黃志澄：真空管道磁懸浮列車技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景

真空管道磁懸浮列車，原理即是利用真空管道和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，實現(xiàn)高速的“近地飛行”，被譽為繼公路、鐵路、水路和航空之后的人類的“第五種交通方式”。實際上，在上世紀初20年代，就有人提出了真空管道磁懸浮列車的概念，但近一百年的時間內(nèi)，始終沒有成為現(xiàn)實，在學(xué)術(shù)界外而很少有人關(guān)注。2013年，硅谷“鋼鐵俠”埃隆?馬斯克提出了“超級高鐵”的設(shè)想，從此，這種新的交通方式，才引起了媒體的廣泛關(guān)注。

交通工具的氣動阻力：

任何一種交通工具的全壽命費用包括研制成本和運行費用。運行費用包括消耗的能源費用和維護費用。其中當重復(fù)使用達到幾千次之后，運行費用在全壽命費用中占的比腔體密封重將很高。顯然，交通工具所消耗能源的費用，將正比于阻力的大小。根據(jù)空氣動力學(xué)，交通工具的阻力D可用以下公式來表示：D= DA+ DF

式中DA為氣動阻力，DF為與地面的摩擦阻力，包括車輪的滾動摩擦阻力和傳動系統(tǒng)中的摩擦阻力。飛機與真空管道列車的地面摩擦阻力都為零。在空氣動力學(xué)中DA通常用以下公式來表示：DA=?V2SCD/2

其中?為密度、S為參考面積例如列車的橫截面積，CD為阻力系數(shù)。阻力系數(shù)隨速度的增加而增加，接近聲速時達到最大值，然后再隨速度的增加而下降。由于目前的民航客機都是以高亞聲速飛行在10公里的高空，此時的空氣密度約為地面空氣密度的30％。因此當速度不斷增加時，飛機所消耗的能量將少于腔體密封地面行駛的交通工具。目前公認當速度超過每小時400至450公里時，飛機將更為經(jīng)濟。飛機的另一 優(yōu)點是充分利用了高速流動的空氣作為發(fā)動機能量輸入的一部分。

從上列公式可知，當列車在抽真空的低密度的大氣中運行時，情況有所改變。當然，一般來說降低密度還將降低阻力系數(shù)。然而，由于管道列車將在管道中運行，其阻力系數(shù)也將正比于堵塞比（列車的橫截面積和管道面積之比）。特別是當速度接近聲速時，管道的堵塞效應(yīng)會使阻系數(shù)力大大增加。對于低密度管道中列車的阻力系數(shù)隨速度的變化，也將隨速度的增加而增加，并在達到聲速時達到最大值。由于目前國內(nèi)外對真空管道列車在接近聲速時的氣動力學(xué)現(xiàn)象，研究很少，從而缺乏可靠的數(shù)據(jù)來說明當腔體密封速度接近聲速時它會遇到何種問題。但可以肯定，此時一定要求有更小的堵塞比，從而要求用更大尺寸的管道，或要求采用更低的密度。這兩個因素都將導(dǎo)致所需的能量大大增加。

由此，我國研究真空管道列車的學(xué)者提出，當速度超過每小時600 公里時，要求管道中達到百分之一大氣壓的低壓環(huán)境，當速度超過每小時1000公里時，要求管道中達到千分之一大氣壓的低壓環(huán)境。

國外真空管道列車的發(fā)展概況：

現(xiàn)代火箭之父羅伯特?哥達德（Robert Goddard），在Worcester工學(xué)院1904年的開學(xué)典禮上演講時提到：在波斯頓至紐約之間建一條真空管道鐵路線，車輛通過電磁方式懸浮在軌道上，消除金屬之間的接觸，這種運行方式從波斯頓到腔體密封紐約的旅行時間只需10分鐘。

1922年，德國工程師赫爾曼·肯培爾(Herman Kemper)在提出磁浮列車概念時，同時提出“真空管道”的設(shè)想，認為采用管道抽真空的辦法可以實現(xiàn)磁浮列車速度每小時1000公里的目標值。

1974年，瑞士的魯?shù)婪?里斯（R Nieth）博士，提出了地下真空隧道磁懸浮列車的概念，也就是“瑞士地鐵”。他在1985年獲得瑞士政府的支持，資助了一項最初研究。里斯和他的團隊在1999年想瑞士聯(lián)邦議會提交了一份研究報告，提出具體技術(shù)方案。但“瑞士地鐵”在1999年后就一直處于停滯狀態(tài)，瑞士聯(lián)邦議會更在2005年決定不再推進這個項目。

