秒杀磁悬浮的交通工具—超级高铁

未知   2016-06-12 20:11:21


“超级高铁”是一种以“真空钢管运输”为理论核心设计的交通工具,具有超高速、高安全、低能耗、污染小等优点

□谷江敏

2016年5月11日,在美国内华达州沙漠中,一项时长仅1.9秒的测试引起世人瞩目。在这里,美国创业公司Hyperloop One(超回路1号)对超级高铁技术进行了首次公开测试。测试背负着Hyperloop One的梦想:让高铁实现超音速行进,时速达到1125千米以上。也就是说,乘坐这趟“高铁”,从旧金山到洛杉矶只需 30分钟;从北京到上海仅用50分钟。

概念:“真空运输”

也许你还不知道超级高铁,也不知道伊隆·马斯克(Elon Musk),但是你一定知道电动汽车特斯拉和前段时间火极一时space X的火箭回收。伊隆·马斯克是SpaceX的CEO及CTO(首席技术官),特斯拉汽车的CEO及首席产品架构师,SolarCIty光伏公司的主席,PayPal贝宝(最大的网上支付公司)的联合创始人。他不仅是一位企业家,还是一位发明家、创新家、工程师。就是马斯克提出并开发了Hyperloop(超级高铁)高速运输系统,他还亲自参与了电动汽车和宇宙飞船的设计。伊隆·马斯克热衷于投资能够改变世界的项目。

马斯克并不是第一个提出“真空管道运输”这一概念的人。早在1904年,美国学者罗伯特·戴维就已经提出“真空管道运输”的设想。20世纪80年代,美国机械工程师达里尔·奥斯特开始思考“真空管道运输”的可行性。1999年,奥斯特为“真空管道运输”这一概念申请了专利。2010年,奥斯特成立了致力于开发真空运输项目的公司——真空管道交通全球联盟(Global Alliance Inc.,即ET3公司)。

按照ET3公司的设想,真空管道运输是一个类似胶囊一样的运输容器,它通过真空管道进行点对点传送。由于管道处于真空状态,胶囊容器的速度可以达到时速6500公里。

2013年,有着“科技狂人”之称的马斯克根据“真空运输”这一概念提出了“超级高铁”的理念。马斯克对超级高铁的速度预期比奥斯特保守,他所提出的预期时速为1200公里,接近音速。这一速度比子弹头列车快1倍,也可以达到2倍于飞机的速度。除了速度快,超级高铁还具有安全、环保的优点。因为它处于全封闭的真空系统中,可以对复杂天气免疫。同时,它还可以使用太阳能作为驱动力,能够自己补充能量。

原理:真空悬浮无摩擦力飞行

“超级高铁”的原理与磁悬浮列车类似。不过,列车除了悬浮,还要在真空管道中运行。设计者称,该项目的动力供应采用的是磁悬浮技术。因其胶囊形外表,“超级高铁”又被称为“胶囊高铁”。这种“胶囊”列车有可能是继汽车、轮船、火车和飞机之后的新一代交通运输工具。每一个“胶囊”被放置于管道中,像炮弹一样被发射至目的地。“胶囊”处于几乎没有摩擦力的环境中,无间断地行驶。尽管真空管道运输能够达到让人难以置信的速度,但是乘客却不会感受到高强度的加速度,只能感受到很小的爆发加速力。

这一构想的关键是如何实现运行管道的真空。在马斯克的设计中,其技术原理是在地面或地下建一个密闭管道,用真空泵将管道抽成真空或部分真空。在这样的环境中运行的车辆,行车阻力会大大减小,从而有效地降低能耗,同时,气动噪声也可以大大降低。

超级高铁从技术层面讲是可行的,符合物理原理。列车高速行驶过程中70%以上的阻力来自空气摩擦,而超级高铁是要模拟出一种高空环境,就像飞机在天上飞一样,阻力会小很多,所以,只需要很小的推动力就可以实现长时间高速疾驶。

