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日本磁悬浮中央新干线：新型“超特快”靠超导疾驰
2013/12/09 00:00
【日经BP社报道】日本磁悬浮中央新干线的研发耗时约50年，凭借500km的惊人时速与稳定性，将其他国家的竞争远远抛在身后。为了在2027年投入运营，终极超高速特快即将启程。
继新干线之后，还要建造1小时就能从东京到大阪的超高速铁路！
距今大约50年前。东海道新干线开通在即、正在加紧建设时，日本的“铁老大”国铁公司为自己定下了新的目标——实现最高时速达到500km的超高速铁路。当时是1962年。
他们把目光瞄准了“超导磁悬浮”。那时，超导现象在5年前，也就是1957年才刚刚得到理论解释。
颠覆铁轨配车轮的“铁路”概念、使用“超导”这种梦幻新技术开发划时代的铁路，这个梦想一直从国铁传递到了东海旅客铁道（JR东海）公司，现在即将开花结果了。
JR东海准备在2027年开通东京到名古屋的超导磁悬浮列车，在2045年实现到东京到大阪全线开通。9月18日，该公司向沿线地方政府送交了环境影响评测书，公开了路线和车站位置等信息。这个空前的超大型项目终于有实际动作了。
日本政界传出了要赶在2020年东京奥运会举办之时开通的“磁悬浮期待论”。但是，9万亿日元的工程总投资全部由JR东海承担，该公司社长山田佳臣对此表示，“如果国家能够提供考虑企业负担的方案，我们愿意考虑”。
利用超导磁铁悬浮前进
磁悬浮中央新干线利用的是“超导磁悬浮”这项尖端技术。车体在被称作“导轨”的铁轨上方悬浮行驶。首先会利用车轮起动，在时速达到140km时上浮，最终达到500km的时速。简单来讲，就是利用磁铁同极相斥的斥力使车体上浮，利用马达的原理实现移动。
超导是金属等物质降低到一定温度后电阻变为零的现象。实现超导磁悬浮时，要把铌钛合金制成的线圈放在超低温的密闭容器中，然后向容器内填充液氦，当温度降至零下269度时，线圈将达到超导状态。为了防止升温，还要配备冷冻机。
线圈通入电流就变成电磁铁，在通常情况下，一旦断电，线圈的磁场也将消失，就不再具备磁铁的功能。但处于超导状态的线圈即使断电，内部依然有电流流通，而且，超导磁铁的磁场高达永磁铁的数十倍。磁悬浮中央新干线的车体与车体接合处的侧面就安装了这样的超导磁铁。
超导磁悬浮列车的行驶依靠“悬浮”、“导向”、“推进”3个要素。具体来说就是使车体“悬浮”，“引导”其进入恰当位置以免碰撞导轨，利用线性马达“推进”，以500km的最高时速行驶。下面，就让我们逐一分析这3个要素。
悬浮依靠的是车体上的超导磁铁，以及在起到铁轨作用的导轨侧壁内嵌的8字形“悬浮导向线圈”。
车体上的超导磁铁接近悬浮导向线圈后，在电磁感应的作用下，线圈将产生强烈的磁场。借助侧壁下方同极的斥力，以及来自侧面的引力，车体将上浮在导轨上方约10cm处。随着车体的移动，悬浮导向线圈在电磁感应的作用下将接连产生磁场，使车体保持悬浮状态。
接下来是“导向”，是指让车体稳定保持在距离导轨下部约10cm、距离侧壁约8cm的位置。车体中心上下左右的偏差必须控制在1日元硬币（直径20mm）的范围内，比普通的新干线还要稳定。
稳定的秘密在于侧壁内的悬浮导向线圈之间经由线缆连接。车体如果向左右偏移，线缆中就会有电流流过。根据电流流向的不同，一侧线圈将受到斥力，另一侧线圈将受到引力，使车体回到中心位置。
最后是“推进”。推动车体前进的动力来自线性马达。通常的马达为圆筒形，是利用磁铁的引力和斥力带动中轴旋转，而线性马达的构造则是把圆筒切开摊平，无需转轴即可获得推进力。
也就是说，嵌在导轨内的“推进线圈”通入电流后，相对于永磁铁的旋转运动，车上的超导磁铁是沿前进方向移动。速度控制是通过改变向线圈提供的电力的频率实现的。
投入商业运营时，还将在超导磁悬浮特有的驱动技术基础上组合使用现行新干线的运行系统、安全技术、以及地震检测技术等。截至目前，2条实验线路已经进行了多次行驶试验。
1977年，磁悬浮中央新干线走出实验室，在行驶距离为7km的宫崎实验线上进行了技术验证。在验证过程中，超导状态突然消失的“失超”现象成为了一道技术难题。
失超是指在摩擦等产生的热能的作用下，密封在密闭容器中的液氦渐渐漏出，导致超导状态突然消失的现象。发生失超后，悬浮的车辆会径直跌落到地面，非常危险。
JR东海与合作企业集思广益，通过改进容器的刚性克服了失超现象。担任JR东海磁悬浮开发本部副本部长的该公司执行董事寺井元昭透露，“返回头来看，失超是碰到的最大障碍”。
从1997年开始，为了在更接近商业运营的条件下开展行驶试验，JR东海在山梨县建设了42.8km长的实验线。在山梨实验线上开展行驶试验之前，彻底解决了失超等技术问题。借助这些努力，直到现在，在山梨实验线上进行的行驶试验全都一帆风顺。
当然课题依然存在。磁悬浮的成本高于现有的新干线，JR东海也表示，“单靠磁悬浮中央新干线无法盈利”。其中，地下深挖的隧道等基础设施的施工成本负担尤其大。车体成本也高于普通新干线。
还有观点把矛头对准了耗电量。按照二氧化碳排放量比较的话，虽然磁悬浮中央新干线只有飞机的1/3，但却是现有新干线的4倍左右。技术人员在节能方面还需要继续努力。
纯日本制造
超高速铁路如今虽说是JR东海独步天下，但竞争同样存在，其代表便是德国的“Transrapid”。Transrapid得到了上海磁悬浮列车的采用。但是，因为其采用永磁铁替代了超导磁铁，所以存在悬浮高度仅有约4cm的难点。
JR东海的磁悬浮中央新干线。在山梨实验线开展行驶试验的场景
请看上表。上表给出了超导磁悬浮和其他高速铁路的加减速性能。JR东海的超导磁悬浮列车的时速是在行驶到8.8km时达到581km。在山梨实验线上，当80秒跑完5km的时候，时速达到了500km。而法国高速列车（TGV）在18.7km的行驶距离内，时速最多只能达到320km。
磁悬浮列车拥有诸多优点，其中之一是利用磁力能够在高速铁路依靠车轮和铁轨无法行驶的大坡度上稳定前进。具备如此强大性能的磁悬浮中央新干线是不折不扣的“日本制造”。以JR东海为中心，包括开发车辆的三菱重工、日本车辆制造在内，共有近100家合作企业参与。
寺井副本部长透露，“我们不是刻意回避外资企业，而是因为开发期太长，只有日本企业愿意奉陪”。正是因为不畏艰苦竞争，持之以恒地进行开发，日本的磁悬浮才有了今天的成果。
寺井副本部长说：“磁悬浮中央新干线是超高速铁路的最终形态。”这辆历经约50年的努力，凝聚着日本技术精华的梦幻列车就要驶来。（记者：山根 小雪，《日经商务周刊》）
另外，目前日本磁悬浮列车的最高时速是581千米。
