管道里“飞车”,二百年“博弈”

作者:肖溪树来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-05-03

“超级高铁”的魅力在于高速度,而高速度得益于“真空管道”的低阻力。

近年来,“超级高铁”已成为一个网络热词。超级高铁作为一种面向未来的新型交通技术,不失为提高地面交通速度的一个重要途径。

以前只是出现在科幻小说中的管道里“飞车”,如今正在一步步地逼近现实。那么,让我们一起走进真空管道的世界,去了解“超级高铁”的前世今生!

怎么,难道“超级高铁”要在“真空”管道里奔驰吗?回答是肯定的!原来,“超级高铁”的速度跃进是以拒绝空气为代价的。那么,“超级高铁”为什么要拒绝空气呢?

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)269

超级高铁示意图(网络图)

空气阻力——速度解放的“拦路虎”

轨道列车在运行时受到的阻力,主要包括车轮与轨道之间的摩擦阻力以及列车受到的空气阻力。高速运行的轨道列车,空气阻力是速度提升的“拦路虎”。

原来,由空气构成的稠密大气层,是产生空气阻力的物质基础。交通工具在地面上的运行速度越快,其受到的空气阻力就越大。并且,空气阻力的大小与速度的平方成正比。这说明空气阻力是影响交通工具速度的最重要因素之一。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)474

高速运行的列车(网络图)

据悉,当列车以时速200公里的速度行驶时,空气阻力占到总阻力的70%左右;当列车以时速500公里以上的速度行驶时,气动阻力则占到总阻力的95%以上。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)565

1974年,真空管道运输概念图(网络图)

有研究认为,在地表稠密大气层中运行的高速交通工具,其最高经济速度不超过400公里/小时。比如,当磁悬浮列车时速达到400公里以上时,其抵消空气阻力消耗的牵引力大约超过了83%。

速度革命——管道里的二百年

纵观人类的交通发展历史,速度革命始终是交通发展的主旋律。当交通速度达到一定水平时,突破空气阻力这个“拦路虎”就会变得十分困难。为此,人类在二百多年以前就提出了管道交通的概念,并为之进行了坚持不懈的探索。

早在1799年,英国工程师乔治·梅德赫斯特(George Medhurst, 1759年-1827年)就萌生了利用管道运输货物的想法。1812年,他详细阐述了利用空气推力在管道中运输乘客和货物的构想。他率先提出的使用压缩空气作为推进装置的想法,直接导致了第一个气动铁路的发展。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)935

美国发明家艾尔弗瑞德·依莱·比奇(网络图)

到了十九世纪后期,美国发明家艾尔弗瑞德·依莱·比奇(Alfred Ely Beach,1826年–1896年)提出了真空管道与压缩空气相结合的新思路,并致力于纽约地铁气动运输系统的建设。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)1054

比奇气动地铁的设计原理(网络图)

比奇设计的气动地铁于1870年2月26日投入运行,这是美国的第一条地铁。比奇用自己发明的开挖机械秘密地建成了一条长95米、直径2.4米的地铁隧道,其内运行的车辆长8英尺,座位20个。   

比奇所处的时代没有燃烧汽油的内燃机,也没有用电力驱动的马达,因此他设计的地铁采用的气动传输。该气动地铁用真空风机产生的气动压力作为动力,来推动车辆在隧道中前进。

由印第安纳州康纳斯维尔的罗茨基公司制造的巨大鼓风机,需要用100马力的蒸汽机来驱动。每分钟最高可向隧道内输送10万立方英尺的空气,完全可以推动车辆前进到终点站。但当鼓风机气流反向工作时,则会在隧道内产生一定的真空度(负压),这样一来大气压力就会把车辆推回到起始点。

该示范地铁项目运行了大约三年的时间,最后由于政客的反对以及经济的衰退而退出了历史舞台。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)1427

1867年,比奇实验气动地铁系统(网络图)

1904年,美国学者罗伯特•戴维就提出了“真空管道运输”的设想,但却没有为“真空管道运输”申请专利。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)1502

现代火箭技术之父——罗伯特•戈达德(网络图)

美国火箭先驱罗伯特•戈达德(Robert Hutchings Goddard ,1882年–1945年)是美国最早的火箭发动机发明家。1910年,他提出了一种“真空管道超级铁路”构想。这种超级铁路在真空密封的隧道内运行,从波士顿到纽约大约只需12分钟。不过这只是一个设想,并没有付诸实施。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)1672

奥斯特设计的真空管道运输系统(网络图)

到了20世纪90年代初,美国的机械工程师达里尔•奥斯特(Daryl Oster)对真空管道运输进行了深入的研究,从而提出了打造真空管道运输系统的构想。1999年,奥斯特获得了真空管道运输的专利。2010年,奥斯特就真空管道运输成立了专门的公司。

