于馨凝，姜欣彤，張軍，周廷波，倪章松,*

1.成都流體動(dòng)力創(chuàng)新中心，成都 610071 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，綿陽(yáng) 621000

0 引 言

磁浮飛行風(fēng)洞的設(shè)計(jì)概念結(jié)合了真空管道磁浮列車和動(dòng)模型試驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建接近真實(shí)飛行環(huán)境和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的“體動(dòng)風(fēng)靜”試驗(yàn)狀態(tài)，滿足航空航天飛行器、高速列車在寬?cǎi)R赫數(shù)和寬雷諾數(shù)范圍、低噪聲、低湍流度下的空氣動(dòng)力學(xué)及其交叉學(xué)科的地面試驗(yàn)需求。磁浮飛行風(fēng)洞總長(zhǎng)度約1.2 km，管道截面內(nèi)徑6 m，設(shè)計(jì)馬赫數(shù)范圍0.1～1.0，試驗(yàn)雷諾數(shù)范圍1.0 × 104～1.3 × 107，試驗(yàn)壓力范圍1 kPa～常壓。其運(yùn)行原理是利用磁懸浮、牽引和導(dǎo)向技術(shù)，驅(qū)動(dòng)搭載試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇鸥∑脚_(tái)在封閉直線長(zhǎng)管道內(nèi)作高速運(yùn)動(dòng)[1]。因此，磁浮飛行風(fēng)洞的磁懸浮技術(shù)選擇對(duì)于精確控制模型加速/勻速/減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程、達(dá)到試驗(yàn)所要求的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)尤其重要。

高速磁懸浮技術(shù)主要應(yīng)用于高速磁浮列車、電磁橇、懸浮電樞軌道炮等。在高速磁浮列車方面，國(guó)外從20 世紀(jì)60 年代末開始研究相關(guān)技術(shù)，目前已達(dá)到應(yīng)用水平，其中電磁懸浮以德國(guó)TR 常導(dǎo)高速磁浮系統(tǒng)為代表[2-3]，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮以日本MLX 超導(dǎo)高速磁浮系統(tǒng)為代表[4-5]，永磁電動(dòng)懸浮則以美國(guó)Magplane 磁浮系統(tǒng)為代表[6-7]。國(guó)內(nèi)從20 世紀(jì)80 年代開始高速磁浮列車技術(shù)研究，目前600 km/h 常導(dǎo)高速磁浮試驗(yàn)樣車已完成制造并下線，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)均已完成工程化樣車及試驗(yàn)線建設(shè)，正在推進(jìn)工程應(yīng)用[8-10]。在電磁橇、懸浮電樞軌道炮方面，NASA 于20 世紀(jì)90 年代提出了基于超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)的MagLifter 方案，在運(yùn)載滑車底部安裝超導(dǎo)磁體，建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并開展了測(cè)試[11]。Powell 等[12-13]則提出了與MagLifter 方案類似的StarTram 超導(dǎo)磁懸浮發(fā)射方案，載物航天子系統(tǒng)Gen-1 的設(shè)計(jì)加速度為20g～30g。2016 年，霍洛曼空軍基地采用超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和直線電機(jī)牽引技術(shù)把磁懸浮火箭橇地面運(yùn)行速度提高至1 018 km/h，有望應(yīng)用于發(fā)射水平起飛運(yùn)載器[14-15]。國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究起步較晚但發(fā)展迅速，部分技術(shù)已達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。2022 年，在山東濟(jì)南成功試運(yùn)行了世界首個(gè)磁懸浮地面超高速試驗(yàn)設(shè)施—“電磁橇”，能將噸級(jí)以上物體加速至1 030 km/h（Ma ≈ 0.84），創(chuàng)造了大質(zhì)量超高速電磁懸浮技術(shù)世界最高速度紀(jì)錄[16]。

在高速磁懸浮技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)外已開展了部分研究工作，但在真空管道動(dòng)模型風(fēng)洞中的應(yīng)用還缺乏相關(guān)基礎(chǔ)研究和工程經(jīng)驗(yàn)。2000 年，NASA 提出高升力飛行風(fēng)洞（High-Lift Flight Tunnel,HiLiFT）概念，采用磁懸浮和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型在管道中高速運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)馬赫數(shù)0.05～0.50，最高加速度3g，試驗(yàn)壓力0.10～0.76 MPa[17]。研究者基于技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性和懸浮間隙控制要求，建議選擇電磁懸浮系統(tǒng)[18]。但受限于當(dāng)時(shí)磁懸浮技術(shù)發(fā)展水平和成本，該風(fēng)洞未開展實(shí)際建設(shè)。與HiLiFT 相比，磁浮飛行風(fēng)洞要求具有更高的運(yùn)行馬赫數(shù)和加速度，且能夠在低壓條件下開展試驗(yàn)，對(duì)磁懸浮系統(tǒng)提出了更高要求。

