對磁懸浮高速列車技術認識的兩個錯誤觀點

0 　引　言低速下磁浮列車的運行阻力主要有克服懸浮導
1998 年以來,在國際上爭論了幾十年的磁懸浮高速列車技術突然在中國火爆起來。6 年中發表了為數甚多的文章和言論,對中國地面高速交通的發展,有著較大的影響。應當說有許多說法是不妥當的,有些甚至是錯誤的。例如,認為地面高速交通的速度越高越好,認為德國常導磁懸浮高速列車技術最先進,就是2 個錯誤的觀點。由于它們流傳最廣, 認同率最高,所以危害也最大,需要加以澄清。

1 　地面高速交通速度并不是越高越好
磁浮列車受到關注的主要原因是它的高速度, 但是,人們往往忽視了以下2 點:高速度并非磁浮列車的特長;對地面交通而言過高的速度并非有利。
磁浮列車的功能分懸浮、導向和牽引。后者靠線性電機來實現,是決定速度的關鍵。而線性電機牽引既可用于磁浮,也可用于輪軌列車。采用線性電機牽引的地鐵輪軌列車早已實現,東京一條這樣的地鐵線已經商業運營了好多年,中國廣州地鐵準備采用。所以,磁浮列車的特點就是磁懸浮,不是它的牽引高速度。
至于磁浮列車靠線性電機牽引所能實現的400 ～600 km/ h 高速度能夠說明它的先進性嗎? 很遺憾,答案 也是否定的。任何交通工具都在某種介質中運行,要得到前進速度都需要消耗能量來克服來自周圍介質的阻力。地面高速交通系統處在地表稠密大氣層的包圍之中,其高速運行的關鍵是克服強大的氣動阻力和氣動噪音。氣動阻力與速度平方成比例,牽引功率等于力乘以速度,故能耗與速度3 次方成比例,噪音則正比于速度的5～8 次方。這一客觀規律對所有地面運輸系統來說概莫能外。
向磁阻所產生的阻力和用于從軌道向車內供電的直線發電機所產生的阻力。前者幾乎是常數,其單位列車質量的能耗按德國的實測數據為117 kW/ t 。輪軌列車低速下的主要阻力為輪對滾動和機械阻力,分常阻力和隨速度線性變化的阻力兩部分。
然而,隨著速度的提高,空氣阻力在總阻力中所占比重迅速上升。根據日本新干線列車和德國TR06 磁浮列車的實測及在實測基礎上的推算,當速度為200 、300 、400 、500 km/ h 時,輪軌和磁浮列車空氣阻力占比重分別為67 % 、80 % 、87 % 、92 % 和53 % 、72 % 、83 % 、92 % , 所以在地表稠密大氣層里以300 km/ h 以上運行的高速列車,不管是輪軌還是磁浮,70 % 以上的阻力均來自大氣,需要的牽引功率更加突出,氣動噪音更是如此。當然,人們可以任意加大牽引電機的功率來達到超高速,但這對于輪軌與磁浮的比較來說,只在百分之幾上面做文章,已經沒有什么意義了。
對于輪軌與磁浮高速列車的一個共同問題是: 在地表稠密大氣層中運行,值不值得去追求過高的速度,比如超過400 km/ h 。不妨先看一下其他運輸領域的情況。
例如航空。現代客機可以升空10 000 m , 該處空氣密度僅及地表的1/ 5 , 所以適航速度可達1 000 km/ h 。以前只能爬高5 000～6 000 m , 設計速度只定為500～ 600 km/ h 。直升飛機航高3 000 m 左右,故航速亦在300 km/ h 附近。協和式客機想打破常規,升高到15 000 m , 航速超過1 500 km/ h , 號稱由巴黎飛紐約3 h 到達,結果油耗過大,票價過高,無法商業運營,不得不宣告停飛。
再看水運。船舶自浮于水面,懸浮能耗為零,故水運成本最低。但水中阻力比空氣阻力大許多倍, 船舶只能以低速航行。最快的游艇也不超過90 km/ h 。人們曾研究高速水運,唯一可能就是脫離水介質,采用水面效應飛機,離水面3～4 m 飛行,速度可達300～ 400 km/ h 。為什么不提高到500～ 600 km/ h 因為仍在地表稠密大氣層里,去克服過大的空氣阻力是不經濟的。
