速度是衡量一個(gè)國(guó)家高鐵研發(fā)水平的重要指標(biāo)，追求更高速度是未來(lái)高鐵發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是高鐵研究者們孜孜以求的目標(biāo)。那么，高鐵究竟能跑多快呢？
從實(shí)驗(yàn)看，2010年，在京滬高鐵棗莊至蚌埠間的先導(dǎo)段聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)中，中國(guó)高鐵最高時(shí)速達(dá)到486.1公里，刷新了世界鐵路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)的最高速。
從實(shí)踐看，2017年，“復(fù)興號(hào)”中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組實(shí)現(xiàn)了以350公里的時(shí)速運(yùn)營(yíng)，使我國(guó)成為世界上高鐵商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度最快的國(guó)家。
從理論看，來(lái)自西南交通大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，結(jié)合了真空管道技術(shù)和高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的未來(lái)“超級(jí)高鐵”，時(shí)速有望突破1000公里。這也意味著，從成都到北京的時(shí)間將由現(xiàn)在的7個(gè)多小時(shí)，縮短到100分鐘以內(nèi)。
但鮮為人知的是，從提出設(shè)想到研究設(shè)計(jì)出試驗(yàn)線，西南交通大學(xué)真空管道高溫超導(dǎo)磁浮團(tuán)隊(duì)在這條路上足足探索了30多年。
超導(dǎo)磁懸�。鹤屃熊�(chē)“浮”起來(lái)
磁浮列車(chē)是20世紀(jì)的一項(xiàng)技術(shù)發(fā)明，其原理并不深?yuàn)W：它運(yùn)用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即磁性懸浮。科學(xué)家將磁性懸浮運(yùn)用在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)上，使列車(chē)完全脫離軌道，成為“浮”在空中的列車(chē)，這就是磁浮列車(chē)。
德國(guó)在常導(dǎo)磁懸浮、日本在低溫超導(dǎo)磁懸浮方面一直保持著技術(shù)領(lǐng)先。上世紀(jì)80年代中期，我國(guó)開(kāi)始在磁浮列車(chē)領(lǐng)域奮起直追，但想要趕上60年的技術(shù)差距，無(wú)疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
1986年，西南交通大學(xué)召開(kāi)磁浮技術(shù)與磁浮列車(chē)技術(shù)研究大會(huì)，成為國(guó)內(nèi)較早啟動(dòng)該領(lǐng)域研究的高�？蒲袉挝�；1988年，西南交通大學(xué)磁浮團(tuán)隊(duì)完成了單自由度鐵球懸浮實(shí)驗(yàn)，對(duì)電磁吸力懸浮原理有了本質(zhì)上的認(rèn)識(shí)；2000年，該校王家素團(tuán)隊(duì)研制出了世界上第一輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車(chē)。
所謂高溫超導(dǎo)，是指在零下196攝氏度的液氮環(huán)境中，特殊材料制成的超導(dǎo)體具有零電阻和邁斯納效應(yīng)。與低溫超導(dǎo)相比，高溫超導(dǎo)具有懸浮導(dǎo)向自穩(wěn)定性。換句話說(shuō)，把高溫超導(dǎo)體放在永磁軌道上，其就能提供穩(wěn)定的導(dǎo)向力和懸浮力，既能懸浮又能懸掛，并且不會(huì)上下左右搖晃，從而保證了列車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
2012年4月至2013年2月，西南交通大學(xué)成功研制出了中國(guó)首條載人高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形試驗(yàn)線。據(jù)介紹，這條試驗(yàn)線全長(zhǎng)45米，曲線半徑6米，懸浮高度10~20毫米，最大載重1噸，最高載人時(shí)速25公里。
這個(gè)系統(tǒng)是目前國(guó)際上同等載重能力中截面最小、永磁材料用量最少的高溫超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)，同時(shí)它還建立起了面向?qū)嶋H應(yīng)用的含轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)、無(wú)線通訊、車(chē)載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能于一體的高溫超導(dǎo)磁浮整車(chē)系統(tǒng)。
真空管道：讓列車(chē)“飛”起來(lái)
數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)列車(chē)時(shí)速達(dá)到400公里以上時(shí)，超過(guò)83%的牽引力都會(huì)浪費(fèi)在抵抗空氣阻力上。因此，科研人員一直希望能通過(guò)建造真空環(huán)境，減少空氣對(duì)磁浮列車(chē)的阻力。
2004年12月18日，兩院院士、西南交通大學(xué)教授沈志云發(fā)起“真空管道高速交通”院士研討會(huì)，7位院士蒞臨會(huì)議。