本文針對(duì)不同磁懸浮系統(tǒng)的技術(shù)原理和特點(diǎn)，結(jié)合磁浮飛行風(fēng)洞總體技術(shù)指標(biāo)及對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的要求，從運(yùn)行穩(wěn)定性、系統(tǒng)安全性、試驗(yàn)功能性、環(huán)境適應(yīng)性、技術(shù)成熟度等5 個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析?；趯哟畏治龇ê突疑P(guān)聯(lián)度分析法建立磁浮飛行風(fēng)洞的磁懸浮系統(tǒng)綜合決策模型，計(jì)算不同磁懸浮技術(shù)的綜合決策值，可為磁浮飛行風(fēng)洞的磁懸浮技術(shù)選擇提供參考。

1 磁懸浮技術(shù)分類

根據(jù)懸浮原理的不同，磁懸浮技術(shù)主要分為永磁懸浮、電磁懸浮、電動(dòng)懸浮和釘扎懸浮等4 種，如圖1 所示[19]。

圖1 磁懸浮技術(shù)分類[19]Fig.1 Classification of maglev system [19]

永磁懸浮是利用永磁體之間的排斥或吸引力實(shí)現(xiàn)懸浮，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、載重能力強(qiáng)[20]。但永磁懸浮的磁體發(fā)生橫向偏移時(shí)，產(chǎn)生側(cè)向力的方向與偏移方向一致，會(huì)進(jìn)一步促使磁體滑移翻滾，帶來(lái)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)[21-22]。其固有的不穩(wěn)定性限制了永磁懸浮的應(yīng)用，必須加入導(dǎo)向輪或電磁懸浮控制。而電磁-永磁混合懸浮系統(tǒng)的永磁體吸死現(xiàn)象、磁浮平臺(tái)-軌道耦合振動(dòng)等技術(shù)問題也還亟待解決[23]。因此，永磁懸浮及其混合懸浮系統(tǒng)目前都難以應(yīng)用于磁浮飛行風(fēng)洞。本文主要針對(duì)常導(dǎo)電磁懸浮、永磁電動(dòng)懸浮、超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和超導(dǎo)釘扎懸浮進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 常導(dǎo)電磁懸浮

常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)（Electromagnetic Suspension,EMS）的懸浮平臺(tái)上安裝電磁鐵，通電勵(lì)磁而產(chǎn)生磁場(chǎng)，與軌道上的電磁線圈產(chǎn)生吸引或排斥作用，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)懸浮，懸浮間隙8～12 mm[24]。工程應(yīng)用中通常采用T 形導(dǎo)軌的磁吸式系統(tǒng)，其原理如圖2 所示[9]。電磁鐵和軌道之間的吸引力與懸浮間隙的平方成反比[25]，需要引入閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。在超高速運(yùn)行狀態(tài)下，控制系統(tǒng)的延時(shí)可能會(huì)使懸浮系統(tǒng)響應(yīng)滯后，影響運(yùn)行穩(wěn)定性，存在較大的安全隱患。

圖2 常導(dǎo)電磁懸浮原理示意[9]Fig.2 Schematic diagram of EMS [9]

1.2 永磁電動(dòng)懸浮

永磁電動(dòng)懸浮系統(tǒng)（Permanent Magnet Electrodynamic Suspension,PM-EDS）的懸浮平臺(tái)上安裝永磁體，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軌道上的導(dǎo)體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與源磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生懸浮力，懸浮間隙20～30 mm[26]。以導(dǎo)體板永磁電動(dòng)懸浮為例，典型工程應(yīng)用原理結(jié)構(gòu)如圖3所示[23]。永磁電動(dòng)懸浮的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、無(wú)需額外增加制冷設(shè)備，懸浮和推進(jìn)系統(tǒng)能耗小。但懸浮平臺(tái)無(wú)法在靜止和低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)懸浮，且永磁體磁能密度相對(duì)較低（以磁性最強(qiáng)的釹鐵硼永磁體為例，其磁能密度約為4.7 × 105J/m3[27]），在懸浮力相同的條件下，懸浮平臺(tái)總重較大。

