日本在建磁悬浮中央新干线:高铁与磁悬浮到底哪家强?

2018年01月24日
到过日本的朋友们肯定对日本贯通全国的高速铁路系统——新干线并不陌生,这也是当今世界上最先进的高速铁路系统之一。那么,您是否了解日本正在建造中的“磁悬浮中央新干线”呢?这项工程有何独特之处呢?为什么这样一项工程,在日本国内也饱受争议呢?中国磁悬浮技术进展到何种程度了呢?
史无前例的中央新干线
20149月,连接日本东京和名古屋的“磁悬浮中央新干线”正式开工建设,这项21世纪梦幻般的巨大工程预计2027年开通运营,路线为东京品川至名古屋区间,2045年实现东京至大阪全线贯通
是的,您并没有看错,日本政府的确制定了一个历经41的工程计划,比工程耗时更加梦幻的,还有高达9万亿日元(约合人民币5184亿元)的工程费。
这条无论是耗时还是耗资都如此“浮夸”的中央新干线,到底是什么样的呢?
如图所示,中央新干线的大体走向其实与中央本线、关西本线相同,将连接日本的首都圈、中京圈、京阪神三大都市圈。东起东京的品川站,向西行经神奈川县、山梨县、长野县和岐阜县,接着到达名古屋,途中分别在神奈川的相模原市、山梨的甲府市、长野的饭田市与岐阜的中津川市设置站点。
中央新干线的设计中,日本首次将其独自研发的超导磁悬浮技术应用在高速铁路上。建成后的中央新干线将是首条使用磁悬浮列车的城际铁路线,成为全球最快运营列车,当然,可能也是迄今世界上造价最高的铁路线。
究竟有多快?超导磁悬浮技术将中央新干线的车速提升至每小时500公里,大概是现时日本现有新干线子弹列车的两倍。品川至名古屋的最短行驶时间将从目前东海道新干线的1小时28分缩短至49分钟,品川至大阪将2小时18分钟缩短至1小时7
功不可没的超导磁悬浮技术
作为中央新干线引以为傲的核心技术,超导磁悬浮技术简单说,就是利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力,使车体悬浮于轨道之上10cm腾空,这样列车在运行时的阻力降低很多,沿轨道“飞行”的速度可达每小时500公里。
是不是依然有些云里雾里?那么我们先来认识一下超导体。
1911年,荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)意外地发现,将汞冷却到-268.98℃时,汞的电阻突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,也就是超导体的零电阻效应,由于它的特殊导电性能,卡末林—昂内斯称之为超导态。这一发现使他获得了1913年诺贝尔奖。
此后,科学家们经过试验,不断刷新超导临界温度的高度,高温超导体发现以后取得了巨大突破,超导态可以在液氮温区(零下196度以上)出现,超导悬浮的装置更为简单,成本也大为降低,超导技术走向大规模应用
荷兰莱顿大学的物理学家卡末林—昂内斯
1933年,德国物理学家迈斯纳(W.Meissner)和奥森菲尔德(R.Ochsebfekd)对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现,在小磁场中把金属冷却进入超导态时,体内的磁力线一下被排出,磁力线不能穿过它的体内,也就是说超导体处于超导态时,体内的磁场恒等于零。这种效应被称为“迈斯纳效应”(完全抗磁效应),是超导体的另一个基本特性。
随后的实验还证明,不论导体是先降温后加磁场,还是先加磁场后降温,只要进入超导状态,超导体就把全部磁通量排出体外
完全抗磁性是超导体磁悬浮的物理基础。我们来看这样一个实验:在一个浅平的锡盘中,放入一个体积很小、磁性很强的永久磁铁,然后把温度降低,使锡出现超导性;这时可以看到,小磁铁飘然升起,离开了锡盘表面,最后稳定的悬浮在一定高度。这是由于超导体“不允许”其内部有任何磁场,如果外界有一个磁场要通过超导体内部,那么超导体必然会产生一个与之相反的磁场,保证内部磁场强度为零。这就形成了一个斥力。
所以,当在一个超导体正下方放置一个磁体,并使磁感线垂直通过超导体的时候,超导体将获得垂直的上浮力。当这个浮力的大小与超导体的重力刚好相等,超导体就可以悬浮在空中。
日本中央新干线正是基于低温超导磁悬浮的原理,采用在列车车轮旁边安装小型超导磁体,在列车向前行驶时,超导物质则向轨道产生强大的磁场,并和安装在轨道两旁的铝环相互作用,产生向上浮力,实现消除车轮与钢轨的摩擦力的目的。
安装超导线圈的车轮与铁轨俯视图
日本在制造磁悬浮列车时使用的超导物质是将超细铌钛合金多芯线埋入铜母线内制成的超导电线,当此种超导电线浸入液氦(269)中时,进入超导状态产生强大磁场。这是世界上首次在实用运输设备上用超导技术实现可获得550公里稳定时速的大功率强磁线圈,其电压为22KV
