日本已開建的新一代500公里時速磁懸浮新幹線是何方神聖？

出品：科普中國

製作：科了個普 翼

監製：中國科學院計算機網路信息中心

到過日本的朋友們肯定對日本貫通全國的高速鐵路系統——新幹線並不陌生，這也是當今世界上最先進的高速鐵路系統之一。那麼，您是否了解日本正在建造中的「磁懸浮中央新幹線」呢？這項工程有何獨特之處呢？為什麼這樣一項工程，在日本國內也飽受爭議呢？中國磁懸浮技術進展到何種程度了呢？

史無前例的中央新幹線

2014年9月，連接日本東京和名古屋的「磁懸浮中央新幹線」正式開工建設，這項21世紀夢幻般的巨大工程預計2027年開通運營，路線為東京品川至名古屋區間，2045年實現東京至大阪全線貫通。

是的，您並沒有看錯，日本政府的確制定了一個歷經31年的工程計劃，比工程耗時更加夢幻的，還有高達9萬億日元（約合人民幣5184億元）的工程費。

這條無論是耗時還是耗資都如此「浮誇」的中央新幹線，到底是什麼樣的呢？

如圖所示，中央新幹線的大體走向其實與中央本線、關西本線相同，將連接日本的首都圈、中京圈、京阪神三大都市圈。東起東京的品川站，向西行經神奈川縣、山梨縣、長野縣和岐阜縣，接著到達名古屋，途中分別在神奈川的相模原市、山梨的甲府市、長野的飯田市與岐阜的中津川市設置站點。

中央新幹線的設計中，日本首次將其獨自研發的超導磁懸浮技術應用在高速鐵路上。建成後的中央新幹線將是首條使用磁懸浮列車的城際鐵路線，成為全球最快運營列車，當然，可能也是迄今世界上造價最高的鐵路線。

究竟有多快？超導磁懸浮技術將中央新幹線的車速提升至每小時500公里，大概是現時日本現有新幹線子彈列車的兩倍。品川至名古屋的最短行駛時間將從目前東海道新幹線的1小時28分縮短至49分鐘，品川至大阪將從2小時18分鐘縮短至1小時7分。

功不可沒的超導磁懸浮技術

作為中央新幹線引以為傲的核心技術，超導磁懸浮技術簡單說，就是利用車上超導體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈形成的磁場之間所產生的相斥力，使車體懸浮於軌道之上10cm騰空，這樣列車在運行時的阻力降低很多，沿軌道「飛行」的速度可達每小時500公里。

是不是依然有些雲里霧裡？那麼我們先來認識一下超導體。

1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林—昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）意外地發現，將汞冷卻到-268.98℃時，汞的電阻突然消失。後來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，也就是超導體的零電阻效應，由於它的特殊導電性能，卡末林—昂內斯稱之為超導態。這一發現使他獲得了1913年諾貝爾獎。

此後，科學家們經過試驗，不斷刷新超導臨界溫度的高度，高溫超導體發現以後取得了巨大突破，超導態可以在液氮溫區(零下196度以上)出現，超導懸浮的裝置更為簡單，成本也大為降低，超導技術走向大規模應用。

荷蘭萊頓大學的物理學家卡末林—昂內斯

1933年，德國物理學家邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德（R.Ochsebfekd）對錫單晶球超導體做磁場分布測量時發現，在小磁場中把金屬冷卻進入超導態時，體內的磁力線一下被排出，磁力線不能穿過它的體內，也就是說超導體處於超導態時，體內的磁場恆等於零。這種效應被稱為「邁斯納效應」（完全抗磁效應），是超導體的另一個基本特性。

隨後的實驗還證明，不論導體是先降溫後加磁場，還是先加磁場後降溫，只要進入超導狀態，超導體就把全部磁通量排出體外。

完全抗磁性是超導體磁懸浮的物理基礎。我們來看這樣一個實驗：在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小、磁性很強的永久磁鐵，然後把溫度降低，使錫出現超導性；這時可以看到，小磁鐵飄然升起，離開了錫盤表面，最後穩定的懸浮在一定高度。這是由於超導體「不允許」其內部有任何磁場，如果外界有一個磁場要通過超導體內部，那麼超導體必然會產生一個與之相反的磁場，保證內部磁場強度為零。這就形成了一個斥力。