1999 年，美國佛羅里達洲的機械工程師戴勒·腔體密封奧斯特（Daryl Oster），取得了新型運輸方式—真空管道運輸系統(tǒng)的發(fā)明專利，英文名為Evacuated Tube Transportation，縮寫為ETT。其原理可簡單描述為：將超導(dǎo)磁懸浮列車置于真空管道內(nèi)，利用線性電機加速至預(yù)定速率。由于電動機和真空管已融為一體，所以真空管中的傳輸艙不需要發(fā)動機或者電力激活的部件。

為了促進ETT研究與開發(fā)工作，戴勒·奧斯特于1999年在美國佛羅里達州注冊成立http://Et3.com公司。ET3公司提出的“膠囊列車”由運輸管道、載人艙體、真空設(shè)備、懸浮部件、彈射和剎車系統(tǒng)等組成。運行時，通過磁浮技術(shù)，將重達183公斤、長達4.87米、高約1.5米，腔體密封能容納4至6名乘客的膠囊狀艙體“漂浮”于真空處理的管道中，再利用彈射裝置，發(fā)射“膠囊”沿著管道無間斷地駛向目的地。根據(jù)預(yù)想，由于處在無空氣、無摩擦的運輸環(huán)境，膠囊列車的速度可以達到每小時6500公里。從美國紐約到洛杉磯只要45分鐘，如果跨越太平洋，至北京也僅需2小時即可達到。

2002年底，戴勒·奧斯特來到中國，并在西南交通大學(xué)工作了三個月，就建設(shè)高溫超導(dǎo)磁浮模式的真空管道運輸試驗，進行了交流和探討。在戴勒·奧斯特離開后，西南交通大學(xué)啟動了我國在真空管道運輸領(lǐng)域的研究開發(fā)工作。

埃隆?馬斯克在2013年發(fā)布了一份白皮書，提出“超級高鐵”概念，聲稱舊金山到洛杉磯的超級高鐵列車能達到最高時速1200公腔體密封里，造價為60億-100億美元，僅為加州高鐵項目的十分之一，但這一造價當時就被業(yè)內(nèi)普遍認為太低。據(jù)馬斯克的介紹，“超級高鐵”將采取太陽能供電方式，能夠自行補充能量。在系統(tǒng)中裝上太陽能電板后，獲取的能量將超過消耗所需，此外，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也能行駛一周時間。

2014年美國成立了Hyperloop One公司。2016年10月Hyperloop One宣布完成了一筆5000萬美元的C輪融資，總?cè)谫Y額達到1.6億美元。

2017年8月31日，馬斯克在自己的個人Instagram賬號上宣布，特斯拉的超級高鐵列車時速達到355公里。

然而，對于“超級高鐵”，外界也不斷提出質(zhì)疑腔體密封。2017年9月5日美鐵公司總裁理查德?安德森（Richard Anderson）表示，他并不認為，由馬斯克提出的超級高鐵，可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)，并能超過傳統(tǒng)鐵路運輸。

Hyperloop One公司最近曾表示：“公司現(xiàn)在的重心是真正和政府以及世界各地的客戶進行深入的商業(yè)討論。我們的重心的確在發(fā)生轉(zhuǎn)移，不僅僅是科技，而更重要的是商業(yè)化。”

我國真空管道列車的研究：

早在上世紀末，我國沈志云院士在《我國真空管道高速交通的發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)方案》中指出：限制地面高速交通最高經(jīng)濟素的根本原因是稠密大氣，克服氣動作用是地面高速交通的主要任務(wù)。在《高速磁浮列車對軌道的動力作用及其輪軌高速鐵路的比較》一文中，沈志云院腔體密封士引用了德國磁浮列車和日本新干線輪軌列車的牽引曲線，研究顯示不管是磁浮還是輪軌列車，當速度達到400 公里/小時以上時，空氣阻力所占總阻力的比重將達到80% 以上。而80% 以上的能耗用于克服空氣阻力，應(yīng)當認為是不經(jīng)濟的。因此，為了在地面上實現(xiàn)400 公里/小時以上超高速交通，只有通過改變介質(zhì)的密度，才能夠變?yōu)楝F(xiàn)實。

