,我们通过短片去了解一下。

随着交通运输业的迅速发展,人们对出行的速度与舒适性要求日益增加,从蒸汽机车、内燃机车到电力机车,再到和谐号、复兴号动车组,它们的速度已经由一开始的每小时几十千米,增长到现在已经接近每小时400千米。但这依然不能满足越来越快节奏的社会需求,因此,发展速度更快、舒适度更高的磁悬浮干线铁路就成为了更好的选择。我国是磁悬浮列车投入商业运营最早的国家。2006年,世界第一条商业运营的磁悬浮线路,上海磁浮列车示范运营线正式投入使用。这条线路采用常导电磁悬浮技术,专线全长近30千米,全程只需8分钟,其最大运营速度为430千米每小时。2016年,长沙磁浮快线正式开通,这是我国第一条自主设计、自主制造、自主施工、自主管理的中低速磁悬浮线路。随后,2017年,我国第二条中低速磁悬浮线路北京地铁S1线建成通车。磁悬浮列车具有噪声小、振动小、爬坡能力强等优点,因此在短途的市政交通领域具有独特的优势。但传统电磁悬浮高速列车造价昂贵,并且速度上并没有比现有轮轨高铁高出太多。因此在长距离干线铁路网中没有应用,而新型的超导磁悬浮高铁通过更高的速度、更简单的结构有望应用到干线交通领域。那么高温超导磁浮列车未来还将会有怎样的发展?这种高速列车的应用将会如何影响我们的出行方式?时速620千米,甚至是实现1500千米,这样的时速预计多久能够实现?

团结全国的科学力量一起来搞的话,我认为三到五年应该能够实现工程化跑起来,跑起来三到五年。三到五年。对。那么快?对,因为它的基本原理已经成熟了。基本原理已经非常成熟了。对。可能接下来我们想象的一个问题,就是过去的我们高铁站,能够满足我们这个高速悬浮的这种列车的需求吗?轨道是肯定不同了,但是我们现在的高温超导磁浮列车,对线路要求是低于现有高速铁路的。它是个均匀负荷,一个车底下有很多个悬浮器,它对线路的负载是均衡的。你看高铁一列车厢是两对或者是几对轮子是吧,它的冲击是点状的或者是平的,所以可以少一点,我们计算结果是这样的,当然还需要进一步的工程实践中论证。其实我们建轨的成本要比之前的高铁要降低很多。土建便宜了,但是你这个磁轨是稀土材料做的,那个要贵一点,综合起来我们有可能经过努力以后,有可能接近于高铁的成本。它的土建规模小了,但是你的机电成本,主要是多了一个磁轨。磁轨因为你没有量产,目前没有量产以后它就要贵一些,你要批量大了,工程化以后就便宜了。

接下来一个问题,可能是两位在研究的过程当中一定会想过的这个问题,当真的有一天这样高速的悬浮列车,进入到我们的生活当中,会给我们的生活带来什么样的改变,给整个社会的经济带来什么样的变化?人类对这个速度追求是没有止境的,时空,时空,时间和空间是可以换的,所以我想这个速度快了以后,肯定会带来很多的变化,可以说我们可以带动整个产业链的发展,整个工业都上去,研究都上来了。另外一个这个高速磁浮列车,如果这么快速度跑出来,我们又变成世界第一了。原来高铁是我们走向世界的一个名片,现在我们把它又再擦亮一次。比如说我们现在经常在北京,我们就可以说京津冀一体化,真的一体化,我去天津我从来都不用琢磨,说到底买几点的,你可能随时到南站买一张票就到天津了。

比如说我现在9点钟,我说一会咱们11点开个会,那我可能就能去得了天津,那么如果1500千米每小时这种情况,经常我这边出差是去上海,我有可能现在怎么想去天津,到时候就怎么去上海。我们说下午一会开个会,可能那我说好,我马上就去这个磁悬浮车站,然后我们就买一趟磁悬浮的车票,我可能下午就见到人家,晚上我还回来吃晚饭,原来还要坐很久你才能去到南方。那么现在的情况,我们有了高铁,有了飞机,我很容易可能半天或者几个小时就到达了,那么未来我们有了这1500千米每小时的高温超导磁浮列车的话,我有可能去中国的任何的地方,我都不用考虑太多的时间成本的问题。我只需要考虑我能不能当天完成,我需要既定的这种工作量,那么这才是我们人之间的这种沟通,如果你想象是货物?那么如果是货物的运输,因为我们现在说物流是一个支撑社会发展非常大的一个重要的点,那么我们国家为什么最近这几年发展这么好,其实也跟其他发达国家相比,我们的物流体系建得非常完善。那么在这种运货的情况下,如果能达到1500公里每小时这种运输速度的话,我买的所有的东西都可以当天甚至半天就到达了,所以它会对政治、经济、人文等等一系列的带来的改变是难以估量的。

现在我们就听说的城际列车从北京到天津,很多人就选择在天津居住,然后早上乘高铁到北京上班,其实一点都不影响,一点不耽误的,甚至比北京市里开车还要快,将来还会更快吗?将来还有(时速)4000公里的,会更快,正在研究。国内的已经开始研究这个东西了,都提出了个设想了。我们说4000公里每小时,首先第一它肯定要在管子里面,因为空气的阻力是最大的。就是当上高速之后,不管是(时速)600公里以上,还是(时速)800公里以上,空气的阻力就变成最大的一个阻力了,所以我们即使是现在我们说的1500千米每小时的这个列车,也是需要在管道里面,我尽量地把空气抽掉,变成准真空或者叫亚真空的这种方式。那么4000千米每小时也是一样的,我把空气抽的尽量干净,那么这样的话,它的阻力就很少了。那阻力少了之后,我们刚才说过了,我们加速的阶段慢一点加,那我们就慢慢推起来,推起来达到一定速度之后,由于你在管道里面,那么你并不知道外面是多少千米每小时。所以其实4000千米每小时,如果它运行非常平稳的话,你其实并不知道外边开了多少千米每小时,只有液晶屏会告诉你4000千米每小时。类似于咱们现在坐高铁,你看着350千米每小时,你也并没觉得真的有那么快,因为你在里边坐得很平稳。

今天,非常感谢两位来到我们的演播室,跟我们畅聊高温超导高速磁浮列车。我们过去不敢想象的速度,居然在未来科学家的努力下,就可以成为我们生活当中真实的样本。好,感谢两位!也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目,如果您想了解我们更多的节目内容,可以下载央视视频收看我们的往期节目。我是胜春,今天的节目就到这儿了,我们下期节目再见。

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