高速铁路的前生今世(超等高速铁路的前生与今世)

高速铁路的前生今世(超等高速铁路的前生与今世)

图片根源@视觉华夏

文 | 刘文元

2013年，在“钢铁侠”埃隆马斯克的呼吁下，超等高速铁路的观念（一种在真空弹道中运转的交通东西）广为人知，近几年赶快变成很多国度科学研究和社会计划的热门。但本来，一致的构想早在两世纪前就仍旧有人提出。

正文将对真空弹道输送的演进汗青举行扼要梳理，一窥超等高速铁路的前生与今世。

01 压力差即能源真空本领的发源，汗青上有确牢记载的即是1643年的托里拆利试验：在密封的长期管理中注满水银并颠倒在水银槽里即可创造，大气与真空之间的压力差，不妨顶起760毫米水银柱。而真空本领运用的第一个案例，则是1654年的马德堡半球试验：将两个半球合变成直径119厘米的球体，并用真空泵偷空里面气体，之后在两侧各用8匹马都没辙拉开。

马德堡半球试验

不妨说，这两个驰名的试验都运用了大气与真空[1]之间有宏大压力差的道理，同声也是这种压力差不妨产盼望械作使劲的表明。后裔也居中获得了输运货色的开辟。

1799年，一位名叫乔治梅德赫斯特的英国板滞工程师和创造家，请求了一项经过收缩气氛获得能源的风机泵专利。次年，他又请求了运用收缩气氛启动公共汽车的“风驱”发效果专利，与此同声，他提出风驱公共汽车效劳安置，并倡导行家车道路上树立泵站为其连接弥补能源，不妨领会为一致于电动公共汽车和充气桩之间的联系。

大气铁路

大气铁路

鉴于此前的设想，梅德赫斯特于1口口网810年提出真空邮递线的构想，并觉得这种运用气压差在弹道中传递函件和货色的本领，比邮差挨家挨户输送要越发赶快、高效。进一步地，他发端设想用范围更大的弹道输送列车的大概性。

1812年，他初次公布了一篇对于大气铁路的表面计划作品，论据了在铁轨上方架设直径数米的弹道，经过气压差来赶快输送货色和搭客的可行性、功效和上风。其余，他还设想了另一种大气铁路的情势，即在铁轨下方敷设一根长期管理，弹道内有器件与列车贯串，器件在气压差的启动下疏通，进而启发列车前进，列车的能源源不是车上，而是车体下方的弹道。

在他牺牲前不久的1827年9月，出书了文章《新式本地输送体例》，对气动促成敬仰备至，觉得这种办法纵然没有马匹或其余众生供给能源，也能到达96公里的时速。

大气铁路运用气压使车体沿轨迹进步，而非用车上动作能源。

但是，因为如许那么的因为，大气铁路并没有胜利实行，这一构想也就渐渐被漠然置之。直到2018年，一位89岁的美利坚合众国工程师马克斯施力格把它形成实际：他在自家的葡萄园里架设了一条轨迹，铁轨之间有一根直径30厘米的聚氯乙烯管，弹道外连一台泵，用以抽出管中的气氛或将气氛注入管中。

马克斯施力格的大气铁路

在气压差的效率下，弹道内的“推力车”便启发与之经过磁石贯串的列车行驶起来。这套惟有规范铁路体例六分之一巨细的模子运转截止表白，它不妨简单克复保守列车没辙胜过的笔陡坡度，并且运转乐音更小，不须要高架输电缆路，泵也能用可复活动力启动。

马克思施力格用大气铁路的模子举行演练：在弹道一端向内吹气，列车模子就会在气压激动下前进。

2、从旧表面到科学幻想到新表面在梅德赫斯特牺牲后的一个多世纪里，真空弹道输送的表面接洽渐渐走向深刻和完备。并且，此种输送办法在方才兴盛的科学幻想文艺中也大放异彩。那些大作中的构想看似超前，但其口口网实从功夫线上看，要滞后于科学家的表面接洽，都有各自的表面原形。