超级高铁的优点

1.超高速。在地表稠密的大气层中,高速交通工具运行时受到接触摩擦和空气摩擦的影响,目前,最高时速可以达到500公里左右。而真空管道运输系统的最高速度,曾有媒体报道说,其理论速度最快可以达到时速2万公里。ET3公司对外宣称他们的目标时速是6500公里,马斯克的SpaceX公司将时速目标定在1200公里。可以放心的是,乘坐超级高铁的乘客并不会感受到加速,因为加速是逐渐进行的。

2.安全度高。2016年5月11日,超级高铁建设方宣布,Hyperloop超级高铁将采用新型“被动磁悬浮”技术。之所以选择该技术,不仅因为它的成本比传统磁悬浮技术低,还因为它更安全。有了被动磁悬浮技术,就不需要在Hyperloop超级高铁沿途建跟踪发电站,也就是说成本会更低。更重要的是,被动磁悬浮技术比传统磁悬浮技术更安全。因为被动悬浮由高速运动产生,也就是说一旦发生电力故障,被动悬浮也能使列车继续悬浮于地面,直到速度降低才会与地面接触。

3.污染小。在能源方面,超级高铁将采用自供电设计,通过在管道上部铺设太阳能面板,产生足够的电能维持运行。在系统中装上太阳能电板后,获得的能量将超过整个系统消耗的能量。并且,该系统还有存储能量的设施,在不使用电池板的情况下,能够行驶1周左右。

4.成本低。现在任何一个国家的交通系统都是基于这样的模式:政府举债或者用纳税人的钱做基础建设,收回成本却很难。比如,政府修建公路几乎没有可能收回成本,快递公司则受益于这个系统。超级高铁的基建成本大大低于传统高铁。埃隆·马斯克早已算出了基建的总价,从洛杉矶到旧金山,包括:土地、桥梁建设、动力系统等管道基建花费,以及行驶舱等,运载乘客版本的超级高铁总价不超过60亿美元,既能客运又能货运的超级高铁不超过75亿美元。如果这个费用准确,将远远低于目前高铁的基建费用。他计算的这个费用折合人民币约400亿元。而被埃隆·马斯克极大挖苦的加州高铁,总投资预计680亿美元,几乎是超级高铁的10倍不止。

5.能耗低。基础建设完成之后,运行费用也低于传统高铁。一个基本的定理就是传统高铁跑得越快,用于对抗空气,以及地面摩擦的阻力上所消耗的能源就越多,成本就越高,在现有价格下,大多数运输公司收入难以覆盖他们的运营费用。但由于超级高铁是在真空环境下运行,因而,在极大提高速度的情况下,能耗却极低。

6.更便宜。按照马斯克的构想,对于距离不超过1500公里的任何两个大城市而言,超级高铁都是非常经济的交通方式。例如,洛杉矶和旧金山之间的建造成本为60亿美元,根据成本分摊,单程票价可控制在每张20美元。

超级高铁的瓶颈

1.政府是否买单是关键。“技术上都没有大的障碍,钱也肯定不是问题,我们有很多投资人。现在最重要的就是取得管制方的批准,毕竟这是一个全新的没有出现过的交通工具,我们现在正在和欧洲管制部门谈判。”HTT(超级高铁运输科技公司)CEO德科·阿赫伯恩(Dirk Ahlborn)说,“取得政府的批准,是超回路列车变成真正的交通工具的关键点。”Hyperloop One管理层在接受媒体采访时说,他们之所以在内华达州试验,是因为这个地区商业友好同时监管宽松。他们曾在全美各州奔走,尽管许多州都自诩有适合Hyperloop的测试场地,但高速、庞大的Hyperloop系统还是让他们有所顾忌,“我们只有一鸣惊人才可以博得政府的信任。”

