管道里「飛車」，二百年「博弈」

近年來，「超級高鐵」已成為一個網路熱詞。超級高鐵作為一種面向未來的新型交通技術，不失為提高地面交通速度的一個重要途徑。

以前只是出現在科幻小說中的管道里「飛車」，如今正在一步步地逼近現實。那麼，讓我們一起走進真空管道的世界，去了解「超級高鐵」的前世今生！

怎麼，難道「超級高鐵」要在「真空」管道里賓士嗎？回答是肯定的！原來，「超級高鐵」的速度躍進是以拒絕空氣為代價的。那麼，「超級高鐵」為什麼要拒絕空氣呢？

超級高鐵示意圖（網路圖）

空氣阻力——速度解放的「攔路虎」

軌道列車在運行時受到的阻力，主要包括車輪與軌道之間的摩擦阻力以及列車受到的空氣阻力。高速運行的軌道列車，空氣阻力是速度提升的「攔路虎」。

原來，由空氣構成的稠密大氣層，是產生空氣阻力的物質基礎。交通工具在地面上的運行速度越快，其受到的空氣阻力就越大。並且，空氣阻力的大小與速度的平方成正比。這說明空氣阻力是影響交通工具速度的最重要因素之一。

高速運行的列車（網路圖）

據悉，當列車以時速200公里的速度行駛時，空氣阻力佔到總阻力的70%左右；當列車以時速500公里以上的速度行駛時，氣動阻力則佔到總阻力的95%以上。

1974年，真空管道運輸概念圖（網路圖）

有研究認為，在地表稠密大氣層中運行的高速交通工具，其最高經濟速度不超過400公里/小時。比如，當磁懸浮列車時速達到400公里以上時，其抵消空氣阻力消耗的牽引力大約超過了83%。

速度革命——管道里的二百年

縱觀人類的交通發展歷史，速度革命始終是交通發展的主旋律。當交通速度達到一定水平時，突破空氣阻力這個「攔路虎」就會變得十分困難。為此，人類在二百多年以前就提出了管道交通的概念，並為之進行了堅持不懈的探索。

早在1799年，英國工程師喬治·梅德赫斯特（George Medhurst， 1759年-1827年）就萌生了利用管道運輸貨物的想法。1812年，他詳細闡述了利用空氣推力在管道中運輸乘客和貨物的構想。他率先提出的使用壓縮空氣作為推進裝置的想法，直接導致了第一個氣動鐵路的發展。

美國發明家艾爾弗瑞德·依萊·比奇（網路圖）

到了十九世紀後期，美國發明家艾爾弗瑞德·依萊·比奇（Alfred Ely Beach，1826年–1896年）提出了真空管道與壓縮空氣相結合的新思路，並致力於紐約地鐵氣動運輸系統的建設。

比奇氣動地鐵的設計原理（網路圖）

比奇設計的氣動地鐵於1870年2月26日投入運行，這是美國的第一條地鐵。比奇用自己發明的開挖機械秘密地建成了一條長95米、直徑2.4米的地鐵隧道，其內運行的車輛長8英尺，座位20個。

比奇所處的時代沒有燃燒汽油的內燃機，也沒有用電力驅動的馬達，因此他設計的地鐵採用的氣動傳輸。該氣動地鐵用真空風機產生的氣動壓力作為動力，來推動車輛在隧道中前進。

由印第安納州康納斯維爾的羅茨基公司製造的巨大鼓風機，需要用100馬力的蒸汽機來驅動。每分鐘最高可向隧道內輸送10萬立方英尺的空氣，完全可以推動車輛前進到終點站。但當鼓風機氣流反向工作時，則會在隧道內產生一定的真空度（負壓），這樣一來大氣壓力就會把車輛推回到起始點。

該示範地鐵項目運行了大約三年的時間，最後由於政客的反對以及經濟的衰退而退出了歷史舞台。

1867年，比奇實驗氣動地鐵系統（網路圖）

1904年，美國學者羅伯特?戴維就提出了「真空管道運輸」的設想，但卻沒有為「真空管道運輸」申請專利。

現代火箭技術之父——羅伯特?戈達德（網路圖）

美國火箭先驅羅伯特?戈達德(Robert Hutchings Goddard ，1882年–1945年)是美國最早的火箭發動機發明家。1910年，他提出了一種「真空管道超級鐵路」構想。這種超級鐵路在真空密封的隧道內運行，從波士頓到紐約大約只需12分鐘。不過這只是一個設想，並沒有付諸實施。

奧斯特設計的真空管道運輸系統（網路圖）

到了20世紀90年代初，美國的機械工程師達里爾?奧斯特（Daryl Oster）對真空管道運輸進行了深入的研究，從而提出了打造真空管道運輸系統的構想。1999年，奧斯特獲得了真空管道運輸的專利。2010年，奧斯特就真空管道運輸成立了專門的公司。

奧斯特在專利申請書中最早使用了「真空管道運輸」的名稱，英文為Evacuated Tube Tran spo rtation, 縮寫為ETT 。他還設計了一個6人的太空艙，它穿過直徑1.5米的真空管道。每小時速度可達到6500公里，6小時就可環遊世界，而成本只有高速公路的1/4，高速鐵路的1/10。奧斯特更喜歡把他的構想稱為「地球上的太空旅行」，但他的構想一直未能變成現實。

