科技狂人马斯克倡导的 '超环高铁' 已经在美国得到认可, 正在进行可行性方案研究, 超环高铁利用了低真空管道和磁悬浮技术, 速度将接近飞机的1000公里时速. 这种高铁不仅可以修筑在地表, 也可以开挖地下隧道. 在中国, 这项实验也正在进行中. 《经济半小时》记者在成都的一间实验室里, 看到中国科学家正在为之努力.
中国公布高温超导磁悬浮技术
成都西南交通大学搭建的, 全球首个真空管道超高速磁悬浮列车环形实验线平台, 是国内第一个载人高温超导磁悬浮环形实验线. 线路总长45米, 设计载重300 公斤, 最大载重可达1吨, 悬浮净高大于20毫米, 是目前国际上同等载重能力, 截面最小, 永磁材料用量最少的超导悬浮系统, 可进行0-50 km/h的实际动态运行实验, 别小看这些复杂的机器设备, 在真空管道理想状态下, 这项技术上的创新, 可将列车理论时速提高到一千公里以上的更高速度, 换句话说, 眼前的这堆实验设备, 搭建的将是人类目前能触摸到的未来超级高铁的雏形.
西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士副教授邓自刚: 很多指标都是国际领先的. 我们核心的东西, 它的实际载重能力, 能够悬浮一吨重. 我们这个轨道的截面积, 是现在全世界最小的, 就是它的宽度只有120毫米, 厚度只有25毫米, 它用的永磁材料特别少.
中国科学家推出的这项高温超导磁悬浮技术, 一经公布, 就引起了世界最大的电子电气工程师协会——美国IEEE协会的关注, 他们用两个整版的文字报道了中国人的这项科研成果, 英国BBC, 美国CNN, 欧洲公共电视台等媒体, 纷纷赶赴西南交通大学展开实地调查报道. 这一项科技技术的诞生, 可能没有引起民众的过多关注, 但在世界众多科学家的眼里, 中国人这次干出了几乎是一件革命性的技术创造.
邓自刚: 当时它的标题叫超级管道, 然后下面还有评语, 它觉得这个颠覆性技术, 可能对未来人们的出行方式, 或者航天应用, 各方面应该都会有革命性的意义.
这个被世界多位科学家称为颠覆性技术的 '超级管道' , 是如何能够悬浮在轨道上行驶的呢? 37岁的项目负责人邓自刚告诉记者, 几十年来, 西南交大, 国内科研院所和众多制造企业的专家, 不断地接力式研发实验, 才诞生出今天的成果.
磁悬浮技术是上世纪二十年代德国人最早提出的, 距今差不多已有百年历史. 此后几十年, 德国在常导磁悬浮, 日本在低温超导磁悬浮方面一直保持着技术领先; 中国从上世纪八十年代中期开始追赶, 但是想要追上六十年的技术差距, 无疑是一个巨大的难题.
如果要完成磁悬浮列车的研究制造, 我们需要提前去迈过很多门槛, 比如高温超导材料从哪里来? 特殊的轨道如何建设? 车体究竟该怎样设计等一系列的问题, 从无到有的这场挑战, 中国的科学家又是否能研发成功呢?
高温超导磁悬浮中的超导指的是一种超导材料, 具有零电阻效应, 也就是说, 电流流经导体时不发生热损耗, 可以毫无阻力地在导线中形成强大电流, 从而产生超强磁场. 超导磁悬浮, 就是利用超导体的抗磁性, 实现磁悬浮. 而所谓高温超导, 是指零下196摄氏度的液氮环境中, 超导所具有的特性; 低温超导是指在零下269摄氏度的液氦环境中, 超导所具有的特性.
与低温超导和常温超导相比, 高温超导有一个最大特点: 它有自稳定性, 换句话说, 把高温超导体放在永磁轨道上后, 既能悬浮, 又能悬挂, 不管运动还是静止, 都能悬浮; 而且在永磁轨道上, 高温超导体还提供稳定的导向力和悬浮力, 也就是不会上下左右摇晃, 像钉子一样牢牢地扎在永磁轨道上面.
超导层厚度仅为头发丝的百分之一
可以悬浮又可以悬挂, 看起来有点像变魔术. 这其中的秘密在哪里呢? 邓自刚介绍, 首先是铺设在轨道上的永磁材料. 其实高性能的永磁材料, 国外已经研制生产多年, 但这些产品技术曾经对我国长期封锁, 不要说买不到, 就是想去参观都不行. 唯一的办法, 就是中国人自己造. 磁悬浮实验室在成都, 但磁悬浮的材料, 却在杭州一家企业默默地研发生产.
