磁悬浮列车的技术是什么？

2021年4月17日，名侦探柯南的第24部剧场版“绯色的子弹”上映，这一次故事发生于东京，在全球最大体育盛事WSG即将召开之际，知名企业的高官却接连在赞助商酒会现场遭到绑架，而自新名古屋站至东京的最高时速1000km/h的“真空超导磁悬浮列车”也被卷入其中，预告片就已透露，“决战场地在磁悬浮上”。这辆车的原型就是日本正在兴建的中央新干线，磁悬浮列车是日本引以为傲的技术之一，故将之搬上荧幕。

事实上，我国也已于2006年就开通了上海磁浮列车，磁悬浮列车的技术是什么，它又有怎么样的发展历史呢？

磁悬浮列车是什么？

磁悬浮列车是一种靠磁力来实现驱动的列车。在行驶过程中，其车身与轨道之间的磁力作用让车身可以悬浮在轨道之上，不与轨道相接触，因此得名磁悬浮。也正是因为不会接触轨道，其车辆行驶过程中不会受到轨道摩擦阻力的影响，只需要考虑空气的阻力，因此磁悬浮列车的理论速度上限比普通列车要高很多，现在实验路段时速已经超过了600km。了解磁悬浮列车的技术原理，可以分为两部分，首先，我们让它浮起来，然后，我们让它动起来。

磁悬浮列车的技术原理

先说让磁悬浮列车浮起来的悬浮系统。基于常理，我们第一反应是“悬浮靠的是磁铁的同极相斥原理”。其实，不仅同极相斥可以让车身在轨道上悬浮，异极相吸也可以做到，这就是目前常见的两种悬浮系统：靠异极相吸的电磁力悬浮（EMS）和靠同极相斥的电动力悬浮（EDS）。

电磁力悬浮（EMS）使用“T”形导轨，车辆的两侧下部向导轨的两边环抱，内翻部分装有磁力强大的电磁铁负责支撑和导向，导轨底部亦设有电磁铁。导轨在上，车身的内翻部分在下。当电流流经电磁铁的线圈时，导轨与车身产生异极磁力，因而车辆被向上抬举。当吸引力与车辆重力平衡，车辆就可悬浮在导轨上方的一定高度上。改变电流，也就改变磁感应强度，使悬浮的高度得到调整。要保持稳定运行需要保持稳定的悬浮高度，因此电磁力悬浮的磁力是要不断进行调整纠正的。

电动力悬浮（EDS）使用“U”形导轨，与电磁力悬浮的一大区别是它的车辆底部安装的是超导体材料，因此也叫超导体磁悬浮。超导体的特性之一是完全抗磁性，也就是说超导体“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。U型导轨上布满了线圈通电形成电磁铁，当车速提升到一定速度后，列车切割磁感线产生足够大的感应电流让超导体产生强大的相反的磁性，从而将车辆支撑起来。因此，电动力磁悬浮列车的静止和短暂的起步提速阶段，是要靠车轮支撑的，一般达到时速50km/h左右可以浮起来。

相对比的话，电磁力悬浮列车内外的磁场强度较电动力悬浮低，且使用常导体材料，造价相对便宜很多，并且没有车轮和二级推进系统。但是列车与轨道之间的电磁吸引力要不断进行控制和纠正，以保持稳定的间距，因此会更容易出故障。电动力悬浮可以达到更高的速度，拥有更大的承载能力，但是超导体的采用让其成本高昂，并且低速运行时和普通列车一样需要车轮支撑。

好了，现在我们的车辆已经可以悬浮了，该让它动起来了。取车上一个N极电磁铁点位为例，车上的电磁铁N极被轨道上在自己前方的电磁铁S极吸引，同时被后方的电磁铁N极排斥，这样靠前的电磁铁在拉，后面的电磁铁在推，就带动了车身向前移动。而电磁铁的极性又是随其中的通电电流方向变化的，在N级超过刚才拉它的S极之后，通入的交变电流正好让轨道上的S极与N极互换，刚刚拉了一把车身的S极变成了N级，而刚刚与它作用的列车上那个N极点已经到它前方去了，两者之前产生互斥继续将这个N极点往前推，这样随着交流电的输入，轨道线圈中的极性周期变化，就推动了车往前走。

