互动科普

Inductrack可望成为一种更安全更廉价的供磁悬浮列车使用的系统。这项技术同样可用于发射火箭。

《一千零一夜》中的一个古典神话故事“艾哈迈德王子与仙女”讲述的是一个王子坐在魔毯上——该魔毯靠不可见的力量支撑着——漫游世界。而魔毯的现代版便是磁悬浮列车，或者称之为maglev。由于支撑maglev的是空气而不是铁轨，因此磁悬浮列车比普通列车更快速也更高效。磁悬浮列车的概念出现于上个世纪60年代末，当时布鲁克海文国家实验室的Gordon T．Danby和James R．Powell没想使用超导线圈来产生可以悬浮列车的磁场。在上个世纪70年代到80年代，德国和日本制造了用于演示的maglev。然而，尽管这项技术很具有吸引力(它承诺说那有如丝绸一样光滑的列车其行驶速度可望高达每小时500公里)，但是尚未制造全尺寸的实用型maglev系统。 

为什么会这样?其一，到目前为止已经演示的maglev比传统的轨道列车昂贵得多，也复杂得多。例如，日本生产的系统需要在列车车厢里安装昂贵的制冷设备以冷却超导线圈，因为超导线圈的温度必须保持在大约开氏5度以下才能有效工作。德国的maglev使用传统的电磁铁而不是超导材料，可是该系统具有固有的不稳定性，因为它建立在磁引力而不是斥力的基础上。每个列车车厢必须装配有传感器和反馈电路，以保持车厢电磁铁与轨道之间的距离。并且，这两个系统都不安全。磁控制电路或者电力系统的失控可能导致列车在行驶时其悬浮态的突然消失。谨慎的设计可以尽量减小这种故障所造成的危害，但必将使费用和复杂性进一步增加。 

请使用Inductrack的列车 

我们正在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室探索一种与上述系统不同的磁悬浮方法，用这种方法可能会更简单，花费更少。此方法产生于对小汽车和卡车使用的机电电池的早期研究之中。这种电池使用飞轮储存动能，而飞轮需要几乎无磨擦的磁悬浮轴承来尽量减少能量损失。在利弗莫尔实验室开发的轴承采用了柱形磁铁阵列来使飞轮的悬浮稳定。很快我们就认识到，如果展开这些磁铁阵列，我们就拥有了一种新型maglev的基础。 

这个名叫Inductrack的新系统是无源的，它既不使用超导磁铁，也不使用需要电力的电磁铁。它采用的永久性室温磁铁与我们熟悉的条形磁铁相类似，只是磁性更强而已。在每个列车车厢的下腹壁有着扁平的条形磁铁矩形阵列，名叫Halbach阵列。(它以其发明者KlausHalbach——劳伦斯·伯克利国家实验室的一个已退休的物理学家——而命名。)条形磁铁以特殊形式排列，因而每个条形磁铁的磁性取向与邻近磁铁的取向成恰当的角度。当条形磁铁以这种构型布置时，磁场线便在阵列下方融合产生一个非常强大的磁场。在阵列上方，磁场线相互抵消。第二个关键因素是嵌入紧密捆扎的线圈(由绝缘线构成)的轨道。每个线圈都是一个闭合电路，类似于矩形窗框。Inductrack(感应轨道)系统通过在轨道中感应出电流的方式来产生悬浮力。把一块永久性磁铁移到线圈附近的过程将产生在线圈内流动的电流——正如英国物理学家法拉第在1881年所发现的那样。当使用Inductrack的列车车厢向前移动时，Halbach阵列里的磁铁便在轨道线圈里感应出电流，而线圈依次产生排斥Halbach阵列的电磁场。只要列车以高于临界速度(该速度很低，只有每小时几公里，略大于步行速度)的速度行驶，Halbach阵列就将被悬浮在轨道表面上方几厘米处。 

磁场的作用很像被压缩的弹簧：悬浮力随着轨道和列车车厢之间的距离减小而呈指数上升。该特性使Inductrack具有固有的稳定性——它易于调节以适应增加的负荷量或者在轨道拐弯处产生的加速力的需要。因此，该系统不需要控制电路来维持列车车厢的悬浮状态。列车所需要的全部东西就是在加速时产生驱动力的电力。 

过去，工程师们认为永久性磁铁不能用于maglev系统，因为它们产生的悬浮力太小，不足以支撑其重量。但是，Inductrack系统把Halbach阵列和紧密捆扎的轨道线圈结合起来，所产生的悬浮力接近于理论上条形磁铁每单位面积可产生的最大力。计算表明，通过使用高场合金——例如钕铁硼合金——有可能用每平方米仅重800公斤(或者悬浮重量的五十分之一)的磁铁阵列获得相当于每平方米40吨的悬浮力。 