为实现低温超导磁悬浮所需的低温,每一车载强磁单元上分别安装了一台液氦及一台液氮压缩制冷机,构成车载超低温冷冻系统。液氦压缩机的作用是将由于外部热能及列车本身行驶时产生的热能逐渐气化了的氦气重新冷冻还原成液氦。液氮压缩制冷机的作用是将冷却超导线圈外部隔热板的液氮制冷剂重新冷却,保持-196℃低温液氮状态。
低温超导需要复杂的低温系统,但它与普通磁悬浮相比具有以下优点:
※悬浮的间隙大,一般可大于100mm
※速度高,可达到500km/h以上;
※可同时实现悬浮、导向和推进
※推进直线同步电机效率高达70%-80%
低能耗的客运和货运;
※永久电流工作不需要车上供电系统,重量更轻,耗电更少。
值得一提的是,日本这一技术在2015421日山梨县的磁悬浮试验线中创造了当时的地面轨道交通工具载人时速603公里的世界新纪录。
颇具争议的浩大工程
日本出于谋求国土经济均衡发展,以及通过超导磁悬浮技术的开发带动各相关产业发展的目的,自1962年起就开始了直线电机推动悬浮方式列车的预研制工作。这项技术是由东海旅客铁道株式会社(Central Japan Railway Company)(简称JR东海)倾其全公司之力,联合其他100多家公司精心研究几十年的成果。
JR东海运营路线图
1999210日,随着在日本山梨县境内进行的5节车辆时速500公里荷重270人分编组运行试验的成功,日本超导磁悬浮列车的基本研制计划已接近尾声,将可以转入商业性运营线路开发建设阶段。
2014412日,安倍晋三乘坐磁悬浮列车,前往山梨县实验中心
诚然,超导磁悬浮高速列车绝对是技术层面上的一大跨越,定能给日本带来许多世界第一的荣光,但是不少人还对这项工程的目的、市场需求以及技术安全等方面都提出质疑。
民众怀疑建设中央新干线是否真的有必要,由于日本社会人口结构正急速高龄化,人口数量不断减少。预计等磁悬浮列车投入使用时,或将出现上座率不足的问题。此外,也有人担心,假如日本首都圈、中部圈、关西圈完全成为一体,很多需求将向东京聚集,会削减名古屋、大阪这些地方中心城市的作用。
人们诟病的还有中央新干线的换乘站点太少,以及耗电问题磁悬浮铁路所需的电力为东海道新干线的3,高峰期的中央新干线全线所需电量有27万千瓦,假如磁悬浮开通运营,日本要增加34座核电站才能满足其需求。如此巨大的耗电量对目前的日本来说是一个相当恐怖的前景。
中国高铁依然是有力竞争对手
近年来,在世界上全速前进的中国高铁采用的是轮轨技术,在对高铁的建设进行可行性研究、相关技术研究时,其中也包括磁悬浮与轮轨技术路线的竞争。之所以选择轮轨技术主要有两点原因:
一是我国轮轨试验时速已经突破了574.8公里,运营时速也能够突破350公里,中国南车制造的CIT500型的试验时速甚至达到了605公里,极大地缩小了与磁悬浮之间的速度差距。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,因为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公里时,磁悬浮技术的相对优势已经不那么明显了
二是经济和技术因素。磁悬浮线路的修建成本要大幅度高于轮轨线路的建设。更重要的是,随着经济社会需求的增加,高铁线路只有形成网络才能发挥最大的效用,线路数量也会以几何倍数增长。
在技术上,磁悬浮实现变轨的技术难度非常大,所以磁悬浮很难联网。常导磁悬浮技术,列车是抱轨的,所以很难变轨,超导磁悬浮是在U型槽内运行,更难变轨。难以变轨还带来另外一个困难,那就是增加了救援的难度,也是一个弊端。
相比于低温超导磁悬浮新技术,中国高铁任然具备价格低、性价比高、运营经验丰富的优势,竞争力有目共睹。
中国在磁悬浮探索中从未停止脚步
其实,中国在磁悬浮方面探索的脚步也从未停歇。中国正在研制超级磁悬浮列车,采用真空钢管设计,未来的时速可达到每小时2000公里。早在2014年,在西南交通大学的牵引动力国家重点实验室超导技术研究所,中国科学家成功完成了载人高温超导磁悬浮环形轨道测试。
不过,由于环形轨道半径太小,轨道半径只有6米限制,当时试验车的时速并没有达到预期的25公里每分钟。但是不得不提的是,区别于日本中央新干线使用的零下269摄氏度的液氦,高温超导磁悬浮技术使用的是零下196摄氏度的液氮来保证超导材料的性能。要知道,氦是稀有气体,空气中的占比仅为5.2万分之一,而空气中70%却都是氮,因此高温超导的成本价格至少要比低温超导要便宜50
除了成本,高温超导磁悬浮还是自然界中唯一能实现无源稳定悬浮的技术:它不像低温超导磁悬浮那样,需要复杂的悬浮和控制导向,且在车辆静止时也能悬浮。未来,中国在这一领域的表现,同样值得我们期待。
不管怎样,我们总是乐于见到人类科学技术的进步与创新。中央新干线的功与过、成与败,或许只有时间能给我们一个明确的答案。
出品:科普中国
制作:科了个普
监制:中国科学院计算机网络信息中心
本文来源:中国科普博览
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