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发誓碾压中国高铁的美国“超级高铁”,凭什么这么大口气?

发布时间:2016-05-19


      坐在一个类似胶囊的车厢里,只需1个小时就可以从北京抵达上海。在最理想的情况下,从北京到纽约仅需2小时。看似只会在未来影片中出现的场景,美国“超级高铁”宣称可以实现。近日,“超级环”Hyperloop推进系统在美国内华达州沙漠完成了户外测试。未来,这种被称为“超级环”的高速交通工具,真的有望成为继轮船、汽车、火车、飞机后的“第五种交通方式”吗?
       再过三五年具备可行性

       “超级高铁”是科技“狂人”、美国企业家埃隆·马斯克极力推崇的概念。其最初是由机械工程师达里尔·奥斯特提出来的,他在1997年时获得了此项技术的专利。在此基础之上,马斯克于2013年贡献了更多的设计细节。

       马斯克是影片人物“钢铁侠”的原型,旗下拥有多家知名企业,包括电动汽车企业特斯拉、火箭发射企业SpaceX。同时,他还是在线支付Paypal的创始人。

       按照设计,“超级高铁”的车厢像一个胶囊,放置于地面或地下建设的真空管道中,利用磁悬浮或气悬浮技术,达到点对点的传送运输。由于胶囊处于几乎没有摩擦力的环境中,因而可以不间断地行驶,其最高速度可达1200公里/小时。目前,飞行速度最快的客机之一波音787,最高时速仅为800公里至1000公里。

       5月11日,美国“超回路1号”企业在内华达州荒漠首次对“超级高铁”的推进系统进行公开测试,测试结果符合预期。这场测试大概持续了4秒钟,全程全直线设计,测试长度约为5公里,从静止加速到640公里/小时只用了2秒。

       当然,这场公测只是整个复杂系统中的一部分,离最终成功还有一段距离。但它至少证明这个概念具有一定可行性,而不只是“钢铁侠”的胡思乱想。业内人士推测,2019年至2021年间,“超级高铁”将真正具备时速1125公里的能力。

       低能耗噪声小还更安全

       在马斯克心里,“超级高铁”是协和式飞机、轨道枪和气垫曲棍球台(桌子四周、紧贴桌面的部分喷出高速气流,使球悬浮起来)的结合,具有超高速、高安全、低能耗、噪声小、污染小等特点。

       按照设想,“超级高铁”一趟最多容纳28人,但可以做到每两分钟发一趟车。由于胶囊车厢是个“小个头”,高度为1.1米,宽度是1.35米,因此车厢门被设计为向上打开的模式。

       车窗系统也比较新颖有趣。由于采用封闭式的管道回路设计,车厢将不具备真正的车窗,而使用屏幕代替,并引入增强现实(AR)技术。这个屏幕可模拟各种景色,甚至包括太空漫游。当乘客望向窗外时,看到的可能是地心历险记,也可能是星际旅行。这样,就不会因为封闭空间而感到压抑。

       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。同时,每一个胶囊车厢前面配有电动涡轮压缩机。这个压缩机可以吸入空气进行压缩,再通过电子脉冲给每一个胶囊车厢提供推动力。

       在真空环境中运行的车辆,行车阻力会大大减小,从而有效降低能耗,同时气动噪声也可以大大降低。因而,人们坐在里面“如电梯般平顺”,且会感觉比火车和飞机更安全、更安静。“就像坐在飞机中一样。最开始会加速,然后你就感觉不到了。感觉超级平稳,非常安静,没有任何气流影响。”马斯克曾这样畅想乘坐“超级高铁”的体验。

       由于采用的是密封管道设计,轨道除了具有自动调节内部环境的系统之外,还有能够抵御地震的安全结构。如果出现撞车情况,后面所有的胶囊车厢都会紧急刹车,且能够确保提供足够的氧气。此外,列车的轨道还可以架空在城市车道的上方,因此有助于节约城市空间并降低土地收购等成本。

       技术突破还面临难题

       不过,“超级高铁”要逐渐变为现实,还面临一些难题。

       一方面,如果抽空管道中的所有空气,空气阻力问题就能得以解决。但问题是,马斯克已经公开表示完全意义上的真空还难以实现。那么,在管道内持续产生接近超音速的高速气流,就要消耗巨大的能量,仅用太阳能电池板显然还不够。如何有效解决能源供应问题,还需科研探索。

       同时,还有一个散热的问题。能量分析专家指出,胶囊车厢压缩空气,向下或者逆向排出,都会产生巨大的热量,这将导致乘客舱和相应的仪器设备遭受损坏。马斯克的解决方案是在每一个车厢里添加一个水箱,用水箱来吸取热量,并转化为水蒸气。但是,胶囊车厢仅有几立方米的空间,具体运行时热量转换率不高,这意味着必须增大水箱容量。

       另一方面,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的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。

       “超级高铁” 为什么能跑那么快

       速度是科技发展的产物。那么,“超级高铁”需要什么样的高科技支撑呢?

       一是材料高科技。“超级高铁”要以导弹的速度飞驰,那么制造火车的材料必定不能是一般材料。普通材料的强度无法适应高速度的撕裂,很容易在运行过程中被撕成碎片。就目前的情况来看,抗高温高压、密度小强度高、使用寿命长的纳米材料很适合制造“超级高铁”的车厢。纳米材料已经通过航天工程的实用检验,将这一成熟的高科技材料运用于“超级高铁”项目应该不是什么困难的事。

       二是制造高科技。黄金自古就有,但古人只是把黄金做成项链,现代人则把黄金用在了电脑芯片中。黄金在科技领域的应用现状,说明这样一个问题:任何一种材料要想转化成高科技产品,需要高科技的产品制造技术。开发“超级高铁”已经具备了相应的高科技制造技术,如“真空运输管道制造技术”在上世纪90年代被提出来。

       三是能源高科技。凡是高速度的东西,都离不开高科技的能源传输或转化方式。比如,“超级高铁”需要用超导体来传输电能,产生磁悬浮效果,以便能让胶囊车厢悬浮在管道内高速运行。利用超导体产生磁悬浮,是尚需提升的能源技术。

       此外,人造机车的行进速度一直受能量转换效率的制约。换句话说,能量转换效率越高,人造机车的行进速度就越快。比如,火箭飞行时需要携带大量的燃料,如果燃料的化学能转化为动能的效率提升一个百分点,则可以少带十个百分点的燃料,这就会有效降低火箭的重量,从而提升飞行速度。再如,汽车将汽油的化学能转化为动能的效率大约是30%,因为能量转化效率不高,动能不足,所以汽车飞不起来。

       目前,传统机车发动机能量的转换效率已达到40%的极限。所以,工程技术专家在“超级高铁”项目中抛弃了传统的发动机带动机车前行的做法,而是采取类似“导弹发射”的方式进行。这种方式的能量转换效率,在真空状态下理论上可达100%。


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