所以，當在一個超導體正下方放置一個磁體，並使磁感線垂直通過超導體的時候，超導體將獲得垂直的上浮力。當這個浮力的大小與超導體的重力剛好相等，超導體就可以懸浮在空中。

日本中央新幹線正是基於低溫超導磁懸浮的原理，採用在列車車輪旁邊安裝小型超導磁體，在列車向前行駛時，超導物質則向軌道產生強大的磁場，並和安裝在軌道兩旁的鋁環相互作用，產生向上浮力，實現消除車輪與鋼軌的摩擦力的目的。

安裝超導線圈的車輪與鐵軌俯視圖

日本在製造磁懸浮列車時使用的超導物質是將超細鈮鈦合金多芯線埋入銅母線內製成的超導電線，當此種超導電線浸入液氦(－269℃)中時，進入超導狀態產生強大磁場。這是世界上首次在實用運輸設備上用超導技術實現可獲得550公里穩定時速的大功率強磁線圈，其電壓為22KV。

為實現低溫超導磁懸浮所需的低溫，每一車載強磁單元上分別安裝了一台液氦及一台液氮壓縮制冷機，構成車載超低溫冷凍系統。液氦壓縮機的作用是將由於外部熱能及列車本身行駛時產生的熱能逐漸氣化了的氦氣重新冷凍還原成液氦。液氮壓縮制冷機的作用是將冷卻超導線圈外部隔熱板的液氮製冷劑重新冷卻，保持－196℃低溫液氮狀態。

低溫超導需要複雜的低溫系統，但它與普通磁懸浮相比具有以下優點：

※懸浮的間隙大，一般可大於100mm；

※速度高，可達到500km/h以上；

※可同時實現懸浮、導向和推進；

※推進直線同步電機效率高達70%-80%；

※低能耗的客運和貨運；

※永久電流工作不需要車上供電系統，重量更輕，耗電更少。

值得一提的是，日本這一技術在2015年4月21日山梨縣的磁懸浮試驗線中創造了當時的地面軌道交通工具載人時速603公里的世界新紀錄。

頗具爭議的浩大工程

日本出於謀求國土經濟均衡發展，以及通過超導磁懸浮技術的開發帶動各相關產業發展的目的，自1962年起就開始了直線電機推動懸浮方式列車的預研製工作。這項技術是由東海旅客鐵道株式會社（Central Japan Railway Company）（簡稱JR東海）傾其全公司之力，聯合其他100多家公司精心研究幾十年的成果。這家公司是日本國有鐵道運營商之一，負責營運日本本州中部的國鐵路線，同時經營著東海道新幹線（東京到大阪之間）這條日本鐵路的大動脈。

JR東海運營路線圖

至1999年2月10日，隨著在日本山梨縣境內進行的5節車輛時速500公里荷重270人分編組運行試驗的成功，日本超導磁懸浮列車的基本研製計劃已接近尾聲，將可以轉入商業性運營線路開發建設階段。

建造超導磁懸浮中央新幹線無疑是「安倍經濟學」中刺激國內經濟的一項重要舉措，其時間跨度、經濟投入在這個充滿不確定性的時代中，稱得上是一場孤注一擲的豪賭。日本首相安倍晉三此前表示，這一技術將成為日本下一批重量級出口項目之一，他本人也多次在重要場合親自「推銷」這一技術。安倍將「基礎設施出口」置於成長戰略的核心，一旦日本成功地向美國推銷磁懸浮新幹線，那麼對於開拓美國和其他海外市場極為有利。

2014年4月12日，安倍晉三乘坐磁懸浮列車，前往山梨縣實驗中心

誠然，超導磁懸浮高速列車絕對是技術層面上的一大跨越，定能給日本帶來許多世界第一的榮光，但是日本國民大多對中央新幹線這項耗資巨大的工程持保留態度，似乎看不到當年建設新幹線時表現出的熱情。不少人還對這項工程的目的、市場需求以及技術安全等方面都提出質疑。

雖然JR東海公司號稱僅憑一己之力就能夠承擔9.3萬億日元的建設費用，但大家對預算最終能否控制在這個限度內表示懷疑。此前，安倍政府曾打算3年內以0.3%的利率向ＪＲ東海公司放貸3萬億日元（約合1892億元人民幣），用以加快採用超導磁懸浮技術的中央新幹線建設，將把中央新幹線大阪延伸段的通車時間提前8年。批評人士指出，這項工程可能成為一個耗費資金的無底洞。

