我們何時坐上時速600公里高速磁懸浮?

            2022-04-07 08:27:13 來源: 科技日報 作者: 矯陽 劉莉

            深瞳工作室出品

            科技日報記者 矯陽 策劃 劉莉

            高速磁懸浮是超復雜大型系統工程。2021年7月20日,時速600公里高速磁懸浮交通系統正式在青島下線。按照項目推進計劃,目前亟須建設一條工程試驗線,以完成達速試驗,盡快實現工程化落地。廣東、浙江、成渝、安徽……我國首條高速磁懸浮線會花落何地?

            人間四月,草長鶯飛。

            中車青島四方機車車輛股份有限公司(以下簡稱中車四方)廠內調試線上,高速磁懸浮項目技術總師、中車四方副總工程師丁叁叁正與團隊人員一起,按試驗計劃,對時速600公里高速磁懸浮交通系統進行全系統動態調試和驗證優化工作。

            正在調試線上進行試驗驗證的我國時速600公里高速磁懸浮交通系統 中車四方供圖

            一列5節編組的磁懸浮列車在調試軌道上穩穩起跑,流線型車頭、藍灰相間的車身,科技感十足。試驗人員正通過一項項精準調試,讓整套磁懸浮系統的性能指標達到最佳狀態。

            600公里磁懸浮項目推動情況如何?我們何時能坐上時速600公里磁懸浮列車?

            一種新興的高速遠距離交通模式

            自工業革命起,人們遠距離出行的交通方式逐漸發展為輪軌鐵路、現代航運、高速公路與航空,并持續至今。

            還有沒有新的交通模式?

            “在安全前提下,人類對以速度換空間的交通技術的追求永無止境。”國家重點研發計劃“先進軌道交通”重點專項總體專家組組長、北京交通大學教授賈利民說。

            1922年,德國工程師赫爾曼·肯佩爾從列車受到的很大阻力來自車輪與輪軌摩擦這一原理中得到啟發,想到:若列車懸浮于軌道之上,不就跑得更快嗎?1934年,赫爾曼獲得世界第一項磁懸浮技術專利。

            磁懸浮利用的基本原理是“同性相斥、異性相吸”電磁懸浮原理,以磁鐵對抗地心引力,使車輛懸浮,再利用電磁力引導,推動列車前行。

            “自20世紀60年代始,德國、日本等主要發達國家開展大規模磁懸浮交通研究,技術路線分別是常導和超導。”中國工程院院士錢清泉說,前者利用電磁吸力,后者利用電動斥力,實現列車懸浮于軌道。

            德國先后研發出9代TR系列磁懸浮列車,1999年其研制出的TR08列車,完成了時速450公里高速試驗,達到工程化應用水平。

            21世紀初,中國開始把眼光瞄向這個交通新模式。

            2002年12月31日,由中德聯合建設、采用常導技術建成的上海高速磁懸浮示范線通車,全長30公里,最高運行時速430公里,最高試驗時速501公里,并于2006年4月正式運營。這也是世界首條商業化運營的磁懸浮示范線。

            “列車竟然沒輪子,而是懸浮在軌道上面,太魔幻了!”第一次乘坐這條磁懸浮線時產生的震撼,至今令上海市民徐巖記憶猶新。

            “基于這條示范線,我國開展了常導技術的長期自主創新和技術積累,基本消化吸收了常導高速磁懸浮的技術理論問題。”錢清泉說。

            自主創新隨即開啟。

            2016年10月21日,科技部啟動了國家重點研發計劃先進軌道交通重點專項——時速600公里高速磁懸浮交通系統關鍵技術研究項目。項目獲批中央財政資金3.63億元,總投入資金超過30億元,是“十三五”國家重點研發計劃投入最大的一個重點專項。

            “項目采用常導技術路線,瞄準工程化產業化應用問題,研發具有完全自主知識產權的時速600公里高速磁懸浮交通系統。項目由中國中車組織、中車四方牽頭承擔,匯集了國內磁懸浮、高鐵領域的‘國家隊’,30多家行業優勢高校、科研院所和企業‘產學研用’聯合參與。”丁叁叁說。