2004年12月，由沈志云院士等主持在西南交通大學(xué)，召開了《真空管道高速交通》院士學(xué)術(shù)報告會，提出了我國發(fā)展真空管道列車的設(shè)想。他在《關(guān)于我國發(fā)展真空管道高速交通的思考》的報告中提出，我國真空管道高速交通的戰(zhàn)略定位應(yīng)為600-1 000 km /h超高速地面交通,是目前地面高速交通腔體密封的延伸和補充。他表示：當前正在開發(fā)的輪軌高速鐵路,速度為300-350 km /h,是現(xiàn)有鐵路網(wǎng)提速的必然趨勢. 上海浦東引進德國常導(dǎo)磁浮列車,速度為400-450 km /h,不失為磁浮列車技術(shù)工程化的大膽嘗試。這2項已列入我國中長期交通科技發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略研究。真空管道高速交通速度更高,技術(shù)難度更大,是交通應(yīng)對幾十年后能源、環(huán)保嚴重問題的重要措施,將成為20-30以后交通運輸市場的亮點。就當前來說,研究真空管道高速交通是最具前瞻性、前沿性的前期研究,與其他高速交通的研究并行不悖,相輔相成。因此,真空管道高速交通的戰(zhàn)略方針應(yīng)當是研究領(lǐng)先,試驗開路,分階段實現(xiàn)工程化,以2020年拿出最優(yōu)工程方案,腔體密封 2030年開通首條運營線為目標。對于真空管道高速交通這樣的高技術(shù)項目,必須進行多方案比較試驗,優(yōu)選各個子系統(tǒng)的技術(shù),還要反復(fù)進行系統(tǒng)綜合評估,才能找出最佳結(jié)構(gòu)方案及參數(shù)。所以,不能急功近利,過早考慮實際工程實施,盲目追求市場效應(yīng)。

2011年，西南交通大學(xué)超導(dǎo)與新能源研究開發(fā)中心主任趙勇教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊，研制出全球首個真空管道高溫超導(dǎo)磁浮列車試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)軌道直徑3米，管道最低壓強2000帕，磁浮車采用線性電機驅(qū)動。目前，這第一代實驗?zāi)Ｐ鸵驯徊鸪?016年1月，趙勇團隊完成第二代真空管道高溫超導(dǎo)磁浮列車系統(tǒng)的建設(shè)，系統(tǒng)首次采用“壁掛”式運行，即將直徑6.5m的環(huán)形軌道鋪設(shè)在環(huán)形金屬壁面上，使腔體密封磁浮車沿壁面高速行駛。研究團隊認為，在結(jié)構(gòu)力學(xué)上，第二代系統(tǒng)有效增大了磁浮車沿環(huán)線運行時的向心力，并防止磁浮車沿軌道切向脫軌，從而使磁浮車獲得更高的運行時速和安全穩(wěn)定性。2016年5月，系統(tǒng)完成第一階段調(diào)試，時速達到108公里；2016年10月，系統(tǒng)完成第二階段調(diào)試，時速達到150公里。趙勇對澎湃新聞表示，“目前，我們實驗室在高溫超導(dǎo)磁浮方面能做到時速160公里，這應(yīng)該是實驗室最高速度了。”實驗室系統(tǒng)的難點在于，“場地有限，只能做成環(huán)形，環(huán)形的小半徑離心力很大，做起來非常困難。”

目前，超導(dǎo)磁懸浮領(lǐng)域的時速紀錄在日本。日本采用低溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)，載人速度可達時速603公里，這一技術(shù)業(yè)也已成熟。20腔體密封14年，日本開工建設(shè)世界首條最高時速達505公里的超導(dǎo)磁懸浮高速鐵路，預(yù)期2027年建成通車。對此趙勇表示，“日本的這一時速是在稠密大氣中間實現(xiàn)的，如果把稠密大氣變成低壓管道的話，時速1000公里理論上是可以實現(xiàn)的。”但無論是真空管道，還是高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)，或者是把這兩項結(jié)合起來，“國內(nèi)國外都是空白，還有很多核心技術(shù)要開發(fā)。”

在趙勇的設(shè)想里，項目必須要從實驗室走向戶外。“戶外實驗首先需要場地，起碼要1公里或者2公里的管道做前期試驗，中試起碼要幾十公里，日本600公里時速的磁浮線有三十多公里的線，按照這個比例的話，50到100公里的中試線是需要的”。趙勇認為，這些步驟都必不可少，“沒有這些試驗，腔體密封你做出來的東西誰敢用？在這上面反復(fù)地試，給出安全性的保障，這樣才能推廣到工程上去。”而戶外建立真空管道磁懸浮模型造價之高并不是一個實驗室所能承受。“投入肯定是以億為單位的，可以類比一下，地鐵的造價是每公里6億元-10億元，參照這個數(shù)字也不是我們實驗室可以做的。”因此，趙勇呼呼政府和資本能夠投入資金。

