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磁浮铁路——铁路悬浮不是梦想
高铁的最高试验速度是由法国的TGV在2007年创造的，每小时达到了574.8公里，但是运营速度一般为每小时250公里到350公里。试验速度是一种科学试验获得的数据，有很大风险因素在里面，且不能载客，运营速度才是我们乘坐高铁之时享受的速度。飞机的巡航速度一般每小时为700至800公里，因此在350公里和700公里之间存在着一个速度空白区，在磁浮铁路登台亮相之前，这个空白区一直没有被填充，而磁浮铁路登上速度角逐的舞台之时，刚好填补了这个空白。 磁悬浮列车速度快、耗能低、安全舒适、无污染。世界上的磁浮列车按照产生磁场的导体不同，可分为两大类，一类是常导磁浮列车，另一类是超导磁浮列车。常导磁悬浮列车速度每小时可达400至500公里，超导磁悬浮列车每小时可达500至600公里。因此这种运输方式介于高铁和航空之间，具有很强的竞争力。它所具备有的速度优势使乘客在旅行距离为1000至1500公里的时候，能够获得比乘坐飞机更多的便捷。 我们都知道，高铁的速度再快，也需要轮对在固定的铁轨上运行，通过轮对与钢轨之间的粘着力而前进，高铁除了要克服空气阻力之外，还要克服无法消除的轮轨之间的摩擦力。同时，高铁的车轮在高速旋转之时，会产生很大的离心力，当车轮的材料无法克服离心力之时，车轮就会被强大的离心力撕碎，因此，鉴于上面两个主要原因，高铁的速度终归还是有一个上限，不可能无限制地提高。虽然法国TGV机车在不牵引车厢的情况下创造了世界第一速度，但是并不能在载客运营中采用这个速度，因为实在太危险了。经过科学家大量的试验后得出的结论是，高铁最高运营速度不能超过每小时500公里，一旦超过这个速度，高铁的轨道、车辆以及其他设备会加速磨损，给旅客安全带来巨大隐患。 而磁悬浮铁路是通过电磁铁的异性相吸、同性相斥的原理建造的。同性相斥让车厢悬浮在空中同时给车厢以向前的推力，异性相吸牵引列车前进。由此可知，磁悬浮列车在高速运行之时是不需要车轮的，这就意味着车轮与轨道之间的摩擦力为零，磁浮列车唯一要克服的就是空气阻力，这就让它的速度有了很大的提升空间，最终超越了高铁，直追飞机。 除了速度优势之外，磁浮铁路还具有很多优点，比如采用了无接触、无磨擦和无磨损的支承、导向与驱动技术，通过安装在轨道上面的同步长定子线性电动机提供动力，在各种速度条件下均能让乘客保证安全舒适，磁浮列车加速时间短、制动能力强，因为没有摩擦阻力，列车可以高速通过小曲线半径，并且有强大的爬坡能力，因为只是克服空气阻力，所以列车运行噪音很低，单位能量消耗少，运营成本低。磁浮铁路，真是好处多多。 第二节：世界磁浮铁路发展回顾 磁悬浮铁路虽然是一项挑战地面列车速度极限的一种交通方式，但是他的研究和起源要追溯到上个世界二十年代。在1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔首次提出了电磁悬浮的理论，并在1934年申请了磁悬浮铁路的专利。1935年，他设计了磁悬浮原型车并进行了试验。到了二十世纪四十年代，美国等国家也着手研究磁悬浮铁路技术，并研发成功磁性支撑。1959年Polgreen提出了带导向轨的永久磁铁相斥式磁悬浮铁路。