在全尺度Inductrack系统中，轨道包括两列紧密捆扎的矩形线圈，每列对应着传统列车的一条钢轨。主要的悬浮Halbach阵列被放置在列车车厢的下腹壁，以使列车恰好行驶在线圈列的上方。为了给列车车厢提供侧面的稳定性，可以在线圈列侧面使用较小的Halbach阵列。这种构造有点类似于普通列车的对应结构——即滚动在钢轨上的带凸缘的轮子。在Inductrack系统中由嵌边的小型Halbach阵列扮演“凸缘”的角色，而“轮’的角色则由主要的悬浮阵列担当。 

效率问题

在任何maglev中最引人关注的就是悬浮系统的效率。与德国和日本的maglev不同，Inductrack列车不需要电力来产生磁场，因为它使用的是永久性磁铁。所以这个造成效率低下的问题便不复存在了。不过，要使列车车厢悬浮，必须在轨道电路中感应出电流，而电路电阻将消耗部分能量，把消耗的能量转变成热。这一电力损失来自于列车相对于轨道的运动，它导致阻力的产生。这种磁阻力与传统列车中轮子和轴承产生的磨擦阻力相对应。在Inductrack中，磁阻力随列车速度的改变作反向变化，在列车处于典型的maglev速度时(每小时25公里到500公里)它变得非常小。因此磁阻力的作用方式与轮子摩擦力或气动阻力的作用方式相反(后两者随速度增加而增大)。

精确测量飞机机翼性能的一个普遍方法是计算它的升阻比(L／D比)——升力与气动阻力之比。当一架喷气式飞机以典型速度飞行时，其机翼的L／D比约为25／1，并且不随速度改变而发生很大的变化。在Inductrack系统中相应的比率是磁升力(即悬浮力)与磁阻力之比。通过对Inductrack系统进行详细的理论分析，我们可以找到计算其L／D比的公式。我在利弗莫尔实验室的同事Dmitri D. Ryutov——以前在俄罗斯新西伯利亚的布德克尔核物理研究所工作——对此帮助很大。Ryutov因其对磁约束的等离子体聚变理论所作的贡献享誉国际，而且他还把该理论和对Inductrack作的分析应用到技术中。 

我们发现Inductrack的L／D的比率与Halbach阵列的运动速度成正比。当列车停止时，显然没有悬浮力，L／D比为零。但是当列车开始移动时，悬浮力迅速增加，当列车速度处于每小时2公里到5公里之间时悬浮力达到最大值的一半。我们称这个速度为临界速度——在临界速度时磁升力与阻力相等。当车速两倍于临界速度时，悬浮力达到最大值的80％，L／D比升至5左右。因此我们看到在列车移动得非常缓慢的时候Inductrack悬浮便相当有效了。如果车厢装有辅助车轮，列车就能在铁轨上行驶直至到达临界速度，到这个速度时列车将开始悬浮。并且，随着列车加快速度，系统的效率不断提高——L／D比可在列车速度为每小时500公里时高达200／l。如果驱动力突然消失，列车车厢将保持悬浮状态，同时速度慢慢降到一个很低的值，这时列车将停在辅助车轮上。 

估测Inductrack磁悬浮列车系统效率的另一种方法是测量磁阻力造成的电力损失，并将其与其它电力损失相比较。当一个重量为5万公斤的列车车厢以每小时500公里的速度行驶时，轨道中产生悬浮的电路将消耗大约300到600千瓦的电力。相比而言，当列车车厢以同等速度行驶时，气动阻力将造成差不多l0兆瓦的电子损失。换句话说使列车车厢保持悬浮所需的电力不到克服风阻力所需电力的10分之l。 

Inductrack的驱动系统

到现在为止我只描述了一种Inductrack电路——即一列矩形线圈。然而，轨道还可以采用其它许多种形式，这依照所需要的性能而定。例如，轨道可能包括成组的薄铝片，层与层之间放置着绝缘薄膜。当Halbach阵列在这些铝片组上方运动时，磁场将在铝片中感应出电流。每个铝片上蚀刻有一系列槽边平行的槽，以创造最佳路径供电子通过，尽量减少导致电力损失的涡流。这种轨道产生的悬浮力比一列矩形线圈产生的力要大得多，制造它也更为便宜。 

另一种选择是通过名叫感应加载的方法来提高轨道的效率。可以用在每个线圈底部周围放置铁氧体砖——一种含铁氧化物的磁陶瓷——的方式把这种方法应用到矩形电路中。经改变后的矩形电路将减小由Halbach阵列在线圈中感应的电流，因而减少了电阻造成的电力损失。由于磁阻力变得更小，磁升力克服它也就更加容易，列车将在一个更低的临界速度时开始悬浮。不过，采用感应加载法要付出代价：系统的最大悬浮力将被削减到低于使用较简单轨道结构时能达到的每平方米40吨。 