圖3 永磁電動(dòng)懸浮原理示意[23]Fig.3 Schematic diagram of PM-EDS [23]

1.3 高溫/低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮

高溫/低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)（High/Low Temperature Superconducting Electrodynamics Suspension,HTS/LTS-EDS）的運(yùn)行原理與永磁電動(dòng)懸浮系統(tǒng)類似，懸浮平臺(tái)上安裝超導(dǎo)磁體，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軌道上的線圈切割超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)產(chǎn)生懸浮力，懸浮間隙80～150 mm[28]。在工程應(yīng)用中，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)通常采用軌道包裹平臺(tái)的形式，其原理結(jié)構(gòu)如圖4 所示[9]。超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)的懸浮間隙大，無(wú)需主動(dòng)控制，且其磁能密度顯著高于永磁體，產(chǎn)生10 T 磁場(chǎng)時(shí)的磁能密度約為4.0 × 107J/m3。因此，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)可以產(chǎn)生更大的懸浮力和推進(jìn)力。但與永磁電動(dòng)懸浮相同，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮平臺(tái)無(wú)法在靜止和低速狀態(tài)下懸浮[29]；同時(shí)，低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮采用更低溫度的液氦制冷，在運(yùn)行過(guò)程中存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 高溫/低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮原理示意[9]Fig.4 Schematic diagram of HTS/LTS-EDS [9]

1.4 高溫超導(dǎo)釘扎懸浮

高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)（High Temperature Superconducting Pinning Levitation,HTS-PL）利用高溫超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)下量子磁通線被超導(dǎo)體缺陷或其他勢(shì)阱束縛而產(chǎn)生的“釘扎效應(yīng)”，與永磁軌道磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生釘扎力，懸浮間隙10～30 mm[29]。以西南交通大學(xué)研發(fā)的超導(dǎo)釘扎懸浮樣車為例，其系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖5 所示[30]。超導(dǎo)釘扎懸浮在運(yùn)動(dòng)方向上無(wú)固有磁阻力，容易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，且不需要主動(dòng)控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但目前相關(guān)研究還處于起步階段，尚無(wú)工程應(yīng)用案例；同時(shí)，超導(dǎo)釘扎懸浮的自穩(wěn)定能力主要依靠釘扎懸浮力，當(dāng)懸浮平臺(tái)所受外部載荷和重力的合力超出釘扎懸浮力的調(diào)節(jié)范圍時(shí)，難以保持縱向和橫向運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 高溫超導(dǎo)釘扎懸浮原理示意[30]Fig.5 Schematic diagram of HTS-PL [30]

2 對(duì)磁浮飛行風(fēng)洞的適應(yīng)性分析

2.1 運(yùn)行穩(wěn)定性分析

運(yùn)行穩(wěn)定性分析主要包括對(duì)垂向運(yùn)行穩(wěn)定性、側(cè)向運(yùn)行穩(wěn)定性、縱向運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的分析。

常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)能夠通過(guò)主動(dòng)控制增加阻尼，抵消垂向和側(cè)向干擾，在設(shè)計(jì)運(yùn)行速度范圍內(nèi)的懸浮間隙波動(dòng)小、可控性強(qiáng)。但當(dāng)運(yùn)行速度超過(guò)設(shè)計(jì)范圍時(shí)，控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)延遲，導(dǎo)致懸浮間隙、運(yùn)動(dòng)阻尼等參數(shù)調(diào)節(jié)滯后，影響平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性。

永磁電動(dòng)懸浮和超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)可以通過(guò)增加阻尼線圈、改變線圈電流的方式調(diào)節(jié)懸浮與導(dǎo)向阻尼，提高懸浮平臺(tái)的運(yùn)行穩(wěn)定性。但永磁電動(dòng)懸浮的磁能密度顯著低于高溫/低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮，阻尼調(diào)節(jié)范圍較窄，抵抗外部載荷沖擊的能力相對(duì)較低，垂向、側(cè)向和縱向的運(yùn)行穩(wěn)定性弱于高溫/低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮。