            與此同時,德、日兩國磁懸浮研究也在加速進行。

            “日本于2015年在山梨磁懸浮試驗線創載人運行時速603公里世界紀錄,計劃于2027年開通磁懸浮中央新干線;德國已于2009年完成新型磁懸浮列車測試,最高時速550公里。”錢清泉說。

            作為高精尖技術集大成者,高速磁懸浮是一項復雜的超級工程,需要跨過一道道難度極高的技術門檻。

            僅一項懸浮導向,就需要突破大量關鍵核心技術。

            列車懸浮軌道上的間隙,需穩定在10毫米左右,而對于超高速運行,空氣擾動和線路不平順等因素的激擾給懸浮導向等系統帶來極嚴苛的挑戰。讓130多米長、300多噸重、5節編組的磁懸浮列車懸浮于軌道上,并以時速600公里“貼地飛行”,將是軌道交通技術的劃時代創新。

            為讓列車“浮得穩”,研發團隊進行了封閉式攻關。在長達13個月的時間里,團隊成員吃住在現場,平均每天工作14個小時,前后試驗4000多次,終于撥云見日,研發出了完全自主化的高精度、高穩定性懸浮導向系統。

            實現時速600公里高速磁懸浮工程化應用,需挑戰磁懸浮跨江穿山高速運行、氣動設計、高強度車體、牽引制動、低延時通信、長途多分區多車輛全自動追蹤、任意點停車、減震降噪等一系列技術難題。

            以氣動設計為例。當磁懸浮列車時速達到600公里,車體受到的氣動壓力急劇攀升,是目前時速350公里高速列車的10倍,同時氣動噪聲的攀升呈6—7次方增長,設計難度挑戰極大。歷經5年,通過1680余項仿真計算、4250余項地面臺架試驗和500余項線路試驗,研發團隊啃下了一塊又一塊“硬骨頭”。

            梅花香自苦寒來。一份具有國際先進水平的優秀答卷脫穎而出。

            懸浮系統響應時間達到毫秒級、間隙波動控制在±4毫米范圍內、氣動阻力降低17%、氣動噪聲降低4分貝、車體強度提高2倍、厘米級高精度停車、毫秒級低時延車地通信……

            2018年,時速600公里高速磁懸浮交通系統技術方案通過專家評審;2019年,試驗樣車下線;2020年,試驗樣車在上海同濟大學試驗線上成功試跑,完成7大類204項功能試驗,安全性、穩定性等各項指標均滿足設計要求;2021年1月,研制出成套系統并開始聯調聯試。2021年7月20日,時速600公里高速磁懸浮交通系統正式在青島下線。

            2019年5月23日,參觀人員在山東青島登上時速600公里高速磁懸浮試驗樣車參觀。新華社記者 李紫恒攝

            “經過近20年的持續研究和技術積累,我國基本實現了高速磁懸浮全系統的自主研制能力,形成了成套工程化技術,實現了自主可控的產業配套能力。”中國工程院副院長、中國科協副主席何華武表示,我國高速磁懸浮已從研發階段進入高速線路試驗階段,將逐步過渡到示范運營、產業化發展階段。

            立體交通和城市發展的新角色

            在蓬勃興起的新一輪技術革命中,高速磁懸浮或將占據一個重要角色。這項代表當今世界軌道交通建設最高水平的技術,已進入國家發展戰略。

            2019年9月,中共中央、國務院發布的《交通強國建設綱要》,提出“開展時速600公里級高速磁懸浮系統技術儲備研發”;2021年2月發布的《國家綜合立體交通網規劃綱要》,提到“研究推進超大城市間高速磁懸浮通道布局和試驗線路建設”。

            “工業革命以來,創新都是交通、通訊、能源三者結合。第一次工業革命是火車、煤炭、電報結合;第二次工業革命是汽車、電話、石油結合;第三次工業革命是飛機、高鐵以及傳統互聯網結合。”參與《國家綜合立體交通網規劃綱要》及相關規劃編制工作的中國城市中心總工程師、國土產業交通規劃院院長張國華認為,這一次新的革命是以移動互聯網為代表的大數據、云計算、5G,以及超高速磁懸浮為代表的更加高效的綜合交通跟互聯網的結合。