超級高鐵——「鋼鐵俠」的科技狂想

素有「矽谷鋼鐵俠」之稱的埃隆?馬斯克，是一個涉足航天和汽車、能源三大領域的科技狂人。馬斯克對「真空管道運輸」的概念極為推崇，並進行了發展和豐富。

特斯拉之父——埃隆?馬斯克（網路圖）

2013年，埃隆?馬斯克提出了「超級高鐵」的概念。馬斯克設想的「超級高鐵」，是一種以「真空管道運輸」為理論核心設計的新型交通工具。

馬斯克設想的「超級高鐵」草圖（網路圖）

馬斯克設想的「超級高鐵」主要由雙向管道和「運輸艙」組成，預期的速度為每小時1120公里，比飛機的速度還要快許多。「運輸艙」穿梭於全封閉的真空系統之中，可以使用太陽能作為驅動力。

真空管道運輸線路是由兩根管道組成的，管道內徑1.5～2.0米，並抽成了一定的真空。管道運輸線路每30米設置一個橋塔作為支撐，並每隔一定距離設置一個真空泵站以及車站。

「超級高鐵」作為下一代高速運載工具，希望能從根本上減少或消除空氣阻力。採用鋪設真空管道的辦法，則可以解決一系列空氣動力學方面的問題，因此可在維持高速的同時保證列車的舒適性和能耗的經濟性。

拒絕空氣——異想天開的「膠囊列車」

說起「超級高鐵」的「運輸艙」，它還有一個十分萌的名字——「膠囊列車」。原來，馬斯克眼中的「運輸艙」更像是一個特製的「膠囊」，因此才有了「膠囊列車」的稱謂。

超級高鐵的運輸艙——膠囊列車（網路圖）

據悉，「膠囊列車」為鋁質材料製成的，長約4.87米、高約1.5米，可以設置4～6個座椅，重約183公斤。「膠囊列車」作為一種先進的交通工具，其特殊性就在於運行在真空管道之中。

「膠囊列車」在封閉的真空管道中運行，幾乎不存在與空氣的摩擦力。並且利用懸浮式推進系統，因此也不存在列車與軌道的接觸。這樣一來，「膠囊列車」的運行速度就可以大幅度提升了。

馬斯克設想的「超級高鐵」（網路圖）

從理論上來說，「膠囊列車」只需要在啟動階段和減速階段才需要消耗動力，因此耗能是非常低的。同時，在封閉的真空管道中運行，不會引起雜訊污染，也不易受到攻擊，也不受外界氣候條件影響。

中國探索——讓列車在管道里「飛」起來

「超級高鐵」作為下一代高速運載工具，希望能從根本上減少或消除空氣阻力。採用鋪設真空管道的辦法，則可以解決一系列空氣動力學方面的問題，因此可在維持高速的同時保證列車的舒適性和能耗的經濟性。

西南交通大學牽引動力國家重點實驗室（網路圖）

（超高速磁懸浮列車環形實驗線平台）

我國在十幾年前就開始了對真空管道運輸的研究。2000年，西南交大成功研製出了世界首輛載人高溫超導磁懸浮實驗車「世紀號」，證明了高溫超導磁懸浮車在原理上的可行性。

2011年，中國研製開發了全球首個真空環形管道磁浮列車試驗系統。2014年，我國建成了全球首個真空管道超高速磁懸浮列車環形實驗線平台，研究並驗證了「真空管道+高溫超導磁懸浮」的可行性。

在西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，一條測試時速可達400公里的真空管道高溫超導磁懸浮直道試驗線正在建設。採用該項技術，列車時速甚至有望突破1000公里。

據悉，中國「高速飛行列車」項目將按照三步走戰略逐步實施。第一步是通過1000公里/小時運輸能力建設區域性城際飛行列車交通網，第二步是通過2000公里/小時運輸能力建設國家超級城市群飛行列車交通網，第三步是建設「一帶一路」飛行列車交通網。

中國研發的「超級高鐵」，理論時速可達1000公里。人們乘坐「超級高鐵」，以超過1000千米/小時的速度穿梭在幾乎真空的管道里，那樣的超級體驗也許只有經歷了才能知道。不過，有一點是清楚的，那就是原來以小時計算的行程將會變成以分鐘來計算了。

前景美好——商業化運營還尚待時日

「超級高鐵」作為一種先進的運輸方式, 具有極其美好的發展前景。然而，「超級高鐵」要實現商業化運營，則還有很多問題需要解決。

儘管「超級高鐵」的各項構成技術大都具有相應成熟的模式,但是「超級高鐵」作為一個完整的技術系統仍然需要進行系統的研究。比如遠距離真空管道建設和維護的高昂投入和高難度，磁懸浮本身的高技術和成本，還有在超高速情況下乘客的安全性等問題。

而這些問題的解決都具有相當高的難度，因此需要科學家和工程師在理論和實踐的探索中逐步來加以解決。

參考文獻

【1】澎湃新聞.《超級高鐵公司首批全尺寸管道運抵法國，將展開真空懸浮試驗》，觀察者網，2018-04-13。

【2】科技日報.《時速613公里、14秒內「秒停」？馬斯克的超級高鐵離上路還有多遠》，觀察者網，2018-04-15

【3】科技日報.宦建新.《海底真空隧道列車：理論時速2000公里》，人民網，2017-04-25。

【4】第一財經周刊 許詩雨.《膠囊列車」是一個好點子？》，民航資源網，2013-09-29。

【5】光明日報 詹媛.《30分鐘北京到上海？中國「超級高鐵」何時夢想成真》，央廣網，2017-09-11。

【6】王眉靈.《探訪西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 比飛機還快的「超級高鐵」有望在此誕生》，四川日報，2018-04-24。

作者：肖溪樹

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