磁浮列车

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磁浮列车

德国归来话“磁浮”-何祚庥

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     中国科学院院士何祚庥

    今年5月，有机会去德国看了一下磁浮列车。一个深刻的印象是，一场交通运输上新的技术革命，即将开始。

    (一)何谓磁浮列车？

    首先需要介绍的，何谓磁浮列车，传统的快速列车是利用车轮和钢轨之间的相互作用来解决支撑、导向和驱动这三大问题。磁浮列车却利用电磁场所特有的“同性相斥、异性相吸”的相互作用，来实现机车和路轨间的上浮、约束和驱动，从而实现机车紧贴路面但又是无接触的高速飞行。由于这一电磁体系完全取消了列车和钢轨间的直接接触所引起的磨擦力,因而大幅度降低了能耗、磨损、振动和噪声，也比轮轨列车更容易实现高速运行。如果说通常的高速轮轨列车的最高运行速度是300公里/小时的话，那末磁浮列车最高行驶速度将是450～500公里/小时，按照这样速度，由北京到上海，将不超过4个小时，由北京到广州将不超过5个半小时，而且比飞机更为舒适，安全和风雪无阻地准时到达，这无疑将会受到旅客的巨大欢迎。

    对于磁浮列车技术，通常存在的一种疑问是：这一技术是否经济实用？工程实施能否确保长期可靠安全运行？例如，见诸报端的一种意见是：“作为一种干线高速运输工具，磁悬浮在实用性、经济性、工程可行性方面还存在许多疑点”。

    出乎意外的是，这次考察对于上述三个疑点均得到了全面的澄清。

    (二)磁浮列车能否满足实用化的需要，是否己进入推广实用阶段？

    现有的磁浮列车有两种技术体系。一种是日本的超导式的磁悬浮列车；另一种是德国的电磁铁的或又称常导的磁悬浮列车。超导磁浮列车为电动推斥式磁悬浮，能将机车浮起10厘米；常导磁浮列车为电磁吸引式磁悬浮，磁浮间隙仅为1厘米。日本的磁浮列车已实现了552公里/小时的高速，德国的磁浮列车也达到了450公里/小时的高速。日本之所以要发展超导磁浮列车，是由于日本是地震多的国家，10厘米的悬浮易于抵御地震，但也有人批评，真是强地震来了，任何一种快速列车都抵御不了!但是，由于用到超导，这还要解决超导材料、低温冷冻机、液氦等技术困难，而且增加了投资。据日本技术专家估计，超导磁浮列车每公里造价将比日本的新干线贵30%。

    德国的磁浮列车，因为只用到通常的电磁铁，而这里是完全成熟的技术，所以在实用化方面，就远比日本成熟。德国专家的解答是：德国已修建了一个既有高架也有地面路轨的长达31.5公里哑铃式的试验回路。其最高时速是450公里/小时，载客420公里/小时，平均速度是300公里/小时。已历经大风大雪的考验，安全运行了15年。己运行了长达67万公里的里程，也经历过长达1000公里以上连续运行的多次考验。己有80万人次参观过这一试验线，有26.3万人次乘坐过这种磁浮列车。乘坐舒适，无振动，噪声小，急转弯时也感觉不到离心力，只看大地有60～120的倾斜。运行时能在12秒内换道岔，改变运行方向。至于磁场是否损害人体健康问题，据告知，经测量，由电磁回路所漏出的磁场远比地磁为弱。对于周围环境，经测量，包括考察团成员的测量，在时速是300公里/小时时，噪声是78～80分贝；时速是420公里/小时时，是90分贝；如下降到200公里/小时，那么和城市中一辆小轿车运行的噪声差不多。

    所以，结论是这一常导磁浮列车在技术上己完全实用化。德国己做了一个长达292公里的由柏林到汉堡线的全部设计，这标志着技术的实用性己完全成熟。

    现在由柏林—汉堡的磁浮线确己正式下马。但据官方和技术人员向我们解释说，这决不是技术上有任何问题，下马的原因出在经济上或政治上。技术人员在私下里却向我们解释说，更主要的是因为这触动了现有轮轨列车线路的利益。

    (三)磁浮列车有无经济效益？

    令人意外的“新闻”是，磁浮列车竟具有优越的经济性。据德国专家们的介绍，德国的轮轨式高速列车ICE，在平坦的地面，双线的投资是3400万马克/公里，在复杂的地形要超过5000万马克/公里；德国的磁浮列车Transrapid，其双线的投资是2900万马克/公里，亦即ICE投资的85 %。这一数字的依据是柏林—汉堡线的设计。由于柏林—汉堡线的地基比较疏松，否则其造价还可略低一些。至于磁浮列车用于复杂地形，就更呈现出它的优越性。由于磁浮列车的脉冲冲击压较小、自重较轻，所以更便于高架运行，其每米长度占地仅2平方米，而相应的轮轨高速列车占地达14平方米。我们看到的试验线就是一种形状简单的轻型结构。

