探訪西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

目前地面載人交通最快速度已經(jīng)超過(guò)600公里/小時(shí)。還能否更快?“能!”在西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，一條測(cè)試時(shí)速可達(dá)400公里的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮直道試驗(yàn)線正在建設(shè)。采用該技術(shù)，列車時(shí)速甚至有望突破1000公里。換句話說(shuō)，中國(guó)的“超級(jí)高鐵”極有可能在這里誕生。

“超級(jí)高鐵”只是其最前沿研究之一。建成25年來(lái)，牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室完成了我國(guó)幾乎所有機(jī)車車輛的動(dòng)力學(xué)研究以及動(dòng)力學(xué)性能的臺(tái)架試驗(yàn)，2004年以來(lái)，又對(duì)高速動(dòng)車組、新制式軌道交通的安全性保障、可靠性控制、長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)、廣域性復(fù)議等進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新研究，助推中國(guó)高鐵以及軌道交通產(chǎn)業(yè)不斷向前飛奔。

令人驚嘆的“中國(guó)速度”是怎么誕生的?“超級(jí)高鐵”何時(shí)能成為現(xiàn)實(shí)?日前，記者走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、走近科學(xué)家，進(jìn)行實(shí)地探訪。

□本報(bào)記者王眉靈

A

實(shí)驗(yàn)室里的“最前沿”

搭起試驗(yàn)平臺(tái)

列車將在真空管里“飛”起來(lái)

走進(jìn)牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)大廳，一個(gè)紅色、圓形管道類裝置即映入眼簾。這就是國(guó)內(nèi)首個(gè)真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮直道試驗(yàn)平臺(tái)。這條直徑4.2米、長(zhǎng)140米的特制管道，已經(jīng)完成了真空氣密性測(cè)試。正在進(jìn)行的，是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的安裝和調(diào)試。

記者看到，管道內(nèi)的底部，鋼材料橫豎交叉，形成一個(gè)可以放置平板的底座，漆黑的管道深處燈火明明滅滅，工程師正在進(jìn)行安裝。管道內(nèi)外，架設(shè)了好幾臺(tái)小型起重機(jī)，用來(lái)運(yùn)送動(dòng)輒幾百公斤的裝備。

管道外排放著一摞摞材料。下一步，要把數(shù)米寬的永磁材料導(dǎo)軌放在底座上，這是磁懸浮列車的“軌道”。試驗(yàn)車的車底則布滿特制的高溫超導(dǎo)材料，依靠液氮形成的低溫出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，和永磁材料感應(yīng)排斥，讓列車懸浮。

該平臺(tái)主要進(jìn)行真空管道+高溫超導(dǎo)磁懸浮的高速理論試驗(yàn)，試驗(yàn)車按1：10比例設(shè)置，設(shè)計(jì)懸浮高度10毫米，能承重200公斤，測(cè)試時(shí)速可達(dá)400公里/小時(shí)。搭建這個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，是為下一步的工程化試驗(yàn)打基礎(chǔ)。

高鐵在真空狀態(tài)下運(yùn)行，科學(xué)家稱為“后高鐵時(shí)代”，也就是大眾俗稱的“超級(jí)高鐵”。2013年，美國(guó)“高鐵狂人”馬斯克提出要建時(shí)速1200公里高鐵，讓“超級(jí)高鐵”的認(rèn)知度從學(xué)術(shù)界擴(kuò)展到公眾。

牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室做“超級(jí)高鐵”的研究，并非跟風(fēng)。西南交大素有中國(guó)交通智庫(kù)之稱，學(xué)校一代代科學(xué)家為引領(lǐng)未來(lái)交通方向而努力。早在2004年，兩院院士、西南交大教授沈志云就提出，有軌高鐵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最高時(shí)速為400公里，速度還要高，就要發(fā)展“超級(jí)高鐵”。“超級(jí)高鐵”在真空管道內(nèi)運(yùn)行，通過(guò)磁懸浮支撐車體，減少了空氣、輪軌的阻力，由此可以實(shí)現(xiàn)超高速。

西南交大也有做磁懸浮的基礎(chǔ)——2000年，西南交大教授王家素、王素玉帶頭，成功研制出世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號(hào)”，證明了高溫超導(dǎo)磁懸浮車在原理上的可行性。

2011年，師從王家素和王素玉的博士后鄧自剛從日本留學(xué)后回到母校，2014年在西南交大首席教授、牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室時(shí)任主任張衛(wèi)華的支持下，建成全球首個(gè)真空管道超高速磁懸浮列車環(huán)形實(shí)驗(yàn)線平臺(tái)、國(guó)內(nèi)第一個(gè)載人高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實(shí)驗(yàn)線，研究并驗(yàn)證了真空管道+高溫超導(dǎo)磁懸浮的可行性。

