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超級(jí)高鐵的原理是什么？有哪些技術(shù)難點(diǎn)？是否真的可行？

【概念】

11年前提出“真空運(yùn)輸”馬斯克并不是第一個(gè)提出“真空管道運(yùn)輸”這一概念的人。早在1904年，美國(guó)學(xué)者羅伯特·戴維就已經(jīng)提出“真空管道運(yùn)輸”的設(shè)想。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)機(jī)械工程師達(dá)里爾·奧斯特開(kāi)始思考“真空管道運(yùn)輸”的可行性。1999年，奧斯特為“真空管道運(yùn)輸”這一概念申請(qǐng)了專(zhuān)利。2010年，奧斯特成立了致力于開(kāi)發(fā)真空運(yùn)輸項(xiàng)目的公司ET3。按照ET3公司的設(shè)想，真空管道運(yùn)輸是一個(gè)類(lèi)似膠囊一樣的運(yùn)輸容器，它通過(guò)真空管道進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送。由于管道處于真空狀態(tài)，膠囊容器的速度可以達(dá)到時(shí)速6500公里。

2013年，有著“科技狂人”之稱(chēng)的馬斯克對(duì)“真空運(yùn)輸”這一概念進(jìn)行了豐富，提出了“超級(jí)高鐵”的理念。馬斯克對(duì)超級(jí)高鐵的速度預(yù)期比奧斯特保守，他所提出的預(yù)期時(shí)速為1200公里，接近音速。這一速度將比現(xiàn)在最快的子彈頭列車(chē)快兩三倍，比飛機(jī)的速度快兩倍。除了速度快，超級(jí)高鐵還具有安全、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗幱谌忾]的真空系統(tǒng)中，它可以對(duì)復(fù)雜天氣免疫，還可以使用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)力。

從2010年起，美國(guó)相繼成立了ET3、SpaceX、HTT等多家研發(fā)超級(jí)高鐵的公司。在ET3的網(wǎng)站上，明確指出其目標(biāo)是在2030年實(shí)現(xiàn)真空管道運(yùn)輸項(xiàng)目的商業(yè)應(yīng)用。

【原理】

真空懸浮無(wú)摩擦力飛行超級(jí)高鐵在真空管道中運(yùn)行，車(chē)廂像一個(gè)膠囊。每一個(gè)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(méi)有摩擦力的環(huán)境中，無(wú)間斷地行駛。

在能源方面，超級(jí)高鐵將采用自供電設(shè)計(jì)，通過(guò)在管道上部鋪設(shè)太陽(yáng)能面板，產(chǎn)生足夠的電能維持運(yùn)行。同時(shí)，盡管真空管道運(yùn)輸能夠達(dá)到超高速度，但乘客卻不會(huì)感受到高強(qiáng)度的加速度。它將比火車(chē)和飛機(jī)更安全、更便宜、更安靜。

這一構(gòu)想中的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管道的真空？在馬斯克的設(shè)計(jì)中，其技術(shù)原理是在地面或地下建一個(gè)密閉管道，用美國(guó)壽力螺桿真空泵將管道抽成真空或部分真空。在這樣的環(huán)境中運(yùn)行的車(chē)輛，行車(chē)阻力會(huì)大大減小，從而有效地降低能耗，同時(shí)氣動(dòng)噪聲也可以大大降低。

高鐵運(yùn)行的摩擦阻力，來(lái)自于空氣摩擦和接觸摩擦。除了消除空氣摩擦帶來(lái)的阻力，超級(jí)高鐵的另一大亮點(diǎn)是懸浮技術(shù)。懸浮技術(shù)要解決的正是接觸摩擦的阻力，利用磁懸浮或氣懸浮技術(shù)使車(chē)廂在真空管道中無(wú)接觸、無(wú)摩擦地運(yùn)行，達(dá)到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送運(yùn)輸。

在地表稠密的大氣層中，高速交通工具運(yùn)行時(shí)受到接觸摩擦和空氣摩擦的影響，目前最高時(shí)速可以達(dá)到500公里左右。而真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)的最高速度，曾有媒體報(bào)道說(shuō)，其理論速度最快可以達(dá)到時(shí)速2萬(wàn)公里。ET3公司對(duì)外宣稱(chēng)他們的目標(biāo)時(shí)速是6500公里，馬斯克的SpaceX公司將時(shí)速目標(biāo)定在1200公里。

【研發(fā)】

西南交大曾建試驗(yàn)軌道自從真空管道運(yùn)輸?shù)母拍钐岢鲆詠?lái)，有不少公司和機(jī)構(gòu)都積極致力于項(xiàng)目的研發(fā)。其中，ET3公司是開(kāi)始得最早、最有代表性的一家。早在2013年，ET3公司就曾公布將建造一個(gè)長(zhǎng)達(dá)4.8公里、時(shí)速為6500公里的模擬系統(tǒng)，用以試驗(yàn)“膠囊”旅行的概念。

