超級高鐵（Hyperloop）理念分析

1 引言

2013年8月，埃隆?·?馬斯克（Elon Musk）在一份名為“Hyperloop Alpha”的白皮書中提出了超級高鐵（Hyperloop）理念，這是一種在密閉的低真空管道中用所謂的“膠囊”運輸乘客和貨物的運輸系統。但從那時起，也出現了一些質疑的聲音，其焦點集中在Hyperloop的技術實施及盈利能力問題上。由此可以看出，人們所關注的是，Hyperloop能否成為可真正發揮潛能的新運輸系統，以及其相對于其他鐵路運輸方式的差異和優缺點何在。

2 磁懸浮列車發展概況

磁懸浮列車可被視為Hyperloop的前身。與傳統的鐵路運輸方式相比，磁懸浮列車的主要優點是運行更安靜，行駛速度更高，加速能力更強，以及設施基本無磨損。

20世紀下半葉，德國的西門子公司（Siemens AG）和蒂森克虜伯公司（ThyssenKrupp）合作研發了磁懸浮列車Transrapid，其設計最高運行速度達500 km/h。盡管其技術應用已達到成熟階段，并在埃姆斯蘭（Emsland）約30 km長的試驗線路上進行了密集的運行測試，但僅在上海建造了一條商用線路。該線路（即上海磁懸浮列車示范運營線）長30 km，于2006年開通運營，測試行車時的最高速度達到501 km/h，但實際最高運營速度僅為300 km/h。降低速度的主要原因之一是速度越高，能量需求越大。因此，在這之后，中國和德國轉而不斷加大對于高速鐵路的投資。日本目前正在為其磁懸浮列車JR-Maglev建造一條新生產線。

磁懸浮列車能否在其他國家得到應用和推廣還有待觀察。大多數專家認為，如果能夠解決經濟性問題，磁懸浮列車將在客運領域具有較大的競爭力。

3 Hyperloop 理念概述

在馬斯克首次提出Hyperloop理念之前，就已經存在對類似系統的設想和研究。早在20世紀初，就有人提出了在真空隧道中運行列車的想法。2013年8月，馬斯克在Hyperloop Alpha白皮書中正式首次提出Hyperloop理念。

之前的類似理念主張制造一個真空或者近似真空的列車運行環境，從而大幅減小空氣阻力，實現列車的高速運行。然而，白皮書中認為，這種狀態極難維持，管道上微小的裂縫或泄漏點就會導致整個系統停止運轉。因此，馬斯克的Hyperloop是一個在低真空環境中（而不是在真空或近似真空狀態下）運行的系統，其管道內的氣壓為100 Pa，約為海平面氣壓的1/1 000，這將使管道內的空氣阻力與海平面處相比減小約1 000倍。為使氣壓保持在此水平，必須在限制空氣泄漏量的前提下，用空氣泵抽吸管道中的空氣。

Hyperloop的管道中始終殘存著一定量的空氣。當膠囊（即列車）在狹窄管道中行駛時，空氣只能在膠囊與管道內壁之間的空隙中流動。因此，當膠囊的運行速度足夠高時，膠囊周圍的空氣流速會達到聲速，從而發生阻塞效應，導致空氣阻力不降反升。從理論上講，可以通過將管道直徑增大為膠囊直徑數倍的方式避免發生阻塞效應。但出于成本的考慮，該方案不可行。為此，馬斯克提出可通過在膠囊上安裝高功率空氣壓縮機的方式解決上述問題。空氣壓縮機和鼓風機會從車頭處吸入空氣，并在膠囊下方形成氣墊，將膠囊抬升起來，從而減小摩擦力，提高膠囊的運行速度（圖1）。但Hyperloop不同于磁懸浮列車，原因在于膠囊的懸浮狀態不是通過磁場實現的。馬斯克認為，利用磁場實現懸浮的成本遠遠高于其提出的氣墊解決方案。

