編者按

磁懸浮列車通過電磁力實現列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導向，再利用直線電機產生的電磁力牽引列車運行。磁懸浮列車的構想于20世紀初首次被提出，經過幾十年的發展，目前磁懸浮列車已逐步投入使用。2021年1月，我國成都市在165 m長的軌道上首次試運行了最高時速為620 km的高溫超導磁懸浮列車，為未來我國高速軌道交通的發展奠定了堅實基礎。

中國工程院院刊《Engineering》2021年第7期刊發《風馳電掣——磁懸浮列車穩步發展》，報道了磁懸浮列車在全球主要國家的發展現狀以及技術創新情況，指出了磁懸浮列車發展面臨的主要問題，總結了磁懸浮列車未來的發展前景。文章指出，建造具有商業可行性的磁懸浮線路的主要挑戰是找到合適建造地點以及成本效益等。

2021年1月，最高時速為620 km的高溫超導（HTS）磁懸浮列車在165 m長的軌道上進行第一次試運行，這是其首次在中國四川省成都市公開亮相。這列21 m長的空氣動力機車及其試驗軌道均由輕質炭纖維制成，為中國高速鐵路未來的發展奠定堅實的基礎。

香港理工大學和美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校工程學教授及高速鐵路規劃、工程和運營專家Tsung-Chung Kao說：“盡管HTS技術不是一項巨大的革新，但重要的是他們真的在努力研發這項技術。”

20世紀初，美國人Robert Goddard和Emile Bachelet首次構想出由磁場力懸浮并向前推進的無摩擦列車，當時磁懸浮列車就已經被譽為鐵路的未來。然而直到20世紀30年代，德國工程師Hermann Kemper將這一概念付諸實際，該技術才再次得以發展。幾十年后，在20世紀60年代，美國科學家James Powell和Gordon Danby獲得了磁懸浮列車技術的首批專利，其中一項是針對迄今為止開發的所有磁懸浮列車設計背后的線性電動機的概念專利。

這些列車的磁懸浮系統分為兩類：電動懸架（EDS）和電磁懸架（EMS）。20世紀70年代，日本工程師開始廣泛開發EDS，其中，軌道和列車上的超導磁鐵會施加相反的磁場，由此產生的排斥力將列車抬升到軌道上方。EMS的發展則主要由德國工程師推動，其通過磁引力以與EDS相反的方式工作。想想一下拿起一個巨大的“T”形塊，你的手（列車）繞著木塊（鐵軌）螺旋移動。你指尖上的磁鐵會被“T”形塊下側的磁鐵吸引，這就是列車被抬起的原理。同時，大拇指內側以及指關節的磁鐵會被“T”形塊末端的磁鐵吸引，從而為列車在沿軌道向前行駛時提供引導。無論是EDS還是EMS方案，列車都懸浮在軌道上方1~10 cm處。軌道中內置的帶交流電的電動推進回路會產生磁場，該磁場既可以從前面拉動列車，也可以從后面推動列車。

盡管磁懸浮列車以超過600 km·h-1的速度行駛，但乘客所感受到的顛簸會比傳統鋼輪式列車要少，原因是列車唯一的摩擦源是空氣。磁懸浮列車的另一個優勢是其安全性較高。行駛在同一條路線上的磁懸浮列車都能夠以相同的速度行駛，因為他們不會追尾相撞。不過事故仍然可能發生：2006年，德國Transrapid公司制造的磁懸浮列車在試運行期間與一列維修車輛相撞，事故造成25人死亡；這也導致德國徹底放棄將該技術應用于國內項目。另外，磁懸浮列車也不可能因轉彎過快而脫軌——磁懸浮列車距離軌道壁的位置越遠，將其移回原位的磁力就越強。此外，磁懸浮列車可以爬升高大10%的坡度，爬升高度是傳統列車的兩倍。

總得來說，有關磁懸浮列車的絕大多數概念在許多年前就已經被提出。Kao說：“磁懸浮列車的基本技術與50年前幾乎相同，該技術已經非常完善了，能改進的方面非常有限。”

不過，這項技術最近在超導磁體方面得到了創新。中國運用EDS設計的新原型機，采用了一種新的超導磁體類型。傳統的超導磁體需要用液氦冷卻到–269 ℃，以產生比普通電磁體強10倍的強磁場，這對懸浮和推動列車來說是必須的一步。相比之下，2000年西南交通大學（SWJTU）的工程師在一列3.5 m長的原型機中首次應用的HTS磁體則使用更容易獲得的液氦在–196 ℃下實現超導，所需成本僅為液氦系統的1/50。

