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高速飞行列车离现实有多远

来源: 北京日报     2017年09月13日        版次: 13     作者: 王麟

    超级高铁想象图

    新闻背景

    近日来一则消息刷爆朋友圈:中国航天科工集团公司宣布,研发人员正在开展“高速飞行列车”的项目攻关。该项目结合超声速飞行技术与轨道交通技术,使列车时速有望高达4000公里。一旦实现技术突破,国内超级城市群便能形成1小时经济圈。

    2017年8月底,在第三届中国(国际)商业航天高峰论坛上,中国航天科工集团公司副总经理刘石泉透露,他们开展了“高速飞行列车”的研究论证,利用低真空环境和超声速外形减小空气阻力,通过磁悬浮技术减小摩擦阻力,实现列车超声速运行。高速飞行列车最大运行速度可达4000公里/小时,比普通高铁快10倍以上,比民航客机快5倍。该项目将按照“三步走”战略逐步实施。首先是具备时速1000公里的运输能力,建设区域性城际交通网;再是具备时速2000公里的运输能力,建设国家超级城市群之间的1小时交通网;最后,该项目将具备时速4000公里的运输能力,建设“一带一路”交通网,打造一张继航天、高铁、核电之后的中国新名片。

    前景令人振奋,然而要把理想变为现实,还有很多困难需要我们认真面对并克服。

    超高速磁悬浮技术已经酝酿多年

    2013年,美国太空探索技术公司创办人埃隆·马斯克在前人设想的基础上,提出利用电磁驱动悬浮舱在真空管道中运行,进而建设超级高铁的理念,即所谓“超级回路”。由于真空无摩擦力和空气阻力,理论速度可达1200公里/小时。

    其实,中国早在2004年12月就曾召开有8名两院院士参与、多名国内权威专家出席的“真空管道高速交通”研讨会。2011年,西南交通大学教授赵勇团队研发出世界第一套“真空管道磁浮车实验系统”,这是全球第一个同时结合真空管道、磁悬浮及线性驱动技术的完整真空管道试验设备。2015年底,西南交大建成第二代高速环线设备,轨道铺在管壁上,形成“壁挂式”磁悬浮列车,并成功将管道真空的极限压强降到了1335帕,相当于已抽掉管道中99%的空气。

    美国Hyperloop One公司今年5月在美国内华达州的测试管道中进行了首次“全尺寸”系统测试—全真空测试,检验全真空条件下“超级回路”高速列车的状况,测试达到了预期的目标。7月28日又完成了速度测试,车速达310公里/小时,该公司称正式运营后预计时速超800公里。而据9月7日最新消息,美国超级高铁运输技术公司与印度安得拉邦经济开发组签署了备忘录协议,将在当地开发他们的超级高铁运输系统。

    无论是美国埃隆·马斯克推崇的“超级回路”高速列车,还是中国航天科工集团研究论证的“高速飞行列车”,其采用的技术均大同小异,第一,需要利用密封管道,第二,需要采用悬浮技术。“超级回路”采用气垫悬浮,而“高速飞行列车”采用超高速磁悬浮。

    不难想象,高速飞行列车需要的建造成本是十分昂贵的。即便没有真空管道这一环节,只是普通的超高速磁悬浮列车,造价也极为高昂。就拿日本东京至名古屋超高速磁悬浮新干线而言,线路长度286公里,建设成本高达5.4万亿日元,折合每公里成本为11.3亿元人民币,而京沪高铁的造价约为每公里2亿元人民币,前者是后者的5.7倍。

    截至目前,在全世界范围内,轮轨高铁列车创造了2项世界速度纪录,一是2007年3月份,法国不载人的高铁列车创下了574.8公里/小时的世界纪录,至今保持10年,尚未被打破;二是2010年12月份,中国的和谐号动车组在京沪高铁试验段创下了486.1公里/小时的载人运行的世界最高纪录。在商业运营方面,中国高铁载人运营速度最高,为350公里/小时。