政府的确是这个技术变成大众交通工具的关键点,不仅需要行政上的审批,还需要他们在基础建设上买单。如果这种新的技术确实能够带来回报,这些盈利性质的运输公司会成为说服政府接受这种新技术并投资新技术的一股强大的力量。

2.乘坐体验有待加强。虽然超级高铁不违背物理原理,但过快的速度将会令人头晕目眩,更不用说还可能要应对翻滚和急刹车等紧急事件。此外,超级高铁的路线理论上越直越好。这是因为,高速下的转弯不但非常困难,还会让乘客体验变得糟糕。此外,管道中是真空状态,而在其中运行的磁浮车辆中必须具备适宜人类乘坐的大气环境,如何保证车厢内外环境都达到标准,也是一个难点。

3.难以承受的加速度。超级高铁要在短时间内达到上千公里的时速,加速度至少会达到几个g(g是地球表面附近的物体因受重力产生的加速度),而飞行员能够长时间承受的最大加速度也不过6个g左右,一般人根本无法承受这样的加速度。同时,超级高铁的定位是替代老旧的铁道系统,这意味着超级高铁将有更多的停站,也就是说,加速和减速会更加频繁。例如,你愿意乘坐每10分钟升降一次的飞机吗?

4.断断续续的信号。由于微波、无线信号很难在密闭的真空钢筋管道中传输,这就对传感器提出了更高的要求。而且,以1000多公里的时速高速移动,意味着多普勒效应会严重影响无线通讯的质量,引发通话时断断续续、掉线等问题。也就是说,很有可能乘客要在“胶囊”里几小时没有信号。

5.电压的真空击穿现象。当加在电真空器件上的电压超过某个值之后会发生跳火或高压击穿的现象,即高压加不上、跳闸、跳火。电压在真空环境中容易出现“真空击穿”现象,产生自持放电,会破坏电极导致运输系统瘫痪。如何保证真空环境中的电压稳定也是一大问题。

中国的“超级高铁”计划

面对“超级高铁”,中国也并非仅仅是望洋兴叹。2014年,西南交通大学就搭建了全球首个真空管道超高速磁悬浮列车原型试验平台。同样,中国很早就开始了磁悬浮技术在轨道交通方面的商用试点。早在2003年,上海机场线的磁悬浮列车就投入了商业化运营。但是,建设和运营磁悬浮铁路的投入产出比一直是悬而未决的问题。

能让我们普通老百姓感受到切身好处的还是近10年来轮轨高铁的飞速发展。目前,中国高速铁路运营里程已超过2万公里,平均运营时速达300公里,未来还有一定的提速空间和发展需求,也将继续在这方面深入研究。

高铁是一项高技术、高投入的基础设施项目,超级高铁更是一种高风险的设施,直接关系到一个国家的国计民生,更关乎制度、环境和人性。西方国家常常因环境问题将一些高铁项目取消,比如,英国居民曾联手反对二号高速铁路建设,理由是消耗资源、有噪音、破坏生态等。显然,对于环境、人性深处的考量方面,中国高铁乃至整个中国制造都需要特别关注,我们常常为了绩效,忽视了人性最基本面的需求。面对超级高铁这样具有广泛影响力的项目,中国高铁更要守住自己的内心,毕竟,我们再也经受不住惨痛的事故了。这2年,从飞机到火车再到轮船,几乎每一种交通工具都给人类带来了难以接受的灾难,这当然不是“拒绝提速”的理由,但肯定要思考如何平衡“速度和安全”。

Hyperloop超级高铁取得关键性进展当然令人兴奋,不过要想真正投产的话,至少还要10年时间。但在科学研究中,布局未来前沿技术则是必要的。


谷江敏美国加州大学洛杉矶分校


2016年5月11日,在美国拉斯维加斯北部,美国创业公司Hyperloop One的超级高铁推进系统首次户外测试成功。3米长的实验“滑车”在铺设好的轨道上运行了2秒钟,当速度达到400英里每小时时,撞击到91米外的沙堆并减速停车。CFP供图

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