中国高铁为何没有选择磁悬浮?

 社会 | |  6年前 (2015-06-10) | 共 1,482 阅读 | 0 评论 | 分享

一提磁悬浮,大家立马就会有一种高大上的感觉,认为磁悬浮在技术上必然是最新的、在速度上必然是最快的。毕竟列车是悬浮在轨道上飞行,这很难让人不产生科幻的感觉。

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高大上的真空磁悬浮列车

真空磁悬浮概念的提出,进一步强化了人们这种感觉,中国西南交通大学与美国约翰·霍普金斯大学,均提出了真空磁悬浮方案。

通常情况下,民用飞机的空中巡航速度在每小时850公里左右,对于超过8000公里以上的旅行,乘坐飞机耗费的时间与经济成本是惊人的,并会因为大量排放严重污染环境。有没有一种更高速的旅行工具能让人们更快、更经济、更环保的旅行呢?

于是,真空磁悬浮就作为一个选项被人们提出。所谓真空磁悬浮,就是在一个真空的管道里面铺设磁悬浮线路,然后让列车在真空管道中运营。由于没有了空气阻力,真空磁悬浮时速可达3000—4000公里,能耗不到民航客机的十分之一,而噪音、废气排放接近于零。

中国西南交通大学的张耀平主持的“真空管道高速磁浮交通基础研究项目编号50678152)”,2007年获得了国家自然科学基金项目的支持。目前张耀平已经调入陕西省西京学院,专门组建了真空管道运输研究所,正全力推进这一“运输革命”进入现实。

但是,截至目前,真空磁悬浮毕竟还停留在概念阶段,考虑到巨大的建设成本以及维护等问题,真空磁悬浮离实际应用还有很远的距离。

不仅是真空磁悬浮,就是普通的常导磁悬浮与超导磁悬浮技术在全球的应用也是寥寥无几。如此高大上的一种技术,为什么没有在全球普及?中国高铁建设为什么没有采用磁悬浮技术?

磁悬浮技术全球推广的坎坷之路

与大家心目中的“高大上”有所不同,揭开磁悬浮的神秘面纱你会发现如下事实:其一,磁悬浮其实并不是一项新技术。1922年起源于德国,1934年国工程师赫尔曼·肯佩尔就申请了磁悬浮列车专利。其二,磁悬浮并不一定意味高速。1984年,第一辆商用磁悬浮列车在英国伯明翰国际机场投入运营,全长仅600米,运营时速42公里,11年后因维护问题关闭。

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磁悬浮的基本原理就是利用“同性相斥、异性相吸”的电磁原理,让车辆悬浮起来,利用电磁力引导,推动列车前行。目前磁悬浮列车技术在国际上主要有两个流派:

第一种,是以德国为代表的常导磁悬浮。轨道是一种T型台,列车两边下部要把T型轨道的两边包住,由安装在列车车体底部的常规电磁体与位于电磁体上方的导磁轨道间的吸引力实现悬浮。常导磁悬浮的优势是技术简单,劣势是产生的电磁吸引力较小,列车与轨道之间的缝隙大约8—10毫米。常导型高速磁悬浮列车的时速可达400公里—500公里之间。

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上海浦东机场线采用的就是德国常导磁悬浮技术,由德国Transrapid公司于2001年在中国上海浦东国际机场至地铁龙阳路站建设,2002年正式启用。该线全长30公里,列车最高时速达430公里,平均运行时速380公里,转弯处半径达8000米,由起点至终点站只需8分钟。

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第二种,是以日本为代表的超导磁悬浮列车系统。超导磁悬浮就不是列车包轨道了,而是轨道包列车,它是利用车载超导磁体在运动过程中与轨道的感应磁场产生相互排斥力而悬浮于轨道上,列车在一个U型槽内运营。超导磁悬浮,悬浮气隙较大,一般为100mm左右。超导磁悬浮的优点是悬浮力大,列车运行速度快,可以实现时速500公里以上运行;缺点是技术复杂,需要屏蔽发散的电磁场。

