日本在建磁懸浮中央新干線：高鐵與磁懸浮到底哪家強？

出品：科普中國

建造：科了個普翼

監制：中國科學院計較機收集信息中間

到過日本的伴侶們必定對日本貫通全國的高速鐵路系統——新干線并不目生，這也是當當代界上最進步前輩的高速鐵路系統之一。那么，您是否領會日本正在建造中的“磁懸浮中心新干線”呢？這項工程有何怪異之處呢？為什么如許一項工程，在日本國內也飽受爭議呢？中國磁懸浮手藝進展到何種水平了呢？

史無前例的中心新干線

2014年9月，毗連日本東京和名古屋的“磁懸浮中心新干線”正式開工扶植，這項21宿世紀夢幻般的龐大工程估計2027年開通運營，路線為東京品川至名古屋區間，2045年實現東京至年夜阪全線貫通。

是的，您并沒有看錯，日本當局簡直擬定了一個歷經41年的工程打算，比工程耗時加倍夢幻的，還有高達9萬億日元（約合人平易近幣5184億元）的工程費。

這條無論是耗時仍是耗資都如斯“夸張”的中心新干線，到底是什么樣的呢？

如圖所示，中心新干線的年夜體走標的目的其實與中心本線、關西本線不異，將毗連日本的首都圈、中京圈、京阪神三年夜都會圈。東起東京的品川站，標的目的西行經神奈川縣、山梨縣、長野縣和岐阜縣，接著達到名古屋，途平分別在神奈川的相模原市、山梨的甲府市、長野的飯田市與岐阜的中津川市設置站點。

中心新干線的設計中，日本初次將其獨自研發的超導磁懸浮手藝應用在高速鐵路上。建當作后的中心新干線將是首條利用磁懸浮列車的城際鐵路線，當作為全球最快運營列車，當然，可能也是迄當代界上造價最高的鐵路線。

事實有多快？超導磁懸浮手藝將中心新干線的車速晉升至每小時500公里，大要是現時日本現有新干線槍彈列車的兩倍。品川至名古屋的最短行駛時候將從今朝東海道新干線的1小時28分縮短至49分鐘，品川至年夜阪將從2小時18分鐘縮短至1小時7分。

功不成沒的超導磁懸浮手藝

作為中心新干線引覺得傲的焦點手藝，超導磁懸浮手藝簡單說，就是操縱車上超導體電磁鐵形當作的磁場與軌道上線圈形當作的磁場之間所發生的相斥力，使車體懸浮于軌道之上10cm騰空，如許列車在運行時的阻力降低良多，沿軌道“飛翔”的速度可達每小時500公里。

是不是依然有些云里霧里？那么我們先來熟悉一下超導體。

1911年，荷蘭萊頓年夜學的卡末林—昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）不測地發現，將汞冷卻到-268.98℃時，汞的電阻俄然消逝。后來他又發現很多金屬和合金都具有與上述汞相近似的低溫下掉去電阻的特征，也就是超導體的零電阻效應，因為它的特別導電機能，卡末林—昂內斯稱之為超導態。這一發現使他獲得了1913年諾貝爾獎。

此后，科學家們顛末試驗，不竭刷新超導臨界溫度的高度，高溫超導體發現今后取得了龐大沖破，超導態可以在液氮溫區(零下196度以上)呈現，超導懸浮的裝配更為簡單，當作本也年夜為降低，超導手藝走標的目的年夜規模應用。

荷蘭萊頓年夜學的物理學家卡末林—昂內斯

1933年，德國物理學家邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德（R.Ochsebfekd）對錫單晶球超導體做磁場分布測量時發現，在小磁場中把金屬冷卻進入超導態時，體內的磁力線一下被排出，磁力線不克不及穿過它的體內，也就是說超導體處于超導態時，體內的磁場恒等于零。這種效應被稱為“邁斯納效應”（完全抗磁效應），是超導體的另一個根基特征。