會(huì)上，沈志云提出了一個(gè)設(shè)想，即將我國(guó)真空管道高速交通的戰(zhàn)略定位于600~1000公里/小時(shí)的超高速，并分四個(gè)階段推行：從2005年開(kāi)始，用5年推出小比例模型，10年做出全尺寸模型，15年完成實(shí)驗(yàn)線路，25年即2020~2030年實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)線。
與會(huì)學(xué)者圍繞沈志云的觀點(diǎn)，就真空管道高速交通技術(shù)及相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的探討。他們認(rèn)為，真空管道高速交通具有可行性，但不排除某些技術(shù)問(wèn)題的解決難度。
得益于沈志云和王家素等專(zhuān)家的創(chuàng)新想法，真空管道和高溫超導(dǎo)磁浮被結(jié)合在了一起。而兩者結(jié)合首先考慮的便是安全性，高溫超導(dǎo)磁懸浮采用永磁軌道，而封閉管道為其提供了一個(gè)良好的屏障；其次是環(huán)保性，列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)與空氣摩擦?xí)a(chǎn)生較大噪聲，而封閉的真空空間則可以解決這個(gè)問(wèn)題。
在西南交通大學(xué)首席教授張衛(wèi)華的組織下，牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄧自剛研究團(tuán)隊(duì)將真空管道磁浮交通的設(shè)想付諸了實(shí)踐。在原有的高溫超導(dǎo)磁懸浮車(chē)環(huán)形實(shí)驗(yàn)線基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)于2014年6月研制完成和調(diào)試成功了世界首個(gè)真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮車(chē)試驗(yàn)系統(tǒng)。
45米的環(huán)形軌道線外罩著一層由鋼架和有機(jī)玻璃做成的全封閉管道，使得其看起來(lái)就像一顆透明的膠囊。張衛(wèi)華介紹，在理想狀態(tài)下，如果把軌道的曲線半徑擴(kuò)大到6公里，那么列車(chē)的理論時(shí)速就可能達(dá)到1500公里以上。
1000公里：一個(gè)小目標(biāo)
科學(xué)探索的腳步永不會(huì)停歇。在前期試驗(yàn)線的基礎(chǔ)上，西南交通大學(xué)又設(shè)計(jì)建設(shè)了多功能高速列車(chē)運(yùn)行模擬試驗(yàn)臺(tái)。
這是一條直徑4.2米、長(zhǎng)140米的特制管道，它采用直線電機(jī)彈射加速，可將列車(chē)模型在140米的距離內(nèi)加速至400公里/小時(shí)，并在行駛過(guò)程中完成列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)、管道—磁軌—車(chē)體耦合振動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)性及穩(wěn)定性等一系列測(cè)試，為下一步的載人中試打下基礎(chǔ)。
全新的試驗(yàn)線將在低氣壓環(huán)境中測(cè)試，試驗(yàn)車(chē)車(chē)底布滿特制的高溫超導(dǎo)材料，其依靠液氮形成的低溫達(dá)到超導(dǎo)和磁懸浮效果，懸浮高度10毫米，承重200公斤，測(cè)試時(shí)速最高可達(dá)400公里。目前，該試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)進(jìn)行了管道抽空降壓實(shí)驗(yàn)，正處于關(guān)鍵技術(shù)突破的重要時(shí)期。
與此同時(shí)，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)還正與中國(guó)中車(chē)聯(lián)合研發(fā)能載100人的1：1樣車(chē)，這種實(shí)用化原型車(chē)的懸浮能力將達(dá)到2噸/米，懸浮高度15毫米，能夠滿足現(xiàn)有軌道交通運(yùn)營(yíng)的載重要求。
在項(xiàng)目主持人張衛(wèi)華看來(lái)，目前真空技術(shù)已經(jīng)成熟，高溫超導(dǎo)技術(shù)也已經(jīng)有了成型的解決方案，一旦二者成功結(jié)合，未來(lái)“超級(jí)高鐵”的時(shí)速就有望突破1000公里。而且，真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮的超高速、磁懸浮特性使其在交通運(yùn)輸、航空航天以及科研等諸多領(lǐng)域具有廣泛而誘人的應(yīng)用前景，勢(shì)必將帶動(dòng)一大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步。
目前，西南交通大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)正在持續(xù)進(jìn)行真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮的理論與應(yīng)用研究，同時(shí)積極推動(dòng)真空管道磁浮交通工程化。但這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不可能一蹴而就，其距離最終的商業(yè)化運(yùn)行還有很長(zhǎng)一段路要走，同時(shí)也需要更多的科研自信和支持。■
（作者之一許金磚單位為西南交通大學(xué)）