十分明顯,在地表稠密大氣層里運行的高速列車,不管是否懸浮,都有一個最高經濟速度,其值應在300～400 km/ h 之間。高于400 km/ h , 在能耗和噪音指標上都是不經濟的。由上述空氣阻力所占比例來看,磁浮列車在400 km/ h 以下均低于輪軌,亦即其他阻力均高于輪軌,而超過400 km/ h 在總體上更是不經濟。這就是國際上磁浮列車經過幾十年的研制仍無法進入運輸市場的緣故。浦東磁浮車達到430 km/ h 時,車內噪音為84 dB , 車外噪音為90 dB 以上,嚴重超標,這就是稠密大氣在起作用。德國當初選定比較落后的常導技術,最高速度目標值定為280 km/ h , 想盡早投入運用,與輪軌高速爭高低。實在無望時,才將速度提高到400 km/ h 以上, 希望在速度上擁有優勢,但是,這樣也無法掩蓋德國磁浮技術的落后性。
2 　德國常導磁浮高速列車技術落后性
德國常導磁浮列車利用磁場吸力實現懸浮,間隙越小,吸力越大,本質上是一個不穩定系統,全靠自動控制技術保持其8～10 mm 的懸浮間隙。眾所周知,任何控制都有調節時間,不可能100 % 地實時調節,速度不高時還可以實現,速度越高留給調節的時間越短,對控制系統的要求就越高。德國西門子公司能夠使速度提高到430 km/ h , 就控制技術來說,的確達到了世界先進水平,但卻是以線路的極高精度為前提的。如浦東磁浮線的土建部分由中方承擔,要求由德方提出,十分苛刻,不得不采用磨削等機械加工方法來生產鋼筋混凝土構件。中國工程師發揮難以置信的智慧和努力,以最短時間完成了最高質量的土建工程。很可惜這種對土建構件的過分要求在技術經濟上是不合理的,是德國落后的磁浮技術所帶來的結果。
日本超導磁浮技術利用磁場斥力實現懸浮,間隙越小時,斥力越大,自動將間隙加大,直到達到平衡,所以,從本質上說,是一個自適應、自穩定系統,毋須任何人為控制。由于采用超導技術,磁場強大, 能懸浮100 mm , 對土建結構沒有特殊要求,即使發生輕微地震,磁浮列車可以照常運行。其試驗速度已達580 km/h , 會車試驗已達1 000 km/ h , 這3 項指標都是世界最高記錄,從懸浮原理和技術水平來說均超過德國。即使如此,日本仍不敢輕言工程化, 仍在繼續研究,核心是降低成本和提高可靠性,非如此無法進入運輸市場。
任何先進技術,只有在構成先進系統后才是先進的。浦東磁浮的控制系統和高精度的土建施工技術誠然達到了國際領先水平,但構成的德國磁浮技術卻是落后的。自動控制技術再高明,相對于毋需控制的自穩定系統而言就是落后的。土建工程在運輸系統中屬固定設備,占用90 % 以上的投資。車輛屬移動設備,對其最基本的要求是適應固定設備,盡可能放寬對后者的要求,以達到降低總成本的目的。德國磁浮技術反其道而行之,不可思義地把機械精度強加于土建結構,必然極大地提高建設成本,明顯表現出它的落后性。
判斷任何一項技術是否先進的唯一檢驗是市場。德國從20 世紀90 年代初開始就籌建柏林漢堡292 km 商業磁浮運營線,90 億馬克的建設資金業已到位,即將開工修建,但是經過市場預測,每年要虧損3 億馬克,于是在2000 年3 月毅然宣布放棄這項計劃,還沒有進入運輸市場就被市場所拋棄。這一悲劇結果是對德國磁浮技術落后性的有力說明。前已提到,德國選擇落后的常導技術是一種短期行為,缺乏長期戰略考慮。常導技術對控制要求高,不便運用;對土建工程要求嚴,極大提高建設成本;速度并不高,試驗最高速度僅為450 km/ h , 他們說浦東線按505 km/ h 設計,只是紙上談兵。由于磁浮列車有一半在線路上,一經選定就不能改型。明知將速度由280 km/ h 提高到430 km/ h 對常導磁浮來說太困難了,但也只好勉為其難。德國的這一教訓千萬不能當作經驗來吸取。
磁浮列車作為一種運輸新技術加以研究是應該的,高速磁浮在某種特定條件下也是需要的。但認為德國技術最好,一心搞德國技術國產化是很危險的,后患無窮。鑒于這種危險的確存在,本文大聲疾呼,為子孫后代著想,千萬不要走上德國常導高速磁浮之路。