1888年，儒勒凡尔纳的儿子米歇尔凡尔纳受大气铁路的开辟，公布了超短篇演义《将来慢车》。演义中构想了一种敷设在大欧美海底的钢铁弹道，长度胜过4800公里，直径约1.5米，分量胜过1300万吨，将欧洲和北美贯穿起来。弹道被三层铁网包袱，表面面涂满树脂，以使其免受海水震动的侵吞。

在宏大的气旋吹动下，弹道内列车的时速高达1800公里，从波士顿动身，两钟点四格外钟内就能达到利物浦。这种体例的便宜不言而喻：弹道的内外表过程精致抛光，有控制搭客重要担心情结的效率；按照时节的各别，气旋不妨安排、平衡弹道内的温度；抛开重力和耗费等题目，该体例的创造和经营用度便宜，以是票价也难以相信地低。

艺术家A. J. Johnson为《将来慢车》绘的插图

然而，大气铁路需克复气氛阻碍，以及轮子与铁轨间的冲突力，表面速率藻井较低。其余，即使车辆不妨到达很高的速率，其时的气动噪声和缓动振荡也会变得很大，能量耗费也随之大幅普及。所以，跟着科学的兴盛，表面接洽渐渐朝着解脱冲突力和气氛阻碍的目标进步。

1904年，新颖运载火箭本领之父罗伯特H.戈达德提出vactrain的构想，这是首个新颖意旨上的真空弹道输送体例。当时，他仍旧美利坚合众国伍斯特理工科学院的大学一年级鼎盛。他构想列车在维持真空状况的弹道中滑行，为了经过非磁性本领使列车加快、放慢，以及提防冲突，须要在对立可挪动元件，比方轮子与车轨之间强加流体压力，本领是用喷嘴喷出高压高温液体，液体被喷出后连忙就会形成高压蒸汽，进而使车体悬浮于轨迹上。

本质上，列车不妨看成是在一层高压液膜下行驶。1906年，戈达德在短篇演义《高速往复》中完备了这一构想。三年后，《科学美利坚合众国人》以《赶快交通的极限》为题公布了该大作的概括。

戈达德vactrain专利中的表示图

戈达德的构想不妨说是大气铁路向超等高速铁路的过度。与大气铁路比拟，vactrain的弹道居于真空状况，列车不复运用气压差供给能源，而且初次商量到贬低气氛阻碍，根绝列车与轨迹间爆发冲突。与超等高速铁路比拟，vactrain的情势仍旧与之特殊逼近，只然而在使列车悬浮和前进的本领上面，绝大普遍超等高速铁路计划均沿用磁浮本领，vactrain运用的是高压气体。

1955年，波兰科学幻想巨匠斯坦尼斯拉夫莱姆出书了《麦哲伦星团》。这部演义以32世纪的共产主义乌托邦为后台，生人仍旧实行所有银河系的殖民，正在试验星际游览。在演义中，莱姆刻画了一种名为“Organowi口口网ec”的洲际真空驶列车车，这种列车在通明的真空弹道中不妨以胜过1666公里的时速行驶。这明显遭到了vactrain的感化。

《雇用兵》封皮

1962年，美利坚合众国科学幻想作者麦克雷诺兹公布在《类比》上的短篇《雇用兵》，更是将真空弹道输送提到至关要害的场所。

在演义中，宁静仍旧实行，为提防展示寰球消逝的大概，当局规则战役仅能运用20世纪往日安排的兵戈，而且，一切的战役城市举行电视转播以文娱群众。各大公司运用雇用兵队伍处置贸易纠葛。在输送行业，陆地气垫船公司居于把持位置。而新近兴盛的真空弹道输送公司则能大幅贬低输送本钱，并给耗费者带来更好的效劳，进而冲破把持，但开始，它不得不与前者举行搏斗。