到了六十年代，美英日德等国同时进行了磁悬浮铁路的应用性研发。1969年德国克劳斯马非公司研制成功磁悬浮试验车，次年达到了每小时164公里的试验速度。1983年，德国磁悬浮试验线列车创造了每小时412公里的高速度，1993年达到了450公里/小时。在1972年，日本开始了磁悬浮列车的运行试验，27年后创造了载人试验速度552公里/小时。1974年，英国开始进行磁悬浮列车试验，十年后在伯明翰建成世界上第一条商业运营的磁悬浮铁路，全长600米，衔接机场和火车站，全程运行90秒钟，在安全运行了11年之后，于1996年关闭。前苏联是世界上第一个进行超导电动磁悬浮实验的国家，在20世纪70年代建立了磁悬浮列车研发中心和试验线，在80年代初计划修建长约60公里的商业运营线路，但是最后计划流产。除了上述国家之外，韩国、罗马尼亚、加拿大、法国、瑞士、澳大利亚和中国也都积极参与研发磁悬浮铁路技术，并取得了一定的业绩。 我国在磁悬浮铁路领域的研发虽然开始较晚，但是经过科学家的不懈努力，研究有了很大进展，取得了很多自主知识产权。在2003年，我国引进德国技术修建了上海磁悬浮铁路，西起上海轨道交通2号线的龙阳路站，东至上海浦东国际机场，专线全长29.863公里，全程只需8分钟。除了上海磁悬浮铁路之外，在长沙、北京和唐山都修建了磁悬浮列车试验线，国防科技大学和西南交通大学是国内研究磁悬浮技术最权威的两个单位。 磁悬浮铁路发展到今天，日本和德国的技术在国际上领先一步，代表了两种完全不同的发展方向。日本着重于研究超导高速磁悬浮技术并取得了成功。而德国人的一贯严谨作风，让他们在权衡利弊之后，认为超导高速磁悬浮技术未来发展很困难，于是全身心投入到常导高速磁悬浮技术的研发中，最终，日本和德国分别在超导和常导超高速磁悬浮技术上都取得了巨大突破，并在商业运营上取得了成功。 经过世界各国几十年的研发，现在形成了以日本为代表的超导超高速磁悬浮ML技术、以德国为代表的常导超高速磁悬浮TR技术和以日本研发的主要用于中短途运输的中低速磁悬浮HSST技术。 第三节：磁浮铁路的技术原理 磁悬浮列车工作时主要利用了电磁铁同性排斥异性吸引的基本原理，从而使得列车悬浮在车轨上方，列车在磁力的牵引下高速前行，同时通过设置在车厢两侧的磁铁自动调整姿势以避免倾斜。下面以超高速磁悬浮列车为例，看看磁悬浮铁路需要解决哪几项技术难题。 第一是电磁铁的选择。电磁铁一般分为常导磁铁和超导磁铁，常导磁铁是在常温下给电导体充电，从而产生电磁力。超导磁铁是在一定温度下让导体的电阻变成零的状态下，再充电从而产生电磁力。在超导状态下，由于超导材料的电阻为零，用它制成的绕组一旦施加电流之后，会永不衰竭，可以得到数十倍于永久磁铁的磁场强度。很明显超导磁铁因为没有电阻，电流通过时不会产生热量，进而减少了电力的损耗，是一种最理想的电磁铁。 第二是采用直线电机提供牵引力。传统的电机是圆形的，通过转子绕着固定轴（定子）旋转产生电力，而磁悬浮铁路采用非轮轨接触的牵引技术，它使用的直线电机沿着轨道一字铺开，就相当于将圆形电机展开成平面，从而获得牵引动力。由于车辆上超导磁铁的磁场方向极性是固定的，因此车辆将随着地面直线电机磁场的向前移动而前行。 第三是磁悬浮列车的驱动技术。