真空管高溫超導磁懸浮列車的工作原理是怎樣的？

01-28

為什麼能實現運輸速度的大幅提升？
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謝邀，隔行如隔山，我一個輪軌領域的不懂這些（233

不過還是要說句話，磁懸浮本身沒什麼意思，因為高鐵的主要阻力來自空氣阻力，機械阻力成分非常小。

小混混一直對軌道交通比較感興趣，為每一次軌道交通所取得的新進展喝彩。根據掌握的相關文獻資料，跟大家分享一下相關的情況，不對之處還請指正^^

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（一）真空管高溫超導磁懸浮的基本原理

①磁懸浮

當一個物體達到一種隨機平衡的狀態時，稱之為懸浮；
當物體利用磁力來抵消重力作用時，稱這種懸浮為磁懸浮。

②高溫超導磁懸浮

高溫超導磁體具有臨界溫度高，熱導率低，可以在超導態下給磁體供電，從而把由低溫區到高溫區的熱漏減少到極小程度等優點，在磁懸浮列車上具有廣泛應用前景。

「高溫超導磁懸浮」要達成自穩定懸浮需要兩個前提條件[1]：

一是超導體必須要能俘獲磁場，如果不能，則無法產生內部感應電流，進而實現懸浮；
二是外部磁場必須存在一定的磁感應強度梯度。

③真空管高溫超導磁懸浮

地表稠密大氣層中運行的高速交通工具，最高經濟速度不超過400km/h[2]。實現更高經濟速度的一個可能的途徑是採用真空管道。

「真空管高溫超導磁懸浮」將磁懸浮技術與真空技術結合起來，同時克服了輪軌的摩擦力與空氣的阻力，真空管道中達到絕對的真空時，在其中運行的物體就沒有了空氣阻力。然而要達到這個條件又是不現實的。

[真空管高溫超導磁懸浮理想圖-來自網路]

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（二）真空管高溫超導磁懸浮的技術問題

① 管道壓強的選擇

管道壓強的選擇是決定系統參數的首要問題。

管道壓強的選擇與列車類型、管道結構、運營方式、密封技術、客流大小等因素相關。需要進行多方位研究，才能正確選擇。其中，管道壓強與速度直接相關，文獻[3]給出了壓強與速度之間的關係，為真空管高溫超導磁懸浮列車管道壓強的選擇提供了參考。

[壓強與速度之間的關係]

如果速度選為 600~1000 km/h (雙重陰影 ) ，管道壓強可取10kPa左右，在工程上比較容易實現；
如果能實現更低的壓強，如 0.05Pa則可實現新聞報道中所示的2900 km/h時速。不過要在長大管道中長期保持如此高度的低壓強，運營費用將大大增加，不易為運輸市場所接受。

②列車橫截面與管道內截面之比的選擇

列車橫截面與管道內截面之比即遮擋係數，這是決定管道內徑的主要因素。

當高速列車通過鐵路隧道時引起氣壓變化，最高可達 500 ~ 600 kPa . 在無法改變大氣密度條件下,只有加大隧道斷面來控制[4]。

為了科學地確定最佳壓強和遮擋係數，必須開展真空空氣動力學研究，對於真空管道中高速列車的氣動力學行為進行理論研究和試驗，找出各種因素對阻力影響的規律。這些基礎性研究是確定管道壓強和遮擋係數的根據。

③ 其他

真空管高溫超導磁懸浮的其他關鍵技術包括真空管道的設計製造、牽引電機的設計製造及磁浮車的設計製造等。

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（三）真空管高溫超導磁懸浮的研究進展

西南交通大學超導與新能源研究開發中心自主研發的真空管道高溫超導磁懸浮實驗系統

該系統運行環境可以達到 2000 Pa，實驗在氣壓為 3000Pa 時進行，在如此稀薄的大氣下運行速度不大的情況下所受空氣阻力可以省略。參考資料：

[1] 梁星. 高溫超導磁懸浮列車系統永磁軌道優化設計[D]. 西南交通大學, 2013.

[2] 沈志雲. 高速磁浮列車對軌道的動力作用及其與輪軌高速鐵路的比較[J]. 交通運輸工程學報, 2001, 1(1): 1-6.

[3] Evacuated Tube Transport Technologies . Space Travel on Earth [ EB / OL ] . http : / / www. http://et3.com / , 200 4 -0 5

[4]沈志雲. 我國真空管道高速交通的發展戰略和技術方案[J]. 學術動態 (成都), 2005 (1): 1-7.

其實這個原理的磁懸浮我在很早以前就在Discovery裡面看見有人YY過了……

首先磁懸浮技術是讓列車懸浮於導軌之上，列車與導軌沒有接觸，去掉了一般交通工具的主要阻力來源——地面摩擦力。於是，磁懸浮列車的速度相比傳統交通工具有了大幅提升，它只受到空氣阻力，就像飛機一樣。

然後我們想把它變得更快。於是只有一條解決思路，把空氣阻力也去掉。外形的設計，比如子彈頭，可以大幅減少空氣阻力，但不能完全避免。因此為了把空氣阻力去掉，我們就打算把空氣去掉。建造一根列車運行隧道，將隧道抽成真空，把磁懸浮放進去，運行時既沒有導軌摩擦阻力，也（理論上）沒有空氣阻力，在磁懸浮的動力作用下，理論上它能無限加速……

但是實際上不能無限加速。首先，人類無法獲得100%的真空。真空技術不斷提升，只是將隧道內的空氣氣壓下降一個又一個數量級，很逼近理論真空，但是總有一些空氣分子。這會造成很小的一點點阻力。不過我臆測其實這個原理下列車速度受限大概是來源於控制系統。控制磁懸浮列車前進需要精確的對電流的控制。列車駛過一段導軌，是因為下面的導軌在精確控制下電流的開關。當車速很快的時候，每秒鐘列車經過更多段導軌，1秒內控制系統要控制更多根導軌的電流開關，可能受限於電腦和控制線路傳輸的頻率，會有一個極限。希望真正懂的同學可以解釋一下是不是這樣……

另外，看到實驗室里這樣子的軌道，我覺得我想吐槽：這列車速度肯定先被導軌受限了吧，抽不抽成真空都一個樣，圓弧和直線的連接點明顯的導數不平滑真的大丈夫？有軌火車走這樣的軌道難保不出軌，磁懸浮允許的軌道誤差能這麼大？

當然我是門外漢，也許其實人家科學家這些都想過了，這個真的大丈夫，歡迎批評……話說我還記得我看的那集Discovery暢想這樣的真空管磁懸浮從紐約到倫敦走海底真空隧道只要1小時。

人家所謂的真空，夠用就好。為什麼像大家那樣，一想到真空就是絕對真空，就是歐洲重子加速器裡邊的真空。你要知道那裡邊運行的是接近光速的粒子，把你區區三兩千公里的列車，給秒殺。也不知這些學生是真學的。

①磁懸浮

當一個物體達到一種隨機平衡的狀態時，稱之為懸浮；

當物體利用磁力來抵消重力作用時，稱這種懸浮為磁懸浮。②高溫超導磁懸浮

「高溫超導磁懸浮」要達成自穩定懸浮需要兩個前提條件[1]：

二是外部磁場必須存在一定的磁感應強度梯度。

③真空管高溫超導磁懸浮

地表稠密大氣層中運行的高速交通工具，最高經濟速度不超過400km/h[2]。實現更高經濟速度的一個可能的途徑是採用真空管道。