    而研发磁悬浮技术的主要国家一共有三个,分别是日本、德国和中国,日本重点研发超导超高速磁悬浮技术,德国重点攻关常导超高速磁悬浮技术,而中国目前致力于中低速磁悬浮技术的研发,并取得了可喜的成绩。在创造速度纪录方面,超高速磁悬浮列车可以轻易碾压轮轨式高铁动车组,比如最近的世界最高速度纪录是2015年4月21日由日本“L0系”超导磁悬浮列车创造的,高达603公里/小时。

    西南交通大学研发的世界第一套“真空管道磁浮车实验系统”

    重重困难必须认真面对

    4000公里/小时的高速飞行列车非常诱人,然而,从理想到现实,还需要克服无数难关,解决很多核心的技术难题,比如,如何才能低成本建造真空管道以及管道维护,如何确保高速运动下磁浮系统的动力学稳定性,如何保证高速运动下的直线驱动效率等。

    在非真空的环境下,日本的超高速磁浮列车的速度已经突破了600公里/小时,所以不难理解,当采用真空管道之时,空气阻力已经不再是主要障碍,理论上列车速度可以开到无限大。然而,列车即使在真空管道中运行,也需要一个加速过程,根据测算,当超级高铁列车从零加速到4000公里/小时的时候,加速度高达1.8g,远超普通乘客能够忍受的1.2g加速度的范围,可见,乘坐如此高速度的列车,对乘客的舒适度是个巨大考验。

    另外,我国幅员辽阔,地形复杂,河谷山脉、平原丘陵,都会给超级高铁的建设带来很大麻烦,因为列车运行的线路,不可能全部位于直线上面,而若采用弯道通过,4000公里/小时的速度需要设置曲线半径为900公里,基本上与直线无异。但是如果动辄千百公里的高铁线路都修成直线,一是工程根本不可行,二是即使能够修成,花费的资金也是天文数字。

    乘坐高铁列车,安全是第一位的,如果为了提高速度而牺牲安全,这种交通工具不会有竞争力和生命力。而4000公里/小时的高铁列车,是子弹出膛速度的4倍,相当于一颗洲际导弹,如何保证列车在运行中不与设备产生碰撞、不脱轨、不倾覆,是科研人员首先要解决的问题。根据我国轨道交通标准规定,中低速磁浮列车每10米允许的“跑偏”误差不超过3毫米,高速磁浮列车的“跑偏”误差必须控制在1毫米以内,对于时速1000公里以上的“高速飞行列车”,其误差控制精度要求更高。

    美国物理学家、超导磁悬浮概念的联合提出者詹姆士·鲍威尔就曾经警告说,超级高铁的轨道误差必须非常小,如果轨道墙壁位置差之毫厘,都可能导致灾难。按照国内高速飞行列车研发专家的观点,列车采用的超高速磁浮技术是基于高温超导体与永磁体间的抗磁和磁通钉扎作用,由材料内在特性决定的被动悬浮,具有结构简单、安全、自导向、节能环保等优势。在理论上可通过磁浮技术的“自导向性”将高速列车的“跑偏”控制在误差范围之内。

    高速飞行列车以时速4000公里的速度运行,加减速都要耗费大量能源,在加速期间,列车在真空运行,不会产生音障和热障,但是在减速期间,则会产生大量的热能,如何能够及时排除并给列车降温,也是研发人员需要解决的难题之一。而列车在真空管道中高速运行,对于管道的密封性要求极高,而保证密封性的维护资金也不是小数目。如果将管道做成半真空,技术上容易实现,但是列车会不可避免地遇见音障和热障。总而言之,列车速度越快,运营成本就越高,即使超级高铁解决了这些技术难题,能否在商业上运营成功,能否获取收益,还是未知数。

    高速飞行列车是一个非常诱人的概念,但是距离现实还很遥远,因为列车所依托的超高速磁浮技术,一直没有实现大范围的推广,真空管道技术更是没有应用先例。当然,人类的技术是不断发展的,面对高远的目标,我们要脚踏实地地认真面对每一个困难。

    (作者为铁路高级工程师)  

    延伸话题

    真空管道运输可先用于货运?