            2021年3月21日,交通運輸部發布《關于下達2021年交通運輸戰略規劃政策項目計劃的通知》,其中“計劃開展京滬磁懸浮高速鐵路工程研究”引起人們的特別關注。

            “時速600公里的高速磁懸浮可填補高鐵和航空運輸之間的速度空白,形成包括航空、高鐵、高速磁懸浮和城市交通的速度梯度更加合理、高效、靈活便捷的多維交通架構。”賈利民說。

            據《國家綜合立體交通網規劃綱要》,我國將建設4大國際性綜合交通樞紐集群:分別是京津冀、長三角、粵港澳大灣區和成渝地區雙城經濟圈。涵蓋20個左右國際性綜合交通樞紐城市,80個全國性綜合交通樞紐城市和一大批國際性樞紐港站、全國性樞紐港站。

            “依實際旅行時間計算,在1500公里運程范圍內,高速磁懸浮是最快的交通方式,能大幅縮短旅行時間,重塑時空觀念。”丁叁叁說。

            以北京至上海為例,搭乘時速600公里的高速磁懸浮列車,加上旅途準備時間,兩地通行僅需3.5小時左右。京津冀、長三角、珠三角、成渝、長江中游城市群“五極”經濟圈之間,2000公里范圍,4小時內通達。

            以時速600公里高速運行,磁懸浮列車的安全性、能耗及舒適度如何?

            “列車和軌道間采用‘車抱軌’結構,磁懸浮系統不存在脫軌問題。”賈利民說,而磁懸浮系統的電磁相互作用,決定了其不可能產生對人有傷害的電磁泄漏。經嚴格測試和評估,它產生的輻射甚至不如一個微波爐。

            由于無輪軌接觸,當磁懸浮列車以時速600公里運行時,車外100米處的噪聲滿足居民住宅區的限值要求;車內噪聲值等同客機巡航時客艙中部噪聲。

            采用電磁懸浮,耗電量是否更高?“恰恰相反,高速磁懸浮能耗與大多人想的不一樣,其系統綜合效率與高鐵相當,全系統耗電量并不高,是一種綠色環保的交通工具。”中國工程院院士樂嘉陵說,據有關專家測算,在350公里速度等級下,高速磁懸浮人均百公里能耗3.5度電,與復興號高鐵相當。當高速磁懸浮以時速600公里運行時,人均百公里能耗約為航空的二分之一。

            工程化落地尚需“臨門一腳”

            高速磁懸浮是超復雜大型系統工程,必須遵循“基礎理論研究、原理樣機研制、系統工程技術研究、工程樣機研制、線路工程試驗驗證、示范應用系統考核、商業運營推廣”的研發流程。

            “按照項目推進計劃,目前亟須建設一條工程試驗線,以完成達速試驗。”丁叁叁說。

            已有的上海磁懸浮線能做600公里磁懸浮試驗線嗎?

            “這條線路一是距離短,僅30公里,達不到進行時速600公里試驗條件;二是線路工況簡單、無江河山川環境,僅為點對點的短途運輸。”國家磁浮交通工程技術研究中心副主任、同濟大學教授黃靖宇解釋道。

            “上海線使用的牽引運控等核心技術非國產,而600公里磁懸浮試驗線還需要對我國自主研發的牽引供電、運控通信系統進行驗證。”中國工程院院士吳光輝補充說。

            針對建設試驗線初期投資大的問題,丁叁叁從技術角度闡釋了自己的觀點。

            “懸浮式交通系統初期投資可能會比輪軌方式高,但懸浮式交通系統沒有接觸,沒有摩擦,沒有磨耗,它屬于模塊化設計,本身維護量很少,所需維護人員僅為輪軌方式的1/10左右。”丁叁叁認為,上海磁懸浮示范線已運行20年,至今沒經歷一次大修。從全生命周期角度來看,高速磁懸浮的經濟性很顯著,而且線路成網后,運價也會降下來。

