中国成果震动欧美 时速1千公里高铁来了

仲国民

来源: 科技在线/日期: 2018-03-02
科技狂人马斯克倡导的“超环高铁”已经在美国得到认可，正在进行可行性方案研究，超环高铁利用了低真空管道和磁悬浮技术，速度将接近飞机的1000公里时速。这种高铁不仅可以修筑在地表，也可以开挖地下隧道。在中国，这项实验也正在进行中。《经济半小时》记者在成都的一间实验室里，看到中国科学家正在为之努力。
中国公布高温超导磁悬浮技术

成都西南交通大学搭建的，全球首个真空管道超高速磁悬浮列车环形实验线平台，是国内第一个载人高温超导磁悬浮环形实验线。线路总长45米，设计载重300公斤，最大载重可达1吨，悬浮净高大于20毫米，是目前国际上同等载重能力，截面最小、永磁材料用量最少的超导悬浮系统，可进行0-50 km/h的实际动态运行实验，别小看这些复杂的机器设备，在真空管道理想状态下，这项技术上的创新，可将列车理论时速提高到一千公里以上的更高速度，换句话说，眼前的这堆实验设备，搭建的将是人类目前能触摸到的未来超级高铁的雏形。
西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士 副教授邓自刚：很多指标都是国际领先的。我们核心的东西，它的实际载重能力，能够悬浮一吨重。我们这个轨道的截面积，是现在全世界最小的，就是它的宽度只有120毫米，厚度只有25毫米，它用的永磁材料特别少。

中国科学家推出的这项高温超导磁悬浮技术，一经公布，就引起了世界最大的电子电气工程师协会——美国IEEE协会的关注，他们用两个整版的文字报道了中国人的这项科研成果，英国BBC、美国CNN、欧洲公共电视台等媒体，纷纷赶赴西南交通大学展开实地调查报道。这一项科技技术的诞生，可能没有引起民众的过多关注，但在世界众多科学家的眼里，中国人这次干出了几乎是一件革命性的技术创造。
邓自刚：当时它的标题叫超级管道，然后下面还有评语，它觉得这个颠覆性技术，可能对未来人们的出行方式，或者航天应用，各方面应该都会有革命性的意义。
这个被世界多位科学家称为颠覆性技术的“超级管道”，是如何能够悬浮在轨道上行驶的呢？37岁的项目负责人邓自刚告诉记者，几十年来，西南交大、国内科研院所和众多制造企业的专家，不断地接力式研发实验，才诞生出今天的成果。
磁悬浮技术是上世纪二十年代德国人最早提出的，距今差不多已有百年历史。此后几十年，德国在常导磁悬浮、日本在低温超导磁悬浮方面一直保持着技术领先；中国从上世纪八十年代中期开始追赶，但是想要追上六十年的技术差距，无疑是一个巨大的难题。

如果要完成磁悬浮列车的研究制造，我们需要提前去迈过很多门槛，比如高温超导材料从哪里来？特殊的轨道如何建设？车体究竟该怎样设计等一系列的问题，从无到有的这场挑战，中国的科学家又是否能研发成功呢？
高温超导磁悬浮中的超导指的是一种超导材料，具有零电阻效应，也就是说，电流流经导体时不发生热损耗，可以毫无阻力地在导线中形成强大电流，从而产生超强磁场。超导磁悬浮，就是利用超导体的抗磁性，实现磁悬浮。而所谓高温超导，是指零下196摄氏度的液氮环境中，超导所具有的特性；低温超导是指在零下269摄氏度的液氦环境中，超导所具有的特性。

与低温超导和常温超导相比，高温超导有一个最大特点：它有自稳定性，换句话说，把高温超导体放在永磁轨道上后，既能悬浮、又能悬挂，不管运动还是静止，都能悬浮；而且在永磁轨道上，高温超导体还提供稳定的导向力和悬浮力，也就是不会上下左右摇晃，像钉子一样牢牢地扎在永磁轨道上面。
超导层厚度仅为头发丝的百分之一

