秒殺磁懸浮的交通工具—超級高鐵

谷江敏

“超級高鐵”是一種以“真空鋼管運輸”為理論核心設(shè)計的交通工具，具有超高速、高安全、低能耗、污染小等優(yōu)點

2016年5月11日，在美國內(nèi)華達州沙漠中，一項時長僅1.9秒的測試引起世人矚目。在這里，美國創(chuàng)業(yè)公司Hyperloop One（超回路1號）對超級高鐵技術(shù)進行了首次公開測試。測試背負(fù)著Hyperloop One的夢想：讓高鐵實現(xiàn)超音速行進，時速達到1125千米以上。也就是說，乘坐這趟“高鐵”，從舊金山到洛杉磯只需30分鐘；從北京到上海僅用50分鐘。

概念：“真空運輸”

也許你還不知道超級高鐵，也不知道伊隆·馬斯克（Elon Musk），但是你一定知道電動汽車特斯拉和前段時間火極一時space X的火箭回收。伊隆·馬斯克是SpaceX的CEO及CTO（首席技術(shù)官），特斯拉汽車的CEO及首席產(chǎn)品架構(gòu)師，SolarCIty光伏公司的主席，PayPal貝寶（最大的網(wǎng)上支付公司）的聯(lián)合創(chuàng)始人。他不僅是一位企業(yè)家，還是一位發(fā)明家、創(chuàng)新家、工程師。就是馬斯克提出并開發(fā)了Hyperloop（超級高鐵）高速運輸系統(tǒng)，他還親自參與了電動汽車和宇宙飛船的設(shè)計。伊隆·馬斯克熱衷于投資能夠改變世界的項目。

馬斯克并不是第一個提出“真空管道運輸”這一概念的人。早在1904年，美國學(xué)者羅伯特·戴維就已經(jīng)提出“真空管道運輸”的設(shè)想。20世紀(jì)80年代，美國機械工程師達里爾·奧斯特開始思考“真空管道運輸”的可行性。1999年，奧斯特為“真空管道運輸”這一概念申請了專利。2010年，奧斯特成立了致力于開發(fā)真空運輸項目的公司——真空管道交通全球聯(lián)盟（Global Alliance Inc.，即ET3公司）。按照ET3公司的設(shè)想，真空管道運輸是一個類似膠囊一樣的運輸容器，它通過真空管道進行點對點傳送。由于管道處于真空狀態(tài)，膠囊容器的速度可以達到時速6500公里。

2013年，有著“科技狂人”之稱的馬斯克根據(jù)“真空運輸”這一概念提出了“超級高鐵”的理念。馬斯克對超級高鐵的速度預(yù)期比奧斯特保守，他所提出的預(yù)期時速為1200公里，接近音速。這一速度比子彈頭列車快1倍，也可以達到2倍于飛機的速度。除了速度快，超級高鐵還具有安全、環(huán)保的優(yōu)點。因為它處于全封閉的真空系統(tǒng)中，可以對復(fù)雜天氣免疫。同時，它還可以使用太陽能作為驅(qū)動力，能夠自己補充能量。

原理：真空懸浮無摩擦力飛行

“超級高鐵”的原理與磁懸浮列車類似。不過，列車除了懸浮，還要在真空管道中運行。設(shè)計者稱，該項目的動力供應(yīng)采用的是磁懸浮技術(shù)。因其膠囊形外表，“超級高鐵”又被稱為“膠囊高鐵”。這種“膠囊”列車有可能是繼汽車、輪船、火車和飛機之后的新一代交通運輸工具。每一個“膠囊”被放置于管道中，像炮彈一樣被發(fā)射至目的地。“膠囊”處于幾乎沒有摩擦力的環(huán)境中，無間斷地行駛。盡管真空管道運輸能夠達到讓人難以置信的速度，但是乘客卻不會感受到高強度的加速度，只能感受到很小的爆發(fā)加速力。

這一構(gòu)想的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)運行管道的真空。在馬斯克的設(shè)計中，其技術(shù)原理是在地面或地下建一個密閉管道，用真空泵將管道抽成真空或部分真空。在這樣的環(huán)境中運行的車輛，行車阻力會大大減小，從而有效地降低能耗，同時，氣動噪聲也可以大大降低。

超級高鐵從技術(shù)層面講是可行的，符合物理原理。列車高速行駛過程中70%以上的阻力來自空氣摩擦，而超級高鐵是要模擬出一種高空環(huán)境，就像飛機在天上飛一樣，阻力會小很多，所以，只需要很小的推動力就可以實現(xiàn)長時間高速疾駛。

