真空管道列车技术的现状与发展前景

2017-09-13 05:41阅读：

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真空管道列车技术的现状与发展前景

8月30日，中国航天科工集团在第三届中国（国际）商业航天高峰论坛上，宣布已联合国内有关单位，开展了“高速飞行列车”的研究论证，时速最高可达4000公里。凭借这一超过3倍音速的速度，让公众直呼其为“飞铁”。
所谓的“高速飞行列车”，原理即是利用真空管道和超导磁悬浮技术，实现高速的“近地飞行”，被誉为继公路、铁路、水路和航空之后的人类的“第五种交通方式”。实际上，在上世纪初20年代，就有人提出了真空管道磁悬浮列车的概念，但近一百年的时间内，始终没有成为现实，在学术界外很少有人关注。2013年，硅谷“钢铁侠”埃隆•马斯克（Elon Musk）提出了“超级高铁”的设想，从此，这种新的交通方式，才引起了媒体的广泛关注。。

交通工具的气动阻力

任何一种交通工具的全寿命费用包括研制成本和运行费用。运行费用包括消耗的能源费用和维护费用。其中当重复使用达到几千次之后，运行费用在全寿命费用中占的比重将很高。显然，交通工具所消耗能源的费用，将正比于阻力的大小。根据空气动力学，交通工具的阻力D可用以下公式来表示：

D= D_A+ D_F

式中D_A为气动阻力，D_F为与地面的摩擦阻力，包括车轮的滚动摩擦阻力和传动系统中的摩擦阻力。飞机与真空管道列车的地面摩擦阻力都为零。在空气动力学中D_A通常用以下公式来表示：

D_A=ƍV²SC_D/2

其中ƍ为密度、S为参考面积例如列车的横截面积，C_D为阻力系数。阻力系数随速度的增加而增加，接近声速时达到最大值，然后再随速度的增加而下降。由于目前的民航客机都是以高亚声速飞行在10公里的高空，此时的空气密度约为地面空气密度的30％。因此当速度不断增加时，飞机所消耗的能量将少于地面行驶的交通工具。目前公认当速度超过每小时400至450公里时，飞机将更为经济。飞机的另一𠆤优点是充分利用了高速流动的空气作为发动机能量输入的一部分。
从上列公式可知，当列车在抽真空的低密度的大气中运行时，情况有所改变。当然，一般来说降低密度还将降低阻力系数。然而，由于管道列车将在管道中运行，其阻力系数也将正比于堵塞比（列车的横截面积和管道面积之比）。特别是当速度接近声速时，管道的堵塞效应会使阻系数力大大增加。对于低密度管道中列车的阻力系数随速度的变化，也将随速度的增加而增加，并在达到声速时达到最大值。由于目前国内外对真空管道列车在接近声速时的气动力学现象，研究很少，从而缺乏可靠的数据来说明当速度接近声速时它会遇到何种问题。但可以肯定，此时一定要求有更小的堵塞比，从而要求用更大尺寸的管道，或要求采用更低的密度。这两个因素都将导致所需的能量大大增加。
由此，我国研究真空管道列车的学者提出，当速度超过每小时600 公里时，要求管道中达到百分之一大气压的低压环境，当速度超过每小时1000公里时，要求管道中达到千分之一大气压的低压环境。