“目前國(guó)家已對(duì)時(shí)速為五六百公里的磁懸浮列車研究立項(xiàng)。未來(lái)，超高速列車的速度應(yīng)該會(huì)逐步達(dá)到音速和超音速。”張衛(wèi)華表示，要達(dá)到這種速度，一定是在真空環(huán)境下進(jìn)行。目前實(shí)驗(yàn)室正在不遺余力地研究高溫超導(dǎo)磁懸浮列車，其目的就是把傳統(tǒng)輪軌技術(shù)改成高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，充分解決輪軌的限制和機(jī)械問(wèn)題。

鄧自剛研究員介紹，目前，真空技術(shù)已經(jīng)很成熟，高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)也有成型的解決方案，兩者相結(jié)合，時(shí)速有望突破1000公里——超過(guò)飛機(jī)的速度。今后5-10年，將是“超級(jí)高鐵”載人試驗(yàn)取得突破、并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵時(shí)期。

載重方面，高溫超導(dǎo)磁懸浮車的懸浮能力可達(dá)到2噸/米，懸浮高度15毫米，能達(dá)到現(xiàn)有軌道交通運(yùn)營(yíng)載重的要求。

實(shí)現(xiàn)列車的高速運(yùn)行，懸浮導(dǎo)向是基礎(chǔ)，牽引驅(qū)動(dòng)是關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)室正在加緊研制能實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)行的大推進(jìn)力高溫超導(dǎo)直線電機(jī)，發(fā)展懸浮、導(dǎo)向及驅(qū)動(dòng)全高溫超導(dǎo)的超高速磁懸浮列車系統(tǒng)。一位實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人介紹，實(shí)驗(yàn)室正在謀劃建設(shè)超高速(1500公里/小時(shí))低真空管道磁浮交通動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)。

B

與科學(xué)家聊聊

堅(jiān)持做好基礎(chǔ)研究

自主創(chuàng)新才能開花結(jié)果

2014年，西南交大建成國(guó)內(nèi)第一個(gè)載人高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實(shí)驗(yàn)線被公開報(bào)道后，鄧自剛一下“火”了，每天的訪者絡(luò)繹不絕，他只能犧牲休息時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)被打斷的研究。

鄧自剛對(duì)高溫超導(dǎo)磁懸浮的研究，始于2004年。他的研究生導(dǎo)師、世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車的研發(fā)者王家素和王素玉，帶著他走上了這條學(xué)術(shù)研究路。

輪軌高鐵飛速發(fā)展，磁懸浮卻進(jìn)展緩慢，只有上海一條磁懸浮列車在商用。但研究，鄧自剛卻一直沒有丟下，“我喜歡這個(gè)專業(yè)，也看好這個(gè)方向。”

在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)旁，豎著個(gè)同比例縮小版的模型，仔細(xì)觀察可看到，軌道并非一直正面朝上，有時(shí)像過(guò)山車一樣扭轉(zhuǎn)著，朝上面就變?yōu)閭?cè)面甚至朝下。“車體既能懸浮、也能懸掛，無(wú)論運(yùn)動(dòng)還是靜止，都能懸浮，就像被牢牢‘釘’在軌道上。”他說(shuō)，這是高溫超導(dǎo)磁懸浮的特性——自穩(wěn)定的懸浮系統(tǒng)。也因此，高溫超導(dǎo)磁懸浮被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是原理最優(yōu)、也最能實(shí)現(xiàn)超高速鐵路的技術(shù)，換句話說(shuō)，這是未來(lái)交通的前沿。

目前有三種磁懸浮技術(shù)：電磁懸浮技術(shù)、低溫超導(dǎo)技術(shù)、高溫超導(dǎo)技術(shù)，后兩者才能實(shí)現(xiàn)超高速。2000年高溫超導(dǎo)磁懸浮車誕生、2014年真空高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)線面世，西南交大對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，走在了國(guó)際前列，也是前后兩代師生的努力，讓這一自主創(chuàng)新得以傳承并發(fā)揚(yáng)光大。

“學(xué)術(shù)研究需要一代代的傳承。”鄧自剛深有感觸地說(shuō)，這就好比種樹，必須持續(xù)地澆灌，才有可能結(jié)出果實(shí)。

研究人員李婧等也持同樣觀點(diǎn)。磁浮超導(dǎo)研究所有6位老師、60多名學(xué)生，每周的例會(huì)，無(wú)論前一天多忙、多晚，老師們都會(huì)趕回學(xué)校參加例會(huì)，商討近期學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)。如果實(shí)在時(shí)間調(diào)劑不過(guò)來(lái)，寧愿改例會(huì)時(shí)間。“把基礎(chǔ)研究做好，積累在這里，一旦需要，可以馬上拿出來(lái)，盡快轉(zhuǎn)化為成果。”

C

一種困惑

以前嫌“太遠(yuǎn)”現(xiàn)在嫌“太慢”

市場(chǎng)對(duì)前沿科研的看法總有錯(cuò)位

有個(gè)問(wèn)題一直困擾著實(shí)驗(yàn)室研究人員李婧：高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)已研制成功近20年，為什么還走不出實(shí)驗(yàn)室?

