(原標題:又一大動作!中國研發(fā)“超級高鐵”,理論時速可達1000公里!)
科技狂人馬斯克倡導(dǎo)的“超環(huán)高鐵”已經(jīng)在美國得到認可,,正在進行可行性方案研究,超環(huán)高鐵利用了低真空管道和磁懸浮技術(shù),,速度將接近飛機的1000公里時速,。這種高鐵不僅可以修筑在地表,,也可以開挖地下隧道。在中國,,這項實驗也正在進行中,。《經(jīng)濟半小時》記者在成都的一間實驗室里,,看到中國科學(xué)家正在為之努力,。
中國公布高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)
成都西南交通大學(xué)搭建的,全球首個真空管道超高速磁懸浮列車環(huán)形實驗線平臺,,是國內(nèi)第一個載人高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實驗線。線路總長45米,,設(shè)計載重300公斤,,最大載重可達1噸,,懸浮凈高大于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(dǎo)懸浮系統(tǒng),可進行0-50km/h的實際動態(tài)運行實驗,,別小看這些復(fù)雜的機器設(shè)備,,在真空管道理想狀態(tài)下,這項技術(shù)上的創(chuàng)新,,可將列車理論時速提高到一千公里以上的更高速度,,換句話說,眼前的這堆實驗設(shè)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(xué)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(lǐng)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(xiàn)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(xué)家推出的這項高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù),,一經(jīng)公布,,就引起了世界最大的電子電氣工程師協(xié)會——美國IEEE協(xié)會的關(guān)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、歐洲公共電視臺等媒體,,紛紛趕赴西南交通大學(xué)展開實地調(diào)查報道,。這一項科技技術(shù)的誕生,可能沒有引起民眾的過多關(guān)注,,但在世界眾多科學(xué)家的眼里,,中國人這次干出了幾乎是一件革命性的技術(shù)創(chuàng)造。
鄧自剛:當(dāng)時它的標題叫超級管道,,然后下面還有評語,,它覺得這個顛覆性技術(shù),可能對未來人們的出行方式,,或者航天應(yīng)用,,各方面應(yīng)該都會有革命性的意義,。
這個被世界多位科學(xué)家稱為顛覆性技術(shù)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(zé)人鄧自剛告訴記者,,幾十年來,西南交大,、國內(nèi)科研院所和眾多制造企業(yè)的專家,,不斷地接力式研發(fā)實驗,才誕生出今天的成果,。
磁懸浮技術(shù)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歷史。此后幾十年,,德國在常導(dǎo)磁懸浮,、日本在低溫超導(dǎo)磁懸浮方面一直保持著技術(shù)領(lǐng)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(shù)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(dǎo)材料從哪里來?特殊的軌道如何建設(shè),?車體究竟該怎樣設(shè)計等一系列的問題,,從無到有的這場挑戰(zhàn),中國的科學(xué)家又是否能研發(fā)成功呢,?
高溫超導(dǎo)磁懸浮中的超導(dǎo)指的是一種超導(dǎo)材料,,具有零電阻效應(yīng),也就是說,,電流流經(jīng)導(dǎo)體時不發(fā)生熱損耗,,可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強大電流,從而產(chǎn)生超強磁場,。超導(dǎo)磁懸浮,,就是利用超導(dǎo)體的抗磁性,實現(xiàn)磁懸浮,。而所謂高溫超導(dǎo),,是指零下196攝氏度的液氮環(huán)境中,超導(dǎo)所具有的特性,;低溫超導(dǎo)是指在零下269攝氏度的液氦環(huán)境中,,超導(dǎo)所具有的特性。
與低溫超導(dǎo)和常溫超導(dǎo)相比,高溫超導(dǎo)有一個最大特點:它有自穩(wěn)定性,,換句話說,,把高溫超導(dǎo)體放在永磁軌道上后,,既能懸浮,、又能懸掛,不管運動還是靜止,,都能懸?。欢以谟来跑壍郎?,高溫超導(dǎo)體還提供穩(wěn)定的導(dǎo)向力和懸浮力,,也就是不會上下左右搖晃,像釘子一樣牢牢地扎在永磁軌道上面,。