            事實上,中國的高鐵建設投融資模式,或可為未來高速磁懸浮的發展提供借鑒。

            中國高鐵建設歷經由財政撥款、銀行貸款至投資多元化的融資階段。面對高鐵對經濟的強大拉動作用,多方投資意愿逐漸強勁。2020年7月,為加快推進交通基礎設施高質量發展,國家發改委等多部門聯合印發了《關于支持民營企業參與交通基礎設施建設發展的實施意見》。

            2022年1月8日,我國首條民營控股高鐵——杭臺高鐵通車運營。這個線路長269公里、總投資449億元的高鐵項目,民營占股51%,其通車運營被認為是中國鐵路改革里程碑式的事件。

            首條高速磁懸浮線將花落何地

            近年來,國家接連發布多個重大規劃,擘畫發展藍圖,各地交通布局隨即加快“落子”,新興的交通模式——高速磁懸浮成為熱門選項。

            2018年4月,中共中央、國務院發布《關于支持海南全面深化改革開放的指導意見》,提出建設中國(海南)自由貿易試驗區。借此東風,海南省很快研究了海口到三亞新建軌道交通的必要性和可行性,時速600公里高速磁懸浮列車被列入備選方案。

            作為中國最早開啟改革開放的熱土,南粵大地步子邁得似乎更大。

            自2019年2月18日中共中央、國務院印發《粵港澳大灣區發展規劃綱要》后,粵港澳大灣區在建設“軌道上的大灣區”的路上加速奔跑。當年2月,廣東省自然資源廳公布了《廣東國土空間規劃》(2020—2035年),除傳統的地鐵、輪軌高鐵,首次提出預留建設滬(深)廣高速磁懸浮通道。

            實際上,粵港澳大灣區規劃建設磁懸浮交通早已開始。“中國工程院作為牽頭組織相關方,正在開展《管(隧)道磁懸浮交通發展戰略研究》《大灣區高速磁懸浮鐵路預可研》等重大課題研究,并對粵港澳大灣區廣深港通道建設高速磁懸浮鐵路先行路段,開展工程預可行性研究。”何華武透露。

            作為中國經濟最強的區域,上海、杭州對新技術的追逐更勝一籌。2019年12月,中共中央國務院發布《長三角洲區域一體化發展綱要》,其中交通項目部分表示“長三角將積極審慎地開展滬杭磁懸浮項目規劃研究”。隨即,浙江省于2021年4月17日正式對外宣布,將在上海至杭州間建設磁懸浮超級高鐵。

            隨著《國家綜合立體交通網規劃綱要》的發布,地處內陸的成渝地區雙城經濟圈,首次與京津冀、長三角、粵港澳大灣區一起,并列為“四極”。加快兩地交通建設,成為當之無愧的引擎。2019年,成都出臺《東部新城綜合交通規劃》,提出將預留成渝600—800公里/小時超高速磁懸浮建設通道。

            除以上熱門區域,嘗到高鐵強勁拉動甜頭的安徽省,也將眼光瞄上了高速磁懸浮。

            G60科創走廊,為上海、嘉興、杭州、金華、蘇州、湖州、宣城、蕪湖、合肥9個城市形成的區域發展帶。2021年4月,安徽省印發《安徽省貫徹落實長江三角洲交通運輸更高質量一體化發展規劃實施方案》,提出研究G60科創走廊高速磁懸浮交通系統,實現區間內1小時通達。該方案給出了建設高速磁懸浮的具體時間表,計劃在“十四五”期間實施。

            面對全國各地的積極規劃,首條線路將落地何處?

            賈利民認為,盡管各地都在積極規劃布局,但要實現時速600公里高速磁懸浮的真正落地,國家層面出臺具體的線路規劃可能是最重要的。盡快規劃出一條適合的試驗線,進行達速和運營實驗,將有助于使高速磁懸浮盡快進入商業化運營階段。

            責任編輯: 孫瑩
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