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[轉貼] 中國成果震動歐美 時速1千公裏高鐵來了

中國成果震動歐美 時速1千公裏高鐵來了

來源: 科技在線/日期: 2018-03-02
科技狂人馬斯克倡導的“超環高鐵”已經在美國得到認可,正在進行可行性方案研究,超環高鐵利用了低真空管道和磁懸浮技術,速度將接近飛機的1000公裏時速。這種高鐵不僅可以修築在地表,也可以開挖地下隧道。在中國,這項實驗也正在進行中。《經濟半小時》記者在成都的一間實驗室裏,看到中國科學家正在爲之努力。
中國公布高溫超導磁懸浮技術

成都西南交通大學搭建的,全球首個真空管道超高速磁懸浮列車環形實驗線平台,是國內第一個載人高溫超導磁懸浮環形實驗線。線路總長45米,設計載重300公斤,最大載重可達1噸,懸浮淨高大于20毫米,是目前國際上同等載重能力,截面最小、永磁材料用量最少的超導懸浮系統,可進行0-50 km/h的實際動態運行實驗,別小看這些複雜的機器設備,在真空管道理想狀態下,這項技術上的創新,可將列車理論時速提高到一千公裏以上的更高速度,換句話說,眼前的這堆實驗設備,搭建的將是人類目前能觸摸到的未來超級高鐵的雛形。
西南交通大學牽引動力國家重點實驗室博士 副教授鄧自剛:很多指標都是國際領先的。我們核心的東西,它的實際載重能力,能夠懸浮一噸重。我們這個軌道的截面積,是現在全世界最小的,就是它的寬度只有120毫米,厚度只有25毫米,它用的永磁材料特別少。

中國科學家推出的這項高溫超導磁懸浮技術,一經公布,就引起了世界最大的電子電氣工程師協會——美國IEEE協會的關注,他們用兩個整版的文字報道了中國人的這項科研成果,英國BBC、美國CNN、歐洲公共電視台等媒體,紛紛趕赴西南交通大學展開實地調查報道。這一項科技技術的誕生,可能沒有引起民衆的過多關注,但在世界衆多科學家的眼裏,中國人這次幹出了幾乎是一件革命性的技術創造。
鄧自剛:當時它的標題叫超級管道,然後下面還有評語,它覺得這個顛覆性技術,可能對未來人們的出行方式,或者航天應用,各方面應該都會有革命性的意義。
這個被世界多位科學家稱爲顛覆性技術的“超級管道”,是如何能夠懸浮在軌道上行駛的呢?37歲的項目負責人鄧自剛告訴記者,幾十年來,西南交大、國內科研院所和衆多制造企業的專家,不斷地接力式研發實驗,才誕生出今天的成果。
磁懸浮技術是上世紀二十年代德國人最早提出的,距今差不多已有百年曆史。此後幾十年,德國在常導磁懸浮、日本在低溫超導磁懸浮方面一直保持著技術領先;中國從上世紀八十年代中期開始追趕,但是想要追上六十年的技術差距,無疑是一個巨大的難題。

如果要完成磁懸浮列車的研究制造,我們需要提前去邁過很多門檻,比如高溫超導材料從哪裏來?特殊的軌道如何建設?車體究竟該怎樣設計等一系列的問題,從無到有的這場挑戰,中國的科學家又是否能研發成功呢?
高溫超導磁懸浮中的超導指的是一種超導材料,具有零電阻效應,也就是說,電流流經導體時不發生熱損耗,可以毫無阻力地在導線中形成強大電流,從而産生超強磁場。超導磁懸浮,就是利用超導體的抗磁性,實現磁懸浮。而所謂高溫超導,是指零下196攝氏度的液氮環境中,超導所具有的特性;低溫超導是指在零下269攝氏度的液氦環境中,超導所具有的特性。

與低溫超導和常溫超導相比,高溫超導有一個最大特點:它有自穩定性,換句話說,把高溫超導體放在永磁軌道上後,既能懸浮、又能懸挂,不管運動還是靜止,都能懸浮;而且在永磁軌道上,高溫超導體還提供穩定的導向力和懸浮力,也就是不會上下左右搖晃,像釘子一樣牢牢地紮在永磁軌道上面。
超導層厚度僅爲頭發絲的百分之一