可以悬浮又可以悬挂，看起来有点像变魔术。这其中的秘密在哪里呢？邓自刚介绍，首先是铺设在轨道上的永磁材料。其实高性能的永磁材料，国外已经研制生产多年，但这些产品技术曾经对我国长期封锁，不要说买不到，就是想去参观都不行。唯一的办法，就是中国人自己造。磁悬浮实验室在成都，但磁悬浮的材料，却在杭州一家企业默默地研发生产。
研制高性能的永磁材料，尤其用于高温超导磁悬浮轨道上的永磁体，首先需要将十几种原料、包括多种稀土材料熔合、均匀分布。
杭州永磁集团有限公司副总裁 冒守栋告诉《经济半小时》记者，这个过程好比揉面，很难，但是对磁钢的性能很关键。

在对十几种原料进行精密排布后，就需要用电流给磁钢充磁，这也是危险性比较高的环节。如果充磁充不好，容易造成它性能不稳定，有些时候控制不住，磁钢容易飞到天花板上去。
经过反复试验，高性能永磁材料总算成功研制成功，但接下来又一个难题出现了：那就是怎样把永磁体拼接在一起形成磁悬浮导轨？由于永磁体之间相排斥的磁力很大，一小块可产生300多公斤的推力，一不小心就可能跑偏。那么，有什么方法能有效解决拼接、组合难题呢？
杭州永磁集团有限公司副总裁 冒守栋：要靠一系列设计的工装，通过机械的方式，一点一点把它固定好，一个磁钢固定好，再装下一个磁钢。

西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士 邓自刚：当时也是前期做了很充分的一种设计，设计了夹具之后，然后现场又不断地摸索，不断地改进，最后找到了一种比较优的方式，我们最后84块永磁轨道，安装只花了一天的时间。
永磁导轨材料的难题得到解决之后，邓自刚的团队开始面临第二道难题的考验，这就是世界制造磁悬浮列车最为核心的高温超导材料。
邓自刚：我们的超导材料，就装在我们车子四个角，这块黑色的盖板里面。这个超导材料，它就替代了咱们汽车的四个轮子。这个超导材料，在我们液氮低温的环境里面，它就可以实现悬浮。
本世纪第一个10年，全球只有3家第二代高温超导材料供应商，2家在美国，以昂贵的价格向全世界销售，另一家企业在日本，但禁止出口。如果材料只能靠进口，我国发展高温超导产业就会被“卡脖子”。经过多方寻找，邓自刚把目光锁定在上海超导科技公司。

上海超导科技股份有限公司超导材料事业部副总经理 吴 祥：为什么我们做这个事情？也是有一个情怀在。因为以前我们去参加国际会议，大家来报道的超导材料，都是别人做的，一说到中国的超导，提问的就非常的少，就是有一种感觉，就是中国没有人做出来这个东西。我们的想法就是，不管怎么样，一定要把这个做出来，就是为了争这口气。
2011年，上海超导科技公司正式成立并开始研发。他们遇到的第一个难关，就是怎样将不同的涂层和超导带材紧密连在一起。超导带材是由好几层不同原料加工涂抹在一起的，超导层位于中间核心层，外面主要分为机带、隔离层、缓冲层等七、八层，之所以加这么多层，主要起保护、缓冲作用，相当于给中间层的超导带材，穿了一套防护铠甲，让超导带材的性能保持稳定性和一致性。但这几层原料都不同、涂抹的厚度，需要非常薄、非常均匀。工艺难度极大。
上海交通大学国家能源智能电网（上海）研发中心电气工程系 特别研究员赵 跃：它是在一个50微米厚的，不锈钢带材上，所镀着的超导薄膜，50微米厚的是一个什么概念？就是我们大概头发丝一样的厚度，但是它们中间所起到的，最重要的超导层厚度，仅为头发丝厚度的大概1%左右。