馬斯克指出，膠囊的加速和制動由線性電機控制，可以實現全線的高加速度。此外，空氣壓縮機也能夠在膠囊達到旅行速度后提供所需的推動力。Hyperloop膠囊的最高運行速度可達到1 223 km/h，略低于聲速1 236 km/h，但其理論速度甚至還可以更高。因此，不能完全排除其在較長距離上實現超聲速的可能性。然而，與達到此速度的Hyperloop相比，飛機運輸的成本明顯更低。

Hyperloop的一大優點在于其采用的高架結構。Hyperloop運輸管道（圖2）由鋼材料制成，內徑為2.23 m或3.30 m，具體取決于所用膠囊大小（圖3），其各部分是預制的，可直接安裝在線路上。支撐管道的鋼筋混凝土支柱平均高度為6 m，支柱間的間隔距離為30 m。這種高架結構可減少Hyperloop基礎設施安裝所需的空間，減小需要購買的土地面積。對于正在規劃中的洛杉磯—舊金山線路，由于除小半徑曲線處及城市中的區段外，其大部分是沿著加利福尼亞州5 號州際公路修建的，因此需要購買的土地更少。該線路計劃平行建造2 條管道，上下行線路分別使用1條。

圖1 白皮書中的膠囊設計草圖

圖2 Hyperloop運輸管道

圖3 膠囊示意圖

整個Hyperloop系統所用的電能全部由安裝在管道外側的太陽能電池板提供。據馬斯克稱，其生產的電能甚至還有富余量，可饋入普通電網，或者存儲在適當的能量存儲裝置中，以保證系統在日光不好的白天和夜間正常運行。

馬斯克將他的Hyperloop理念免費分享給所有關注者。隨后便誕生了許多致力于將這一理念付諸實踐的公司，其中最著名的有美國的Hyperloop Transportation Technologies（Hyperloop TT）、 Virgin Hyperloop One、SpaceX，加拿大的TransPod，以及荷蘭的Hardt Hyperloop。這些公司都開發了各自的Hyperloop系統。與馬斯克的Hyperloop理念不同的是，最大的2家公司Hyperloop TT和Virgin Hyperloop One采用的是電磁懸浮系統。其中的一些公司已經建造了測試線路，并計劃在未來10年內將其產品投入商業運營。

4 批判性觀點

關于Hyperloop理念能否實現的問題，目前存在質疑之聲，質疑的焦點集中在其具體實施方案和盈利能力上，具體如下。

（1）專家們認為膠囊的應用及其加速是一項從未付諸過實踐的技術，需要經過大量的試驗驗證才能成熟。

（2）系統的實際能量需求不明確。降低管道內氣壓并放棄制造真空或近似真空環境是明智的決定，也是將能量需求保持在最低水平的有效措施。但即使采取了這種措施，管道上安裝的太陽能電池板所產生的電能仍無法像馬斯克設想的那樣完全滿足該系統的能量需求。

（3）盡管白皮書中考慮到系統的地震安全性，但專家們仍然對于其緊急制動系統的有效性提出了質疑。據馬斯克稱，該系統在檢測到首輪地震波時會立即觸發緊急制動。然而，即使在以極高的減速力實施緊急制動的情況下，Hyperloop膠囊也需要至少15 s的緊急停車時間，并向前行進至少2 km。在強烈地震中，這個時間顯然太長。

（4）由于空氣壓縮機的作用，膠囊和管道中會產生和積累大量熱量，這些積聚的廢熱會帶來其他問題。

（5）專家們認為馬斯克對乘客和行李重量相關的列車凈載重預估過低。

（6）馬斯克關于旅行時間的預估也遭到質疑，因為他未將必要的安全檢查時間納入其中，而且由于洛杉磯—舊金山線路的起點和終點具體在何處尚未確定，因此其實際旅行時間也難以精確計算。