可以懸浮又可以懸挂,看起來有點像變魔術。這其中的秘密在哪裏呢?鄧自剛介紹,首先是鋪設在軌道上的永磁材料。其實高性能的永磁材料,國外已經研制生産多年,但這些産品技術曾經對我國長期封鎖,不要說買不到,就是想去參觀都不行。唯一的辦法,就是中國人自己造。磁懸浮實驗室在成都,但磁懸浮的材料,卻在杭州一家企業默默地研發生産。
研制高性能的永磁材料,尤其用于高溫超導磁懸浮軌道上的永磁體,首先需要將十幾種原料、包括多種稀土材料熔合、均勻分布。
杭州永磁集團有限公司副總裁 冒守棟告訴《經濟半小時》記者,這個過程好比揉面,很難,但是對磁鋼的性能很關鍵。

在對十幾種原料進行精密排布後,就需要用電流給磁鋼充磁,這也是危險性比較高的環節。如果充磁充不好,容易造成它性能不穩定,有些時候控制不住,磁鋼容易飛到天花板上去。
經過反複試驗,高性能永磁材料總算成功研制成功,但接下來又一個難題出現了:那就是怎樣把永磁體拼接在一起形成磁懸浮導軌?由于永磁體之間相排斥的磁力很大,一小塊可産生300多公斤的推力,一不小心就可能跑偏。那麽,有什麽方法能有效解決拼接、組合難題呢?
杭州永磁集團有限公司副總裁 冒守棟:要靠一系列設計的工裝,通過機械的方式,一點一點把它固定好,一個磁鋼固定好,再裝下一個磁鋼。

西南交通大學牽引動力國家重點實驗室博士 鄧自剛:當時也是前期做了很充分的一種設計,設計了夾具之後,然後現場又不斷地摸索,不斷地改進,最後找到了一種比較優的方式,我們最後84塊永磁軌道,安裝只花了一天的時間。
永磁導軌材料的難題得到解決之後,鄧自剛的團隊開始面臨第二道難題的考驗,這就是世界制造磁懸浮列車最爲核心的高溫超導材料。
鄧自剛:我們的超導材料,就裝在我們車子四個角,這塊黑色的蓋板裏面。這個超導材料,它就替代了咱們汽車的四個輪子。這個超導材料,在我們液氮低溫的環境裏面,它就可以實現懸浮。
本世紀第一個10年,全球只有3家第二代高溫超導材料供應商,2家在美國,以昂貴的價格向全世界銷售,另一家企業在日本,但禁止出口。如果材料只能靠進口,我國發展高溫超導産業就會被“卡脖子”。經過多方尋找,鄧自剛把目光鎖定在上海超導科技公司。

上海超導科技股份有限公司超導材料事業部副總經理 吳 祥:爲什麽我們做這個事情?也是有一個情懷在。因爲以前我們去參加國際會議,大家來報道的超導材料,都是別人做的,一說到中國的超導,提問的就非常的少,就是有一種感覺,就是中國沒有人做出來這個東西。我們的想法就是,不管怎麽樣,一定要把這個做出來,就是爲了爭這口氣。
2011年,上海超導科技公司正式成立並開始研發。他們遇到的第一個難關,就是怎樣將不同的塗層和超導帶材緊密連在一起。超導帶材是由好幾層不同原料加工塗抹在一起的,超導層位于中間核心層,外面主要分爲機帶、隔離層、緩沖層等七、八層,之所以加這麽多層,主要起保護、緩沖作用,相當于給中間層的超導帶材,穿了一套防護铠甲,讓超導帶材的性能保持穩定性和一致性。但這幾層原料都不同、塗抹的厚度,需要非常薄、非常均勻。工藝難度極大。
上海交通大學國家能源智能電網(上海)研發中心電氣工程系 特別研究員趙 躍:它是在一個50微米厚的,不鏽鋼帶材上,所鍍著的超導薄膜,50微米厚的是一個什麽概念?就是我們大概頭發絲一樣的厚度,但是它們中間所起到的,最重要的超導層厚度,僅爲頭發絲厚度的大概1%左右。