高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)利用“釘扎效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮、維持平臺(tái)的運(yùn)行穩(wěn)定性。在低馬赫數(shù)運(yùn)行和抵抗下壓力方面基本滿足磁浮飛行風(fēng)洞的試驗(yàn)需求。但在開展高馬赫數(shù)（Ma ＞ 0.5）試驗(yàn)時(shí)，懸浮平臺(tái)受到較大的上升力，與自身重力的合力會(huì)超出釘扎懸浮力的自穩(wěn)定調(diào)節(jié)范圍，且兩側(cè)位移也超出直線電機(jī)間隙限值，影響平臺(tái)的垂向和側(cè)向運(yùn)行穩(wěn)定性，但對(duì)縱向穩(wěn)定性影響不大。

2.2 系統(tǒng)安全性分析

系統(tǒng)安全性分析主要包括對(duì)懸浮控制系統(tǒng)安全性能、抗氣動(dòng)力激擾性能、環(huán)境安全與人體健康影響等方面的分析。

常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)采用主動(dòng)控制的方式，通過(guò)收集傳感器反饋信號(hào)，調(diào)整輸出電磁鐵的電流大小，在設(shè)計(jì)運(yùn)行速度范圍內(nèi)的懸浮系統(tǒng)控制安全性好，抗氣動(dòng)力激擾性能強(qiáng)。但在高速運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)延遲可能導(dǎo)致安全問題。系統(tǒng)通過(guò)電流控制磁場(chǎng)，對(duì)環(huán)境安全和人體健康的影響較小。

永磁電動(dòng)懸浮不需要主動(dòng)控制就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，也不存在超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)的失超風(fēng)險(xiǎn)，懸浮控制系統(tǒng)安全性好。但永磁體的磁能密度較小，在抗氣動(dòng)力激擾性能方面弱于高溫/低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮。同時(shí)，懸浮平臺(tái)上安裝的永磁體會(huì)在周圍產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段可能對(duì)環(huán)境和人體造成一定影響。

高溫/低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)需要布置冷卻設(shè)備維持材料的超導(dǎo)性能，當(dāng)線圈局部溫度過(guò)高時(shí)，可能發(fā)生失超現(xiàn)象，存在懸浮控制安全隱患。與低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮相比，高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)的失超風(fēng)險(xiǎn)更低，且失超后更容易恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài)。超導(dǎo)電動(dòng)懸浮能夠增加阻尼調(diào)節(jié)，且超導(dǎo)體的磁能密度較大，因此抗氣動(dòng)力激擾性能較強(qiáng)。低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)的制冷劑液氦的溫度更低，在運(yùn)行過(guò)程中存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，威脅環(huán)境安全與人體健康。

高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)同樣需要布置冷卻設(shè)備維持材料的超導(dǎo)性能，當(dāng)線圈局部溫度過(guò)高時(shí)存在失超風(fēng)險(xiǎn)，影響懸浮系統(tǒng)控制。超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)不能增加阻尼，主要依靠釘扎懸浮力實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮，因此僅在釘扎懸浮力的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)能夠抵抗氣動(dòng)力激擾。超導(dǎo)釘扎懸浮需要鋪設(shè)永磁軌道，其周圍會(huì)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，在設(shè)備維護(hù)和檢修期間可能對(duì)環(huán)境和人體健康造成一定影響。

2.3 試驗(yàn)功能性分析

試驗(yàn)功能性分析主要包括對(duì)滿足磁浮飛行風(fēng)洞最高運(yùn)行馬赫數(shù)、最低試驗(yàn)馬赫數(shù)和平臺(tái)牽引性能等方面的分析。

常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靜懸浮，滿足磁浮飛行風(fēng)洞最低試驗(yàn)馬赫數(shù)的要求。但主動(dòng)閉環(huán)控制存在時(shí)滯效應(yīng)，懸浮平臺(tái)在高速運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生控制延遲。目前常導(dǎo)電磁懸浮的最高運(yùn)行速度可達(dá)600 km/h[31]，進(jìn)一步提速受限，難以滿足最高運(yùn)行馬赫數(shù)1.0 的指標(biāo)要求。在平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，軌道的感應(yīng)渦流會(huì)在前進(jìn)方向上產(chǎn)生磁阻力，在一定程度上影響平臺(tái)牽引性能。

