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世界高速磁悬浮铁路发展现状与趋势分析

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2021年1月13日,由西南交通大学研发的高速磁悬浮工程样车在成都下线,这是中国研发的第二款高速磁悬浮列车,也是世界上首款采用高温超导技术的1:1磁浮工程样车,其最大的特点是无源自稳定,即不用通电列车也可悬浮在轨道上方,导向也不需要主动控制。此次西南交大下线的磁浮列车,计划先在大气环境下实现工程化,预期运行速度目标值大于600公里/小时;下一步计划结合真空管道技术,为远期向1000公里/小时以上速度奠定基础。
无论是轮轨铁路还是磁悬浮铁路,当车辆处于开放空间大气环境下以超过160km/h速度运行时,均要面临巨大的空气阻力和噪声问题,从而在商业运营上带来经济性和环保性的挑战。因此,为获得更高的经济运行速度,在利用悬浮技术减少车轨摩擦、振动的基础上,再构建低真空运行环境以减小空气阻力和噪声是未来更高速度轨道交通技术的重要发展方向。

  高速磁悬浮铁路发展现状

  日本

技术装备方面,日本研制了MLX01、L0等多款磁悬浮列车。其中,L0系列车是日本于2010年推出的为中央新干线配置的第一代新型磁悬浮列车,试验时最大编组为12辆,运营时计划编组为16辆。L0系列车始发时采用橡胶轮走行,当速度超过150km/h时,电磁力能够将车体抬起,从而转换为磁悬浮走行。2015年4月21日,L0系列车在山梨试验线的试乘活动中创造了载人走行603km/h的世界纪录。此外,JR东海公司基于L0系技术平台研发的改进型试验车已于2020年3月下线。
日本L0系列车

  线路建设方面,日本首条磁悬浮商业运营线路——中央新干线第一阶段(东京—名古屋)于2014年12月17日开工建设。中央新干线全长438km,86%为山岭隧道区间,最高设计速度505km/h,第一阶段计划2027年开通;第二阶段原计划2045年完工开通,但日本政府计划提前8年开通,即2037年开通。目前,第一阶段工程中南阿尔卑斯隧道—山梨标段和计划的6个站点均已开工建设。

  总体上看,电动制式磁悬浮技术具有悬浮间隙大、车辆悬浮控制简单等优点,悬浮高度能达到100mm。缺点是采用昂贵的液氦作为冷却剂,工程应用成本较高,并且在低速运行时必须要有车辆支撑系统。

  德国

技术装备方面,德国研发了TR01—TR09系列磁悬浮列车,试验中最高速度达到550km/h。TR08是德国最具代表性的磁悬浮列车,该列车利用安装在车体上的悬浮电磁铁与安装在导轨上的定子之间的吸引产生悬浮力,设计速度为450km/h,在上海浦东磁悬浮示范线的运营速度达到431km/h,最高试验速度为501km/h。
德国TR08磁悬浮列车

  线路建设方面,目前德国尚无商业化运营的磁悬浮线路。20世纪90年代以来,德国曾提出柏林—汉堡、多特蒙德—杜塞尔道夫、慕尼黑机场—慕尼黑中央车站等3项磁悬浮铁路建设计划,但由于预算成本较高、未来盈利前景黯淡、项目融资失败等原因遭遇搁浅。德国迟迟未能进行磁悬浮铁路商业运营与其自身国情也有很大关系:一方面,德国高速铁路发展迅速,并且能够实现跨线运行,已经逐步形成高速与普速兼容的路网格局,磁悬浮铁路不能与既有路网兼容;另一方面,德国人口分布均匀,不存在大运量的运输通道,加上磁悬浮铁路的建设成本高于轮轨高速铁路,预计运输收入不能弥补成本。

  2006年,德国发生磁悬浮列车与工程车相撞事故,对磁悬浮铁路在德国的推广应用造成了重大打击,导致近年来发展几乎停滞。

  美国

  2013年,埃隆•马斯克发表了一份题为《Hyperloop Alpha》的白皮书,从车辆、管道、牵引、线路、安全与可靠性以及造价等方面阐述了对Hyperloop系统如何运作的技术思考,并提出“超级高铁”系统最高速度可达1223km/h。Hyperloop Alpha的悬浮原理与传统气垫船基本相同,利用滑板在车厢与地面轨道间形成的一层薄薄气垫把车厢支撑住,使其不与地面接触。“超级高铁”概念吸引了多个公司和团队开展商业化应用研究。目前,美国从事“超级高铁”研发的公司主要包括Space X、Virgin HyperloopOne和HTT公司,相关研究进展如下:

(1)Space X公司。Space X公司于2016年在其位于加利福尼亚州霍桑市的总部建造了外径为1.83m、长1.6km的测试管道,并以该测试管道为基础举行了3届超级高铁竞赛。德国慕尼黑工业大学的WARR Hyperloop团队在2018年第三届比赛的决赛中采用模型车达到了457km/h的最高速度。2018年4月,埃隆•马斯克宣布旗下“超级高铁乘客舱”将进行测试,目标运行速度为音速的一半,并在1.2km内完成制动。
(2)Virgin Hyperloop One公司。Virgin Hyperloop One公司于2015年12月开始在拉斯维加斯北部建设测试点,包括建设1段长约1km的测试轨道。2016年该公司位于内华达州的首家工厂开工,2017年展示了该工厂生产由铝和碳纤维构成的全尺寸乘客舱XP-1。试验验证方面,Virgin Hyperloop One公司于2017年在内华达州的测试管道进行了3个阶段的测试,最高速度达到387km/h。推广应用方面,Virgin Hyperloop One公司先后与印度马哈拉施特拉邦、迪拜道路交通局(RTA)等机构达成合作协议,计划2020年年底开始在印度孟买—浦那修建首条真空管道高速铁路。(3)HTT公司。HTT公司以概念图为基础,采用志愿者科研众筹方式推动其研发工作,主要致力于全球宣传推广,先后与斯洛伐克、捷克、法国、印度尼西亚、韩国、印度、巴西、阿联酋、乌克兰等国家开展合作。2018年10月,HTT公司在西班牙展示了首款Hyperloop全尺寸乘客舱,由1种特制的双层智能复合材料制造而成,其强度比钢材强8倍,比同类铝制品强10倍。该乘客舱将转移到法国图卢兹市进行额外组装,组装完毕后将会部署到首批超级高铁商用轨道上。中国

  目前,中国中车集团有限公司(简称中国中车)、西南交通大学、中国航天科工集团有限公司(简称航天科工)等多家单位正在积极开展高速磁悬浮铁路的研究,涵盖常导磁悬浮、电动磁悬浮、高温超导磁悬浮等不同制式,并积极探索低真空管道超高速磁悬浮铁路相关技术。

(1)中国中车。中国中车主要开展常导磁悬浮制式相关研究,在该领域具有一定的技术储备和工程化应用基础。2016年,中华人民共和国科学技术部将“磁悬浮交通系统关键技术”重点专项定向委托给中国中车组织实施,旨在攻克高速磁悬浮交通系统悬浮、牵引与控制核心技术,形成我国自主知识产权并具有国际普遍适应性的新一代高速磁悬浮交通系统核心技术体系及标准规范体系,使我国具备高速磁悬浮交通系统和装备的完全自主化与产业化能力。依托该项目研制的时速600km高速磁悬浮试验样车已于2019年5月下线。
中国时速600km高速磁悬浮试验样车

  (2)西南交通大学。西南交通大学长期研究高温超导磁悬浮技术,利用具有磁通钉扎特性的高温超导体在梯度磁场中产生的自稳定现象来实现悬浮导向一体化的磁悬浮系统。2014年,西南交通大学将高温超导磁悬浮与真空管道概念相结合,研制了新一代高温超导磁悬浮环形实验线以及真空管道高温超导磁悬浮试验系统“Super-Maglev”,这也是全球首个真空管道超高速磁悬浮列车原型测试平台。目前,西南交通大学正在建设一条长140m的真空管道高温超导磁悬浮直道试验线,并计划在成都搭建1条1.5km长的动模试验线,进行时速1000km以上的真空管道高温超导磁悬浮列车应用关键技术和工程示范研究。

  (3)航天科工。航天科工于2017年8月宣布正在开展时速1000km“高速飞行列车”项目研究论证。目前,航天科工已经联合国内外20多家科研机构,成立了我国首个国际性高速飞行列车产业联盟,团队拥有相关领域专利200多项。航天科工主要基于电动制式开展低真空管道磁悬浮技术的相关研究,目前正在积极推进试验线建设,并计划开展相关试验。