上海超導科技股份有限公司超導材料事業部副總經理 吳 祥: 超導層其實說白了,是我們現在最難鍍的,因爲它的工藝很特殊,我們用的是激光附著沈積來鍍膜。
但最艱難的,是將超導帶材連接在一起的技術,盡管現在超導帶材長度已從最初的百米級做到現在公裏級長度,但受限于現有技術,世界上還沒有不做接頭的超導帶材。超導帶材一有接頭,就會有電阻。如何把電阻降到最低值,不僅是中國人的難題,也是世界各國企業面對的難題。
吳 祥:我們公司研制了一個超導接頭技術,它的電阻能夠達到兩納歐姆左右,現在國際上大家正常能夠做到幾十納歐姆左右。兩納歐姆算是目前比較低的了。
經過3年多的努力,世界先進水平範圍內的超導材料,終于在中國上海研制成功。
趙 躍:我們同樣的一個條件,和國際的一些同類産品進行比較,它的性能、載電流能力提高了25%,在這個條件下,我們絕對領先。
這種性能先進的超導材料應用前景廣闊,不僅用于磁懸浮交通、還運用到超導電纜、新能源汽車無線電充電系統、甚至國防軍事上,比如導彈新的發射技術——冷發射。
趙 躍:傳統的導彈方式是點火發射,在一開始導彈點火的過程中,會産生大量的熱,被敵方偵查到,這樣會對導彈采取一定的措施。如果我們采用超導儲能裝置,在短時間把巨大的能量,迅速地釋放出去,可以把這個武器抛射到空中,達到一定的高度再點火,敵人就很難發現,這是一個非常熱門的技術,各個發達國家都在研究。
材料和軌道這兩道難關通過了,西南交大實驗室裏的鄧自剛,開始面對最後的難題,磁懸浮的實驗車。
和其他材料研發的模式一樣,磁懸浮實驗車的研發工作,從成都轉移到了中車唐山機車公司。怎麽讓車懸浮起來,還能保持磁懸浮車無論轉彎,還是上下坡,都能安全、平穩運行、沒有噪音呢?中車唐山機車公司的科研人員接過了研發的接力棒。
中國中車唐山機車車輛有限公司 博士 高級工程師吳會超:我們每個轉向架,相當于蜈蚣的一排腿,我們轉彎的時候,就過彎道的時候,每個模塊,都可以靈活進行轉動,這樣的話,我們懸浮車過整個的小彎道,是非常靈活的。
2014年,真空高溫超導磁懸浮實驗線,在西南交大的成都實驗室裏順利搭建完成。西南交大幾代學者,通過不懈努力,在磁懸浮領域創下一個又一個研制奇迹。與此同時,他們在科研理論上的貢獻,也獲得了國際國內的巨大反響。2016年,鄧自剛的大學老師王家素、王素玉老師,將自己畢生研究的心血,撰寫下來,在德國出版發行。此時,距德國學者提出磁懸浮技術將近百年,這是中國學者在磁懸浮發源地德國,第一次用英文出版發行的超導專著。
西南交通大學牽引動力國家重點實驗室博士 鄧自剛:這兩本書就體現了一個,高溫超導磁懸浮技術,從領先到被追趕,到再次領先的一個過程。

西南交大在高溫超導磁懸浮方面的研究成果,也強烈吸引著國外同行。鄧自剛告訴記者,幾個月後,也就是2018年7月,有幾名巴西學者會來西南交大留學。
西南交通大學首席教授 牽引動力國家重點實驗室主任 張衛華:隨著我們今年時速400公裏、400公裏+,這樣一個試驗平台的完成,我們速度也可以做到最高。接下來我們還做時速1500公裏,所以說我覺得我們在國際上,應該無論高溫超導磁浮,還是真空管道,都是走在前面的。
目前中國、德國、日本、美國、巴西等國正加大力度推進超導磁懸浮車的實用化進程。美國Hyperloop one公司在內華達沙漠搭建了500 m長的真空管道試驗線,並于2017年實現了310 km/h的最高時速。 在國內,中車青島四方機車公司,2016年10月正式啓動,研制時速600公裏的高速磁浮列車項目。2017年8月,中國航天科工集團宣布,人類第五種交通工具“高速飛行列車”項目已開展研究論證,時速最高可達4000公裏,相比現在京滬高鐵運行的最高時速350公裏,要快出10倍!
半小時觀察

在科技研發最關鍵的時刻,我們的鏡頭能記錄的都是過程中的艱辛和枯燥。但正如西南交大校長所說,今天這個時代就是一個創造奇迹的時代。中國的高鐵今天已經走在了世界的最前面,而下一代革命性的技術研發,中國科學家也沒有絲毫的松懈,也許在不久的將來,你我坐上時速上千公裏的高鐵時,我們會回想起今天這些科學家們的艱苦努力,過程就是這樣的枯燥,但最終彙集在一起的就是中國制造的奇迹。

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