超級高鐵的優(yōu)點

1.超高速。在地表稠密的大氣層中，高速交通工具運行時受到接觸摩擦和空氣摩擦的影響，目前，最高時速可以達到500公里左右。而真空管道運輸系統(tǒng)的最高速度，曾有媒體報道說，其理論速度最快可以達到時速2萬公里。ET3公司對外宣稱他們的目標(biāo)時速是6500公里，馬斯克的SpaceX公司將時速目標(biāo)定在1200公里。可以放心的是，乘坐超級高鐵的乘客并不會感受到加速，因為加速是逐漸進行的。

2.安全度高。2016年5月11日，超級高鐵建設(shè)方宣布，Hyperloop超級高鐵將采用新型“被動磁懸浮”技術(shù)。之所以選擇該技術(shù)，不僅因為它的成本比傳統(tǒng)磁懸浮技術(shù)低，還因為它更安全。有了被動磁懸浮技術(shù)，就不需要在Hyperloop超級高鐵沿途建跟蹤發(fā)電站，也就是說成本會更低。更重要的是，被動磁懸浮技術(shù)比傳統(tǒng)磁懸浮技術(shù)更安全。因為被動懸浮由高速運動產(chǎn)生，也就是說一旦發(fā)生電力故障，被動懸浮也能使列車?yán)^續(xù)懸浮于地面，直到速度降低才會與地面接觸。

3.污染小。在能源方面，超級高鐵將采用自供電設(shè)計，通過在管道上部鋪設(shè)太陽能面板，產(chǎn)生足夠的電能維持運行。在系統(tǒng)中裝上太陽能電板后，獲得的能量將超過整個系統(tǒng)消耗的能量。并且，該系統(tǒng)還有存儲能量的設(shè)施，在不使用電池板的情況下，能夠行駛1周左右。

4.成本低。現(xiàn)在任何一個國家的交通系統(tǒng)都是基于這樣的模式：政府舉債或者用納稅人的錢做基礎(chǔ)建設(shè)，收回成本卻很難。比如，政府修建公路幾乎沒有可能收回成本，快遞公司則受益于這個系統(tǒng)。超級高鐵的基建成本大大低于傳統(tǒng)高鐵。埃隆·馬斯克早已算出了基建的總價，從洛杉磯到舊金山，包括：土地、橋梁建設(shè)、動力系統(tǒng)等管道基建花費，以及行駛艙等，運載乘客版本的超級高鐵總價不超過60億美元，既能客運又能貨運的超級高鐵不超過75億美元。如果這個費用準(zhǔn)確，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前高鐵的基建費用。他計算的這個費用折合人民幣約400億元。而被埃隆·馬斯克極大挖苦的加州高鐵，總投資預(yù)計680億美元，幾乎是超級高鐵的10倍不止。

5.能耗低。基礎(chǔ)建設(shè)完成之后，運行費用也低于傳統(tǒng)高鐵。一個基本的定理就是傳統(tǒng)高鐵跑得越快，用于對抗空氣，以及地面摩擦的阻力上所消耗的能源就越多，成本就越高，在現(xiàn)有價格下，大多數(shù)運輸公司收入難以覆蓋他們的運營費用。但由于超級高鐵是在真空環(huán)境下運行，因而，在極大提高速度的情況下，能耗卻極低。

6.更便宜。按照馬斯克的構(gòu)想，對于距離不超過1500公里的任何兩個大城市而言，超級高鐵都是非常經(jīng)濟的交通方式。例如，洛杉磯和舊金山之間的建造成本為60億美元，根據(jù)成本分?jǐn)偅瑔纬唐眱r可控制在每張20美元。

超級高鐵的瓶頸

1.政府是否買單是關(guān)鍵。“技術(shù)上都沒有大的障礙，錢也肯定不是問題，我們有很多投資人。現(xiàn)在最重要的就是取得管制方的批準(zhǔn)，畢竟這是一個全新的沒有出現(xiàn)過的交通工具，我們現(xiàn)在正在和歐洲管制部門談判。”HTT（超級高鐵運輸科技公司）CEO德科·阿赫伯恩（Dirk Ahlborn）說，“取得政府的批準(zhǔn)，是超回路列車變成真正的交通工具的關(guān)鍵點。”Hyperloop One管理層在接受媒體采訪時說，他們之所以在內(nèi)華達州試驗，是因為這個地區(qū)商業(yè)友好同時監(jiān)管寬松。他們曾在全美各州奔走，盡管許多州都自詡有適合Hyperloop的測試場地，但高速、龐大的Hyperloop系統(tǒng)還是讓他們有所顧忌，“我們只有一鳴驚人才可以博得政府的信任。”

