“超级回路”高铁真要来了?

摘要

日前,美国超级高铁公司 Hyperloop One 在内华达沙漠里展示了它将如何以接近声速的速度,用管道胶囊运送人和货物。Hyperloop 滑车在2秒内加速至 400英里每小时的速度,然后撞击在91米外的沙堆里。 三年前,美国亿万富翁传奇人物埃隆·马斯克提出Hyperloop(超级回路)设想的时候,很多人还认为那只是个科学幻想,而日前的新闻证明了,确实有人在为这个“幻想”实实在在地努力。

Hyperloop内部结构图

   新闻背景

日前,美国超级高铁公司 Hyperloop One 在内华达沙漠里展示了它将如何以接近声速的速度,用管道胶囊运送人和货物。Hyperloop 滑车在2秒内加速至 400英里每小时的速度,然后撞击在91米外的沙堆里。

三年前,美国亿万富翁传奇人物埃隆·马斯克提出Hyperloop(超级回路)设想的时候,很多人还认为那只是个科学幻想,而日前的新闻证明了,确实有人在为这个“幻想”实实在在地努力。

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埃隆·马斯克

     “超级回路”并不是新设想

如果没有奥巴马在2009年关于高铁技术的那场演讲,美国加利福尼亚州旧金山至洛杉矶新建高铁计划也许还要延迟。经过艰难的磨合与推进,加州高铁新建工程近期终于启动。

然而,在技术达人埃隆·马斯克看来,高达684亿美元的造价、平均264公里的时速、长达2.5小时的旅程,与飞机和汽车相比,性价比实在不高。因此,2013年,他提出了一种 “超级回路”(Hyperloop)新型交通方式设想,并做了技术可行性分析,通过互联网开放式平台,分享研究成果,希望借助众筹的力量,将这一颇具辉煌前景的设想实施落地。

根据马斯克技术白皮书提供的数据,“超级回路”列车平均时速可达970公里/小时,而最高运行速度为1200公里/小时,环保节能无污染,利用太阳能作为供应能源,从洛杉矶至旧金山500公里的距离,只需要35分钟就可到达,而造价约为60亿至75亿美元,是轮轨式高铁造价的10%。

人气和影响力直追乔布斯的埃隆·马斯克,点燃了“超级回路”的火种。然而,他并不是第一个提出这个概念的人。如果向上追溯,最早提出真空管道列车概念的时间是1812年,首次提出这个概念的人是英国机械工程师兼发明家乔治·梅德赫斯特;到了1864年左右,英国伦敦修建了一条“水晶宫气动铁路”,通过蒸汽机驱动直径6.7米的巨型风扇为列车提供动力;1870年在美国纽约开通运营“海滨气动运输系统”,通过埋在地下的管道,利用压缩空气驱动列车运行;1910年,美国火箭专家罗伯特·戈达德首次为真空管道列车命名;第一个提出真空管道设想并申请专利的人是德国工程师赫尔曼·肯佩尔,他是基于磁悬浮列车技术原理提出的这个观点,并于1934年申请了专利。而“真空管道运输”商标名称则是机械工程师达里尔·奥斯特于20世纪90年代提出,并于1997年获得专利。

由上可知,埃隆·马斯克只是重新提出了类似的概念,并命名为“超级回路”。最重要的是,他并非空想家,而是实干家,努力将这项技术真正变成现实,并呼吁更多的有识之士参与这项伟大的运输革命,这是他的过人之处。

  3         真空管道不需严格真空

“超级回路”是在实现局部真空的密封管道中,悬浮在空气垫之上,通过直线电机和空气压缩机提供动力,驱动加压之后的旅客舱快速移动,进而实现高速行车的目的。

“超级回路”的技术原理与“真空管道列车”类似,但是与后者最大的不同之处就在于管道的密封性要求有差异。“真空管道列车”对管道的密封要求严格,要达到真空级别,摈弃一切空气阻力,实现起来非常困难。而“超级回路”则要求将管道减压到1毫巴(100帕斯卡)即可,这样在技术上容易实现。