固然，不只是兵戈，就连演义中的交通东西也都是20世纪之前就生存的构想。气垫船的观念最早不妨追究到1716年，瑞典科学家伊曼纽尔斯维登伯格在接洽交通东西外表效力时提到的“悬浮”一词。到了19世纪初，有人看法到将收缩气氛打入船底，不妨缩小飞翔阻碍，普及航行速度。真空弹道输送的观念不妨追究到1810年梅德赫斯特的真空邮递线设想。所以，不管是演义中，仍旧在如实的汗青上，真空弹道输送简直都比气垫船革新少许。

即使说往日的接洽重要限于表面计划上面，那么到20世纪70岁月，真空弹道输送的拥趸罗伯特M.萨尔特则发端商量本质的经营题目。当时，他构想了一种坐落地下数百米的坚忍岩层中的真空弹道体例“Planetran”，贯串美利坚合众国东北部的各多数市，并在8个州创造9座车站。

其时，阿曼新主线仍旧经营了近10年，磁浮列车的接洽也正在寰球列国热火朝天地发展，但本领毕竟不甚老练。以是，他并未将磁浮本领运用于本人的构想，而是倡导运用钢铁轮带。列车运用电磁力加快，放慢则依附挤压火线淡薄的气氛，以及相邻弹道内列车的加快来实行。它不妨看做大气铁路与vactrain的融洽本子。

该体例最犯得着赞美的，当属其可惊的节约能源本领。动作“高能量守恒体例”，列车在放慢时，会将大局部能量归来体例，以供相邻弹道内的车辆加快时运用。其余，普遍列车行驶进程中，气氛阻碍所占总阻碍的比率胜过70%，而真空弹道内腔的气氛阻碍则会极地面贬低，能源消耗天然随之贬低，使得每位搭客耗费的动力本钱还不及1美元，并且整段路途的平衡时速能到达4800公里，从美利坚合众国东海岸到西海岸只需21秒钟。

萨尔特觉得，这套体例将无助于于缩小铁鸟和大地交通东西对大气形成的妨害，有宏大的情况和财经效率。所以，他称Planetran是美利坚合众国“符合论理的下一步安置”。但是其建形成本估计高达1万亿美元，以是该安置并未被当局接收。

3、超等高速铁路当令而生跟着磁浮本领连接博得冲破性功效，真空弹道列车的倡议者们也认识到，这大概是其是否胜利的要害成分之一。1991年11月，杰拉德K.奥尼尔提交了一项专利请求，提出“磁遨游”的构想：坐落弹道内的列车是在单轨下行驶，而非保守的两条铁轨。在轨迹上衣有永磁体，安装可变磁体的列车在电磁力的效率下悬浮于轨迹上。他阴谋，即使将气氛从弹道内抽出，那么列车的时速就能到达4000公里。

功夫加入21世纪，赢得真空的本领仍旧老练，高速磁浮列车也先后在华夏上海、阿曼山梨等地加入运用。看上去，超等高速铁路万事俱备了。2013年，有感于北加州高速铁路工程慢慢，特斯拉及SpaceX公司创办人埃隆马斯克颁布了长达57页的白皮书，提出在洛杉矶与旧金山之间建筑560公里超等高速铁路（hyperloop）的办法。

在这套体例中，输送舱在真空弹道内以1220公里的时速运转，使舱体悬浮的能量来自太阳能或其余可复活动力。风趣的是，马斯克构想的是一致于戈达德提出的气动悬浮办法。不妨看出，超等高速铁路简直实足脱胎于往日科学家的表面设想。

尔后，又有多家公司和科学研究组织接踵加入超等高速铁路的研制营垒傍边，个中就囊括华夏航天科工、西南交通大学牵哄动力国度中心试验室、北京交通大学、西京学院等海内组织。然而，它们均沿用磁浮的办法。在大师最关怀的最高时速上，有的组织也给出了6500公里的数据。至于是否到达，此刻尚属未知。

固然，超等高速铁路看似特殊逼近生人暂时的高科技程度，但本质上仍有很多要害题目有待于接洽处置——

超高速运转前提下的车轨效率：高速列车车轨的效率机理是车辆体例能源学的中心，但暂时高温超导磁浮车的试验接洽，重要会合在准静态或低速范畴，试验数据难以维持更高速率（胜过600公里/钟点）下磁浮车悬浮与导向宁静性的接洽。

