日本在建磁悬浮中央新干线：高铁与磁悬浮到底哪家强？

出品：科普中国

建造：科了个普 翼

监制：中国科学院计较机收集信息中间

到过日本的伴侣们必定对日本贯通全国的高速铁路系统——新干线并不目生，这也是当当代界上最进步前辈的高速铁路系统之一。那么，您是否领会日本正在建造中的“磁悬浮中心新干线”呢？这项工程有何怪异之处呢？为什么如许一项工程，在日本国内也饱受争议呢？中国磁悬浮手艺进展到何种水平了呢？

史无前例的中心新干线

2014年9月，毗连日本东京和名古屋的“磁悬浮中心新干线”正式开工扶植，这项21宿世纪梦幻般的庞大工程估计2027年开通运营，路线为东京品川至名古屋区间，2045年实现东京至年夜阪全线贯通。

是的，您并没有看错，日本当局简直拟定了一个历经41年的工程打算，比工程耗时加倍梦幻的，还有高达9万亿日元（约合人平易近币5184亿元）的工程费。

这条无论是耗时仍是耗资都如斯“夸张”的中心新干线，到底是什么样的呢？

如图所示，中心新干线的年夜体走标的目的其实与中心本线、关西本线不异，将毗连日本的首都圈、中京圈、京阪神三年夜都会圈。东起东京的品川站，标的目的西行经神奈川县、山梨县、长野县和岐阜县，接着达到名古屋，途平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。

中心新干线的设计中，日本初次将其独自研发的超导磁悬浮手艺应用在高速铁路上。建当作后的中心新干线将是首条利用磁悬浮列车的城际铁路线，当作为全球最快运营列车，当然，可能也是迄当代界上造价最高的铁路线。

事实有多快？超导磁悬浮手艺将中心新干线的车速晋升至每小时500公里，大要是现时日本现有新干线枪弹列车的两倍。品川至名古屋的最短行驶时候将从今朝东海道新干线的1小时28分缩短至49分钟，品川至年夜阪将从2小时18分钟缩短至1小时7分。

功不成没的超导磁悬浮手艺

作为中心新干线引觉得傲的焦点手艺，超导磁悬浮手艺简单说，就是操纵车上超导体电磁铁形当作的磁场与轨道上线圈形当作的磁场之间所发生的相斥力，使车体悬浮于轨道之上10cm腾空，如许列车在运行时的阻力降低良多，沿轨道“飞翔”的速度可达每小时500公里。

是不是依然有些云里雾里？那么我们先来熟悉一下超导体。

1911年，荷兰莱顿年夜学的卡末林—昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）不测地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻俄然消逝。后来他又发现很多金属和合金都具有与上述汞相近似的低温下掉去电阻的特征，也就是超导体的零电阻效应，因为它的特别导电机能，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，科学家们颠末试验，不竭刷新超导临界温度的高度，高温超导体发现今后取得了庞大冲破，超导态可以在液氮温区(零下196度以上)呈现，超导悬浮的装配更为简单，当作本也年夜为降低，超导手艺走标的目的年夜规模应用。

荷兰莱顿年夜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，磁力线不克不及穿过它的体内，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），是超导体的另一个根基特征。

随后的尝试还证实，非论导体是先降温后加磁场，仍是先加磁场后降温，只要进入超导状况，超导体就把全数磁通量排出体外。

完全抗磁性是超导体磁悬浮的物理根本。我们来看如许一个尝试：在一个浅平的锡盘中，放入一个别积很小、磁性很强的永远磁铁，然后把温度降低，使锡呈现超导性；这时可以看到，小磁铁飘然升起，分开了锡盘概况，最后不变的悬浮在必然高度。这是因为超导体“不许可”其内部有任何磁场，若是外界有一个磁场要经由过程超导体内部，那么超导体必然会发生一个与之相反的磁场，包管内部磁场强度为零。这就形当作了一个斥力。

所以，当在一个超导体正下方放置一个磁体，并使磁感线垂纵贯过超导体的时辰，超导体将获得垂直的上浮力。当这个浮力的巨细与超导体的重力刚好相等，超导体就可以悬浮在空中。

日本中心新干线恰是基于低温超导磁悬浮的道理，采用在列车车轮旁边安装小型超导磁体，在列车标的目的前行驶时，超导物质则标的目的轨道发生壮大的磁场，并和安装在轨道两旁的铝环彼此感化，发生标的目的上浮力，实现消弭车轮与钢轨的摩擦力的目标。

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利用的超导物质是将超细铌钛合金多芯线埋入铜母线内制当作的超导电线，当此种超导电线浸入液氦(－269℃)中时，进入超导状况发生壮大磁场。这是宿世界上初次在适用运输设备上用超导手艺实现可获得550公里不变时速的年夜功率强磁线圈，其电压为22KV。

为实现低温超导磁悬浮所需的低温，每一车载强磁单位上别离安装了一台液氦及一台液氮压缩制冷机，组成车载超低温冷冻系统。液氦压缩机的感化是将因为外部热能及列车自己行驶时发生的热能逐渐气化了的氦气从头冷冻还原当作液氦。液氮压缩制冷机的感化是将冷却超导线圈外部隔热板的液氮制冷剂从头冷却，连结－196℃低温液氮状况。