    由于磁浮完全取消了“点接触”，就完全避免了机械磨损。其结果是，磁浮列车的路轨寿命是80年，而轮轨列车的钢轨和地基寿命是60年；磁浮列车车辆寿命是35年，轮轨列车是20～25年；然而这里给出的磁浮列车路轨和车辆的寿命还只是依据某些实验结果加上大幅度安全系数所做的保守的估计。避免磨损带来的最重要的经济效益，是磁浮列车的年运行维修费仅为总投资的1.2%，而轮轨列车要高达44%。考虑到二者总投资还略有差别，所以磁浮高速列车的运行和维修的成本约是轮轨高速列车的1/4。

    注意到磁浮列车和轮轨列车有等同的客运能力，一般来说，路轨和土建费用约占了总投资的 60%，由此，由上面给出的折旧率和运行维修费用，可计算出每位乘客的票价成本的相对比值1:28。这是不能忽略的二者在经济效益上的巨大的差别!

    需要进一步探讨的是：磁浮列车的基本原理是把电动机里的“转子”布置在机车上，而将“定子”铺设在路轨上，由于电动机的“转子”和“定子”间的相互作用，就将电能转化为列车前进的动能，可是，在通常的电动机里，定子是某一圆筒形的电磁体，现在却要展开为长达几百公里，甚至是千公里以上的“平面”，这无疑是昂贵的代价，有些人更斥之为“大浪费”!那末为什么德国技术专家向我们提供的每公里投资的数字，磁浮列车竟比轮轨列车少15%？

    对此，德国技术专家向我们解释说，任何电力机车都要将电能转化为列车的动能。只不过在轮轨列车是由电动机所产生的旋转动能，通过一系列的机械传递系统转化为车轮的动能，再进一步由钢轨和车轮间的摩擦力转化为列车前进的动力。现在只不过通过直线电动机，直接将电能转化为列车前进的动能，更为重要的是，轮轨列车之所以能迅速前进，其动力完全来自车轮和钢轨之间的“点接触”。机车上的“点接触”就为高速列车带来了巨大的持续的冲击压力，从钢轮、钢轨到地基要有特殊的技术要求。可是，磁浮列车的电磁体系，却是定子和转子间的“面作用”，两者的冲击压力比是5000:1!所以，虽然轮轨高速列车中只用到钢轮钢轨，但这里要求极高的安全系数，磁浮高速列车中，这一冲击应力负荷问题，就可以轻松过关。所以，新技术就带来了新的经济效益。

    (四)磁浮列车有无工程上的可行性？

    我们曾向德国西门子公司一位退休不久的副总裁瓦格纳先生提出如下的问题：您是长期主持西门子公司的一位技术专家，您曾在轮轨高速列车和磁浮高速列车都做过大量技术工作。如果市场上出现建设450～500公里/小时速度的快速列车的需求，那当前技术上唯一的选择必然是磁浮列车，但如果现在市场上只出现速度为300公里/小时的高速列车的需求，那末在两种技术都能满足需求的情形下，做为工程师的您，您将做何种选择？

    瓦格纳先生回答说：我仍然将选择磁浮列车。

    他解释说，问题还不仅仅因为磁浮列车有较好社会效益，(如速度快、噪音小、能耗小、占地少…)和较高的经济效益(二者的票价成本接近3:l)，而且还因为磁浮列车的工程难度特小，我本人曾为轮轨高速列车由300公里/小时的速度提高到330公里/小时的速度，奋斗了多年。虽然这里仅要求提高10%，但带来的技术难题多得不得了。因为轮轨列车的技术潜力在很多方面都已接近技术的极限，要突破300公里/小时，这就要对付更大的冲击压力，这要解决很多难题。直到最近才最后决定将在今年6月1日在德国的线路上试运行，而如果要求进一步提高到350公里/小时的速度，就还要解决更多的技术难题，但如果采用磁浮列车，而且仅要求300公里/小时的速度，那末从工程施工来看，就几乎没有什么难题，最多是要确保路轨有小于0.1厘米的平整度，磁浮列车的潜力或能力是400-500公里/小时，现在却只要达到300公里/小时，这正如一位百米赛跑的运动员要突破10秒的纪录，是很困难的事情；但如果请黑豹来做100米赛跑的运动员，那它将轻松地跑出7秒或8秒的成绩。在工程决策的问题上，对于一位优秀的工程师来说，他优先考虑的是工程的难度问题，因为必须确保工程的成功。