政府的確是這個技術(shù)變成大眾交通工具的關(guān)鍵點，不僅需要行政上的審批，還需要他們在基礎(chǔ)建設(shè)上買單。如果這種新的技術(shù)確實能夠帶來回報，這些盈利性質(zhì)的運輸公司會成為說服政府接受這種新技術(shù)并投資新技術(shù)的一股強大的力量。

2.乘坐體驗有待加強。雖然超級高鐵不違背物理原理，但過快的速度將會令人頭暈?zāi)垦＃挥谜f還可能要應(yīng)對翻滾和急剎車等緊急事件。此外，超級高鐵的路線理論上越直越好。這是因為，高速下的轉(zhuǎn)彎不但非常困難，還會讓乘客體驗變得糟糕。此外，管道中是真空狀態(tài)，而在其中運行的磁浮車輛中必須具備適宜人類乘坐的大氣環(huán)境，如何保證車廂內(nèi)外環(huán)境都達到標(biāo)準(zhǔn)，也是一個難點。

3.難以承受的加速度。超級高鐵要在短時間內(nèi)達到上千公里的時速，加速度至少會達到幾個g（g是地球表面附近的物體因受重力產(chǎn)生的加速度），而飛行員能夠長時間承受的最大加速度也不過6個g左右，一般人根本無法承受這樣的加速度。同時，超級高鐵的定位是替代老舊的鐵道系統(tǒng)，這意味著超級高鐵將有更多的停站，也就是說，加速和減速會更加頻繁。例如，你愿意乘坐每10分鐘升降一次的飛機嗎？

4.斷斷續(xù)續(xù)的信號。由于微波、無線信號很難在密閉的真空鋼筋管道中傳輸，這就對傳感器提出了更高的要求。而且，以1000多公里的時速高速移動，意味著多普勒效應(yīng)會嚴(yán)重影響無線通訊的質(zhì)量，引發(fā)通話時斷斷續(xù)續(xù)、掉線等問題。也就是說，很有可能乘客要在“膠囊”里幾小時沒有信號。

5.電壓的真空擊穿現(xiàn)象。當(dāng)加在電真空器件上的電壓超過某個值之后會發(fā)生跳火或高壓擊穿的現(xiàn)象，即高壓加不上、跳閘、跳火。電壓在真空環(huán)境中容易出現(xiàn)“真空擊穿”現(xiàn)象，產(chǎn)生自持放電，會破壞電極導(dǎo)致運輸系統(tǒng)癱瘓。如何保證真空環(huán)境中的電壓穩(wěn)定也是一大問題。

中國的“超級高鐵”計劃

面對“超級高鐵”，中國也并非僅僅是望洋興嘆。2014年，西南交通大學(xué)就搭建了全球首個真空管道超高速磁懸浮列車原型試驗平臺。同樣，中國很早就開始了磁懸浮技術(shù)在軌道交通方面的商用試點。早在2003年，上海機場線的磁懸浮列車就投入了商業(yè)化運營。但是，建設(shè)和運營磁懸浮鐵路的投入產(chǎn)出比一直是懸而未決的問題。

能讓我們普通老百姓感受到切身好處的還是近10年來輪軌高鐵的飛速發(fā)展。目前，中國高速鐵路運營里程已超過2萬公里，平均運營時速達300公里，未來還有一定的提速空間和發(fā)展需求，也將繼續(xù)在這方面深入研究。

高鐵是一項高技術(shù)、高投入的基礎(chǔ)設(shè)施項目，超級高鐵更是一種高風(fēng)險的設(shè)施，直接關(guān)系到一個國家的國計民生，更關(guān)乎制度、環(huán)境和人性。西方國家常常因環(huán)境問題將一些高鐵項目取消，比如，英國居民曾聯(lián)手反對二號高速鐵路建設(shè)，理由是消耗資源、有噪音、破壞生態(tài)等。顯然，對于環(huán)境、人性深處的考量方面，中國高鐵乃至整個中國制造都需要特別關(guān)注，我們常常為了績效，忽視了人性最基本面的需求。面對超級高鐵這樣具有廣泛影響力的項目，中國高鐵更要守住自己的內(nèi)心，畢竟，我們再也經(jīng)受不住慘痛的事故了。這2年，從飛機到火車再到輪船，幾乎每一種交通工具都給人類帶來了難以接受的災(zāi)難，這當(dāng)然不是“拒絕提速”的理由，但肯定要思考如何平衡“速度和安全”。

Hyperloop超級高鐵取得關(guān)鍵性進展當(dāng)然令人興奮，不過要想真正投產(chǎn)的話，至少還要10年時間。但在科學(xué)研究中，布局未來前沿技術(shù)則是必要的。

美國加州大學(xué)洛杉磯分校