李婧在牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的超導(dǎo)技術(shù)研究所工作。走進(jìn)研究所，就可看到“世紀(jì)號(hào)”——世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車。18年前，它曾轟動(dòng)世界，此后卻蒙塵于誕生地。

現(xiàn)在，目標(biāo)似乎近了。在牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室，真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮直道試驗(yàn)線的搭建，讓高溫超導(dǎo)磁懸浮在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)“再進(jìn)一步”。國(guó)內(nèi)也掀起“磁懸浮潮”，繼上海磁懸浮列車商業(yè)運(yùn)行14年后，國(guó)內(nèi)第二條、第三條磁懸浮列車相繼在長(zhǎng)沙、北京投運(yùn)，不久的將來(lái)，成都也將迎來(lái)磁懸浮列車。

風(fēng)口已至，不過(guò)，困惑并未緩解。“很多企業(yè)來(lái)過(guò)，希望能馬上投入商用，但事實(shí)上，我們的研究離商用還差一步。”鄧自剛說(shuō)，這個(gè)重要的“坎”就是載人試驗(yàn)。該試驗(yàn)需要建一條2公里左右的工程示范線，按1:1比例搭載列車，解決了實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的各種問(wèn)題后，之后才能轉(zhuǎn)向商用。這需要投入三四億元資金，以及3-5年時(shí)間。資金投入或許不算高，但企業(yè)已經(jīng)等不得，從目前的接洽來(lái)看，幾乎沒人愿意放慢腳步。

作為前沿技術(shù)，高溫超導(dǎo)磁懸浮多年來(lái)積累了無(wú)數(shù)的基礎(chǔ)研究，但因“看起來(lái)太遠(yuǎn)”，應(yīng)用研究缺乏足夠的資金支持，反而停滯不前。但當(dāng)風(fēng)口來(lái)臨、急需上馬之時(shí)，又因缺乏應(yīng)用研究，難以實(shí)現(xiàn)快速的成果轉(zhuǎn)化。這也是很多前沿科研項(xiàng)目的無(wú)奈。

在理論研究中，高溫超導(dǎo)磁懸浮已實(shí)現(xiàn)速度的全覆蓋，能在真空裝置中達(dá)到1000公里/小時(shí)的超高速，也適用于100-300公里/小時(shí)的中低速和高速列車，成為新制式城市軌道交通。鄧自剛說(shuō)：“現(xiàn)在，我們希望有‘伯樂’。”

AR動(dòng)新聞

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●他山之石

長(zhǎng)沙：PPP模式建設(shè)

2016年，我國(guó)首條中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)示范線——長(zhǎng)沙磁浮快線投運(yùn)。主導(dǎo)建設(shè)的是湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司，該公司由中央、省、市5家國(guó)有企業(yè)組建。建設(shè)采取PPP(政府與社會(huì)資本合作)模式，湖南磁浮公司承擔(dān)磁浮交通項(xiàng)目的投資、建設(shè)、經(jīng)營(yíng)、運(yùn)營(yíng)管理，以及沿線路及站區(qū)的綜合開發(fā)、土地一級(jí)整理及開發(fā)、市政基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等。

●業(yè)界動(dòng)態(tài)

特斯拉融資：政府支持+研發(fā)外包

近日，特斯拉CEO埃隆·馬斯克宣布，旗下“超級(jí)高鐵乘客艙”將進(jìn)行測(cè)試，目標(biāo)運(yùn)行速度為音速的一半(約600公里/小時(shí))，并在1.2公里內(nèi)完成剎車。

馬斯克采取創(chuàng)造性的融資方式推進(jìn)其科研項(xiàng)目，一方面是政府支持，一方面以廉價(jià)和快速的方式將研發(fā)外包。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，馬斯克“超級(jí)高鐵”項(xiàng)目已獲投資5億美元。日前，馬斯克旗下隧道挖掘公司Boring Company已經(jīng)通過(guò)股權(quán)融資籌集了1.125億美元資金，開始尋求為“超級(jí)高鐵”項(xiàng)目挖掘地下隧道。