    当然，瓦格纳先生所谈的是德国的抉择。对于中国的科技人员来说，不论是轮轨高速列车，还是磁浮列车技术，就都是新技术。那么摆在中国人面前，我们应该做出何种决策？这里我只拟回顾一下我国在国防决策上曾做过的一次抉择。1955年我国在巩固空防的问题上曾面临如下选择：中国是发展航空飞机，还是发展导弹？理论上导弹有高达10～20的马赫数，超音速飞机的马赫数最多只是2，导弹打飞机，一打一个准；飞机打导弹，连影子也看不见。但是，航空已经是成熟的技术，而导弹只存在于文献上，直到1956年，才由苏联发射了第一枚洲际导弹。在那时的中央军委决策说，中国首要是发展航空飞机。可是，新回国的钱学森教授却力排众议，他在研讨国防技术的座谈会上提出，虽然导弹还只是“八字不见一撇”的技术，但对中国人来说，更应着重发展导弹。飞机要求重复飞行，飞机的难点在于材料，材料问题的解决，有赖于长期的经验积累，没有10 年以上的时间，很难说材料问题就此解决。导弹的发射是一次性的，因而没有尖锐的材料问题。导弹的难点在于制导，要求“看得清、打得准”，这要靠大脑来解决，然而中国人的头脑并不笨，所以，对于中国人来说，掌握导弹技术，要比掌握飞机技术更为容易!

    钱学森教授对空防技术所做的精辟的分析，震惊四座。陈赓大将听了极为兴奋，当即汇报到聂总，汇报到周总理，最后就汇报到毛主席。一个重大的战略决策就此做了出来，中国应当重点发展导弹。现在看来，钱学森教授这一极重要的发言，使中国的导弹技术，提前了10年!

    现在面临的问题是，磁浮列车技术已能交付实用，已呈现出巨大的经济性和社会效益，其工程实施的难度只有比轮轨高速列车更为容易。所欠缺的是中国的科技人员尚没有足够的技术经验。那末中国的抉择，何去何从？

    尤其要看到的是，磁浮列车的兴起，将带动一大批新兴的电机工业，如变频的电动机，变频的发电机等(如风力发电机，要求能适应风力的不均匀引起的叶面转速不均匀，但发出的电仍需50周)，如果超导磁浮列车技术已经成熟，就将带动一连串超导工业，如此等等，这将为中国工业的发展带来新的机遇。

    (五)共产党人要成为先进社会生产力的代表

    45年前，在国防建设上，我国曾做出一项重大战略决策，集中力量于突破核弹、导弹技术。两弹技术一过关，中国人就此站立起来，就此请进联合国。

    现在我国正集中力量于经济建设。我一直认为，在经济建设的问题上，同样应挑选8～10个足以影响经济建设全局的重大科学技术问题，集中力量进行攻关，实现世纪性的技术跨跃。

    中国地大物博，人口众多，中国将有世界上最大的客运量，将要求快速、便捷的交通。一种理所当然的设想是，中国将需要修建时速达500公里/小时，长度达10000公里的高速铁路，并形成网络。由于磁浮列车的低噪声，高运速、低造价，磁浮列车还将成为联结卫星城市、联结旅游景点的最佳交通工具。短短 40公里的距离，将在 8～9分钟内即行到达城市中心。所以，中国将有100个大城市，平均修建长达100公里的磁悬浮线。这两项需求加在一起，中国将出现总数达2.5～3万亿元的磁浮列车的巨额市场需求，伴随而来的是远超出这一数额的经济效益和社会效益。

    最近，江泽民同志在多次讲话里提出，共产党人要成为先进社会生产力发展要求的代表。这里的“先进”一词，不仅仅指生产关系上的先进，尤其要看到这里指技术上的“先进”，劳动生产率上的“先进”，更适应于经济发展需求，人民生活消费需求的“先进”的社会生产力。至于生产关系或所有制以及经济体制的选择，就要选择适合于先进社会生产力的那种生产关系。

    结论：中国共产党人必须关注、支持并大力促进磁浮列车这一“先进”社会生产力的发展。

    何祚庥：理论物理学家。中国科学院院士，中国科学院理论

    物理研究所研究员。

    (本文刊登在《中国科学院院士建议》2000年第10期)