真空管道列车技术的现状与发展前景

国外真空管道列车的发展概况

现代火箭之父罗伯特•哥达德（Robert Goddard），在Worcester工学院1904年的开学典礼上演讲时提到：在波斯顿至纽约之间建一条真空管道铁路线，车辆通过电磁方式悬浮在轨道上，消除金属之间的接触，这种运行方式从波斯顿到纽约的旅行时间只需10分钟。
1922年，德国工程师赫尔曼·肯培尔(Herman Kemper)在提出磁浮列车概念时，同时提出“真空管道”的设想，认为采用管道抽真空的办法可以实现磁浮列车速度每小时1000公里的目标值。
1974年，瑞士的鲁道夫•里斯（R Nieth）博士，提出了地下真空隧道磁悬浮列车的概念，也就是“瑞士地铁”。他在1985年获得瑞士政府的支持，资助了一项最初研究。里斯和他的团队在1999年想瑞士联邦议会提交了一份研究报告，提出具体技术方案。但“瑞士地铁”在1999年后就一直处于停滞状态，瑞士联邦议会更在2005年决定不再推进这个项目。
1999 年，美国佛罗里达洲的机械工程师戴勒·奥斯特（Daryl Oster），取得了新型运输方式—真空管道运输系统的发明专利，英文名为Evacuated Tube Transportation，缩写为ETT。其原理可简单描述为：将超导磁悬浮列车置于真空管道内，利用线性电机加速至预定速率。由于电动机和真空管已融为一体，所以真空管中的传输舱不需要发动机或者电力激活的部件。
为了促进ETT研究与开发工作，戴勒·奥斯特于1999年在美国佛罗里达州注册成立Et3.com公司。ET3公司提出的“胶囊列车”由运输管道、载人舱体、真空设备、悬浮部件、弹射和刹车系统等组成。运行时，通过磁浮技术，将重达183公斤、长达4.87米、高约1.5米，能容纳4至6名乘客的胶囊状舱体“漂浮”于真空处理的管道中，再利用弹射装置，发射“胶囊”沿着管道无间断地驶向目的地。根据预想，由于处在无空气、无摩擦的运输环境，胶囊列车的速度可以达到每小时6500公里。从美国纽约到洛杉矶只要45分钟，如果跨越太平洋，至北京也仅需2小时即可达到。
2002年底，戴勒·奥斯特来到中国，并在西南交通大学工作了三个月，就建设高温超导磁浮模式的真空管道运输试验，进行了交流和探讨。在戴勒·奥斯特离开后，西南交通大学启动了我国在真空管道运输领域的研究开发工作。
埃隆•马斯克在2013年发布了一份白皮书，提出“超级高铁”概念，声称旧金山到洛杉矶的超级高铁列车能达到最高时速1200公里，造价为60亿-100亿美元，仅为加州高铁项目的十分之一，但这一造价当时就被业内普遍认为太低。据马斯克的介绍，“超级高铁”将采取太阳能供电方式，能够自行补充能量。在系统中装上太阳能电板后，获取的能量将超过消耗所需，此外，该系统还有存储能量的设施，在不使用电池板的情况下也能行驶一周时间。
2014年美国成立了Hyperloop One公司。2016年10月Hyperloop One宣布完成了一笔5000万美元的C轮融资，总融资额达到1.6亿美元。
2017年8月31日，马斯克在自己的个人Instagram账号上宣布，特斯拉的超级高铁列车时速达到355公里。
然而，对于“超级高铁”，外界也不断提出质疑。2017年9月5日美铁公司总裁理查德•安德森（Richard Anderson）表示，他并不认为，由马斯克提出的超级高铁，可以在短时间内实现，并能超过传统铁路运输。
Hyperloop One公司最近曾表示：“公司现在的重心是真正和政府以及世界各地的客户进行深入的商业讨论。我们的重心的确在发生转移，不仅仅是科技，而更重要的是商业化。”