超導(dǎo)層厚度僅為頭發(fā)絲的百分之一
可以懸浮又可以懸掛,,看起來有點像變魔術(shù)。這其中的秘密在哪里呢,?鄧自剛介紹,,首先是鋪設(shè)在軌道上的永磁材料。其實高性能的永磁材料,,國外已經(jīng)研制生產(chǎn)多年,,但這些產(chǎn)品技術(shù)曾經(jīng)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(yè)默默地研發(fā)生產(chǎn),。
研制高性能的永磁材料,,尤其用于高溫超導(dǎo)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(jīng)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(guān)鍵,。
在對十幾種原料進行精密排布后,,就需要用電流給磁鋼充磁,這也是危險性比較高的環(huán)節(jié),。如果充磁充不好,,容易造成它性能不穩(wěn)定,,有些時候控制不住,磁鋼容易飛到天花板上去,。
經(jīng)過反復(fù)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(xiàn)了:那就是怎樣把永磁體拼接在一起形成磁懸浮導(dǎo)軌,?由于永磁體之間相排斥的磁力很大,,一小塊可產(chǎn)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(shè)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(xué)牽引動力國家重點實驗室博士鄧自剛:當(dāng)時也是前期做了很充分的一種設(shè)計,,設(shè)計了夾具之后,,然后現(xiàn)場又不斷地摸索,不斷地改進,,最后找到了一種比較優(yōu)的方式,,我們最后84塊永磁軌道,安裝只花了一天的時間,。
永磁導(dǎo)軌材料的難題得到解決之后,,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為核心的高溫超導(dǎo)材料,。
鄧自剛:我們的超導(dǎo)材料,,就裝在我們車子四個角,這塊黑色的蓋板里面,。這個超導(dǎo)材料,,它就替代了咱們汽車的四個輪子。這個超導(dǎo)材料,,在我們液氮低溫的環(huán)境里面,,它就可以實現(xiàn)懸浮。
本世紀第一個10年,,全球只有3家第二代高溫超導(dǎo)材料供應(yīng)商,,2家在美國,以昂貴的價格向全世界銷售,另一家企業(yè)在日本,,但禁止出口,。如果材料只能靠進口,我國發(fā)展高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)就會被“卡脖子”,。經(jīng)過多方尋找,,鄧自剛把目光鎖定在上海超導(dǎo)科技公司。
上海超導(dǎo)科技股份有限公司超導(dǎo)材料事業(yè)部副總經(jīng)理吳祥:為什么我們做這個事情,?也是有一個情懷在,。因為以前我們?nèi)⒓訃H會議,大家來報道的超導(dǎo)材料,,都是別人做的,一說到中國的超導(dǎo),,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,,不管怎么樣,一定要把這個做出來,,就是為了爭這口氣,。
2011年,上海超導(dǎo)科技公司正式成立并開始研發(fā),。他們遇到的第一個難關(guān),,就是怎樣將不同的涂層和超導(dǎo)帶材緊密連在一起。超導(dǎo)帶材是由好幾層不同原料加工涂抹在一起的,,超導(dǎo)層位于中間核心層,,外面主要分為機帶、隔離層,、緩沖層等七,、八層,之所以加這么多層,,主要起保護,、緩沖作用,相當(dāng)于給中間層的超導(dǎo)帶材,,穿了一套防護鎧甲,,讓超導(dǎo)帶材的性能保持穩(wěn)定性和一致性。但這幾層原料都不同,、涂抹的厚度,,需要非常薄、非常均勻。工藝難度極大,。
上海交通大學(xué)國家能源智能電網(wǎng)(上海)研發(fā)中心電氣工程系特別研究員趙躍:它是在一個50微米厚的,,不銹鋼帶材上,所鍍著的超導(dǎo)薄膜,,50微米厚的是一個什么概念,?就是我們大概頭發(fā)絲一樣的厚度,但是它們中間所起到的,,最重要的超導(dǎo)層厚度,,僅為頭發(fā)絲厚度的大概1%左右。
上海超導(dǎo)科技股份有限公司超導(dǎo)材料事業(yè)部副總經(jīng)理吳祥:超導(dǎo)層其實說白了,,是我們現(xiàn)在最難鍍的,,因為它的工藝很特殊,我們用的是激光附著沉積來鍍膜,。
但最艱難的,,是將超導(dǎo)帶材連接在一起的技術(shù),盡管現(xiàn)在超導(dǎo)帶材長度已從最初的百米級做到現(xiàn)在公里級長度,,但受限于現(xiàn)有技術(shù),,世界上還沒有不做接頭的超導(dǎo)帶材。超導(dǎo)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(yè)面對的難題,。
