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中国版飞行列车驶向未来

乘坐磁悬浮列车的乘客,在几乎真空的管道里,以超过1000公里/小时的速度前进,原来以小时计算的行程全部变成以分钟衡量——乘坐“高速飞行列车”从北京到武汉将由5个多小时缩短至大约30分钟,北京到上海、西安也是如此。

这看起来像是科幻小说里的情节,但人类对速度的追求从未停止。

近日,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对“高速飞行列车”进行了研究论证,希望尝试研发时速1000公里以上,最高时速可达4000公里的“超级高铁”。

前景令人振奋,但要想把理想变为现实,真正实现超音速“近地飞行”还有很多关键技术尚未攻克。

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(Space X)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200412月就曾召开有8名院士参与、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,西南交通大学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。728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97日最新消息,美国HTT公司与印度安得拉邦经济开发组签署了备忘录协议,将在印度开发他们的超级高铁运输系统。

无论是埃隆·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,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十分昂贵。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来说,该线路长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,前者是后者的5倍多。

不过,即使超级高铁成本一点都不“平民”,也没有挡住包括Space XHTTHyperloop One等在内的大企业探索的脚步。

截至目前,在全球范围内,高速轮轨列车创造了两项世界速度纪录,一是20073月,法国不载人的高铁列车创下了574.8公里/小时的世界纪录,至今尚未被打破;二是201012月,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高速轮轨列车,比如最近的世界最高速度纪录是2015421日由日本“L0系”超导磁悬浮列车创造的,高达603公里/小时。

技术难题待破解

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。

在非真空的环境下,日本的超高速磁悬浮列车的速度已经突破了600公里/小时,所以不难理解,当采用真空管道时,空气阻力不再是主要障碍,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,当高速飞行列车从零加速到4000公里/小时时,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,乘坐如此高速的列车,对乘客体验而言是个巨大考验。

对此,中国航天科工集团三院三部“高速飞行列车”项目技术负责人毛凯解释,高速飞行列车加速时,是按照人体能承受的加速度慢慢加,到一定的速度之后,就开始巡航,减速时也是按照人体能承受的范围慢慢减。“火车加速你有感觉吗?因为它加速度小,所以你没有感觉。飞机起飞加速你有感觉吧?因为它加速度大,所以你有感觉,但是飞机在飞的时候你没有感觉吧。”毛凯说,人体承受的压力不取决于速度,而是取决于加速的过程。列车内部还有温湿度控制、供氧等必要设备,会让乘客有良好的体验。

另外,我国幅员辽阔,地形复杂,河谷山脉、平原丘陵等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,一是不具备工程可行性,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。而高速飞行列车的时速为4000公里,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,是科研人员重点要解决的问题。根据我国轨道交通标准规定,中低速磁悬浮列车每10米允许的“跑偏”误差不超过3毫米,高速磁悬浮列车的“跑偏”误差必须控制在1毫米内,对于时速1000公里以上的高速飞行列车,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悬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。在理论上可通过磁悬浮技术的“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,列车在真空管道中运行,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,即使高速飞行列车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。

“在真空技术上,中国通过载人航天工程等已有一定的积累,但这么长的真空管道还没有人做过,在制造工艺、技术上存在挑战。”毛凯说,由于技术难度高,“高速飞行列车”项目研发将会是开放式的,此次中国航天科工集团已联合国内外20多家科研机构,成立了国内首个国际性高速飞行列车产业联盟。目前,团队已拥有相关领域的200多项专利。

何时成真仍未可知

目前还处于研究论证阶段的中国“高速飞行列车”项目将按照三步走战略逐步实现。“第一步通过1000公里/小时运输能力建设区域性城际飞行列车交通网,第二步通过2000公里/小时运输能力建设国家超级城市群飞行列车交通网,第三步建设‘一带一路’飞行列车交通网。”毛凯说。

但中国的“高速飞行列车”何时能够落地,目前并无准确答案。毛凯表示:“高速飞行列车是一个庞大、复杂的系统,出于科学谨慎的态度,在目前的阶段,很难提供一个准确的时间表。”

赵勇则更乐观一些。他认为,现有的一些底层技术已经比较成熟,如果不计成本,政府、企业、科研机构能紧密合作,1000公里/小时的列车落地能够以年为周期来期待。在他看来,超级高铁何时能落地并不仅取决于技术层面,还要看是否有市场需求。

来自研发团队rLoop的莱纳德的说法看起来既务实又乐观。他说,超级高铁能在未来5年到10年成为现实已非常了不起,但在任何形式的公共使用之前,将会有大量的测试和监管问题有待解决。

Hyperloop One公司则对在中国建设超级高铁兴趣十足,其联合创始人彼鲍伯·格瑞斯塔希望能在中国建立一个研究和设计中心:“北京、上海、成都都是可能的候选城市。”

尽管高速飞行列车何时能成现实仍未可知,但人们还是很关心到时它的票价会不会很贵。对此,毛凯表示,这要看每个人的需求,“从北京到武汉用10个小时和用1个小时的票价肯定会有差异”。他说:“如果是1个小时能到,即便票价贵500元、1000元,需要的人也会觉得合算。”

彼鲍伯·格瑞斯塔对这个问题的回答则更加有趣:“它可能会有时免费,有时很贵。”据他介绍,未来从洛杉矶到旧金山的超级高铁票价大约在20美元至30美元,而如果建立了新的商业模式,例如,在行程中建立某种基于大数据分析的广告模式,就可以帮助“超级高铁”公司赚钱,从而取代向乘客收费。


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