气氛能源学题目：真空弹道内淡薄气氛爆发的气动阻碍，是列车运转的重要阻碍。对于此种工业气压高速气旋，现有的仿真很难精确模仿。

弹道真实密封与高效抽真空题目：一上面，维持直径数米、长度上百公里的弹道内长功夫的真空度[2]，对弹道的构造和密封性诉求极高。另一上面，赶快抽除如许大空间内的气氛，而且精准保护个中的真空度，对真空摆设也提出更高挑拨。

散热题目：在低气压情况下，大地上起要害效率的对传播热办法简直不起效率，传导和辐射将变成重要散热办法。接洽低气压下列车外表的升压个性以及电气摆设的散热机理，保护体例内的热平稳，是阻挡忽略的课题。

封锁弹道内的通讯与救济题目：开始，真空情况下的无线电旗号传递尚待接洽。其次，弹道内为真空状况，且密封功效好，不易被外界妨害，即使展示爆发事变，怎样赶快救济，也是一个犯得着推敲和亟待处置的题目。

恰是由于之上及更多未被说起的题目，超等高速铁路还中断在模子考查阶段，远未到达载人尝试的局面。幸亏表面上实足可行，再加上全寰球攻关的科学家较之往日也更多，以是变成实际仍旧有蓄意的。

4、飞向天外犯得着一提的是，在接洽真空弹道列车的进程中，科学家们也曾憧憬用这种本领加快遨游器的大概。由于保守运载火箭即使增大载荷，就要将体积造得更大，也要地进更多的化学促成剂。而真空弹道输送不只速率快，还俭朴动力，假如用来加快遨游器，那么遨游器的体积就不妨更小，或是载荷得以普及。

2001年，六十岁月超导磁浮（新颖磁浮列车的普通本领）的创造者之一、美利坚合众国布鲁克海文国度试验室接洽员詹姆斯鲍威尔，提出了狼子野心的星际列车（StarTram）安置，即磁浮天外放射体例。

望文生义，该体例需将磁浮天外船置入一条伸向天际的委曲的真空弹道内。第一代体例的弹道长度130公里，出口莫大3~7公里。最好场所是智利的安第斯山脉或新墨西哥州南部的白沙导弹练兵场。加快后，天外船能以14300~31500公里的时速冲出弹道，逃出地球大气层。这仍旧特殊逼近第二世界速率。

星际列车每隔1钟点放射一次，历次放射可带领胜过70吨重的货色。从每公斤放射成从来说，该体例仅需20~50美元。要领会，就连SpaceX也只敢说从从来的4600~20000美元降至1400美元。从树立用度上去说，第一代体例须要200~400亿美元，远低于航天铁鸟30年周期中花掉的1960亿美元，与美利坚合众国2018年的6430亿美元军费开销比拟更是微乎其微。

接洽共青团和少先队筹备，第一代星际列车重要输送卫星等货色，将于新世纪二十岁月实行。第二代体例弹道的长度为1000~1500公里，出口莫大22公里，年年输送第一百货商店万名天外乘客，每份船票只需5000美元，安置于新世纪三十岁月创造实行。

固然，星际列车不只要面对超等高速铁路既有的题目，还减少了很多难度超大的工程困难，比方，弹道的架设、遨游器在弹道中的悬浮遏制，之类。然而，星际列车甫一提出，就获得了桑迪亚国度试验室在可行性上面的考证，暂时也有关系的表面接洽和模子考查。即使星际列车不妨成真，它大概能将生人带入一个崭新的航天期间。

[1]生人的本领本领没辙赢得一致真空。学术界设置的真空是一个对立状况，比大气压低即可称为真空，涵盖了从一个大气压（约105Pa）到虚无的一致真空（0Pa）之间的宽大范畴。

[2] 对气体淡薄水平的衡量。