吳祥:我們公司研制了一個超導(dǎo)接頭技術(shù),它的電阻能夠達到兩納歐姆左右,,現(xiàn)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(jīng)過3年多的努力,,世界先進水平范圍內(nèi)的超導(dǎo)材料,,終于在中國上海研制成功。
趙躍:我們同樣的一個條件,,和國際的一些同類產(chǎn)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(lǐng)先。
這種性能先進的超導(dǎo)材料應(yīng)用前景廣闊,,不僅用于磁懸浮交通,、還運用到超導(dǎo)電纜,、新能源汽車無線電充電系統(tǒng)、甚至國防軍事上,,比如導(dǎo)彈新的發(fā)射技術(shù)——冷發(fā)射,。
趙躍:傳統(tǒng)的導(dǎo)彈方式是點火發(fā)射,在一開始導(dǎo)彈點火的過程中,,會產(chǎn)生大量的熱,,被敵方偵查到,這樣會對導(dǎo)彈采取一定的措施,。如果我們采用超導(dǎo)儲能裝置,,在短時間把巨大的能量,迅速地釋放出去,,可以把這個武器拋射到空中,,達到一定的高度再點火,敵人就很難發(fā)現(xiàn),,這是一個非常熱門的技術(shù),,各個發(fā)達國家都在研究。
材料和軌道這兩道難關(guān)通過了,,西南交大實驗室里的鄧自剛,開始面對最后的難題,,磁懸浮的實驗車,。
和其他材料研發(fā)的模式一樣,磁懸浮實驗車的研發(fā)工作,,從成都轉(zhuǎn)移到了中車唐山機車公司,。怎么讓車懸浮起來,還能保持磁懸浮車無論轉(zhuǎn)彎,,還是上下坡,,都能安全、平穩(wěn)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(fā)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(zhuǎn)向架,,相當(dāng)于蜈蚣的一排腿,,我們轉(zhuǎn)彎的時候,就過彎道的時候,,每個模塊,,都可以靈活進行轉(zhuǎn)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(dǎo)磁懸浮實驗線,,在西南交大的成都實驗室里順利搭建完成,。西南交大幾代學(xué)者,通過不懈努力,,在磁懸浮領(lǐng)域創(chuàng)下一個又一個研制奇跡,。與此同時,他們在科研理論上的貢獻,,也獲得了國際國內(nèi)的巨大反響,。2016年,鄧自剛的大學(xué)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(fā)行,。此時,距德國學(xué)者提出磁懸浮技術(shù)將近百年,,這是中國學(xué)者在磁懸浮發(fā)源地德國,,第一次用英文出版發(fā)行的超導(dǎo)專著。
西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室博士鄧自剛:這兩本書就體現(xiàn)了一個,,高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù),,從領(lǐng)先到被追趕,到再次領(lǐng)先的一個過程,。
西南交大在高溫超導(dǎo)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,,幾個月后,,也就是2018年7月,有幾名巴西學(xué)者會來西南交大留學(xué),。
西南交通大學(xué)首席教授牽引動力國家重點實驗室主任張衛(wèi)華:隨著我們今年時速400公里,、400公里+,這樣一個試驗平臺的完成,,我們速度也可以做到最高,。接下來我們還做時速1500公里,所以說我覺得我們在國際上,,應(yīng)該無論高溫超導(dǎo)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(dǎo)磁懸浮車的實用化進程,。美國Hyperloop one公司在內(nèi)華達沙漠搭建了500 m長的真空管道試驗線,并于2017年實現(xiàn)了310 km/h的最高時速,。 在國內(nèi),,中車青島四方機車公司,2016年10月正式啟動,,研制時速600公里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公里,相比現(xiàn)在京滬高鐵運行的最高時速350公里,,要快出10倍,!
半小時觀察
在科技研發(fā)最關(guān)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(chuàng)造奇跡的時代。中國的高鐵今天已經(jīng)走在了世界的最前面,,而下一代革命性的技術(shù)研發(fā),,中國科學(xué)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里的高鐵時,我們會回想起今天這些科學(xué)家們的艱苦努力,,過程就是這樣的枯燥,,但最終匯集在一起的就是中國制造的奇跡。
原標題:京雄高鐵鋪軌首次采用“北斗”定位系統(tǒng)科技日報北京4月15日電(記者矯陽)記者從北京鐵路局集團有限公司獲悉,,15日,,新建京雄高鐵正式鋪軌。