  其他国家

  (1)瑞士。瑞士早在1992年就成立了Swissmetro AG公司,筹备和实施超高速地铁工程项目(Swissmetro),采用地下隧道方式构建低真空管道系统,计划以高速度和高频率客运服务将瑞士主要城市和地区联系起来,并考虑未来向其他欧洲城市延伸。2009年,该项目由于缺少资金支持而终止,Swissmetro AG公司也被解散。2017年,Swissmetro NG(下一代Swissmetro)成立,这是一个非营利性组织,采用全新理念和技术开展低真空高速磁悬浮系统研究。

  (2)韩国。韩国政府及相关学术机构在2017年初宣布打造代号为“HTX”的超级高铁计划。2017年6月20日,韩国与美国HTT公司签署了超级高铁相关技术授权合同,HTT公司将授权和研发管道基础架构与安全平台,并向韩国提供全面的测试轨道,同时韩国也将能够使用HTT的悬浮、推进、电池及乘客体验设计等技术。

  (3)加拿大。加拿大TransPod公司2016年从意大利安杰洛投资集团(Angelo Investments)获得了1500万美元的种子基金,2017年提出了类似于Hyperloop Alpha系统的超级高铁模型设计。同年TransPod发布了初步的建造成本研究,概述了在安大略省西南部温莎和多伦多之间建立TransPod轨道系统的可行性。

  (4)荷兰。荷兰Hardt Hyperloop公司于2019年开发了欧洲首个具有全部功能系统的超级高铁测试设施,包括悬浮推进系统、车道开关、真空环境等。该公司的目标是开发高速、零排放的交通工具,目前已经筹集了1000多万欧元。该公司开发的超级高铁系统中,列车可在不减速情况下从一条轨道切换到另一条轨道,这被视为该公司的核心技术。

  发展趋势分析

  (1)高速磁悬浮铁路速度将进一步提升。一方面,磁悬浮铁路最高试验速度不断提高,目前已突破时速600km;另一方面,多个国家及相关公司表示低真空管道磁悬浮系统的最高时速可达到1000km以上。

  (2)高速磁悬浮铁路将在高客流运输通道中得到应用。目前轮轨高速铁路发展迅速,在我国及日本、德国等典型高铁国家已经具有较高覆盖率。从需求角度出发,对于高客流运输通道更需要高速磁悬浮铁路等交通工具。此外,高速磁悬浮铁路在我国和日本等国家的建设应用表明其成本比高铁更高,为了能够回收成本必须要有高客流密度的支撑。从目前正在建设和规划的线路来看,日本中央新干线、美国 Virgin Hyperloop One 公司在印度规划的线路均有较高客流作 为支撑,加拿大 TransPod 公司、美国HTT公司等在全球范围内推广低真空管道磁悬浮技术时也将客流密度作为一项重要因素。而德国提出的多项磁悬浮线路建设计划最终均未能实施,一大重要原因也是由于境内缺少高客流运输通道。

  (3)高速磁悬浮铁路未来将重点向实用化、低成本方向发展。从我国及日本、德国等典型国家的发展现状来看,高速磁悬浮铁路在技术上已经基本成熟,但在商业应用方面缺少成功尝试。日本采用的低温超导材料对环境要求较高,在工程应用中成本巨大,且存在一定安全隐患,为此正在积极试验高温超导材料,以便在工程应用方面获得更大便利。总体上看,未来高速磁悬浮铁路将向技术实用化、低成本方向发展。(4)低真空管道磁悬浮铁路具有良好的发展前景。低真空管道磁悬浮铁路具有速度更高、更加节能环保、能够实现全天候运输等优势,极具新型交通运输方式的发展技术经济特征。目前,美国 Virgin Hyperloop One、HTT、SpaceX等公司正在积极开展低真空管道磁悬浮铁路相关技术研究,同时在世界范围内进行快速布局。我国也在加快低真空管道磁悬浮铁路研究,中国中车、西南交通大学、航天科工、中国铁道科学研究院集团有限公司等多家单位正在积极探索,深圳、贵州等地正在积极引进低真空管道磁悬浮铁路技术。尽管低真空管道磁悬浮铁路距离实现商业化应用还有较大距离,但其独有的速度优势及不受外界环境影响的特点是其他地面交通运输方式所无可比拟的。

  文章来源于铁路传媒 ,作者《中国铁路》杂志

  原标题:《世界高速磁悬浮铁路发展现状与趋势分析》

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