（7）馬斯克預估的0.5g加速度過高。盡管加速度g力僅持續幾秒鐘，但其產生的載荷與飛機起飛時相當。此外，Hyperloop加速需要超過5 min的時間，許多乘客可能因此感到不適。

（8）目前，各Hyperloop公司在其管道上沒有設置或者僅設置極少的緊急出口，也沒有完備的安全和應急理念和措施。對以上2方面進行完善都將顯著增加Hyperloop系統的總成本，從而降低其經濟性。

（9）目前，尚無有關Hyperloop技術的法律或法規。在美國和歐盟，進行相關的立法可能要花費數年時間，從而延遲Hyperloop線路的建設時間。

（10）Hyperloop公司發布的成本估算明顯偏低。根據專家的估算，Hyperloop總成本應高于高速鐵路的成本。

5 與其他鐵路運輸方式的比較

本節將Hyperloop的運輸能力與高速鐵路和磁懸浮列車進行了比較（表1）。對于Hyperloop，將考慮發車間隔分別為2 min和5 min時的載客量；5 min的發車間隔用于Hyperloop的初期運營階段，以留出足夠的緩沖時間。對于高速鐵路，考慮到基于現有的列車防護系統，采取較短的發車間隔不現實，因此設定發車間隔為5 min。如果將來這一領域有進一步的發展，則發車間隔可能縮短。因此，表中還列出了發車間隔為3 min時的預估載客量。對于磁懸浮列車，由于其技術條件允許，將其發車間隔設定為更短的2 min。此外，設定每列高鐵列車的載客量為900人，每列磁懸浮列車的載客量為500人。

表1 Hyperloop、高速鐵路和磁懸浮列車運輸能力比較

由表1可知，若使用設置28個座位的膠囊（型號 1），Hyperloop每個方向每小時可運輸乘客336人次；若將發車間隔縮短為2 min（其操作可行性尚未得到證實），可運輸840人次。而高速鐵路列車和磁懸浮列車每個方向每小時的客運量都超過了10 000人次。即便使用設置40個座位的大型膠囊（型號2），Hyperloop的客運量與高速鐵路列車和磁懸浮列車相比仍然差距巨大。由此可見，Hyperloop明顯偏低的運輸能力是其主要缺點。此外，Hyperloop的上述缺點還造成了嚴重的經濟問題，即嚴重限制其車票銷售收入。

專家還指出，Hyperloop簡言之就是一種管道中運行的磁懸浮列車，雖然其可能實現更高的運行速度，但兩者十分相似。而以Transrapid為代表的磁懸浮列車，盡管技術已經成熟，但最終仍未實現推廣。Hyperloop也面臨相似的問題，即其運行速度優勢是否足以推動其推廣應用。

6 結語

總而言之，Hyperloop項目的可實現性在很大程度上取決于其運輸能力、技術競爭力、建設和運營成本，以及總體盈利能力。Hyperloop理念在早期實施階段，應將重點放在可能的點對點連接上，因為這相對容易實現。

Hyperloop在歐洲（尤其是西歐和中歐）的應用可能性比較小，因為那里已經有非常密集的鐵路網絡，尤其在德國、法國、西班牙和意大利有極為發達的高速鐵路交通系統，建造Hyperloop意義不大。此外，Hyperloop的成本高、運輸能力低下等問題也是其硬傷。

圖4 迪拜至阿布扎比Hyperloop線路

Hyperloop在某些地區也具有實現可能性。例如，阿拉伯聯合酋長國正在規劃建設一條從迪拜至阿布扎比、長約150 km的Hyperloop線路（圖4），該項目還得到了該國政府的大力支持。這條線路可能成為世界首條建成的Hyperloop線路。其實施將提供有關Hyperloop實際成本的信息，研究者可以此為依據評估其盈利能力，若評估結果為正向，則可作為項目推廣的催化劑；但若為負向，則大多數Hyperloop項目將中止。