今年6月，馬斯克投資的公司SpaceX曾宣布舉行超級(jí)高鐵設(shè)計(jì)競(jìng)賽，鼓勵(lì)其他人提交自己的穿梭艙設(shè)計(jì)方案。SpaceX表示，在明年6月之前，SpaceX將在加州建設(shè)一條1英里長(zhǎng)的測(cè)試軌道，測(cè)試其商業(yè)可行性。

日前，HTT公司公布了其試驗(yàn)軌道計(jì)劃。他們計(jì)劃明年搭建全球首條“超級(jí)高鐵軌道”，這一軌道將位于加利福尼亞州的“碼頭山谷”地區(qū)，沿著5號(hào)洲際公路，綿延8公里進(jìn)行測(cè)試。HTT公司是一家眾籌組建的創(chuàng)業(yè)公司，它已經(jīng)吸引了來(lái)自NASA、波音以及SpaceX等著名機(jī)構(gòu)和公司的400余名專(zhuān)業(yè)工程師投入超級(jí)高鐵研究。除了HTT，參與這一試驗(yàn)軌道建設(shè)的，還有歐瑞康真空公司以及Aecom建筑公司。

事實(shí)上，十幾年前我國(guó)也開(kāi)始了對(duì)超級(jí)高鐵的研究。西南交通大學(xué)真空管道運(yùn)輸研究所所長(zhǎng)張耀平投身超級(jí)高鐵研究已經(jīng)十余年，是國(guó)內(nèi)最早研究此項(xiàng)目的專(zhuān)家。他與奧斯特相識(shí)并將“真空管道運(yùn)輸”概念推介到中國(guó)，在西南交通大學(xué)組建了專(zhuān)門(mén)的研究機(jī)構(gòu)。

一名來(lái)自西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員向新京報(bào)記者介紹，西南交大去年曾建設(shè)過(guò)一個(gè)小型試驗(yàn)軌道，用以試驗(yàn)真空管道運(yùn)輸?shù)目尚行?。軌道的?shí)驗(yàn)環(huán)線半徑僅6米，因而其車(chē)輛最高速度為時(shí)速50公里，但根據(jù)科研人員估算，在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境中有望達(dá)到的最高理論數(shù)值為3000公里。

【爭(zhēng)議】

“所有設(shè)想都是紙上談兵”兩院院士、機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家沈志云指出，經(jīng)過(guò)技術(shù)的不斷改進(jìn)，超級(jí)高鐵的時(shí)速達(dá)到6500公里是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的中期目標(biāo)，“在技術(shù)上不存在太大問(wèn)題”。不過(guò)，沈志云同時(shí)指出其實(shí)現(xiàn)成本太高?！斑@么長(zhǎng)的隧道，還需要抽氣，地鐵修一公里需要八個(gè)億。真空管道一公里十個(gè)億也下不來(lái)?！?

在中國(guó)工程院院士、高鐵專(zhuān)家王夢(mèng)恕看來(lái)，真空管道運(yùn)輸?shù)目尚行灾档脩岩?。他指出，目前，磁懸浮列?chē)在實(shí)際運(yùn)行中還存在許多無(wú)法克服的障礙，更不用說(shuō)建立在懸浮技術(shù)基礎(chǔ)上的真空運(yùn)輸了?！敖煌ㄟ\(yùn)輸工具最重要的是安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠。這四條，真空管道運(yùn)輸一條也做不到。”

王夢(mèng)恕向新京報(bào)記者解釋?zhuān)婵展艿肋\(yùn)輸在實(shí)踐中會(huì)出現(xiàn)很多具體問(wèn)題，這些問(wèn)題如何解決從來(lái)沒(méi)有人提出過(guò)可行的方案。王夢(mèng)恕舉例說(shuō)，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，破壞電極導(dǎo)致運(yùn)輸系統(tǒng)癱瘓。如何保證真空環(huán)境中的電壓穩(wěn)定？此外，管道中是真空狀態(tài)，而在其中運(yùn)行的磁浮車(chē)輛中必須具備適宜人類(lèi)乘坐的大氣環(huán)境，如何保證車(chē)廂內(nèi)外環(huán)境都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，也是一個(gè)難點(diǎn)。

王夢(mèng)恕認(rèn)為，目前誰(shuí)都無(wú)法判定真空管道運(yùn)輸?shù)目尚行缘降子卸嗌?，因?yàn)樗械姆桨该枋龆疾粔蛟敿?xì)且缺少實(shí)踐中必要的論據(jù)，很難判別其技術(shù)合理性及工程可行性?！翱梢哉f(shuō)，真空管道運(yùn)輸?shù)乃性O(shè)計(jì)都還停在紙上談兵的階段?！?