如果想控制磁悬浮列车减速呢？那我们只要改变接入的交流电的方向，本来周期性向前推、向前拉的力就变成了周期性向后推、向后拉的力，磁悬浮车的速度也就被控制变慢了。

磁悬浮列车的发展历史

1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁浮列车的专利权。但是直到1984年，英国伯明翰才开通了世界上首条商业营运的磁浮列车线路。这辆最早的磁悬浮列车轨道只有600米长，成功地运行了将近11年，但是由于电子系统的过时问题，以及缺少备件，使得它在晚年变得不可靠。该系统于1995年7月关闭，当时一项调查得出结论，恢复运行和维护磁悬浮列车的成本过高。直到现在，还在研究运用高速磁悬浮列车的国家只有我国以及德国和日本。

世界上第二条磁悬浮列车是德国柏林的M-Bahn，于1983年开始建设，1989年免费试运行，但是随着柏林墙的倒塌和东西德国的统一，在开通两个月后即被拆除。2006年，德国的磁悬浮试验线上发生了脱轨事故，造成了人员伤亡，让磁悬浮列车曲折的应用之路雪上加霜。虽然德国仍在研究磁悬浮技术，但是德国目前仍没有一条商业运营的磁悬浮线路。

以上的英国与德国的线路都是采用的电磁力悬浮，日本目前主要精力则投入到了电动力悬浮中。日本正在规划建设的中央新干线，将是一条联通东京和大阪，采用超导体磁悬浮列车的超高速铁路，其在山梨试验线上的试验车型MLX01就是目前每小时603km的列车最高时速保持者。但是面对高昂的建设费用（约9万亿日元）和电能消耗，预计于2037年才能全线通车的中央新干线能否按时上线还是个未知数。

中国磁悬浮列车的发展

1989年，国防科技大学研制成中国第一台小型磁悬浮原理样车。随后，研制载人磁悬浮列车被正式列入国家“八五”科技攻关重点项目。1995年5月11日，中国第一台载人磁悬浮列车在国防科技大学研制成功，使中国成为继德国、日本、英国、苏联、韩国之后，第六个研制成功磁悬浮列车的国家。2001年8月14日，由长春客车厂、西南交通大学和株洲电力机车研究所联合研制开发的我国首辆磁悬浮客车，在长春客车厂竣工下线，从而使我国继德国和日本之后，成为世界上第三个掌握磁悬浮客车技术的国家。

2003年，中德联合研制的上海磁浮列车开放运行，这是世界上第三条磁浮列车线路，也是目前为止唯一一条商业营运的高速磁浮列车线路，线路总长30千米，单程行驶只需要8分钟，目前安全运输旅客已超5700余万人次。

除了赫赫有名的上海磁浮，2016年，我国首条具有完全自主知识产权磁悬浮商业运营示范线长沙磁浮快线开通试运营，2017年，北京首条磁悬浮轨道交通S1线开通试运营，这两条线路都是中低速磁悬浮，列车设计运营速度在100km/h左右。此外，我国也在加紧研制600公里时速的高速磁悬浮列车，目前样车已经在青岛下线。

磁悬浮列车的未来畅想？

磁悬浮列车的速度极限会是600km/h吗？远远不是，随着高温超导体材料技术的进步和其他新技术的不断运用，磁悬浮列车还可以跑的更快。2018年两会上，京沪高铁建设总指挥卢春房就指出，中国未来要研发高速磁悬浮列车、真空管道飞行列车。什么是真空管道飞行列车呢？磁悬浮列车已经可以不考虑与轨道的摩擦力，高速运行下还是有很大的空气阻力的，如果连空气阻力都大大减少了，那速度的上限肯定能再次突破，这就要用到真空管道。让磁悬浮列车行驶在低真空的管道内，同时摆脱了轨道摩擦力和空气阻力，其速度进一步提高。我国航天科工集团就在研究真空轨道飞行列车项目，同时采用超导磁浮和真空管道，其设计时速高达4000km/h。设想一下，北京到上海的直线距离约1000km，如果采用这种真空管道飞行列车，只要一刻钟的时间就能从北京到达上海，这种科幻场景也许在不远的未来就会成为现实。

磁悬浮列车作为一种悬浮于轨道之上的车辆，贴地飞行的姿态总带给人一种科幻感。由于不接触轨道而可以忽略与轨道之间的摩擦力，也让它比普通列车有了更大的提速空间。随着高铁技术的不断突破，速度不断提升，也许有人会感觉磁悬浮列车的优势越来越小，但相信随着超高速磁悬浮和真空管道磁悬浮等新技术的研究，磁悬浮列车将与高铁列车形成互补，共同推动我们交通运输业的大跨越。