雖然中國擁有世界上最大的高速鐵路網絡，覆蓋超過37900 km，但中國目前只有3條磁懸浮線路正在運營。第一條是采用德國EMS技術的高速磁懸浮列車，于2003年推出，是世界上最長、歷史最悠久的磁懸浮線路。列車最高時速為431 km，連接上海浦東機場與城市東側龍陽路之間 30 km的路段。另外兩列采用中國EMS技術制造的磁懸浮列車的最高時速則較低。一列與2016年在中國湖南省長沙市開始運營，其軌道總長18 km，最高速度達到160 km·h–1。另一列于2017年投入運營，在北京地鐵某段9 km的路線上運行，最高時速為100 km。

西南交通大學的HTS創新是中國政府推動本土磁懸浮技術發展的一部分，目前還需要建造一些原型車以對該技術進行廣泛測試。除了在成都亮相的超高速HTS原型車——西南交通大學、中國中車股份有限公司（CRRC）、中國中鐵股份有限公司以及其他大學與公司的合作成果，另一個行駛速度超過600 km·h–1的原型車也由類似的機構聯合開發，并與2020年6月在同濟大學的一條短測試線上成功運行。西南交通大學的工程致力于更輕盈的設計，從而提供更好的操控感。

Kao表示，阻礙建設更多磁懸浮線路的主要因素不是技術。他說：“這一挑戰包含更多的可能是政治因素，其次是金融因素。”目前，高速磁懸浮列車的成本與平均最高時速為350 km的傳統子彈頭列車高約20%。但是由于磁懸浮列車的動力來源于磁場，而且它們的運動部件很少，因此它們產生的污染很小，需要更換的部件更少，需要維護也更少。因此，支持者認為，從長遠來看，磁懸浮線路比傳統高速鐵路更具成本效益。而反對者認為，為了實現列車和軌道之間的高精度對齊，維護復雜儀器的費用將增加，可能會抵消其他方面節約的成本。

中國政府部門似乎相信這項技術足以推進兩條更長的磁懸浮線路的建設：一條與于2006年首次被提出，長164 km，連通上海和杭州，預計到2025年可以投入商業使用；另一條長110 km，主要在地下連接廣州和深圳。Kao說“希望建設更多的線路使成本逐漸降低，這對中國市場來說絕對利好。”

據報道，中國還在湖北省建造了一條長200 km的真空密封隧道，以消除磁懸浮列車面臨的空氣阻力，這可能使列車的最高速度達到1000 km·h–1。這種所謂的超回路由美國特斯拉公司和Space X公司的Elon Musk提出：它需要一條及其筆直、平坦的通道，不過這可能會限制它的運行路線。

盡管有近幾十個國家正在探索磁懸浮列車的方案，其中包括由CRRC帶頭的幾個國家，但韓國和日本是目前僅有的其他兩個運營磁懸浮列車的國家。2015年，日本山梨縣磁懸浮列車在25 km長的測試軌道上運行，創下了603 km·h–1的列車速度記錄。以建造商業系統為目標開發磁懸浮技術的美國公司Maglev Technology的首席執行官Tony Morris說：“毫無疑問，這是一項技術奇跡，但它從未被運用于運載乘客的日常業務。”

Kao 表示，建造具有商業可行性的磁懸浮線路的主要挑戰可能是找到建造它們的合適地點。他說：“沒有那么多路線可以在經濟上支持這項技術。你要尋找需求極高的線路，比如紐約到華盛頓或東京到大阪。”

事實上，日本從2009年就開始建設跨越東京和名古屋之間的距離為286 km的商業磁懸浮線路。該線路預計于2017年開通，最高時速為500 km，將在40 min內完成兩個城市之間的通行，行程時間不到目前的一半。但該線路的成本估計接近1.1 × 1010美元，部分原因是80%以上的路線需要穿過修建費用高昂的地下和山地隧道。日本希望到2045年能夠修建完成東京到大阪的路線，將東京到大阪的550 km的行程時間縮短一半（一個小時左右）。

與中國一樣，日本也希望向國外出售其高速鐵路技術。在2013年訪問美國期間，日本當時的首相安倍晉三建議使用日本的技術并由日本提供部分資金來推動紐約市和華盛頓特區之間的高速鐵路建設。安倍晉三在2017年再次向美國總統提出了這個想法。但到目前為止，雙方還沒有達成任何協議。

Morris說：“如果談論經濟，這些項目中的每一個都需要以數以億計的運營成本補貼，并且可能需要數億甚至更多的資本成本補貼，這些系統并不能產生利潤。因此，即使技術已經存在，但如果你正在尋找的是財政和經濟上的成功，那么你就還需要繼續探索。”