民眾懷疑建設中央新幹線是否真的有必要，由於日本社會人口結構正急速高齡化，人口數量不斷減少。預計到本世紀中葉，日本人口將從目前的1.27億人減至不到1億人，等磁懸浮列車投入使用時，或將出現上座率不足的問題。此外，也有人擔心，假如日本首都圈、中部圈、關西圈完全成為一體，很多需求將向東京聚集，會削減名古屋、大阪這些地方中心城市的作用。

人們詬病的還有中央新幹線的換乘站點太少，以及耗電問題。磁懸浮鐵路所需的電力為東海道新幹線的3倍，高峰期的中央新幹線全線所需電量有27萬千瓦，假如磁懸浮開通運營，日本要增加3、4座核電站才能滿足其需求。如此巨大的耗電量對目前的日本來說是一個相當恐怖的前景。

2017年12月18日，日本傳媒揭發日本磁懸浮中央新幹線項目的非法投標醜聞，四大建築商大林組、鹿島建設、清水建設及大成建設涉嫌串謀圍標，壟斷及瓜分這個造價達9萬億日元項目的建築工程合約。可以說讓這個本就被指勞民傷財的工程雪上加霜。

中國高鐵依然是有力競爭對手

近年來，在世界上全速前進的中國高鐵採用的是輪軌技術，在對高鐵的建設進行可行性研究、相關技術研究時，其中也包括磁懸浮與輪軌技術路線的競爭。之所以選擇輪軌技術主要有兩點原因：

一是我國輪軌試驗時速已經突破了574.8公里，運營時速也能夠突破350公里，中國南車製造的CIT500型的試驗時速甚至達到了605公里，極大地縮小了與磁懸浮之間的速度差距。當速度達到300公里以上時，運動物體所受的阻力90%是空氣阻力，磁懸浮雖然沒有機械阻力，因為還需要磁力將列車浮起來，也要消耗大量能量。所以當輪軌技術輕鬆突破時速300公里時，磁懸浮技術的相對優勢已經不那麼明顯了。

二是經濟和技術因素。磁懸浮線路的修建成本要大幅度高於輪軌線路的建設。更重要的是，隨著經濟社會需求的增加，高鐵線路只有形成網路才能發揮最大的效用，線路數量也會以幾何倍數增長。

在技術上，磁懸浮實現變軌的技術難度非常大，所以磁懸浮很難聯網。常導磁懸浮技術，列車是抱軌的，所以很難變軌，超導磁懸浮是在U型槽內運行，更難變軌。難以變軌還帶來另外一個困難，那就是增加了救援的難度，也是一個弊端。

相比於低溫超導磁懸浮新技術，中國高鐵任然具備價格低、性價比高、運營經驗豐富的優勢，競爭力有目共睹。

中國在磁懸浮探索中從未停止腳步

其實，中國在磁懸浮方面探索的腳步也從未停歇。中國正在研製超級磁懸浮列車，採用真空鋼管設計，未來的時速可達到每小時2000公里。早在2014年，在西南交通大學的牽引動力國家重點實驗室超導技術研究所，中國科學家成功完成了載人高溫超導磁懸浮環形軌道測試。

不過，由於環形軌道半徑太小，軌道半徑只有6米限制，當時試驗車的時速並沒有達到預期的25公里每分鐘。但是不得不提的是，區別於日本中央新幹線使用的零下269攝氏度的液氦，高溫超導磁懸浮技術使用的是零下196攝氏度的液氮來保證超導材料的性能。要知道，氦是稀有氣體，空氣中的佔比僅為5.2萬分之一，而空氣中70%卻都是氮，因此高溫超導的成本價格至少要比低溫超導要便宜50倍。

除了成本，高溫超導磁懸浮還是自然界中唯一能實現無源穩定懸浮的技術：它不像低溫超導磁懸浮那樣，需要複雜的懸浮和控制導向，且在車輛靜止時也能懸浮。未來，中國在這一領域的表現，同樣值得我們期待。

不管怎樣，我們總是樂於見到人類科學技術的進步與創新。中央新幹線的功與過、成與敗，或許只有時間能給我們一個明確的答案。

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