一般的电力机车利用受电弓从接触网接受电力，然后传送给设在车辆转向架上的传统旋转电机，从而让车轮与轨道之间产生粘着力进而驱动列车行驶。而磁悬浮列车在每节车辆两端和两侧均安装有电磁铁，通电之后产生磁场N极和S极。通过某种控制手段，使得前方地面磁场与车辆磁场的极性相反而产生牵引力，后面相邻地面磁场与车辆磁场产生的极性相同而产生推力，使得车辆向前运动。 第四是磁悬浮列车的悬浮技术。磁悬浮铁路比轮轨铁路的优越性就在于，它利用了电磁铁同性相斥原理而产生电磁悬浮，将列车悬浮在导轨上方，从而消除了轮轨接触所产生的摩擦力。 第五是磁浮列车的导向技术。传统的轮轨接触型铁路，列车的导向是通过轮缘与钢轨的相互作用实现的。而磁悬浮铁路在导轨侧壁安装有悬浮及导向绕组。如果车辆在平面上远离了导轨的中心位置，则系统会自动在导轨每侧的悬浮绕组中产生磁场，并且使得偏离侧的地面磁场与车体的超导磁场产生吸引力，靠近侧的地面磁场与车体磁场产生排斥力，从而保持车体不偏离导轨的中心位置。 第六是磁浮列车的速度控制技术。普通的轮轨列车由司机驾驶，司机可以通过调度中心的指令进行加速、减速或者停车。超高速磁悬浮列车由于速度太快，为保证列车安全准确行驶，对车辆的加速、减速、停车等控制不能依靠司机，必须依靠地面控制中心远程控制。地面控制中心通过调节变电站送到导轨驱动绕组的电流的周期和大小，改变磁场的强弱，来实现对列车的控制。 第四节：为磁浮铁路分门别类 磁悬浮铁路因为采用的技术很先进也很复杂，因此其分类方式也是多种多样的。按照线路长度划分，可分为干线磁悬浮铁路、城际磁悬浮铁路和城市内磁悬浮铁路。干线磁悬浮铁路线路长度超过500公里，适合省际间远距离的旅客运输。城际磁悬浮铁路衔接相邻两个城市，线路长度一般在500公里以下，承担城市之间的旅客运输任务。城市内磁悬浮的线路长度一般不会超过50公里，只是作为城市轨道交通的一部分，列车的时速也不高。 如果按照铁路速度划分，磁浮铁路可以分为每小时速度小于120公里的低速（常速）磁浮，时速大于120公里但是小于200公里的中速磁悬浮，时速大于200公里但是小于350公里的高速磁浮和时速大于350公里的超高速磁悬浮。中低速磁悬浮一般作为城市轨道交通的一部分，与轻轨、地铁等一起，为城市交通服务。高速和超高速磁悬浮一般用于长距离的铁路运输。 因为不同的磁悬浮技术采用的导体材料不同，磁悬浮铁路还可分为超导磁悬浮和常导磁悬浮，这也是日本和德国主要研究的技术。超导磁浮的线圈绕组使用超导材料，超导材料在一定的温度下就会处于超导状态，超导绕组内的电阻为零。超导电磁铁能产生强大的磁场，具有极高的工作效率，因此可以使列车获得较大的悬浮高度和更快的运行速度。超导磁悬浮技术还可细分为低温超导磁悬浮和高温超导磁悬浮。而常导磁浮使用普通材料制成线圈绕组，采用普通导体通电产生电磁悬浮力和导向力。 磁悬浮列车利用布置在导轨上的直线电机产生磁力牵引运行。直线电机可分为三种，分别为长定子直线电机、短定子直线电机和分段式长定子直线电机。长定子直线电机安装在导轨上，导轨有多长，电机就可以铺设多长。短定子直线电机安装在车辆上，也称之为直线感应电机。分段式长定子直线电机则是分段铺设在导轨之上。三种不同的电机适用于不同驱动方式的磁悬浮铁路上。 