旅客舱驱动原理图

旅客舱驱动原理图

然而,旅客舱在局部真空管道中高速运行,与飞机速度不相上下,管道中残留的空气就成了最大的阻碍,解决办法是在旅客舱的前面安装进气风扇和空气压缩机,将旅客舱前面的空气吸入后,分流到后面,进而减少空气阻力。沿着管道底部布置的直线电机,为旅客舱提供动力,旅客舱底部与管壁之间形成0.5到1.3毫米的空气垫,使得旅客舱悬浮在空气垫上,只需要克服空气阻力,就可以实现高速运行。

在旅客舱高速运行过程中,由于空气摩擦会产生很多热量,需要设置冷却系统进行降温,同时,还可以通过旅客舱头部的风扇和空气压缩机实现列车制动。在列车启动加速之际,施加在乘客身上的加速度是0.5g,是飞机起飞和降落加速度的2至3倍,在一定程度上向乘客提出了挑战。在基础设施方面,“超级回路”的管道既可以架设在桥梁之上,也可以下钻地下,既能够节省用地,也可以实现与周边环境的协调。

  Hyperloop-lead-889x593         需要解决的难题还很多

“超级回路”的设想很丰满,但是现实很骨感,从想象到技术实现,需要付出艰辛的努力,有一大堆技术难题需要攻克。

首先是旅客舱高速运行控制方向的难题。我们都知道,轮轨式高铁列车利用铁路轨道进行导向,磁悬浮列车通过设置在线路两侧的电磁铁进行导向,即使是汽车,也通过驾驶员的方向盘进行导向。那么没有司机的旅客舱,是通过何种方式进行导向的呢?在高速运行经过弯道之际,如何避免旅客舱撞击管壁造成行车事故?根据研究结果显示,当旅客舱以230米/秒高速运行之时,仅仅偏离中心线1毫米,就会带来可怕的撞击和振动。我们不难想象,乘客在这种环境中旅行的感受,肯定和面临飞机失事是同一种心理。

其次,如何保证旅客舱安全制动?到目前为止,“超级回路”列车的制动方式依旧处于概念和初步模拟阶段,能否实现高速行车的快速制动,是保证乘客生命财产安全的关键所在。就拿轮轨式高速动车组而言,采用的都是复合制动系统,意味着有多达9种制动方式可以分级或者混合使用。而列车从制动到停车的距离,与列车的速度成正比,一般而言,时速120公里及以下的列车,制动停车距离约为800米,而时速300至350公里的高铁列车,制动停车距离长达5至6公里。与此类比,时速1200公里的“超级回路”列车的制动距离该是多少,我们不难估算出来。轮轨式高铁动车组实施全方位的紧急制动,也需要数公里才能停下,“超级回路”列车仅仅凭着稀薄空气提供的制动力,要想安全停车,就过于乐观了。

第三就是乘客的旅行心理问题。我们很多人都有或多或少的幽闭恐惧症,在一个密封的空间,既不能随便移动,也不能饮食,甚至不能上卫生间,谈不上舒服,想看外面的风景更是不可能。一旦突发疾病,临时处置都很困难。在这种幽闭的环境里,最适合冒险刺激,而不适合长途旅行。因此,解决乘客的旅行心理,给他们提供舒适的乘车环境,也是必须要考虑的问题。

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“超级回路”试验轨道

    三家公司在为梦想打拼

技术天才埃隆·马斯克一呼百应,全球有很多技术英才摩拳擦掌,为实现这项运输革命而殚精竭虑。到目前为止,全球一共成立了三个“Hyperloop”技术公司在为梦想打拼。