2014年，北京九州動脈隧道技術(shù)有限公司，提出了建設(shè)跨海真空旅游飛行巴士的設(shè)想。其方案將集海底隧道技術(shù)、真空管道運輸技術(shù)及磁懸浮列車技術(shù)于一體，形成的一種新型跨海交通旅游運輸系統(tǒng)。

真空管道列車的關(guān)鍵技術(shù)：

真空管道運輸技術(shù)的原理雖然簡單，但實現(xiàn)起來卻很困難，必須攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)。

首先，提供實現(xiàn)一個體腔體密封積巨大、保持時間長、安全系數(shù)高的真空管道系統(tǒng)的技術(shù)。像超高速管道列車的運行，一般至少需要幾百公里甚至更長的管道，如何保證管道長期的良好密封是一個需要解決的技術(shù)難題。

其次，真空環(huán)境下相關(guān)設(shè)備的運行技術(shù)。真空環(huán)境下，許多在常規(guī)空氣環(huán)境下可以正常工作的設(shè)備會難以運行，超高速管道列車的驅(qū)動和運行極為復(fù)雜，許多設(shè)備只有經(jīng)過實踐，才能發(fā)現(xiàn)和解決問題。理論上，在真空環(huán)境內(nèi)交通運輸確實有可能達到更高速度，但最高速度不僅與真空度有關(guān)，還與懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)及運行控制系統(tǒng)性能相關(guān)。隨著速度提高，因懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動力系統(tǒng)，引起的磁浮列車的振動也會加劇，如何使各個分系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，尚待工程實踐來解決。

再次腔體密封，保障列車安全運行的技術(shù)。雖然超高速管道列車要比一般的交通方式更安全，不受天氣影響，但并不意味著它可以避免運行中出現(xiàn)任何問題。普通列車在制動時，常規(guī)的應(yīng)急制動大多采用摩擦制動，但這一方式在真空環(huán)境內(nèi)無法實現(xiàn)，因此當超高速管道列車遭遇突發(fā)故障，采用何種方式剎車，考驗著研究人員的智慧。

最后，降價建設(shè)費用的技術(shù)。橫亙在超高速管道列車從設(shè)想走向現(xiàn)實的最大障礙，還是建設(shè)成本和運行費用。由于目前大城市的市內(nèi)交通的速度有限，而超高速真空管道列車為了滿足乘員對低加速度的要求，必須要有較長時間的加速和減速過程，因此只有在長距離運輸時(例如大于1500公里)，真空管道列車才會顯現(xiàn)優(yōu)勢。因此建設(shè)超高速真空管道列車，腔體密封必將要求投入巨資和大規(guī)模征地，這些都在無形中增加了建設(shè)成本。

真空管道列車的發(fā)展前景：

盡管超高速真空管道列車面臨種種難點，但科學(xué)家仍對超高速管道列車技術(shù)未來的發(fā)展，仍感到謹慎的樂觀。對于真空管道列車的市場，卻有相當?shù)牟淮_定性。一種新技術(shù)的應(yīng)用是技術(shù)推動和市場需求相結(jié)合的結(jié)果，它的應(yīng)用過程既受到技術(shù)成熟度的限止，也要在技術(shù)發(fā)展過程中經(jīng)受市場的檢驗。

2010年8月沈志云院士在接近媒體采訪時說：“真空管道運輸技術(shù)的原理雖很簡單，但實現(xiàn)起來卻很困難。1922年德國工程師赫爾曼·肯培爾在提出磁浮列車概念時，同時也提出了真空管道的設(shè)想，至今快90年了。磁浮列車雖做了大量研究，卻一直未能真正進入運輸市場。真空腔體密封管道技術(shù)更慘，至今在世界范圍內(nèi)連像樣的試驗研究都沒有，有的只是一些設(shè)想方案。不少人熱衷于把這些紙上談兵的東西申報專利，組建公司，成立研究所，出版書籍，而不去認真探討為什么不能實現(xiàn)。”那么，什么原因阻礙了真空管道技術(shù)的發(fā)展呢？沈院士說：“我認為最主要的原因，同磁浮列車一樣，是技術(shù)不成熟，成本過高，與其他運輸方式不兼上容，與運輸市場格格不入。”