隨后的嘗試還證實，非論導體是先降溫后加磁場，仍是先加磁場后降溫，只要進入超導狀況，超導體就把全數磁通量排出體外。

完全抗磁性是超導體磁懸浮的物理根本。我們來看如許一個嘗試：在一個淺平的錫盤中，放入一個別積很小、磁性很強的永遠磁鐵，然后把溫度降低，使錫呈現超導性；這時可以看到，小磁鐵飄然升起，分開了錫盤概況，最后不變的懸浮在必然高度。這是因為超導體“不許可”其內部有任何磁場，若是外界有一個磁場要經由過程超導體內部，那么超導體必然會發生一個與之相反的磁場，包管內部磁場強度為零。這就形當作了一個斥力。

所以，當在一個超導體正下方放置一個磁體，并使磁感線垂縱貫過超導體的時辰，超導體將獲得垂直的上浮力。當這個浮力的巨細與超導體的重力剛好相等，超導體就可以懸浮在空中。

日本中心新干線恰是基于低溫超導磁懸浮的道理，采用在列車車輪旁邊安裝小型超導磁體，在列車標的目的前行駛時，超導物質則標的目的軌道發生壯大的磁場，并和安裝在軌道兩旁的鋁環彼此感化，發生標的目的上浮力，實現消弭車輪與鋼軌的摩擦力的目標。

安裝超導線圈的車輪與鐵軌俯視圖

日本在制造磁懸浮列車時利用的超導物質是將超細鈮鈦合金多芯線埋入銅母線內制當作的超導電線，當此種超導電線浸入液氦(－269℃)中時，進入超導狀況發生壯大磁場。這是宿世界上初次在適用運輸設備上用超導手藝實現可獲得550公里不變時速的年夜功率強磁線圈，其電壓為22KV。

為實現低溫超導磁懸浮所需的低溫，每一車載強磁單位上別離安裝了一臺液氦及一臺液氮壓縮制冷機，組成車載超低溫冷凍系統。液氦壓縮機的感化是將因為外部熱能及列車自己行駛時發生的熱能逐漸氣化了的氦氣從頭冷凍還原當作液氦。液氮壓縮制冷機的感化是將冷卻超導線圈外部隔熱板的液氮制冷劑從頭冷卻，連結－196℃低溫液氮狀況。

低溫超導需要復雜的低溫系統，但它與通俗磁懸浮比擬具有以下長處：

※懸浮的間隙年夜，一般可年夜于100mm；

※速度高，可達到500km/h以上；

※可同時實現懸浮、導標的目的和推進；

※推進直線同步電機效率高達70%-80%；

※低能耗的客運和貨運；

※永遠電流工作不需要車上供電系統，重量更輕，耗電更少。

值得一提的是，日本這一手藝在2015年4月21日山梨縣的磁懸浮試驗線中締造了那時的地面軌道交通東西載人時速603公里的宿世界新記載。

頗具爭議的浩蕩工程

日本出于謀求河山經濟平衡成長，以及經由過程超導磁懸浮手藝的開辟帶動各相關財產成長的目標，自1962年起就起頭了直線電機鞭策懸浮體例列車的預研制工作。這項手藝是由東海搭客鐵道股份有限公司（Central Japan Railway Company）（簡稱JR東海）傾其全公司之力，結合其他100多家公司精心研究幾十年的當作果。

JR東海運營路線圖

至1999年2月10日，跟著在日本山梨縣境內進行的5節車輛時速500公里荷重270人分編組運行試驗的當作功，日本超導磁懸浮列車的根基研制打算已接近從頭至尾聲，將可以轉入貿易性運營線路開辟扶植階段。

2014年4月12日，安倍晉三乘坐磁懸浮列車，前去山梨縣嘗試中間

誠然，超導磁懸浮高速列車絕對是手藝層面上的一年夜跨越，心猿意馬能給日本帶來很多宿世界第一的榮光，可是不少人還對這項工程的目標、市場需求以及手藝平安等方面都提出質疑。

