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(rèn)可，正在進(jìn)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(jī)的1000公里時(shí)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)也正在進(jìn)行中。《經(jīng)濟(jì)半小時(shí)》記者在成都的一間實(shí)驗(yàn)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(gè)真空管道超高速磁懸浮列車環(huán)形實(shí)驗(yàn)線平臺(tái)，是國內(nèi)第一個(gè)載人高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實(shí)驗(yàn)線。線路總長45米，設(shè)計(jì)載重300 公斤，最大載重可達(dá)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(jìn)行0-50 km/h的實(shí)際動(dòng)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，別小看這些復(fù)雜的機(jī)器設(shè)備，在真空管道理想狀態(tài)下，這項(xiàng)技術(shù)上的創(chuàng)新，可將列車?yán)碚摃r(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士副教授鄧自剛：很多指標(biāo)都是國際領(lǐng)先的。我們核心的東西，它的實(shí)際載重能力，能夠懸浮一噸重。我們這個(gè)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(xiàng)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(huì)——美國IEEE協(xié)會(huì)的關(guān)注，他們用兩個(gè)整版的文字報(bào)道了中國人的這項(xiàng)科研成果，英國BBC、美國CNN、歐洲公共電視臺(tái)等媒體，紛紛趕赴西南交通大學(xué)展開實(shí)地調(diào)查報(bào)道。這一項(xiàng)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(shí)它的標(biāo)題叫超級管道，然后下面還有評語，它覺得這個(gè)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(huì)有革命性的意義。
這個(gè)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(xiàng)目負(fù)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(shí)驗(yàn)，才誕生出今天的成果。
磁懸浮技術(shù)是上世紀(jì)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(jì)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(gè)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(jì)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(shí)不發(fā)生熱損耗，可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。超導(dǎo)磁懸浮，就是利用超導(dǎo)體的抗磁性，實(shí)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(gè)最大特點(diǎn)：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(yùn)動(dòng)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(huì)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(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(tuán)有限公司副總裁冒守棟告訴《經(jīng)濟(jì)半小時(shí)》記者，這個(gè)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(jìn)行精密排布后，就需要用電流給磁鋼充磁，這也是危險(xiǎn)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(shí)候控制不住，磁鋼容易飛到天花板上去。
經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，高性能永磁材料總算成功研制成功，但接下來又一個(gè)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(tuán)有限公司副總裁冒守棟：要靠一系列設(shè)計(jì)的工裝，通過機(jī)械的方式，一點(diǎn)一點(diǎn)把它固定好，一個(gè)磁鋼固定好，再裝下一個(gè)磁鋼。
西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士鄧自剛：當(dāng)時(shí)也是前期做了很充分的一種設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了夾具之后，然后現(xiàn)場又不斷地摸索，不斷地改進(jìn)，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(shí)間。
永磁導(dǎo)軌材料的難題得到解決之后，鄧自剛的團(tuán)隊(duì)開始面臨第二道難題的考驗(yàn)，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(gè)角，這塊黑色的蓋板里面。這個(gè)超導(dǎo)材料，它就替代了咱們汽車的四個(gè)輪子。這個(gè)超導(dǎo)材料，在我們液氮低溫的環(huán)境里面，它就可以實(shí)現(xiàn)懸浮。
本世紀(jì)第一個(gè)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(jià)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(jìn)口，我國發(fā)展高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)就會(huì)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(gè)事情？也是有一個(gè)情懷在。因?yàn)橐郧拔覀內(nèi)⒓訃H會(huì)議，大家來報(bào)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(gè)東西。我們的想法就是，不管怎么樣，一定要把這個(gè)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(gè)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(jī)帶、隔離層、緩沖層等七、八層，之所以加這么多層，主要起保護(hù)、緩沖作用，相當(dāng)于給中間層的超導(dǎo)帶材，穿了一套防護(hù)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(gè)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(gè)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(shí)說白了，是我們現(xiàn)在最難鍍的，因?yàn)樗墓に嚭芴厥?，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(huì)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(gè)超導(dǎo)接頭技術(shù)，它的電阻能夠達(dá)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(jìn)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(gè)條件，和國際的一些同類產(chǎn)品進(jìn)行比較，它的性能、載電流能力提高了25%，在這個(gè)條件下，我們絕對領(lǐng)先。
這種性能先進(jìn)的超導(dǎo)材料應(yīng)用前景廣闊，不僅用于磁懸浮交通、還運(yùn)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(diǎn)火發(fā)射，在一開始導(dǎo)彈點(diǎn)火的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，被敵方偵查到，這樣會(huì)對導(dǎo)彈采取一定的措施。如果我們采用超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置，在短時(shí)間把巨大的能量，迅速地釋放出去，可以把這個(gè)武器拋射到空中，達(dá)到一定的高度再點(diǎn)火，敵人就很難發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)非常熱門的技術(shù)，各個(gè)發(fā)達(dá)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(shí)驗(yàn)室里的鄧自剛，開始面對最后的難題，磁懸浮的實(shí)驗(yàn)車。
和其他材料研發(fā)的模式一樣，磁懸浮實(shí)驗(yàn)車的研發(fā)工作，從成都轉(zhuǎn)移到了中車唐山機(jī)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(yùn)行、沒有噪音呢？中車唐山機(jī)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(jī)車車輛有限公司博士高級工程師吳會(huì)超：我們每個(gè)轉(zhuǎn)向架，相當(dāng)于蜈蚣的一排腿，我們轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，就過彎道的時(shí)候，每個(gè)模塊，都可以靈活進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的話，我們懸浮車過整個(gè)的小彎道，是非常靈活的。
2014年，真空高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)線，在西南交大的成都實(shí)驗(yàn)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(gè)又一個(gè)研制奇跡。與此同時(shí)，他們在科研理論上的貢獻(xiàn)，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(shí)，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(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士鄧自剛：這兩本書就體現(xiàn)了一個(gè)，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(gè)過程。
西南交大在高溫超導(dǎo)磁懸浮方面的研究成果，也強(qiáng)烈吸引著國外同行。鄧自剛告訴記者，幾個(gè)月后，也就是2018年7月，有幾名巴西學(xué)者會(huì)來西南交大留學(xué)。
西南交通大學(xué)首席教授牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張衛(wèi)華：隨著我們今年時(shí)速400公里、400公里+，這樣一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的完成，我們速度也可以做到最高。接下來我們還做時(shí)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(jìn)超導(dǎo)磁懸浮車的實(shí)用化進(jìn)程。美國Hyperloop one公司在內(nèi)華達(dá)沙漠搭建了500 m長的真空管道試驗(yàn)線，并于2017年實(shí)現(xiàn)了310 km/h的最高時(shí)速。 在國內(nèi)，中車青島四方機(jī)車公司，2016年10月正式啟動(dòng)，研制時(shí)速600公里的高速磁浮列車項(xiàng)目。2017年8月，中國航天科工集團(tuán)宣布，人類第五種交通工具“高速飛行列車”項(xiàng)目已開展研究論證，時(shí)速最高可達(dá)4000公里，相比現(xiàn)在京滬高鐵運(yùn)行的最高時(shí)速350公里，要快出10倍！
半小時(shí)觀察
在科技研發(fā)最關(guān)鍵的時(shí)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(gè)時(shí)代就是一個(gè)創(chuàng)造奇跡的時(shí)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(shí)速上千公里的高鐵時(shí)，我們會(huì)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。