低温超导需要复杂的低温系统，但它与通俗磁悬浮比拟具有以下长处：

※悬浮的间隙年夜，一般可年夜于100mm；

※速度高，可达到500km/h以上；

※可同时实现悬浮、导标的目的和推进；

※推进直线同步电机效率高达70%-80%；

※低能耗的客运和货运；

※永远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，日本这一手艺在2015年4月21日山梨县的磁悬浮试验线中缔造了那时的地面轨道交通东西载人时速603公里的宿世界新记载。

颇具争议的浩荡工程

日本出于谋求河山经济平衡成长，以及经由过程超导磁悬浮手艺的开辟带动各相关财产成长的目标，自1962年起就起头了直线电机鞭策悬浮体例列车的预研制工作。这项手艺是由东海搭客铁道股份有限公司（Central Japan Railway Company）（简称JR东海）倾其全公司之力，结合其他100多家公司精心研究几十年的当作果。

JR东海运营路线图

至1999年2月10日，跟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当作功，日本超导磁悬浮列车的根基研制打算已接近从头至尾声，将可以转入贸易性运营线路开辟扶植阶段。

2014年4月12日，安倍晋三乘坐磁悬浮列车，前去山梨县尝试中间

诚然，超导磁悬浮高速列车绝对是手艺层面上的一年夜跨越，心猿意马能给日本带来很多宿世界第一的荣光，可是不少人还对这项工程的目标、市场需求以及手艺平安等方面都提出质疑。

公众思疑扶植中心新干线是否真的有需要，因为日本社会生齿布局正急速高龄化，生齿数目不竭削减。估计等磁悬浮列车投入利用时，或将呈现上座率不足的问题。此外，也有人担忧，假如日本首都圈、中部圈、关西圈完全当作为一体，良多需求将标的目的东京堆积，会削减名古屋、年夜阪这些处所中间城市的感化。

人们诟病的还有中心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倍，岑岭期的中心新干线全线所需电量有27万千瓦，假如磁悬浮开通运营，日本要增添3、4座核电站才能知足其需求。如斯庞大的耗电量对今朝的日原本说是一个半斤八两可骇的前景。

中国高铁依然是有力竞争敌手

近年来，活着界上全速进步的中国高铁采用的是轮轨手艺，在对高铁的扶植进行可行性研究、相关手艺研究时，此中也包罗磁悬浮与轮轨手艺路线的竞争。之所以选择轮轨手艺本家儿要有两点原因：

一是我国轮轨试验时速已经冲破了574.8公里，运营时速也可以或许冲破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，极年夜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，活动物体所受的阻力90%是空气阻力，磁悬浮固然没有机械阻力，因为还需要磁力将列车浮起来，也要耗损年夜量能量。所以当轮轨手艺轻松冲破时速300公里时，磁悬浮手艺的相对优势已经不那么较着了。

二是经济和手艺身分。磁悬浮线路的建筑当作本要年夜幅度高于轮轨线路的扶植。更主要的是，跟着经济社会需求的增添，高铁线路只有形当作收集才能阐扬最年夜的效用，线路数目也会以几何倍数增加。

在手艺上，磁悬浮实现变轨的手艺难度很是年夜，所以磁悬浮很难联网。常导磁悬浮手艺，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。难以变轨还带来别的一个坚苦，那就是增添了救援的难度，也是一个短处。

比拟于低温超导磁悬浮新手艺，中国高铁任然具备价钱低、性价比高、运营经验丰硕的优势，竞争力有目共睹。

中国在磁悬浮摸索中从未遏制脚步

其实，中国在磁悬浮方面摸索的脚步也从未停歇。中国正在研制超等磁悬浮列车，采用真空钢管设计，将来的时速可达到每小时2000公里。早在2014年，在西南交通年夜学的牵哄动力国度重点尝试室超导手艺研究所，中国科学家当作功完当作了载人高温超导磁悬浮环形轨道测试。

不外，因为环形轨道半径太小，轨道半径只有6米限制，那时试验车的时速并没有达到预期的25公里每分钟。可是不得不提的是，区别于日本中心新干线利用的零下269摄氏度的液氦，高温超导磁悬浮手艺利用的是零下196摄氏度的液氮来包管超导材料的机能。要知道，氦是罕见气体，空气中的占比仅为5.2万分之一，而空气中70%却都是氮，是以高温超导的当作本价钱至少要比低温超导要廉价50倍。

除了当作本，高温超导磁悬浮仍是天然界中独一能实现无源不变悬浮的手艺：它不像低温超导磁悬浮那样，需要复杂的悬浮和节制导标的目的，且在车辆静止时也能悬浮。将来，中国在这一范畴的表示，同样值得我们等候。

不管如何，我们老是乐于见到人类科学手艺的前进与立异。中心新干线的功与过、当作与败，或许只有时候能给我们一个明白的谜底。

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