Inductrack的优点之一是它可以适应多种列车驱动系统。如果轨道与高压电力网相连接，列车车厢就可以被分散放置在轨道悬浮电路中的“驱动线圈”所驱动。驱动线圈从电网获得供电后将产生电磁场，与Halbach阵列产生的磁场相互作用。脉动地为驱动线圈供电使其与列车的运动同步，这将产生作用在列车车厢上的加速力或减速力。在铁路电气化太贵的情况下——例如在相距遥远的城市之间的乡村地区——maglev列车可能装备用燃气轮机驱动的隐蔽推进器。因为风阻力是唯一作用在列车上的重要阻力，所以单个推进器足以把maglev加速到高速。

在完成了对Inductrack的理论分析之后，我们的研制组顺理成章进行下一步骤：创建系统的小型工作模型。此举旨在检查该理论的预见性，以及对悬浮的稳定性作一个演示。20米长的测试轨道被设计用来悬浮一辆22公斤重的、下腹壁装有Halbach阵列的轻便运货车。轨道的第一段包括电力驱动电路，第二段则由1000个薄薄的矩形悬浮线圈(每个线圈约l5厘米宽)构成。 

在每个测试过程的开始，小车在驱动电路(该电路可将小车加速到每秒l2米的速度)上方的辅助车上滚动。这个过程足以使小车悬浮在矩形线圈的上方(轨道的临界速度只有每秒4米)。当小车滑行完几乎整个轨道之后，停在终端轮子上。我们使用以彼此微微倾斜的角度放置在小车上的(像一对交错的眼睛)两个指示字类型激光器测量了小车的速度和振幅。激光器照亮了轨道末端白屏上的点，在分析了点分隔和定位的摄像机记录后，即产生了小车位置及其颠簸和偏荡运动的图表。

上述测试过程证实了我们对Inductrack性能的预测，并证明此理论是可行的。而且，Booz-Allen&Hamilton咨询公司于l987年所作的一项初步可行性研究表明，创建运行全尺度的Inductrack系统将比德国的maglev要便宜。例如，研究估计，一个装有Halbach阵列的列车车厢造价320万到420万美元，而德国maglev的一个车厢造价超过600万美元。(尚未获得对日本maglev造价的估测结果。)Inductrack列车车厢比传统列车车厢昂贵(后者价值在200万美元到300万美元之间)，而建设Inductrack系统轨道也比铺设普通轨道多花80％的钱。但是，该研究提到，Inductrack的耗电量和维护费用均比传统铁路低得多。

其它应用：发射火箭?

在利弗莫尔实验室建造了试验轨道之后，美国国家航空航天管理局(NASA)的官员们注意到了我们的工作。因此航空航天局与利弗莫尔实验室签了一个合同以建立另一个模型，目标是对Inductrack理论的一个非同寻常的应用作出演示。NASA的研究表明，如果火箭能于发动机点燃之前在一个倾斜轨道上被加速到0．8马赫的速度(即每小时950公里)，就可以使发射卫星的费用得到大幅度削减。该系统能把所需的火箭燃料减少30％-l40％，从而使单级推进装置更容易将有效负载推进到轨道中。我们建造的Inductrack模型(有一个大约长100米的轨道)将用来加速一个l0公斤重的“发射支架”——火箭的平台——使之达到约0．5马赫的速度(每小时600公里)。由于试验轨道与长度以公里计的全尺度系统相比显得太简单，因此NASA模型的电驱动电路必须达到10g的加速度。在全尺度系统中加速度受到火箭本身的功率和重量的限制，所以它的值要小一些，约3g左右。

加利福尼亚州的发明家和企业家Douglas J．Malewicki对Inductrack的另一个可能应用作了表述。他设想的名为SkyTFan的maglev系统将以高达每小时l60公里的速度传送载客量为2名的小型车厢。豆荚般的车厢可以从支撑悬浮电路的单轨轨道上悬浮起来。车厢将在系统的各个站台处于待命状态，在乘客上车后，车厢将滑行上主轨道并与站台快速传送的车厢汇合。当车厢到达目的地时，它将转到轨道出口处，下降到站台让乘客下车。

和任何将要改良或取代旧技术的新技术一样，只有时间才能表明Inductrack将如何应用。在实现从理论模型到全尺度系统的转变中，我们不得不提出几个技术问题。例如，为了使Inductrack乘坐起来更加舒适，系统必须防止由空气动力造成的摇动。出现的另一个问题是任何金属块构成的轨道都可能受到Halbach阵列的引力作用。(要解决这个问题，列车车头可能装上与排障器功能相同的磁性结构。) 

此外，Inductrack的设计者们面对着经济上的挑战，即保持花费足够低以使Inductrack具有比传统铁路更突出的优点。但我相信，Inductrack理论本身的简洁性和灵活性无疑将使它有广泛的应用——不仅用于高速铁路系统，而且用于我们尚未想到的领域。