研制高性能的永磁材料, 尤其用于高温超导磁悬浮轨道上的永磁体, 首先需要将十几种原料, 包括多种稀土材料熔合, 均匀分布.
杭州永磁集团有限公司副总裁冒守栋告诉《经济半小时》记者, 这个过程好比揉面, 很难, 但是对磁钢的性能很关键.
在对十几种原料进行精密排布后, 就需要用电流给磁钢充磁, 这也是危险性比较高的环节. 如果充磁充不好, 容易造成它性能不稳定, 有些时候控制不住, 磁钢容易飞到天花板上去.
经过反复试验, 高性能永磁材料总算成功研制成功, 但接下来又一个难题出现了: 那就是怎样把永磁体拼接在一起形成磁悬浮导轨? 由于永磁体之间相排斥的磁力很大, 一小块可产生300多公斤的推力, 一不小心就可能跑偏. 那么, 有什么方法能有效解决拼接, 组合难题呢?
杭州永磁集团有限公司副总裁冒守栋: 要靠一系列设计的工装, 通过机械的方式, 一点一点把它固定好, 一个磁钢固定好, 再装下一个磁钢.
西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士邓自刚: 当时也是前期做了很充分的一种设计, 设计了夹具之后, 然后现场又不断地摸索, 不断地改进, 最后找到了一种比较优的方式, 我们最后84块永磁轨道, 安装只花了一天的时间.
永磁导轨材料的难题得到解决之后, 邓自刚的团队开始面临第二道难题的考验, 这就是世界制造磁悬浮列车最为核心的高温超导材料.
邓自刚: 我们的超导材料, 就装在我们车子四个角, 这块黑色的盖板里面. 这个超导材料, 它就替代了咱们汽车的四个轮子. 这个超导材料, 在我们液氮低温的环境里面, 它就可以实现悬浮.
本世纪第一个10年, 全球只有3家第二代高温超导材料供应商, 2家在美国, 以昂贵的价格向全世界销售, 另一家企业在日本, 但禁止出口. 如果材料只能靠进口, 我国发展高温超导产业就会被 '卡脖子' . 经过多方寻找, 邓自刚把目光锁定在上海超导科技公司.
上海超导科技股份有限公司超导材料事业部副总经理吴祥: 为什么我们做这个事情? 也是有一个情怀在. 因为以前我们去参加国际会议, 大家来报道的超导材料, 都是别人做的, 一说到中国的超导, 提问的就非常的少, 就是有一种感觉, 就是中国没有人做出来这个东西. 我们的想法就是, 不管怎么样, 一定要把这个做出来, 就是为了争这口气.
2011年, 上海超导科技公司正式成立并开始研发. 他们遇到的第一个难关, 就是怎样将不同的涂层和超导带材紧密连在一起. 超导带材是由好几层不同原料加工涂抹在一起的, 超导层位于中间核心层, 外面主要分为机带, 隔离层, 缓冲层等七, 八层, 之所以加这么多层, 主要起保护, 缓冲作用, 相当于给中间层的超导带材, 穿了一套防护铠甲, 让超导带材的性能保持稳定性和一致性. 但这几层原料都不同, 涂抹的厚度, 需要非常薄, 非常均匀. 工艺难度极大.
上海交通大学国家能源智能电网 (上海) 研发中心电气工程系特别研究员赵跃: 它是在一个50微米厚的, 不锈钢带材上, 所镀着的超导薄膜, 50微米厚的是一个什么概念? 就是我们大概头发丝一样的厚度, 但是它们中间所起到的, 最重要的超导层厚度, 仅为头发丝厚度的大概1%左右.
上海超导科技股份有限公司超导材料事业部副总经理吴祥: 超导层其实说白了, 是我们现在最难镀的, 因为它的工艺很特殊, 我们用的是激光附着沉积来镀膜.
但最艰难的, 是将超导带材连接在一起的技术, 尽管现在超导带材长度已从最初的百米级做到现在公里级长度, 但受限于现有技术, 世界上还没有不做接头的超导带材. 超导带材一有接头, 就会有电阻. 如何把电阻降到最低值, 不仅是中国人的难题, 也是世界各国企业面对的难题.
