■文/王麟

同学们，你们认为在交通领域，哪种交通工具的速度最快？有同学会说，陆地上最快的交通工具是高铁吧；也有同学说，是飞在空中的飞机。在高速交通领域，高铁和飞机无疑是一对最有力的竞争者。在陆地上，高铁在时速160～400千米范围很难遇见竞争对手；而在空中，民用飞机在时速800～1 000千米范围也是称雄一方。

细心的同学会发现，在高铁和飞机各自“管辖”的速度范围之间，还有一个空当尚未被填补。那么，在时速400～800千米的速度领域，谁能担当大任呢？这就需要我们今天的主角——高温超导磁浮列车闪亮登场了。

2021年1月13日，世界首台高温超导高速磁浮工程化样车及试验线在我国成都下线启用。这台重达12吨的样车就像是漂浮在水面上的一片叶子，仅用手就能轻松向前推动，其时速则高达620千米，是我国自主研发设计、自主制造的，标志着高温超导高速磁浮工程化研究实现从无到有的突破。

“同性相斥”原理，让列车悬浮起来

为什么磁悬浮列车可以跑那么快，其实，这主要和同学们了解的两大知识点——电与磁有关。

磁悬浮列车跑得快的秘密之一，在于“电流的磁效应”这个原理。1820年，丹麦物理学家奥斯特在一个小伽伐尼电池的两极之间接上一根很细的铂丝，在铂丝正下方放置一枚磁针，然后接通电源，小磁针微微地跳动，转到与铂丝垂直的方向。这正是他苦苦求证的电流磁效应。此后，法国物理学家安培又通过大量的实验研究了电流间的相互作用，并且提出了著名的分子电流假说：磁性物质中，每个分子都有一段微观电流，每个分子的圆电流会形成一个小磁体。

在磁性物质中，这些电流沿磁轴方向规律地排列，从而显现一种绕磁轴旋转的电流，如同螺线管电流一样。这就是电流间产生的相互作用力，它与两块磁铁间的“异性相吸、同性相斥”作用力类似。“同性相斥”时，两块磁铁中间有股看不见的力量，在极力“拒绝”两块磁铁相吸。磁悬浮列车亦是如此。在磁悬浮列车运行过程中，车体与轨道会始终处于一种“若即若离”的状态。

有同学会问：悬浮会有什么优势呢？当普通火车在车轨上开动时，车轮是在车轨上行驶的，那么就存在摩擦，有摩擦就有阻力，有阻力就会影响速度。而让列车悬浮于车轨上，可以减小摩擦力，列车速度就更快了。这么一说，大家就都能理解了吧！

技术不同，悬浮方式也不同

磁悬浮列车采用的技术按照悬浮方式的不同，可分为电磁悬浮、电动悬浮和高温超导磁浮。

超导电动磁斥式

常导电磁吸引式

上海浦东机场线

1 电磁悬浮列车：早就投入运营

电磁悬浮是利用车载电磁铁与导轨之间产生的吸引力悬浮列车。以德国TR高速磁浮列车为例，列车车体跨坐在轨道梁上面并环抱轨道梁，轨道梁的底部安装有长定子铁芯和线圈，侧面安装有导向和制动轨。而列车“U”形车体底端安装悬浮和牵引电磁铁，侧端安装导向和制动线圈。通电以后，轨道梁底部的长定子铁芯和线圈产生磁场，吸引“U”形车体底端的悬浮和牵引电磁铁，从而让车体悬浮起来，属于“吸引悬浮”。列车开动之后，通过控制导向和制动线圈与导轨之间的磁力，实现列车的导向和制动。列车的悬浮间隔为8～10毫米，运行时速可达400～500千米。日本的HSST中低速磁浮列车和我国的中低速磁浮列车也采用了这个技术方案。

2000年，我国引进了德国的TR08车型电磁悬浮列车，建成上海浦东机场线，并于2004年正式投入商业运营。2016年5月，我国中低速磁浮轨道交通长沙磁浮快线正式开通，其设计最高时速为100千米。2018年6月，长沙磁浮列车最高时速提至160千米。2019年5月23日，我国时速600千米的高速电磁悬浮试验样车在青岛下线，并进行了列车运行试验。

