1842年,英国数学家、物理学家Samuel Earnshaw就提出了磁悬浮的概念,同时指出:单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。1900年初,美国、法国等专家曾提出物体摆脱自身重力、阻力并高效运营的若干猜想,也就是磁悬浮的早期模型,并列出了无摩擦阻力的磁悬浮列车使用的可能性。1922年,德国工程师Hermann Kemper就提出了电磁浮原理,并于1934年申请了磁浮列车的专利。在电磁悬浮理论诞生之后的近40年间,由于二战后经济的不景气、世界铁路的停滞和当时科技水平的限制,直到20世纪60年代前,磁悬浮铁路在实用化方面并没有取得什么实质性的突破。20世纪70年代以后,随着世界工业化国家经济实力的不断加强,为提高交通运输能力,适应经济发展和满足人们对提高列车运行速度的需要,德国、日本、美国、加拿大、法国、英国和苏联等发达国家相继投入大量的人力、物力和财力进行磁悬浮铁路的技术研究和开发。由于多种原因,美国和苏联在20世纪七、八十年代先后放弃了对磁悬浮铁路的技术研究和开发。美国人给出的最后结论是,无论是气浮列车还是磁悬浮列车都还离实用化太远。因此,随后除德国、日本外,其他国家要么觉得轮轨式更有竞争力,要么是因本国经济、技术或工业制造能力等方面的原因,先后淡出了悬浮列车研发的竞争舞台。只有德国、日本和中国等少数国家仍在继续进行磁悬浮铁路的研究,并均取得了一些令世人瞩目的进展。具有代表性的有:日本低温超导超高速磁悬浮系统(Magnetic Levitation,或称Maglev),简称ML;德国常导超高速磁悬浮系统(Trans Rapid,或称“运捷”),简称TR;日本中低速磁悬浮系统(High Speed Surface Tramspor),简称HSST;中国的永磁悬浮,它利用特殊的永磁材料,不需要任何其他动力支持。
德国对磁悬浮铁路的研究始于1968年。在研究初期,是常导和超导并重。到1977年,前后研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆,最高时速达400 km。后来经过分析比较,认为超导磁悬浮铁路所需的技术水平太高,短期内难以取得较大进展,于是决定集中力量发展常导磁悬浮铁路。1980年,开工兴建全长31.5 km的埃姆斯兰德试验线。1984年,列车最高试验时速达到400 km。德国高速常导磁悬浮系统至今已有8个型号。
日本于1962年开始研究常导磁悬浮铁路,后由于超导技术的迅速发展,从20世纪70年代初开始转而研究超导磁悬浮铁路。1972年首次成功地进行了超导磁悬浮列车试验。1982年11月,磁悬浮列车的载人试验获得成功。为了进行东京至大阪间修建磁悬浮铁路的可行性研究,于1990年着手建设山梨磁悬浮铁路试验线,如图8-2-1所示。到2013年建成了全长为42.8 km的磁悬浮列车综合试验线。2015年4月21日,日本东海铁路公司(JR东海)在日本山梨县的磁悬浮试验线创造了载人行驶时速603 km的世界纪录,这也是迄今为止我们人类在轨道交通领域的最高速度记录。
图8-2-1 山梨磁悬浮铁路试验线
我国在20世纪80年代开始研究磁悬浮列车技术。1986年,西南交通大学就率先召开了磁浮技术与磁浮列车技术研究大会,成为国内较早启动该领域研究的高校科研单位。在1988年,交大磁浮团队完成了单自由度铁球悬浮实验,对电磁吸力悬浮原理有了本质的认识。1989年3月,国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮试验样车。
1995年,中国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学建成,并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为30.0 km的试验。西南交通大学这条试验线的建成,标志中国已经掌握制造磁悬浮列车的技术。2001年,开始动工修建长430m的青城山磁浮列车工程试验线。如图8-2-2为国内磁悬浮实验线。
图8-2-2 国内磁悬浮实验线(www.xing528.com)
在磁悬浮列车商业运用方面,截至2017年年底,全世界共有6条磁悬浮列车商业运营线,其中3条在中国。
2001年12月,我国上海浦东龙阳路地铁站至浦东国际机场高速磁浮交通示范线开通运营,成为当时世界上唯一一条投入商业运营的磁浮线。该线全长30 km,列车最高时速可达430 km,由起点到终点只需要8 min。平均时速380 km几乎达到了商业飞机航班巡航速度的一半,超过了飞机的起飞速度,被称为贴地飞行。
为进一步推动中低速磁浮列车工程化,西南交通大学与原中国南车株洲电力机车有限公司于2011年签订了战略合作协议,全面参加了株洲中低速磁浮列车的研制工作。2012年1月20日,中低速磁浮列车在中车株洲电力机车有限公司内下线,这是一条按商业运行条件设计的磁浮列车,磁浮列车运行速度100 km/h,能适应试验线各种曲线及坡道的要求。
2016年5月6日,中国首条拥有完全自主知识产权的中低速磁浮铁路—长沙磁浮快线正式通车试运营。长沙磁浮快线连接长沙火车南站和长沙黄花国际机场,全程高架敷设,线路全长18.55 km,初期设车站3座,预留车站2座,设计速度为每小时100 km。长沙中低速磁浮工程是中国国内第一条自主设计、自主制造、自主施工、自主管理的中低速磁悬浮,标志着中国磁浮技术实现了从研发到应用的全覆盖,成为世界上少数几个掌握该项技术的国家之一,如图8-2-3所示。
对于磁悬浮列车的运行速度,科学家们最初认为比轮轨高速列车的300多千米的时速还要快些,最高可以达到每小时500 km。但是人类的科学技术发展迅速,早已打破了科学家的预言。2015年4月21日,日本东海铁路公司在山梨磁悬浮试验线上创造了载人行驶时速603 km,以及一天行驶4 064 km的新世界记录。如图8-2-4所示。
图8-2-3 长沙磁浮快线
图8-2-4 创造新纪录的L0磁悬浮列车
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