永磁電動(dòng)懸浮和超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)主要依靠軌道上的閉合線圈切割平臺(tái)上的永磁體或超導(dǎo)磁體產(chǎn)生懸浮力，因此在低馬赫數(shù)（Ma ＜ 0.04）試驗(yàn)條件下需加裝輪軌或滑橇支撐裝置[29]。兩種電動(dòng)懸浮系統(tǒng)都能夠在磁浮飛行風(fēng)洞最低試驗(yàn)馬赫數(shù)下實(shí)現(xiàn)懸浮，運(yùn)行速度均可達(dá)1 000 km/h 量級(jí)[32]，滿足磁浮飛行風(fēng)洞最高運(yùn)行馬赫數(shù)1.0 的指標(biāo)要求。與常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)類似，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中也存在一定的磁阻力。另外，由于永磁體和超導(dǎo)磁體的磁能密度差異，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)比永磁電動(dòng)懸浮系統(tǒng)具有更好的牽引和制動(dòng)性能。

高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)能夠通過(guò)“釘扎效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)平臺(tái)靜懸浮，滿足最低試驗(yàn)馬赫數(shù)的要求；同時(shí)，超導(dǎo)釘扎懸浮具有超高速應(yīng)用潛力，仿真運(yùn)行速度可達(dá)1 000 km/h 以上[33-34]，理論上能夠滿足磁浮飛行風(fēng)洞高速試驗(yàn)需求。不同于常導(dǎo)電磁懸浮、永磁電動(dòng)懸浮和超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)，超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)的平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)方向上沒有磁阻力，具有良好的平臺(tái)牽引性能。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性分析

環(huán)境適應(yīng)性分析主要包括對(duì)環(huán)境溫度適應(yīng)性、軌道平順適應(yīng)性及真空環(huán)境熱效應(yīng)等方面的分析。

磁浮飛行風(fēng)洞的洞體沒有額外加熱或制冷設(shè)備，工作溫度范圍為-10～60 ℃。常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)在自然溫度范圍內(nèi)工作，能夠滿足環(huán)境溫度適應(yīng)性要求；懸浮間隙較小，對(duì)軌道平順的適應(yīng)性較差。在常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)工作過(guò)程中，電流經(jīng)過(guò)常導(dǎo)線圈會(huì)產(chǎn)生熱量。目前工程上應(yīng)用的T 形導(dǎo)軌常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)主要采用散熱片、自然風(fēng)冷等常壓散熱方式，無(wú)法滿足高真空度環(huán)境下的散熱要求，需要增加水冷等輔助散熱方式。

與常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)類似，永磁電動(dòng)懸浮系統(tǒng)也在自然溫度范圍內(nèi)工作，能夠滿足磁浮飛行風(fēng)洞的環(huán)境溫度適應(yīng)性要求。永磁電動(dòng)懸浮系統(tǒng)的懸浮間隙介于常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)之間，對(duì)軌道平順的適應(yīng)能力也介于兩者之間。在平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，軌道鋪設(shè)的導(dǎo)體板或線圈因渦流效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致發(fā)熱問題，但由于通電時(shí)間短，產(chǎn)生熱量較少，能夠滿足真空環(huán)境的熱效應(yīng)要求。

超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)需在低溫環(huán)境下工作，攜帶裝有液氦或液氮的杜瓦來(lái)維持超導(dǎo)塊材的超導(dǎo)狀態(tài)。磁浮飛行風(fēng)洞單次試驗(yàn)時(shí)間較短，一般不會(huì)影響超導(dǎo)體溫度，環(huán)境溫度適應(yīng)性要求能夠得到滿足。超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)的懸浮間隙較大，對(duì)軌道平順的適應(yīng)能力較好。與永磁電動(dòng)懸浮系統(tǒng)類似，高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)軌道“8”字線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱量較少，能夠滿足散熱要求。

與超導(dǎo)電動(dòng)懸浮類似，高溫超導(dǎo)釘扎懸浮需采用液氮使超導(dǎo)塊材處于超導(dǎo)狀態(tài)，可以滿足磁浮飛行風(fēng)洞的環(huán)境溫度適應(yīng)性要求。超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)的懸浮間隙與永磁電動(dòng)懸浮系統(tǒng)相近，對(duì)軌道平順的適應(yīng)能力也介于常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)和超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)之間。超導(dǎo)塊材存在釘扎效應(yīng)，其內(nèi)部磁通變化時(shí)，懸浮平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需克服釘扎力做功，在塊材內(nèi)部引起交流損耗，導(dǎo)致局部溫度上升。磁場(chǎng)波動(dòng)和運(yùn)行速度提高會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)塊材的溫升增大，對(duì)真空環(huán)境下的散熱帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。