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磁悬浮技术不可谓不先进。由于列车运行时不同于传统轮轨列车,不需要接触轨道,因此只受来自空气的阻力,所以更容易实现高速运营,理论上可以按照时速500公里运营。但是现实情况是,高速磁悬浮技术,在世界的推广之路却异常坎坷。

首先我们来看磁悬浮的发源地德国的推广情况。德国目前仍没有一条商业运营的磁悬浮线路,甚至在德国媒体界,把磁悬浮列车技术称为“昂贵的高科技玩具”。1989年德国在柏林建设长度1.6公里的无人驾驶磁悬浮列车,并载客试运营,1991年7月正式服务,柏林墙倒掉之后被废弃。

此后德国连续三次提出磁悬浮线路规划,但都先后出局,没有一次能够成功。2000年德国提出了首都柏林至工业化大城市汉堡的磁悬浮线路,2003年德国又提出了鲁尔区都市磁悬浮特快项目,但全都没有通过有关部门的批准。2008年,德国再次提出了慕尼黑机场磁悬浮项目,但第三次出局。而在2006年9月22日,德国拉滕—德尔彭的磁悬浮试验线上还发生了脱轨事故,造成了25人死亡,4人重伤。该事故反映了,磁悬浮列车在突然情况下的制动能力不如轮轨列车。这进一步影响了磁悬浮列车技术在德国的推广。

其次,我们再看一下磁悬浮技术的另外一个大国日本。日本的磁悬浮技术开始于1962年,1979年12月试验速度达到了517公里,1982年11月,磁浮列车的载人试验获得成功。1997年全长18.4公里的日本山梨磁悬浮试验线建设成功并开始运行试验,2003年日本3辆编组的MLX01磁悬浮列车创造了581公里的世界纪录。

但是日本的高速磁悬浮线路建设却依旧困难重重。上世纪90年代初期,日本规划了东京—大阪的磁悬浮线路,并进行可行性研究,但最终因为造价过高而搁置。

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但日本推广磁悬浮的雄心一直未泯。20年后,2013年8月,日本再次启动连接东京到名古屋的中央新干线项目,力争2027年开通;并宣称将在2045年建成东京到大阪的磁悬浮线路。日本还极力将自己的磁悬浮技术在世界其他国家推广,2014年,日本政府宣布向美国无偿转让磁悬浮技术,他们瞄准的是美国华盛顿—巴尔的摩高铁线路,据称项目将耗资1万亿日元。

前景美好,但路途并不平坦。

中国高铁为什么没有选择磁悬浮?

磁悬浮高铁线路曾经是中国的一个选项,而且是重要选项。

故事发生在中国高铁的标杆线路京沪高铁上。

1990年原铁道部完成“京沪高速铁路线路方案构想报告”,1993年项目正式在国务院立项,1997关于京沪高铁的融资方式,成本收回方式等论证初步完成,万事具备,只欠东风。

这时关于到底是采用轮轨还是采用磁悬浮的争论浮出水面。

1998 年,中科院何祚庥、徐冠华和严陆光三位院士提出京沪高铁应该建设时速500公里的磁悬浮线路。主要理由是,京沪高铁长达1300公里,超过了高速铁路800公里的合理范围,列车运行时间长达5个小时,对民航旅客没有吸引力。

轮轨派也提出了针锋相对的证据进行反驳。

争论持续10年。2008年京沪高铁正式开工,轮轨派获胜。

作为技术更先进、运行速度更高的磁悬浮技术,最后为什么会落败?主要原因有两点。

第一,磁悬浮的相对优势不明显了。磁悬浮相对轮轨,最大的优势是速度。但是当轮轨试验速度已经突破574.8公里,运营速度能够突破350公里的时候,磁悬浮的速度已经不那么明显了。如果京沪高铁实现时速350公里运营,京沪之间的旅行时间将压缩到3.5个小时,即便现在时速300公里运营,旅行时间也已经不到5个小时。

磁悬浮不是克服了车轮与轨道之间的摩擦吗?按说应该速度优势很明显呀?为什么?其实这是一个中学物理题,高速运行物体的空气阻力是速度的二次方,其能耗是速度的三次方,当速度达到300公里以上时,运动物体所受的阻力90%是空气阻力,磁悬浮虽然没有机械阻力,但是空气阻力并不能消除,而且还需要磁力将列车浮起来,也要消耗大量能量。所以当轮轨技术轻松突破时速300公里、甚至达到350公里时,磁悬浮技术的相对优势已经不那么明显了。