    陈语

    真空管道运输的概念近年来受到人们越来越多的重视。由于载人运输在安全性方面要求更高、困难更大,有人自然想到,是否可以首先将真空管道技术应用在物流运输上?

    德国邮政开始讨论可能性

    在电商蓬勃发展的未来,真空管道运输能够有效解决快递需求大增与城市交通拥堵、环境污染之间的矛盾。2016年初,德国邮政DHL开始讨论这个项目,支持荷兰代尔夫特理工大学研究Hyperloop管道高速运输。该大学一个4人团队设计的悬浮舱在SpaceX真空管道概念开发的全球竞赛中获奖,今年1月,DHL帮助他们把测试模型空运到美国参加决赛。他们击败了美国麻省理工学院和德国慕尼黑技术大学团队,目前成立了Hardt技术初创公司,筹得63万美元资金,并在DHL的支持下,研制应用于邮政和物流行业的模型样机。DHL表示将继续与Hardt密切合作,在需要的时候提供投入和协助。

    研究团队负责人豪特说:“真空管道系统首先将应用于货物和包裹的运输,人的运输肯定是这之后的第二步。”合作项目创始人、DHL速递荷兰分公司IT副总监沃尔沃特也表示,真空管道明显适用于速递业的投递,货物量要装满一架货运飞机需要花费一定的时间,并且,即使业务量达到需求,每半个小时飞行一趟航班也不合逻辑。但真空管道的分离舱却可以每天多次发运货物,在整个欧洲实现当日达网络。从理论上讲,在未来很长一段时期内,真空管道可能是替代所有短途运输最理想的新模式,并大大降低成本和对环境的影响,因为该系统几乎是零碳排放。德国邮政DHL设想其最后一公里的解决方案是在每个“真空管道”车站安装自动对接的智能包裹柜,或用自主机器人投递车完成最后的路程。

    豪特预计未来4年内技术可通过验证并准备就绪,再加上铺设管道的时间,因此10年后从技术上可变为现实。但是,DHL的沃尔沃特指出,“真空管道在欧洲会面对更多的政策、社会经济方面的挑战,比如,因为要解决各方面的立法问题,英国修建通往巴黎或荷兰的新铁路就花了15到20年。因此,我们预计真空管道将首先在中国或中东等新兴市场中建成,那里有更开阔的土地,并且这样规模的基建项目所面临的政策限制要少得多。”

    邮递货运高速路已在实践

    此外,今年7月,广东中保斯通集团发布首条“智慧物流快线”的消息引起了很多关注。他们的设想是,架设低空静止索轨道,形成空中“高速路”,供无人驾驶穿梭机器人运载小批量货物,具备转弯、转轨等功能,可载重100公斤,低能耗、低成本地快速把包裹送达到目的地。如果建成覆盖全国城乡的索、轨道智运快线系统,通过“索轨+穿梭机器人”,可实现商品国内当天送达、同城一小时到货、费用下降一半的目标。中保斯通集团已和广东省茂名化州市人民政府签订战略合作协议,把化州市建设成全球第一个智慧物流快线示范市。以现行每公里智运快线建设成本15万元、量产后10万元计算,采取分段加盟承建的方式,建设周期1年,投资额2亿元,成本回收周期2-3年。

    与广东中保斯通的索道物流类似,国外也有更多的索、轨道物流运输的创新理念。2016年12月,亚马逊获得一项地下投递网络的专利,使用传送带、轨道和气动管道的组合,将包裹送到火车站、履单处理中心。如果房屋预先建造了连通每家每户的气动管道,并与地下干线管道网络连通,甚至可以把快递包裹直接送进用户的家中。这种设想,在DHL等其他欧美业界专家的未来展望中也曾见提及。

    (作者为邮政科学研究规划院高级工程师)