我国真空管道列车的研究

早在上世纪末，我国沈志云院士在《我国真空管道高速交通的发展战略和技术方案》中指出：限制地面高速交通最高经济素的根本原因是稠密大气，克服气动作用是地面高速交通的主要任务。在《高速磁浮列车对轨道的动力作用及其轮轨高速铁路的比较》一文中，沈志云院士引用了德国磁浮列车和日本新干线轮轨列车的牵引曲线，研究显示不管是磁浮还是轮轨列车，当速度达到400 公里/小时以上时，空气阻力所占总阻力的比重将达到80% 以上。而80% 以上的能耗用于克服空气阻力，应当认为是不经济的。因此，为了在地面上实现400 公里/小时以上超高速交通，只有通过改变介质的密度，才能够变为现实。
2004年12月，由沈志云院士等主持在西南交通大学，召开了《真空管道高速交通》院士学术报告会，提出了我国发展真空管道列车的设想。他在《关于我国发展真空管道高速交通的思考》的报告中提出，我国真空管道高速交通的战略定位应为600-1 000 km /h超高速地面交通,是目前地面高速交通的延伸和补充。他表示：当前正在开发的轮轨高速铁路,速度为300-350 km /h,是现有铁路网提速的必然趋势. 上海浦东引进德国常导磁浮列车,速度为400-450 km /h,不失为磁浮列车技术工程化的大胆尝试。这2项已列入我国中长期交通科技发展规划战略研究。真空管道高速交通速度更高,技术难度更大,是交通应对几十年后能源、环保严重问题的重要措施,将成为20-30以后交通运输市场的亮点。就当前来说,研究真空管道高速交通是最具前瞻性、前沿性的前期研究,与其他高速交通的研究并行不悖,相辅相成。因此,真空管道高速交通的战略方针应当是研究领先,试验开路,分阶段实现工程化,以2020年拿出最优工程方案, 2030年开通首条运营线为目标。对于真空管道高速交通这样的高技术项目,必须进行多方案比较试验,优选各个子系统的技术,还要反复进行系统综合评估,才能找出最佳结构方案及参数。所以,不能急功近利,过早考虑实际工程实施,盲目追求市场效应。
2011年，西南交通大学超导与新能源研究开发中心主任赵勇教授领导的团队，研制出全球首个真空管道高温超导磁浮列车试验系统，该系统轨道直径3米，管道最低压强2000帕，磁浮车采用线性电机驱动。目前，这第一代实验模型已被拆除。2016年1月，赵勇团队完成第二代真空管道高温超导磁浮列车系统的建设，系统首次采用“壁挂”式运行，即将直径6.5m的环形轨道铺设在环形金属壁面上，使磁浮车沿壁面高速行驶。研究团队认为，在结构力学上，第二代系统有效增大了磁浮车沿环线运行时的向心力，并防止磁浮车沿轨道切向脱轨，从而使磁浮车获得更高的运行时速和安全稳定性。2016年5月，系统完成第一阶段调试，时速达到108公里；2016年10月，系统完成第二阶段调试，时速达到150公里。赵勇对澎湃新闻表示，“目前，我们实验室在高温超导磁浮方面能做到时速160公里，这应该是实验室最高速度了。”实验室系统的难点在于，“场地有限，只能做成环形，环形的小半径离心力很大，做起来非常困难。”
目前，超导磁悬浮领域的时速纪录在日本。日本采用低温超导磁浮技术，载人速度可达时速603公里，这一技术业也已成熟。2014年，日本开工建设世界首条最高时速达505公里的超导磁悬浮高速铁路，预期2027年建成通车。对此赵勇表示，“日本的这一时速是在稠密大气中间实现的，如果把稠密大气变成低压管道的话，时速1000公里理论上是可以实现的。”但无论是真空管道，还是高温超导磁浮技术，或者是把这两项结合起来，“国内国外都是空白，还有很多核心技术要开发。”
在赵勇的设想里，项目必须要从实验室走向户外。“户外实验首先需要场地，起码要1公里或者2公里的管道做前期试验，中试起码要几十公里，日本600公里时速的磁浮线有三十多公里的线，按照这个比例的话，50到100公里的中试线是需要的”。赵勇认为，这些步骤都必不可少，“没有这些试验，你做出来的东西谁敢用？在这上面反复地试，给出安全性的保障，这样才能推广到工程上去。”而户外建立真空管道磁悬浮模型造价之高并不是一个实验室所能承受。“投入肯定是以亿为单位的，可以类比一下，地铁的造价是每公里6亿元-10亿元，参照这个数字也不是我们实验室可以做的。”因此，赵勇呼呼政府和资本能够投入资金。
2014年，北京九州动脉隧道技术有限公司，提出了建设跨海真空旅游飞行巴士的设想。其方案将集海底隧道技术、真空管道运输技术及磁悬浮列车技术于一体，形成的一种新型跨海交通旅游运输系统。

真空管道列车技术的现状与发展前景

真空管道列车的关键技术

真空管道运输技术的原理虽然简单，但实现起来却很困难，必须攻克一系列关键技术。
首先，提供实现一个体积巨大、保持时间长、安全系数高的真空管道系统的技术。像超高速管道列车的运行，一般至少需要几百公里甚至更长的管道，如何保证管道长期的良好密封是一个需要解决的技术难题。
其次，真空环境下相关设备的运行技术。真空环境下，许多在常规空气环境下可以正常工作的设备会难以运行，超高速管道列车的驱动和运行极为复杂，许多设备只有经过实践，才能发现和解决问题。理论上，在真空环境内交通运输确实有可能达到更高速度，但最高速度不仅与真空度有关，还与悬浮导向系统、牵引系统、轨道系统及运行控制系统性能相关。随着速度提高，因悬浮、导向、驱动力系统，引起的磁浮列车的振动也会加剧，如何使各个分系统协调工作，尚待工程实践来解决。
再次，保障列车安全运行的技术。虽然超高速管道列车要比一般的交通方式更安全，不受天气影响，但并不意味着它可以避免运行中出现任何问题。普通列车在制动时，常规的应急制动大多采用摩擦制动，但这一方式在真空环境内无法实现，因此当超高速管道列车遭遇突发故障，采用何种方式刹车，考验着研究人员的智慧。
最后，降低建设费用的技术。横亘在超高速管道列车从设想走向现实的最大障碍，还是建设成本和运行费用。由于目前大城市的市内交通的速度有限，而超高速真空管道列车为了满足乘员对低加速度的要求，必须要有较长时间的加速和减速过程，因此只有在长距离运输时(例如大于1500公里)，真空管道列车才会显现优势。因此建设超高速真空管道列车，必将要求投入巨资和大规模征地，这些都在无形中增加了建设成本。