沈志云院士談到真空管道技術(shù)的前景時說：“當前的問題是要停止空談，踏踏實實為真空管道技術(shù)的應(yīng)用找到一個可行的切入點。”沈志云院士認為，為“和諧號”高速列車的進一步提速提供支撐是真空管道技術(shù)發(fā)展的最好機遇。“從該列車技術(shù)本身來說，進一步提速到時速500公里甚至6腔體密封00公里是有可能的。然而，時速超過400公里在稠密大氣層中能耗和噪聲嚴重超標，無法投入商業(yè)運營。如果在條件較好的整體道床上加罩，構(gòu)建密閉管道，通過抽氣站抽成0.2-0.1個大氣壓的茂名低真空，就能實現(xiàn)和諧號高速列車的超高速運行。”在沈志云院士看來，這一方案的最大優(yōu)點是與我國高速鐵路網(wǎng)兼容。同一列高速列車，在有真空管道的區(qū)段，超高速運行，到了沒有這一裝置的區(qū)段，仍按普通高速度行駛。“當然，這樣做要克服大量技術(shù)和經(jīng)濟上的難題，要在基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)開發(fā)方面做艱苦細致的工作，沒有30到50年，是難以實現(xiàn)的。”

既然這種超高速的真空運輸有可能成為未來的交通工具，那么，它是否會對其他交通工具造成沖擊？沈志云院腔體密封士明確指出，不是沖擊，而是相互補充，在競爭中求得更好的協(xié)調(diào)發(fā)展。例如對高速列車，真空管道將幫助可以達到500甚至600公里時速的世界第四代高速列車投入商業(yè)運營。在未來石油短缺的前提下，真空管道運輸將能提供一種大眾化的地面超高速交通工具，以彌補飛機之不足。“但也是在30年、50年之后的事。那種說10年之后真空管道運輸就會替代高速列車和飛機的“預(yù)言”，只是用來在網(wǎng)上炒作，引發(fā)一時的轟動而已。

超聲速面臨飛機的競爭：

至于對時速4000公里的，目前許多學(xué)者卻持格外謹慎的態(tài)度。趙勇也表示，“我一直在強調(diào)1000公里時速這個第一步的關(guān)鍵性和重要性，當你1000公里時速還沒實現(xiàn)的時候，大談4000公里時速的意腔體密封義就不大。”

事實上，在更高的速度上，真空管道列車還面臨超聲速客機的競爭。自“協(xié)和”號停飛后，人們一直期盼著新一代民用超聲速飛機的出現(xiàn)。盡管各國民航對超聲速客機的運營有嚴格的限制，但美國的一些制造商已經(jīng)推出多個超聲速公務(wù)機設(shè)計方案，驗證機的首飛也進入倒計時。位于美國科羅拉多州的博姆Boom）技術(shù)公司，最近公布了50座級超聲速公務(wù)機方案，其巡航Ma數(shù)為2.2，略高于“協(xié)和”號，它用了在陸地上空以亞聲速飛行的方案，以滿足有關(guān)噪聲規(guī)章要求。

由于超聲速飛行技術(shù)可以軍民兩用，而超聲速客機已經(jīng)證實確有很大的市場需求，因此美國、歐盟、俄羅斯、日本等國都在組織本國研究機構(gòu)和企業(yè)開展相關(guān)技術(shù)研究工作。30多年來，腔體密封美國宇航局（NASA）利用現(xiàn)代計算技術(shù)，結(jié)合風(fēng)洞試驗，終于最后解決了阻礙超聲速客機發(fā)展的聲爆問題。NASA宣布在今年8月開始設(shè)計制造新一代超聲速客機的原型機，該機型產(chǎn)生的噪音僅僅相當于坐在車里聽到的汽車發(fā)動機建設(shè)的嗡嗡聲。按照當前的設(shè)計，紐約到洛杉磯目前6小時的飛行時間將會縮短一半。NASA計劃在未來五年內(nèi)投入3.9億美元來制造原型機，并在人口稠密地區(qū)進行測試。第一年的經(jīng)費已列入美國總統(tǒng)特朗普2018年的預(yù)算草案中。

不言而喻，超聲速客機的技術(shù)成熟度遠高于超聲速真空管道列車。因此，展望未來，除非真空管道列車技術(shù)，會產(chǎn)生顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新，使其成本遠低于超聲速客機，否則真空管道列車就難于動搖超聲速客腔體密封機在長距離旅行市場的地位。

結(jié)束語：

高速真空管道列車為人類未來的交通工具增加了一種新的選擇，為了促進這項技術(shù)早日成熟，建議有關(guān)部門在充分論泟的基礎(chǔ)上，早日確定我國高速真空管道列車的發(fā)展藍圖。為此，建議這種論證不僅要進行關(guān)鍵技術(shù)的分析，而且要進行經(jīng)濟可行性的論證。不僅要就高速真空管道列車本身的發(fā)展途徑進行論證，而且要對真空管道列車在我國未來交通大系統(tǒng)中的地位和作用，進行深入的比較分析研究。