还可以根据直线同步电机和直线感应电机划分磁悬浮的种类，直线同步电机一般采用长定子技术，转子磁场与定子磁场同步运行，控制定子磁场的移动速度就可以准确控制列车的运行速度，适合高速和超高速磁悬浮铁路。直线感应电机的转子磁场与定子磁场不同步运行，故也称为直线异步电机，运行中需要地面供电装置对磁浮列车接触供电，不能实现车辆、线路之间完全无接触地运行，适合中低速磁浮铁路使用。按照驱动方式还可划分为导轨驱动和列车驱动两种类型。导轨驱动也称为路轨驱动，直线电机的定子线圈设置在导轨上，采用长定子同步驱动技术，一般用于干线或城际交通。而列车驱动的直线电机的定子线圈设置在车辆上，列车的运行由列车司机控制，用于中低速磁浮铁路。还可以按照悬浮方式分为电磁悬浮和电动悬浮两种。电磁悬浮磁吸式悬浮，悬浮气隙一般约为8-12毫米。电动悬浮称为磁斥式磁浮，悬浮高度一般约为100-150毫米。 第五节：超高速磁悬浮技术 超高速磁悬浮技术分为超导超高速磁悬浮和常导超高速磁悬浮两种，两种技术的代表国家是日本和德国。超导超高速磁悬浮技术顾名思义就是利用超导磁铁产生磁力进而让列车悬浮并驱动运行的技术。这种技术的核心部件是超导磁铁和直线电动机。超导磁铁一般安装在车辆的两侧，是由放置在低温容器里面的超导线圈构成的，通电之后可以产生四个交叉排列的N、S磁场极性。 直线电机不同于传统的旋转电机，传统的轮轨式铁路列车获得的牵引力来自于轮轨相互接触相互作用产生的力。旋转式电机安装在内燃或者电力机车上面，通过电机里面的定子产生旋转磁场，使得转子旋转产生动力，驱动列车运行。而磁悬浮铁路采用的是非轮轨系统，车辆运行期间和导轨不接触，而是使用直线电机产生牵引动力。直线电机就相当于将旋转电机展开沿着导轨铺设，通电之后产生地面磁场，再与车辆上的超导磁铁产生的磁场相互作用，进而产生驱动力。车辆随着地面直线电机产生的磁场移动而向前开行。那么车辆是如何向前移动的呢？原来，地面磁场的强度由控制中心遥控，前面的地面磁场产生的磁极与车辆上超导磁铁磁极相反，异性相吸，车辆被吸引前进，后面磁场产生的磁极和车辆上的磁极相同，同性相斥，推动列车前进，在一推一拉的作用下，车辆便启程了。由于超导磁悬浮的速度很高，司机根本来不及控制，这就需要由地面的控制中心遥控改变磁场的大小，进而调整列车的运行速度。由于列车的驱动是由导轨上的磁场与车辆上的磁场相互作用产生牵引动力，因此，这种铁路也叫导轨驱动式磁悬浮铁路。 由于磁悬浮列车悬浮在空中，这就需要由一种力把车厢抬起来。这种力也是磁力。超导磁悬浮列车产生的磁力来自于导轨两侧，而不是车辆底部。因为在导轨两侧的侧壁上安装悬浮和导向线圈，当列车高速通过之时，列车上的超导磁铁会与这些线圈发生感应，产生磁场。由于导轨两侧的线圈分为上下两部分，上面产生的感应磁场与车厢上面的磁场磁极相反，下面线圈产生的磁场磁极相同，上面产生吸引力，下面产生排斥力，一吸一抬之下，车辆便悬浮在了空中。 车辆产生了驱动力和悬浮力，按说应该可以安全运行了吧？还不可以，因为还差一个导向功能，没有这个功能，列车高速运行之时就会撞向线路两侧，后果不堪设想。如何让列车自动导向？利用导向线圈就行了。这些导向线圈也是安装在导轨两侧，通过与车厢上面的超导磁铁产生的磁场相互作用，列车一旦偏离了线路中心，如果靠近了线路一侧防护墙就产生排斥力，离远了线路中心就产生吸引力，使得列车既不能偏左，也不能偏右，保证它规规矩矩沿着线路奔驰。