第二,磁悬浮技术一些比较明显的劣势很难克服。比如经济因素,磁悬浮线的修建成本要大幅度高于轮轨线路的建设。上海磁悬浮线路全长30公里的线路,设计投资达到100亿元人民币,而德国的两条线路,一条36.8公里,预计耗资约16亿欧元(132.8亿人民币);另一条长度78.9公里,预计耗资32亿欧元(265.6亿元人民币)。

此外还有技术原因。高铁要发挥它的最大效用,必须要联网。相对一条一条孤零零的线路,联网的高铁效能会呈几何倍数增长。但是,在技术上磁悬浮天生就是为点对点运输而生的,因为无论是常导磁悬浮技术还是超导磁悬浮技术都存在难以变轨的缺点,所以磁悬浮很难联网。常导磁悬浮技术,列车是抱轨的,所以变轨的技术难度很大;而超导磁悬浮是在U型槽内运行,变轨更难。

变轨困难会带来另外一个困难,那就是救援。中国上海浦东机场线磁悬浮列车,曾经发生过一次火灾事故,一周之后才将事故列车拖走。这也是磁悬浮列车的一个命门。

中低速磁悬浮的崛起

高速磁悬浮在全球的推广之路异常坎坷,唯一一条商业运行线路上海浦东磁悬浮线,还一直处于大幅亏损状态。但是,中低速磁悬浮线路却另辟蹊径,相关推广大有燎原之势。

第一个国家是日本,该国发展磁悬浮的路线比较务实,一方面加强高速磁悬浮的技术储备,并伺机推动实施,另一方面,率先建成中低速磁悬浮运营线路。日本第一条正式运营的磁悬浮铁路是名古屋市区通向爱知世博会会场的磁悬浮线路,这条铁路于2005年3月6日正式开通,全长约9公里,中途设有9个站。该磁悬浮列车由3节车厢构成,全程无人驾驶,最高时速为100公里,行驶全程需要17分钟。

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第二个国家是韩国。近几年,韩国轨道交通技术发展很快,在全球市场上与中国企业展开激烈竞争。中低速磁悬浮技术也是韩国轨道交通发展的一个重点。韩国磁悬浮的发展过程经历了独立研发(1985年—1993年)、对外合作(1994年—1998年)和商业化尝试(1999年至今)3个阶段。

2006年12月,韩国宣布投入研发无人驾驶中低速磁悬浮列车用于下一代城市交通。2014年7月,韩国仁川国际机场至仁川龙游站磁悬浮线路投入运营,全长6.1公里。列车由韩国自主研发,无人驾驶,最高时速可达110公里。韩国成为继日本之后,第二个拥有中低速磁悬浮线路的国家。

中国是世界上第三个拥有中低速磁悬浮技术的国家。2000年之后,中国的中低速磁悬浮推广就有多种传言,包括北京八达岭线、成都青城山项目、北京东直门到首都机场线、沪杭磁悬浮线等,但都无疾而终。

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但2008年之后,中国的中低速磁悬浮研发与推广进入加速阶段。

2008年5月,唐山客车厂建成了一条1.547公里的中低速磁悬浮列车工程化试验示范线。2009年唐车公司研制的低速磁悬浮列车下线。

2011年中国南车与张家界政府在长沙签订长沙签订《张家界中低速磁悬浮项目合作意向书》,计划在张家界建成我国首条中低速磁浮商业运营线。

2012年1月,中国南车株机公司研制的中低速磁悬浮列车下线,最高时速100公里,最大载客600人。

2014年5月16日,长沙高铁站至黄花国际机场磁悬浮工程正式开工建设,预计2015年年底建成,这是我国第一条完全自主研发的商业运营磁悬浮线。

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于此同时,北京中低速磁浮交通线路S1线也在快速推进中。

……

中国在实现高铁轮轨技术的快速发展后,正在磁悬浮领域悄然实现着新一轮的逆袭。

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