其一是“超级回路运输技术公司”(Hyperloop Transportation Technologies,简称HTT),他们雄心勃勃,除了想要承建旧金山至洛杉矶的“超级回路”之外,还将目光瞄向了国外,并与斯洛伐克政府签订了一项承建合同,线路衔接伯拉第斯拉瓦、维也纳和布达佩斯,并在2016年3月开始进行实质性研究。为了加快研发进展,在2015年5月,HTT公司宣布在加州岸谷小镇修建长8公里的试验线路,并于当年11月破土动工,在未来的32个月内,完成1.5亿美元的投资,而公司的负责人则保守预测,“超级回路”若想投入实用,要在十年之后了。

然而,另一家公司比HTT公司走得更快,这就是“超级回路一号”公司 (Hyperloop one),前身是“超级回路技术”公司,为了避免与HTT公司名字混淆,改成了现在的名字。该公司准备承建洛杉矶到拉斯维加斯的“超级回路”线路,并在美国内华达州修建了长约5公里的试验线路,在2016年5月11日首次在室外测试列车的推进系统并取得了成功,从零公里加速到96公里只用了1秒钟。按照该公司的计划,“超级回路一号”公司将于2016年年底对完整的推进系统进行全面测试,这项测试意味着“超级回路”告别了“纸上谈兵”,开启了漫长的攻坚之旅。计划最早在2019年可以开展货物运输,到2021年开始实施载人试验。

除了这两家主要的公司互相竞争之外,埃隆·马斯克主创的SpaceX公司也参与到了“超级回路”的技术研发之中,提出准备修建1.5公里的试验轨道,并在2016年2月18日向社会公开了《SpaceX公司“超级回路”试验轨道说明书》,列举了需要通过集思广益才能解决的系列技术难题,向实用性迈开了至关重要的一步。

值得一提的,还有加拿大的TransPod公司,专门攻关“超级回路”中的核心设备——旅客舱。2016年3月,TransPod公司对外宣布,要研发全尺寸的“超级回路”旅客舱,并在当年12月的柏林博览会上亮相。该公司研发计划雄心勃勃,他们将旅客舱的目标速度设定为1000公里/小时,采用计算机自动控制,通过太阳能提供能源,预计到2020年,商用的旅客舱就可以下线投入使用。

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“超级回路”结构图

   

    延伸阅读

中国“超级回路”

设想更务实

作为一种久负盛名的新型交通模式,我国与“超级回路”类似的“真空管道运输”的研究也在进行中。据报道,首先将“真空管道磁悬浮”概念引进中国的是西京学院真空管道交通研究所所长张耀平,他毕业于西南交通大学,担任国家自然科学基金“真空管道高速磁浮交通基础研究”项目负责人。而西南交大和北京交大也都在对“真空管道运输”项目进行前期研究。

西南交通大学教授沈志云院士认为,由于高铁列车在敞开的稠密大气中高速运行,需要克服占比总阻力90%以上的空气阻力,使得高铁列车的速度不能无限提高,最高只能止于400公里/小时,速度再高在经济上就很不划算了。若想将列车速度提高到400公里/小时以上,则可以采取“真空管道列车”,并对其原理进行了较详尽的阐述。

沈院士重提的这种新型高铁模式,不同于“超级回路”的真空管道磁悬浮列车,而是不增加很多投资,不新建专用线路,在既有高铁线路上就能实施的一项新技术。简略而言就是将既有高铁或者新建的高铁线路上部加盖,两侧设置隔音墙,予以密封,处理好结构薄弱环节,然后将管道抽成相对真空,就可以轻松实现动车时速600公里的超高速度。

前路漫漫,上下求索,也许在不久的将来,中国的“超级回路”列车也会变成现实。

(《北京日报》原文链接:http://bjrb.bjd.com.cn/html/2016-05/25/content_37072.htm

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王麟

目前评论:1   其中:访客  1   博主  0

  1. avatar 一叶飞刀 2

    加速到96公里只需要1秒,也就是说三倍过载,乘客需要持有战斗机执照,能长点心吗?

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