2.5 技術(shù)成熟度分析

技術(shù)成熟度分析主要包括對(duì)核心技術(shù)儲(chǔ)備、技術(shù)理論成熟度、工程應(yīng)用進(jìn)展等方面的分析。

常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)的技術(shù)成熟度最高，具備一定核心技術(shù)儲(chǔ)備，已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)化運(yùn)行的高速磁浮列車。2000 年，我國(guó)引進(jìn)吸收德國(guó)常導(dǎo)電磁懸浮技術(shù)，建造了上海高速磁浮示范線，最高速度達(dá)到403 km/h，迄今已積累了20 余年的試運(yùn)行和商業(yè)化運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)[35]。2019 年，由中車青島四方股份有限公司研制、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速磁浮交通系統(tǒng)在山東青島下線，試驗(yàn)線長(zhǎng)度為665 m，設(shè)計(jì)速度為600 km/h[36]。

美國(guó)對(duì)永磁電動(dòng)懸浮技術(shù)研究較早，麻省理工學(xué)院的Magplane 系統(tǒng)、美國(guó)通用原子公司的Inductrack 系統(tǒng)及馬斯克提出的Hyperloop 超級(jí)高鐵計(jì)劃均采用基于Halbach 陣列的永磁電動(dòng)懸浮設(shè)計(jì)方案[37-39]。永磁電動(dòng)懸浮技術(shù)研究在我國(guó)起步較晚，但也積累了一定的核心技術(shù)儲(chǔ)備，技術(shù)理論較為成熟，目前處于試驗(yàn)線驗(yàn)證階段，試驗(yàn)運(yùn)行速度接近磁浮飛行風(fēng)洞的最高運(yùn)行速度。2022 年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所在山東濟(jì)南建設(shè)了永磁電動(dòng)懸浮制式的超高速試驗(yàn)設(shè)施—“電磁橇”，試驗(yàn)運(yùn)行速度達(dá)到了1 030 km/h[16]。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，CHSOS的環(huán)氧值逐漸降低，CHSOS的產(chǎn)率逐漸升高。通過(guò)表1可明顯看到，溫度在75～85 ℃時(shí)，CHSOS的產(chǎn)率增高趨勢(shì)大，當(dāng)溫度高于85 ℃后，產(chǎn)率隨著溫度升高變化趨勢(shì)減緩，因此選擇最佳反應(yīng)溫度為85 ℃。

我國(guó)的超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)研究主要為高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)研究，技術(shù)理論較為成熟，具有一定的核心技術(shù)儲(chǔ)備，目前處于試驗(yàn)線驗(yàn)證階段。2018 年，中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司建設(shè)了200 m 試驗(yàn)線，開展超導(dǎo)電動(dòng)懸浮縮比列車模型試驗(yàn)研究[8]。中國(guó)航天科工集團(tuán)開展了超高速磁懸浮電磁推進(jìn)研究，2021 年建成405 m 試驗(yàn)線，最高測(cè)試速度為623 km/h[9]。國(guó)外低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)的研究較為深入，目前已有成熟的工程應(yīng)用案例。2012 年，日本研制的L0 系列低溫超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮列車進(jìn)入山梨試驗(yàn)線，最高測(cè)試速度603 km/h[5]。

超導(dǎo)釘扎懸浮技術(shù)研究在我國(guó)啟動(dòng)較早，具有豐富的核心技術(shù)儲(chǔ)備，技術(shù)理論較為成熟，目前處于試驗(yàn)線驗(yàn)證階段。2000 年，西南交通大學(xué)研制出世界上首輛載人高溫超導(dǎo)釘扎懸浮車—“世紀(jì)號(hào)”；2018 年，搭建了真空管道高溫超導(dǎo)磁浮車高速試驗(yàn)平臺(tái)，線路長(zhǎng)度140 m，最高測(cè)試速度430 km/h；2020 年正式啟動(dòng)“多態(tài)耦合軌道交通動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)”項(xiàng)目，計(jì)劃于2023 年完成長(zhǎng)度1 620 m、最高測(cè)試速度1 500 km/h 的高溫超導(dǎo)釘扎懸浮試驗(yàn)平臺(tái)[9,30]。