上海超导科技股份有限公司超导材料事业部副总经理 吴 祥： 超导层其实说白了，是我们现在最难镀的，因为它的工艺很特殊，我们用的是激光附着沉积来镀膜。
但最艰难的，是将超导带材连接在一起的技术，尽管现在超导带材长度已从最初的百米级做到现在公里级长度，但受限于现有技术，世界上还没有不做接头的超导带材。超导带材一有接头，就会有电阻。如何把电阻降到最低值，不仅是中国人的难题，也是世界各国企业面对的难题。
吴 祥：我们公司研制了一个超导接头技术，它的电阻能够达到两纳欧姆左右，现在国际上大家正常能够做到几十纳欧姆左右。两纳欧姆算是目前比较低的了。
经过3年多的努力，世界先进水平范围内的超导材料，终于在中国上海研制成功。
赵 跃：我们同样的一个条件，和国际的一些同类产品进行比较，它的性能、载电流能力提高了25%，在这个条件下，我们绝对领先。
这种性能先进的超导材料应用前景广阔，不仅用于磁悬浮交通、还运用到超导电缆、新能源汽车无线电充电系统、甚至国防军事上，比如导弹新的发射技术——冷发射。
赵 跃：传统的导弹方式是点火发射，在一开始导弹点火的过程中，会产生大量的热，被敌方侦查到，这样会对导弹采取一定的措施。如果我们采用超导储能装置，在短时间把巨大的能量，迅速地释放出去，可以把这个武器抛射到空中，达到一定的高度再点火，敌人就很难发现，这是一个非常热门的技术，各个发达国家都在研究。
材料和轨道这两道难关通过了，西南交大实验室里的邓自刚，开始面对最后的难题，磁悬浮的实验车。
和其他材料研发的模式一样，磁悬浮实验车的研发工作，从成都转移到了中车唐山机车公司。怎么让车悬浮起来，还能保持磁悬浮车无论转弯，还是上下坡，都能安全、平稳运行、没有噪音呢？中车唐山机车公司的科研人员接过了研发的接力棒。
中国中车唐山机车车辆有限公司 博士 高级工程师吴会超：我们每个转向架，相当于蜈蚣的一排腿，我们转弯的时候，就过弯道的时候，每个模块，都可以灵活进行转动，这样的话，我们悬浮车过整个的小弯道，是非常灵活的。
2014年，真空高温超导磁悬浮实验线，在西南交大的成都实验室里顺利搭建完成。西南交大几代学者，通过不懈努力，在磁悬浮领域创下一个又一个研制奇迹。与此同时，他们在科研理论上的贡献，也获得了国际国内的巨大反响。2016年，邓自刚的大学老师王家素、王素玉老师，将自己毕生研究的心血，撰写下来，在德国出版发行。此时，距德国学者提出磁悬浮技术将近百年，这是中国学者在磁悬浮发源地德国，第一次用英文出版发行的超导专著。
西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士 邓自刚：这两本书就体现了一个，高温超导磁悬浮技术，从领先到被追赶，到再次领先的一个过程。

西南交大在高温超导磁悬浮方面的研究成果，也强烈吸引着国外同行。邓自刚告诉记者，几个月后，也就是2018年7月，有几名巴西学者会来西南交大留学。
西南交通大学首席教授 牵引动力国家重点实验室主任 张卫华：随着我们今年时速400公里、400公里+，这样一个试验平台的完成，我们速度也可以做到最高。接下来我们还做时速1500公里，所以说我觉得我们在国际上，应该无论高温超导磁浮，还是真空管道，都是走在前面的。
目前中国、德国、日本、美国、巴西等国正加大力度推进超导磁悬浮车的实用化进程。美国Hyperloop one公司在内华达沙漠搭建了500 m长的真空管道试验线，并于2017年实现了310 km/h的最高时速。 在国内，中车青岛四方机车公司，2016年10月正式启动，研制时速600公里的高速磁浮列车项目。2017年8月，中国航天科工集团宣布，人类第五种交通工具“高速飞行列车”项目已开展研究论证，时速最高可达4000公里，相比现在京沪高铁运行的最高时速350公里，要快出10倍！
半小时观察

在科技研发最关键的时刻，我们的镜头能记录的都是过程中的艰辛和枯燥。但正如西南交大校长所说，今天这个时代就是一个创造奇迹的时代。中国的高铁今天已经走在了世界的最前面，而下一代革命性的技术研发，中国科学家也没有丝毫的松懈，也许在不久的将来，你我坐上时速上千公里的高铁时，我们会回想起今天这些科学家们的艰苦努力，过程就是这样的枯燥，但最终汇集在一起的就是中国制造的奇迹。