吴祥: 我们公司研制了一个超导接头技术, 它的电阻能够达到两纳欧姆左右, 现在国际上大家正常能够做到几十纳欧姆左右. 两纳欧姆算是目前比较低的了.
经过3年多的努力, 世界先进水平范围内的超导材料, 终于在中国上海研制成功.
赵跃: 我们同样的一个条件, 和国际的一些同类产品进行比较, 它的性能, 载电流能力提高了25%, 在这个条件下, 我们绝对领先.
这种性能先进的超导材料应用前景广阔, 不仅用于磁悬浮交通, 还运用到超导电缆, 新能源汽车无线电充电系统, 甚至国防军事上, 比如导弹新的发射技术——冷发射.
赵跃: 传统的导弹方式是点火发射, 在一开始导弹点火的过程中, 会产生大量的热, 被敌方侦查到, 这样会对导弹采取一定的措施. 如果我们采用超导储能装置, 在短时间把巨大的能量, 迅速地释放出去, 可以把这个武器抛射到空中, 达到一定的高度再点火, 敌人就很难发现, 这是一个非常热门的技术, 各个发达国家都在研究.
材料和轨道这两道难关通过了, 西南交大实验室里的邓自刚, 开始面对最后的难题, 磁悬浮的实验车.
和其他材料研发的模式一样, 磁悬浮实验车的研发工作, 从成都转移到了中车唐山机车公司. 怎么让车悬浮起来, 还能保持磁悬浮车无论转弯, 还是上下坡, 都能安全, 平稳运行, 没有噪音呢? 中车唐山机车公司的科研人员接过了研发的接力棒.
中国中车唐山机车车辆有限公司博士高级工程师吴会超: 我们每个转向架, 相当于蜈蚣的一排腿, 我们转弯的时候, 就过弯道的时候, 每个模块, 都可以灵活进行转动, 这样的话, 我们悬浮车过整个的小弯道, 是非常灵活的.
2014年, 真空高温超导磁悬浮实验线, 在西南交大的成都实验室里顺利搭建完成. 西南交大几代学者, 通过不懈努力, 在磁悬浮领域创下一个又一个研制奇迹. 与此同时, 他们在科研理论上的贡献, 也获得了国际国内的巨大反响. 2016年, 邓自刚的大学老师王家素, 王素玉老师, 将自己毕生研究的心血, 撰写下来, 在德国出版发行. 此时, 距德国学者提出磁悬浮技术将近百年, 这是中国学者在磁悬浮发源地德国, 第一次用英文出版发行的超导专著.
西南交通大学牵引动力国家重点实验室博士邓自刚: 这两本书就体现了一个, 高温超导磁悬浮技术, 从领先到被追赶, 到再次领先的一个过程.
西南交大在高温超导磁悬浮方面的研究成果, 也强烈吸引着国外同行. 邓自刚告诉记者, 几个月后, 也就是2018年7月, 有几名巴西学者会来西南交大留学.
西南交通大学首席教授牵引动力国家重点实验室主任张卫华: 随着我们今年时速400公里, 400公里+, 这样一个试验平台的完成, 我们速度也可以做到最高. 接下来我们还做时速1500公里, 所以说我觉得我们在国际上, 应该无论高温超导磁浮, 还是真空管道, 都是走在前面的.
目前中国, 德国, 日本, 美国, 巴西等国正加大力度推进超导磁悬浮车的实用化进程. 美国Hyperloop one公司在内华达沙漠搭建了500 m长的真空管道试验线, 并于2017年实现了310 km/h的最高时速. 在国内, 中车青岛四方机车公司, 2016年10月正式启动, 研制时速600公里的高速磁浮列车项目. 2017年8月, 中国航天科工集团宣布, 人类第五种交通工具 '高速飞行列车' 项目已开展研究论证, 时速最高可达4000公里, 相比现在京沪高铁运行的最高时速350公里, 要快出10倍!
半小时观察
在科技研发最关键的时刻, 我们的镜头能记录的都是过程中的艰辛和枯燥. 但正如西南交大校长所说, 今天这个时代就是一个创造奇迹的时代. 中国的高铁今天已经走在了世界的最前面, 而下一代革命性的技术研发, 中国科学家也没有丝毫的松懈, 也许在不久的将来, 你我坐上时速上千公里的高铁时, 我们会回想起今天这些科学家们的艰苦努力, 过程就是这样的枯燥, 但最终汇集在一起的就是中国制造的奇迹.