常导超高速磁悬浮技术除了电磁铁类型不同之外，其余技术原理同超导超高速磁悬浮大同小异。 第六节：中低速磁悬浮技术 中低速磁悬浮技术包含悬浮技术、驱动技术和导向技术，在技术原理上也与超高速磁悬浮技术迥然不同。这种磁悬浮技术采用磁铁吸引铁板的原理。整个轨道梁全部采用钢板铸成，在两侧端部向下弯曲，形成一个倒“U”型的磁性轨道结构。列车的车厢上跨并环抱轨道，车辆底部安装有电磁铁，也向下弯曲到轨道梁的“U”型结构下方，并与其相对，呈正“U”字结构。两个“U”字相对，就像两个磁极相反的“U”型磁铁两两相对一样。因为异性相吸，车辆底部的电磁铁对轨道梁产生向上的吸引力，车辆便随之向上悬浮。磁铁和轨道梁之间还要保持一定的间隙，因为如果没有间隙，轨道梁就和电磁铁吸附在一起，车辆便会被锁死而不能运行，因此必须采取一种感应设备，时刻检测电磁铁和轨道梁之间的距离，通过调节通过电磁铁的电流强度，来调节磁力大小，进而调整轨道梁和电磁铁的间距，使之保持在8毫米左右。 要让磁悬浮列车稳定运行，就需要采用导向技术让其沿着轨道中心线前行。中低速磁悬浮列车也是通过“U”型轨道梁和“U”型电磁铁的相互吸力，来调节列车左右的摆动量，让列车保持在固定的线路上。中低速磁悬浮列车的驱动方式也和超高速的磁悬浮列车不同，后者因为速度高，司机不能直接控制车辆，而是通过地面控制中心调整磁力的大小实现速度控制的目的，是一种地面驱动方式。而中低速磁悬浮列车速度不高，司机完全可以控制行车，无需地面中心直接控制，因此采取的是列车驱动方式。中低速磁悬浮列车采用短定子直线电机供电。电机的定子安装在车辆上，转子铺设在轨道上，通过感应磁场实现列车的牵引。 中低速磁悬浮列车需要外部供电才能让电磁铁产生磁力，让直线电机产生牵引力。列车上的电力直接从导轨一侧的直流供电器获得1500V的直流电，在车辆的底部设置有电刷，在列车运行过程中通过电刷接触供电，就像高铁动车组顶部的受电弓从接触网上受电一样。 与普通的轮轨系统列车相比，中低速磁悬浮列车采用悬浮架抱轨运行，没有脱轨风险，具有安全可靠、建设周期短、建设成本低，造价只是地铁的三分之二。运营管理成本低、转弯半径小，最小转弯半径50米，爬坡能力强、线路走向选择灵活、低碳环保、电磁辐射甚至比手机对人体的辐射还小。中低速磁悬浮列车最大运行速度达120公里/小时，能实现全天运营，不受任何恶劣天气的影响，是最适合城市内部交通的一种理想方式。 第七节：磁浮铁路的基础设施 犹如轮轨铁路需要路基、桥隧、线路、车站等设备一样，磁悬浮铁路的线下基础设施也是必不可少的。磁悬浮铁路需要导轨引导列车运行，需要线路确定运行方向，需要特殊的道岔满足列车转换线路和行进方向。鉴于磁悬浮技术的特殊性，一般不采用路基形式，而是全线采用高架桥，在合适地点布设车站，以供旅客乘降。除此之外还需要有车辆以及检修维护磁悬浮车辆的基地，以及为磁悬浮列车提供动力的牵引供电设备、保证列车安全运行的列车控制设施等。上述各项设施构成了整个磁悬浮铁路整体。 首先，安装在桥梁上的导轨，时保证列车高速运行，为旅客提供安全舒适的保障。导轨就相当于普通铁路的轨道，但是比普通轨道结构复杂得多。普通轨道支撑和引导列车，承载列车的重量和冲击力。磁悬浮的导轨列车启动之初承载列车重量，列车沿着导轨低速行驶，在列车高速悬浮之后，列车车厢不再与导轨进行接触，此时导轨上设置的线圈提供悬浮力、牵引力和导向力。