公眾思疑扶植中心新干線是否真的有需要，因為日本社會生齒布局正急速高齡化，生齒數目不竭削減。估計等磁懸浮列車投入利用時，或將呈現上座率不足的問題。此外，也有人擔憂，假如日本首都圈、中部圈、關西圈完全當作為一體，良多需求將標的目的東京堆積，會削減名古屋、年夜阪這些處所中間城市的感化。

人們詬病的還有中心新干線的換乘站點太少，以及耗電問題。磁懸浮鐵路所需的電力為東海道新干線的3倍，岑嶺期的中心新干線全線所需電量有27萬千瓦，假如磁懸浮開通運營，日本要增添3、4座核電站才能知足其需求。如斯龐大的耗電量對今朝的日原本說是一個半斤八兩可駭的前景。

中國高鐵依然是有力競爭敵手

近年來，活著界上全速進步的中國高鐵采用的是輪軌手藝，在對高鐵的扶植進行可行性研究、相關手藝研究時，此中也包羅磁懸浮與輪軌手藝路線的競爭。之所以選擇輪軌手藝本家兒要有兩點原因：

一是我國輪軌試驗時速已經沖破了574.8公里，運營時速也可以或許沖破350公里，中國南車制造的CIT500型的試驗時速甚至達到了605公里，極年夜地縮小了與磁懸浮之間的速度差距。當速度達到300公里以上時，活動物體所受的阻力90%是空氣阻力，磁懸浮固然沒有機械阻力，因為還需要磁力將列車浮起來，也要耗損年夜量能量。所以當輪軌手藝輕松沖破時速300公里時，磁懸浮手藝的相對優勢已經不那么較著了。

二是經濟和手藝身分。磁懸浮線路的建筑當作本要年夜幅度高于輪軌線路的扶植。更主要的是，跟著經濟社會需求的增添，高鐵線路只有形當作收集才能闡揚最年夜的效用，線路數目也會以幾何倍數增加。

在手藝上，磁懸浮實現變軌的手藝難度很是年夜，所以磁懸浮很難聯網。常導磁懸浮手藝，列車是抱軌的，所以很難變軌，超導磁懸浮是在U型槽內運行，更難變軌。難以變軌還帶來別的一個堅苦，那就是增添了救援的難度，也是一個短處。

比擬于低溫超導磁懸浮新手藝，中國高鐵任然具備價錢低、性價比高、運營經驗豐碩的優勢，競爭力有目共睹。

中國在磁懸浮摸索中從未遏制腳步

其實，中國在磁懸浮方面摸索的腳步也從未停歇。中國正在研制超等磁懸浮列車，采用真空鋼管設計，將來的時速可達到每小時2000公里。早在2014年，在西南交通年夜學的牽哄動力國度重點嘗試室超導手藝研究所，中國科學家當作功完當作了載人高溫超導磁懸浮環形軌道測試。

不外，因為環形軌道半徑太小，軌道半徑只有6米限制，那時試驗車的時速并沒有達到預期的25公里每分鐘。可是不得不提的是，區別于日本中心新干線利用的零下269攝氏度的液氦，高溫超導磁懸浮手藝利用的是零下196攝氏度的液氮來包管超導材料的機能。要知道，氦是罕見氣體，空氣中的占比僅為5.2萬分之一，而空氣中70%卻都是氮，是以高溫超導的當作本價錢至少要比低溫超導要廉價50倍。

除了當作本，高溫超導磁懸浮仍是天然界中獨一能實現無源不變懸浮的手藝：它不像低溫超導磁懸浮那樣，需要復雜的懸浮和節制導標的目的，且在車輛靜止時也能懸浮。將來，中國在這一范疇的表示，同樣值得我們等候。