3 磁懸浮制式綜合決策模型

3.1 建立綜合決策模型

基于層次分析法，結(jié)合磁懸浮制式對(duì)磁浮飛行風(fēng)洞的適應(yīng)性分析，提出運(yùn)行穩(wěn)定性、系統(tǒng)安全性、試驗(yàn)功能性、環(huán)境適應(yīng)性、技術(shù)成熟度等5 個(gè)決策準(zhǔn)則，并劃分為15 個(gè)指標(biāo)。常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)無(wú)法滿足磁浮飛行風(fēng)洞最高運(yùn)行馬赫數(shù)1.0 的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求，暫不作為磁浮飛行風(fēng)洞的備選磁懸浮方案。方案層為永磁電動(dòng)懸浮、低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮、高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和高溫超導(dǎo)釘扎懸浮等4 種磁懸浮制式。建立綜合決策模型如圖6 所示。

圖6 綜合決策模型Fig.6 Integrated decision model

3.2 以層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

3.2.1 判斷矩陣構(gòu)造方法

通過(guò)分析判斷準(zhǔn)則層和指標(biāo)層各項(xiàng)e=(e1,e2,…,en)的相對(duì)重要程度，引入合適的標(biāo)度，將判斷定量化，構(gòu)造n 階判斷矩陣 A=(aij)n×n。由綜合決策模型可知，“目標(biāo)層-準(zhǔn)則層”的判斷矩陣為5 ×5 矩陣，“準(zhǔn)則層-指標(biāo)層”的判斷矩陣均為3 × 3 矩陣。判斷矩陣的5 級(jí)比較判斷標(biāo)度及含義見表1[40]。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及含義Table 1 Scaling and meaning of decision matrix

計(jì)算矩陣最大特征值λmax和相應(yīng)的特征向量V=(V1,V2,…,Vn)，對(duì) V 進(jìn)行歸一化處理得到 W=(W1,W2,…,Wn)，即代表各指標(biāo)的權(quán)重[41]。采用隨機(jī)一致性指標(biāo)IRC判斷矩陣A 的一致性程度，IRC＜0.1 時(shí)通過(guò)一致性檢驗(yàn)。計(jì)算公式如下：

式中：IARC為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。n=3 時(shí)，IARC=0.58；n=5 時(shí)，IARC=1.12[40]。

建立目標(biāo)層-準(zhǔn)則層判斷矩陣A，其中{a1,a2,a3,a4,a5}={運(yùn)行穩(wěn)定性，系統(tǒng)安全性，試驗(yàn)功能性，環(huán)境適應(yīng)性，技術(shù)成熟度}。系統(tǒng)安全性和試驗(yàn)功能性的重要性最高，其后依次為環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)行穩(wěn)定性和技術(shù)成熟度。判斷矩陣A 如下：

計(jì)算得到λmax=5.036 4，IRC=0.009 0 ＜ 0.1，W=(0.109 3,0.319 2,0.319 2,0.184 0,0.068 3)。

以此類推，建立準(zhǔn)則層-指標(biāo)層判斷矩陣。運(yùn)行穩(wěn)定性、系統(tǒng)安全性、試驗(yàn)功能性、環(huán)境適應(yīng)性和技術(shù)成熟度的判斷矩陣A1～A5及計(jì)算結(jié)果分別如下：