因此，磁悬浮列车的电力电缆、通信电缆、感应线圈、同轴光缆都设置在线路两侧的导轨梁侧壁之上。 道岔也是磁悬浮铁路不可缺少的设备，主要由连通正线和侧线的可动导轨、转换装置和锁闭装置构成。通过转换装置调整导轨的位置可以实现列车在不同线路之间的切换，通过锁定装置可以将导轨固定在某一个开向，保证列车高速安全通过。根据用途的不同，磁悬浮道岔可分为线路上用的道岔和车辆维修基地用的道岔。二者因为列车的通过速度不同，结构差异也很大。线路上用的道岔最高直向通过速度可达每小时400公里，而维修基地上面所用道岔通过速度可满足每小时100公里以下。 磁悬浮的桥梁主要用来支撑导轨。对于超高速磁浮铁路而言，轨道的微小不平顺会影响结构的稳定性、乘客的舒适性和列车运行安全性，因此对桥梁架设精度要求很高，需要控制桥梁的挠度，减少对列车行车的影响。对于中低速磁浮铁路而言，桥梁的挠度对列车运行影响不大。磁悬浮列车高速通过隧道之时，会产生气压变化、微气压波和行驶阻力，其中气压变化会造成乘客耳朵不适，对车体的结构也会造成巨大压力。微气压波是被高速运行的磁悬浮列车挤压的空气，在冲出隧道一刹那突然释放，也会对乘客听力造成损害。因此磁悬浮的车辆和隧道的修建必须考虑减少甚至消除这些不良影响。一般通过在磁悬浮铁路的隧道口设置气压缓冲装置来减弱微气压波，诸如在隧道口外将缓冲装置设置成喇叭口，或者在缓冲装置的两侧设置透气的窗口，以及扩大隧道的横截面等方式，可以有效解决上述问题。 磁悬浮列车车辆转向架高度低，进而车辆高度也降低，与轮轨铁路列车车辆相比断面要小，重量轻。磁悬浮铁路车站一般为高架式，设置停车站台和乘客升降装置，满足旅客方便乘车。磁悬浮列车的检修基地和动车组检修基地性质相同，主要是为了对列车进行定时检修保养，使之保持在良好状态。 第八节：磁浮铁路的牵引供电 对于磁悬浮列车而言，它的核心部件是电磁铁，这就需要为其提供电力才能产生磁力。磁悬浮铁路是通过外部电源供电，通过直线电机与车辆上的电磁铁发生电磁感应，产生牵引动力、悬浮力和导向力，以此来驱动列车运行。要为磁悬浮供电，首先需要外部电源，然后通过变电站将外部电源的电压变成适合列车的电压等级。 下面以超高速磁悬浮列车为例，介绍牵引供电的方式。磁悬浮铁路的变电站与普通铁路不同，需要按照列车的控制要求及时改变电压和频率，使得磁悬浮列车按照设定的程序自动运行。磁悬浮列车的供电不是采用全线贯通供电方式，而是采用分段供电，即哪个区段运行列车，就向那个区段定点供电。磁悬浮列车供电设备的核心部件就是变流器，变流器可以将电力公司提供的高压电转换为控制列车运行所需的电压等级，一般转化方式采用“交流—直流—交流”的模式进行，通过控制电流的大小来实现对直线电机的操控，列车的速度因为行车需要时刻发生变化，这就要求供给直线电机的电流也时刻变化。上述供电原理虽然简单，但是实施起来需要极为复杂的技术手段。 铺设在线路上的直线电机相当于旋转电机的定子线圈，安装在车辆上的电磁铁相当于转子线圈，二者相互作用产生牵引力和悬浮力，所以外部电力只需供给铺设在线路上的直线电机即可，不需要向车辆提供牵引和悬浮电力。