真空管道列车的发展前景

尽管超高速真空管道列车面临种种难点，但科学家仍对超高速管道列车技术未来的发展，仍感到谨慎的乐观。对于真空管道列车的市场，却有相当的不确定性。一种新技术的应用是技术推动和市场需求相结合的结果，它的应用过程既受到技术成熟度的限止，也要在技术发展过程中经受市场的检验。
　 2010年8月沈志云院士在接近媒体采访时说：“真空管道运输技术的原理虽很简单，但实现起来却很困难。1922年德国工程师赫尔曼·肯培尔在提出磁浮列车概念时，同时也提出了真空管道的设想，至今快90年了。磁浮列车虽做了大量研究，却一直未能真正进入运输市场。真空管道技术更惨，至今在世界范围内连像样的试验研究都没有，有的只是一些设想方案。不少人热衷于把这些纸上谈兵的东西申报专利，组建公司，成立研究所，出版书籍，而不去认真探讨为什么不能实现。”那么，什么原因阻碍了真空管道技术的发展呢？沈院士说：“我认为最主要的原因，同磁浮列车一样，是技术不成熟，成本过高，与其他运输方式不兼上容，与运输市场格格不入。”
沈志云院士谈到真空管道技术的前景时说：“当前的问题是要停止空谈，踏踏实实为真空管道技术的应用找到一个可行的切入点。”沈志云院士认为，为“和谐号”高速列车的进一步提速提供支撑是真空管道技术发展的最好机遇。“从该列车技术本身来说，进一步提速到时速500公里甚至600公里是有可能的。然而，时速超过400公里在稠密大气层中能耗和噪声严重超标，无法投入商业运营。如果在条件较好的整体道床上加罩，构建密闭管道，通过抽气站抽成0.2-0.1个大气压的低真空，就能实现和谐号高速列车的超高速运行。”在沈志云院士看来，这一方案的最大优点是与我国高速铁路网兼容。同一列高速列车，在有真空管道的区段，超高速运行，到了没有这一装置的区段，仍按普通高速度行驶。“当然，这样做要克服大量技术和经济上的难题，要在基础理论研究和技术开发方面做艰苦细致的工作，没有30到50年，是难以实现的。”
既然这种超高速的真空运输有可能成为未来的交通工具，那么，它是否会对其他交通工具造成冲击？沈志云院士明确指出，不是冲击，而是相互补充，在竞争中求得更好的协调发展。例如对高速列车，真空管道将帮助可以达到500甚至600公里时速的世界第四代高速列车投入商业运营。在未来石油短缺的前提下，真空管道运输将能提供一种大众化的地面超高速交通工具，以弥补飞机之不足。“但也是在30年、50年之后的事。那种说10年之后真空管道运输就会替代高速列车和飞机的“预言”，只是用来在网上炒作，引发一时的轰动而已。

超声速面临飞机的竞争

至于对时速4000公里的，目前许多学者却持格外谨慎的态度。赵勇也表示，“我一直在强调1000公里时速这个第一步的关键性和重要性，当你1000公里时速还没实现的时候，大谈4000公里时速的意义就不大。”
事实上，在更高的速度上，真空管道列车还面临超声速客机的竞争。自“协和”号停飞后，人们一直期盼着新一代民用超声速飞机的出现。尽管各国民航对超声速客机的运营有严格的限制，但美国的一些制造商已经推出多个超声速公务机设计方案，验证机的首飞也进入倒计时。位于美国科罗拉多州的博姆Boom）技术公司，最近公布了50座级超声速公务机方案，其巡航Ma数为2.2，略高于“协和”号，它用了在陆地上空以亚声速飞行的方案，以满足有关噪声规章要求。
由于超声速飞行技术可以军民两用，而超声速客机已经证实确有很大的市场需求，因此美国、欧盟、俄罗斯、日本等国都在组织本国研究机构和企业开展相关技术研究工作。30多年来，美国宇航局（NASA）利用现代计算技术，结合风洞试验，终于最后解决了阻碍超声速客机发展的声爆问题。NASA宣布在今年8月开始设计制造新一代超声速客机的原型机，该机型产生的噪音仅仅相当于坐在车里听到的汽车发动机的嗡嗡声。按照当前的设计，纽约到洛杉矶目前6小时的飞行时间将会缩短一半。NASA计划在未来五年内投入3.9亿美元来制造原型机，并在人口稠密地区进行测试。第一年的经费已列入美国总统特朗普2018年的预算草案中。
不言而喻，超声速客机的技术成熟度远高于超声速真空管道列车。因此，展望未来，除非真空管道列车技术，会产生颠覆性的技术创新，使其成本远低于超声速客机，否则真空管

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