采用超导电动磁斥式的日本ML100

采用常导电磁吸引式的中国长沙磁浮快线

2 电动悬浮列车：需要辅助轮帮忙

电动悬浮也称“磁斥式悬浮”，依靠车辆上的超导磁体，在列车运动时切割安装在线路上的导体，从而产生感应电流。该电流产生的磁力线与车辆磁体产生的磁力线相反，从而形成斥力，实现悬浮。这是一种利用电动排斥力来实现悬浮的技术，排斥力与导体切割磁感线的速度有关。速度越快，感应磁场越大，悬浮力就越大。但是，它不能实现静止悬浮，因为列车静止的时候，不会切割磁力线，也不会产生感应电流，所以无法产生悬浮力。因此，在列车速度较低的时候，需要辅助轮帮忙。该技术的优点是车辆的悬浮高度高、自稳性强、不消耗电能。日本高速磁浮列车的悬浮高度可达到100毫米，美国GA公司研发的低速磁浮列车的悬浮高度为25毫米。

日本ML500 型试验车

以日本的低温超导磁浮列车为例，其技术原理是在“U”形轨道梁侧壁上连续排布着“8”字形线圈。当车载低温超导磁体沿着轨道水平移动时，轨道侧壁线圈内会产生感应电流，“8”字形线圈下部磁场与车载超导磁体之间相互排斥，上部磁场与车载超导磁体之间相互吸引，使得车体悬浮起来。因此，电动悬浮列车需要达到每小时100 千米的初始速度才能实现悬浮，在此之前，需要辅助轮帮助列车在导轨上运行。

日本从1962年开始研究电动悬浮技术，1979年，ML500 型试验车的时速已经达到517千米。2015年，日本超导磁悬浮列车实现了每小时603千米的试验速度。

3 高温超导磁浮列车：温度并不高

高温超导磁悬浮的技术原理比较复杂，通俗来讲，就是高温超导体有一个很特殊的性质叫“钉扎效应”，可以使超导体随外磁场变化，感应出与外磁场相排斥的超导强电流。超导电流再与外磁场相互作用，就能够产生悬浮力，从而实现列车的自悬浮与导向。

这类超导体采用液氮冷却，超导性能良好。而液氮的温度约为-196℃，远高于低温超导使用的液氦温度（-269℃），所以能够大大简化低温制冷系统，可降低列车的自重。原来，高温超导磁悬浮技术并不像我们想象中的那样有很高的温度，而是和低温超导技术相比，它是“高温”而已。

高温超导磁浮列车的悬浮高度为10～30毫米，车体质量仅为轻轨列车的一半，可以减少建造成本；冷却超导体所需的氮气来自空气，不会造成环境污染；其运行能耗也小，仅为飞机的1/20。最主要的是，高温超导磁浮轨道产生的磁场为静磁场，辐射量很小，对乘客的影响可以忽略不计。

而且，此次启用的高温超导高速磁浮工程化样车采用全碳纤维轻量化车体、低阻力头型等新技术和新工艺，设计时速达620千米，有望创造陆地交通速度新纪录。高温超导磁浮还有一个显著的特点——列车前进方向的磁阻力几乎为0。在这些优势的加持下，高温超导才能帮助磁浮列车实现高速“奔跑”。

高温超导磁悬浮

西南交通大学内的高温超导磁浮列车试验线

新型高温超导磁浮列车向前滑行演示

中国走在这一领域的前沿

在高温超导磁浮技术领域，我国自始至终是走在前面的。最早的磁浮模型车就是我国和德国于1997年联合研制成功的。这辆高温超导磁浮模型车重20千克，悬浮高度为7毫米。2000年12月31日，西南交通大学的高温超导磁浮研究团队研制出世界首辆载人高温超导磁悬浮车“世纪号”，可以乘坐4名乘客，车辆悬浮高度为20毫米。与此同时，德国、巴西、美国、意大利、日本、俄罗斯等国也都开展了高温超导磁浮技术的研究，取得不俗的成果。比如，德国研制成功“SupraTrans I”试验车，巴西在2014 年修建完成一条长度为200米的高温超导磁悬浮试验线，美国建造了真空管道高温超导磁悬浮试验平台。而我国最早研究高温超导磁浮技术的西南交通大学也在与时俱进，在2014年6月将高温超导磁悬浮与真空管道概念相结合，研制成功新一代的高温超导磁悬浮环形试验线及真空管道高温超导磁悬浮试验平台。

在高速交通领域，轮轨式高速列车时速不超过400千米是比较经济的，因为一旦超过这个临界速度，无论是列车控制、运行安全方面还是经济方面，轮轨式高速列车都会面临很多挑战。当列车运行时速超过400千米的时候，采用磁浮技术是必然的选择。但是，无论是采用磁浮技术还是轮轨技术，列车的运行速度越快，遇到的空气阻力就越大，而克服空气阻力耗能越大，性价比越不高，得不偿失。所以，高速磁浮列车的发展方向最终就是与真空管道技术相结合，研制和推广真空管道高温超导磁浮列车。在这个领域，中国依然走在了前面。

日本展示的新型磁悬浮列车

美国正在研制的真空管道高温超导磁悬浮试验平台