但是，即使车辆本身虽然不需要外部电力提供牵引力和悬浮力，车辆内部的照明、空调、压缩机、车辆支撑系统等还需要提供必要的电力维持运行，因此给车辆提供电力的方式为蓄电池和无接触发电。蓄电池不用细说，属于人人都知道的设备。而无接触发电是利用车载发电机和安装在车辆两侧的电磁铁以及导轨上的感应线圈来发电的。电磁铁在导轨上高速运动之时与感应线圈产生的电流，感应电流产生变化的磁场，变化的磁场让车载发电机发电。 中低速磁悬浮是利用车辆上的电磁铁与导轨之间的电磁作用驱动列车运行，牵引控制通过列车来实现，属于列车驱动方式。超高速磁悬浮列车给地面直线电机供电产生动力，属于导轨驱动方式。这种供电方式与超高速磁悬浮列车完全不同，因此中低速磁悬浮必须给车辆供电产生牵引动力，其供电系统包括变电所、供电电缆、汇流集流设备以及各种辅助电源设备，通过上述设施，外部电源的电力输送至磁悬浮列车，提供列车的牵引、悬浮、导向、制动控制、通信信号、空调照明动力。 随着科技的一日千里，磁悬浮列车的牵引供电系统还会继续优化升级，让电力应用的更加充分，列车运行更加快捷安全、环保，成为最具有竞争力的交通工具。 第九节：磁浮铁路的列车控制 我们驾驶汽车，就是在控制汽车的运行，我们乘坐高铁，高铁的运行也是由司机和调度中心联合控制，超高速磁悬浮列车的速度比高铁还快，其技术和原理也截然不同，这就意味着控制磁悬浮列车的运行，需要更加先进的技术手段。磁悬浮列车的运行控制系统由列车的定位系统、列车运行控制系统、车辆控制系统与地面控制中心组成。超高速磁悬浮列车控制系统首先由控制中心负责全线运行图的管理，控制和监视整个线路的设备。在线路沿线还设有分散的控制子系统，这些子系统监控着每个供电区段的列车运行，每个分散的子系统都是由中央总控制中心进行管理，通过移动通信手段保持联系。磁悬浮列车的运行控制主要是由这些地面控制中心直接操控。除了中央控制中心和地面控制中心，磁悬速列车还需要移动控制系统来保证行车安全，这个移动控制系统也叫车辆控制子系统，它对车辆上的重要设备进行监控管理，在遇见紧急情况时，地面控制中心来不及操控列车，就需要车辆控制系统紧急处理。 在列车运行期间，控制中心的管理人员需要随时关注车辆的实时动态位置，这就需要列车定位系统发挥作用。如果没有这个系统，遥控列车也就成了空谈。普通铁路的列车定位是通过车轮与轨道电路来检测列车的位置，通过信号控制来保证相邻两列火车不至于冲撞或者追尾。磁悬浮铁路的列车定位是通过直线电机来实现的。我们前面谈到过，超高速磁悬浮列车是采用分段供电方式，列车运行到哪个区段，供电就跟到哪里，也是根据这个原理，通过控制直线电机的通电区段，就可以检测到列车的准确位置。对于车辆而言，车上安装有特制的控制装置，在与地面继续信号传递的同时，进行车载设备的安全控制。超高速磁悬浮列车在悬空之前需要在线路上低速运行一段距离，车载控制系统可以放下导向车轮，让列车加速，待到车辆悬空之后，再将车轮收起，列车实现悬空运行。 磁悬浮的运行安全主要保证车辆系统的安全，保证列车安全运行的另一大措施就是列车制动。相对于普速列车而言，时速超过500公里的磁悬浮列车的制动系统需要更高的可靠性。目前，超高速磁悬浮列车采用的制动方式主要有再生制动、电阻制动、涡流制动和滑撬制动等方式。再生制动和电阻制动都是通过直线电机来进行的，再生制动可以将制动产生的电流反馈回电网，电阻制动将制动产生的电流变成热量消耗。