計(jì)算得到λmax1=3，IRC1=0 ＜ 0.1，W1=(0.400 0,0.400 0,0.200 0)。

計(jì)算得到λmax2=3.009 2，IRC2=0.007 9 ＜ 0.1，W2=(0.163 5,0.539 6,0.296 9)。

計(jì)算得到λmax3=3，IRC3=0 ＜ 0.1，W3=(0.400 0,0.400 0,0.200 0)。

計(jì)算得到λmax4=3.009 2，IRC4=0.007 9 ＜ 0.1，W4=(0.163 5,0.296 9,0.539 6)。

計(jì)算得到λmax5=3，IRC5=0 ＜ 0.1，W5=(0.400 0,0.400 0,0.200 0)。

根據(jù)目標(biāo)層-準(zhǔn)則層、準(zhǔn)則層-指標(biāo)層判斷矩陣的歸一化特征向量，得到目標(biāo)層-指標(biāo)層各項(xiàng)（垂向運(yùn)行穩(wěn)定性、側(cè)向運(yùn)行穩(wěn)定性、縱向運(yùn)行穩(wěn)定性、懸浮控制系統(tǒng)、抗氣動(dòng)力激擾、環(huán)境與健康影響、最高運(yùn)行馬赫數(shù)、最低試驗(yàn)馬赫數(shù)、平臺(tái)牽引性能、環(huán)境溫度適應(yīng)性、軌道平順適應(yīng)性、真空環(huán)境熱效應(yīng)、核心技術(shù)儲(chǔ)備、技術(shù)理論成熟度、工程應(yīng)用進(jìn)展）的權(quán)重向量 ω=(0.043 7,0.043 7,0.021 9,0.052 2,0.172 2,0.094 8,0.127 7,0.127 7,0.063 8,0.030 1,0.054 6,0.099 3,0.027 3,0.027 3,0.013 7)。

3.3 以灰色關(guān)聯(lián)度法評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3.1 指標(biāo)量化

采用灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行決策結(jié)果評(píng)價(jià)，結(jié)合磁懸浮制式對(duì)磁浮飛行風(fēng)洞的適應(yīng)性分析，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。設(shè)定A、B、C、D 等4 個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)100 分、90 分、80 分和70 分。得到的指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果如表2 所示。

表2 指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Indicator quantification value of centesimal system

將評(píng)價(jià)結(jié)果的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣S 如下：

3.3.2 計(jì)算決策值

根據(jù)權(quán)重向量 ω和決策矩陣S，得到對(duì)方案層的初步評(píng)價(jià)值如下：

計(jì)算得到 X=(0.910 9,0.944 6,0.982 9,0.948 9)。進(jìn)一步確定灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ρ：

計(jì)算得到ρ=0.946 8。進(jìn)一步根據(jù)公式（4）[42]，可得到關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣Z。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到方案層最終決策值 Y=(0.729 4,0.888 4,0.943 4,0.898 0)。根據(jù)綜合決策模型的計(jì)算結(jié)果，高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和高溫超導(dǎo)釘扎懸浮技術(shù)在磁浮飛行風(fēng)洞中具有較好的應(yīng)用潛力，其次為低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和永磁電動(dòng)懸浮技術(shù)。

需要說(shuō)明的是，上述結(jié)果基于本文設(shè)置的指標(biāo)和判斷矩陣計(jì)算得到，僅作為磁浮飛行風(fēng)洞的磁懸浮制式?jīng)Q策方法探索。后續(xù)還需深化論證研究，細(xì)化決策模型準(zhǔn)則層、指標(biāo)層及判斷矩陣，進(jìn)一步完善決策模型。

4 結(jié) 論

本文對(duì)常導(dǎo)電磁懸浮、永磁電動(dòng)懸浮、高溫/低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮、高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)的運(yùn)行原理、懸浮性能、技術(shù)特點(diǎn)等進(jìn)行綜合論述，并從運(yùn)行穩(wěn)定性、系統(tǒng)安全性、試驗(yàn)功能性、環(huán)境適應(yīng)性、技術(shù)成熟度等方面分析了不同磁懸浮技術(shù)對(duì)磁浮飛行風(fēng)洞的適應(yīng)性。常導(dǎo)電磁懸浮難以達(dá)到最高運(yùn)行馬赫數(shù)1.0 的技術(shù)指標(biāo)要求，暫不作為磁浮飛行風(fēng)洞的備選磁懸浮方案。與永磁電動(dòng)懸浮相比，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮在運(yùn)行穩(wěn)定性、抗氣動(dòng)力激擾、平臺(tái)牽引能力等方面具有更好的性能。高溫超導(dǎo)釘扎懸浮在試驗(yàn)功能性、核心技術(shù)儲(chǔ)備等方面表現(xiàn)較好。基于技術(shù)適應(yīng)性分析，初步建立了磁懸浮系統(tǒng)綜合決策模型，通過(guò)層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，采用灰色關(guān)聯(lián)度法評(píng)價(jià)決策結(jié)果。計(jì)算得到永磁電動(dòng)懸浮、低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮、高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和高溫超導(dǎo)釘扎懸浮的決策值分別為0.729 4、0.888 4、0.943 4 和0.898 0，說(shuō)明高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和高溫超導(dǎo)釘扎懸浮技術(shù)在磁浮飛行風(fēng)洞中具有較好的應(yīng)用潛力。