涡流制动通过电磁铁产生与牵引力相反的动力，以此达到制动的目的。滑撬制动就像飞机降落之时机翼上面打开的减速板，通过减速板进行减速。 第十节：未来的磁悬浮交通 磁悬浮交通实现了安全、高速、节能、环保、低造价，是一种非常理想的交通工具，再进一步发展，完全可以与飞机一争高下，可谓前途无量。随着科技的进一步提高，更多的新型交通工具会不断出现，很多科幻中的想象，会越来越多地变成现实。在2012年上映的《全面回忆》中，就出现了一种新型的个人交通工具——磁悬浮汽车，可以通过调整汽车底盘下面巨大的电磁铁产生悬浮力和驱动力，令人印象深刻。其实这种交通工具在现实中的应用已经不再遥远。美国在20世纪70年代就开始研制磁悬浮飞机，磁悬浮飞机的外形和普通的飞机类似，当然，这种飞机并不能在天上飞，而是像磁悬浮列车一样沿着导轨悬浮高速飞行，是一种更加独特的磁悬浮列车。磁悬浮飞机的原理与日本的超高速磁悬浮列车类似，区别之处就在于磁悬浮飞机采用弧形股道来提供悬浮力和导向力，采用大型永久磁铁产生10厘米高的悬浮空间，可以比磁悬浮列车更高的悬空间隙和速度运行。 而瑞士研发的磁悬浮地铁是一种地下高速磁悬浮交通系统，其概念设计早在1974年便已经由瑞士工程师提出。这种列车在狭窄的准真空隧道中高速运行，最高可达500公里/小时，可载客400~800名。磁悬浮地铁利用直线电机驱动，依靠磁浮力悬空运行，隧道内的空气被抽至接近真空状态，相当于高空1.5公里的大气压，大大减少了空气阻力，减少了能耗。但是这种所谓真空管道需要连续设置气压泵，以保证所需要的压强，且速度与超高速磁悬浮列车区别不大。 美国研发的“天行者号”个人高速交通系统，类似于科幻电影里面的磁悬浮汽车，这种汽车在遍布全城市的磁浮轨道交通网络上运行，通过电脑控制，时速可到160公里。一辆汽车可以乘坐一到两个人，随时随地出发，可以方便地到达城市的任何地方，像打的一样，也不会遇见令人厌烦的堵车问题。 最具有科幻色彩的当属真空管道高速磁悬浮交通，真空磁悬浮交通系统由真空管道，进出站点和磁悬浮运行舱组成。这些管道修建在地上、地下或者海底，管道内全部抽成真空，管道中行驶运行舱，利用磁悬浮技术使运行舱在真空管道中悬浮起来，在行驶过程中不存在任何摩擦力，可以将能耗降到最低、时速可达每小时4000多公里，从北京到纽约，只需要花两个半小时。真空管道磁悬浮交通系统需要解决几个难题，第一是真空管道材料要求高强度，高密封，高耐久。第二是网络智能控制系统。第三是磁悬浮的磁力和导向力，要能保证运行舱不能出轨。四是真空管道铺设的直线状态，越少弯道，速度就会越快。 磁悬浮列车已经从科幻走进现实，那么畅想更加激动人心的未来，会给我们更多前进的动力。 （本文选自山西教育出版社《铁路擎起的朝阳》一书，作者王麟，配图源自网络，作者授权发布） 【作者简介】王麟：本名王俊永，天津市作家协会会员，中国科普作家协会会员。已出版《纳米杀手》、《铁路传奇》、《铁路擎起的朝阳》、《海门开》等著作。新浪微博：@天津王麟 欢迎关注微信公众号：中国民间评论员（zgmjply），新浪微博：@中国民间评论员 建言中国，评论天下，分享精彩。 |
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第一节：磁浮铁路填补速度空白