奥斯特在专利申请书中最早使用了“真空管道运输”的名称,英文为Evacuated Tube Tran spo rtation, 缩写为ETT 。他还设计了一个6人的太空舱,它穿过直径1.5米的真空管道。每小时速度可达到6500公里,6小时就可环游世界,而成本只有高速公路的1/4,高速铁路的1/10。奥斯特更喜欢把他的构想称为“地球上的太空旅行”,但他的构想一直未能变成现实。

超级高铁——“钢铁侠”的科技狂想

素有“硅谷钢铁侠”之称的埃隆•马斯克,是一个涉足航天和汽车、能源三大领域的科技狂人。马斯克对“真空管道运输”的概念极为推崇,并进行了发展和丰富。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)2098

特斯拉之父——埃隆•马斯克(网络图)

2013年,埃隆•马斯克提出了“超级高铁”的概念。马斯克设想的“超级高铁”,是一种以“真空管道运输”为理论核心设计的新型交通工具。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)2186

马斯克设想的“超级高铁”草图(网络图)

马斯克设想的“超级高铁”主要由双向管道和“运输舱”组成,预期的速度为每小时1120公里,比飞机的速度还要快许多。“运输舱”穿梭于全封闭的真空系统之中,可以使用太阳能作为驱动力。

真空管道运输线路是由两根管道组成的,管道内径1.5~2.0米,并抽成了一定的真空。管道运输线路每30米设置一个桥塔作为支撑,并每隔一定距离设置一个真空泵站以及车站。

“超级高铁”作为下一代高速运载工具,希望能从根本上减少或消除空气阻力。采用铺设真空管道的办法,则可以解决一系列空气动力学方面的问题,因此可在维持高速的同时保证列车的舒适性和能耗的经济性。

拒绝空气——异想天开的“胶囊列车”

说起“超级高铁”的“运输舱”,它还有一个十分萌的名字——“胶囊列车”。原来,马斯克眼中的“运输舱”更像是一个特制的“胶囊”,因此才有了“胶囊列车”的称谓。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)2714

超级高铁的运输舱——胶囊列车(网络图)

据悉,“胶囊列车”为铝质材料制成的,长约4.87米、高约1.5米,可以设置4~6个座椅,重约183公斤。“胶囊列车”作为一种先进的交通工具,其特殊性就在于运行在真空管道之中。

“胶囊列车”在封闭的真空管道中运行,几乎不存在与空气的摩擦力。并且利用悬浮式推进系统,因此也不存在列车与轨道的接触。这样一来,“胶囊列车”的运行速度就可以大幅度提升了。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)2912

马斯克设想的“超级高铁”(网络图)

从理论上来说,“胶囊列车”只需要在启动阶段和减速阶段才需要消耗动力,因此耗能是非常低的。同时,在封闭的真空管道中运行,不会引起噪声污染,也不易受到攻击,也不受外界气候条件影响。

中国探索——让列车在管道里“飞”起来

“超级高铁”作为下一代高速运载工具,希望能从根本上减少或消除空气阻力。采用铺设真空管道的办法,则可以解决一系列空气动力学方面的问题,因此可在维持高速的同时保证列车的舒适性和能耗的经济性。

(发现之旅)管道里“飞车”,二百年“博弈”(修改稿)3138

西南交通大学牵引动力国家重点实验室(网络图)

(超高速磁悬浮列车环形实验线平台)

我国在十几年前就开始了对真空管道运输的研究。2000年,西南交大成功研制出了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”,证明了高温超导磁悬浮车在原理上的可行性。

2011年,中国研制开发了全球首个真空环形管道磁浮列车试验系统。2014年,我国建成了全球首个真空管道超高速磁悬浮列车环形实验线平台,研究并验证了“真空管道+高温超导磁悬浮”的可行性。

在西南交通大学牵引动力国家重点实验室,一条测试时速可达400公里的真空管道高温超导磁悬浮直道试验线正在建设。采用该项技术,列车时速甚至有望突破1000公里。

据悉,中国“高速飞行列车”项目将按照三步走战略逐步实施。第一步是通过1000公里/小时运输能力建设区域性城际飞行列车交通网,第二步是通过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,第三步是建设“一带一路”飞行列车交通网。

中国研发的“超级高铁”,理论时速可达1000公里。人们乘坐“超级高铁”,以超过1000千米/小时的速度穿梭在几乎真空的管道里,那样的超级体验也许只有经历了才能知道。不过,有一点是清楚的,那就是原来以小时计算的行程将会变成以分钟来计算了。

前景美好——商业化运营还尚待时日

“超级高铁”作为一种先进的运输方式, 具有极其美好的发展前景。然而,“超级高铁”要实现商业化运营,则还有很多问题需要解决。

尽管“超级高铁”的各项构成技术大都具有相应成熟的模式,但是“超级高铁”作为一个完整的技术系统仍然需要进行系统的研究。比如远距离真空管道建设和维护的高昂投入和高难度,磁悬浮本身的高技术和成本,还有在超高速情况下乘客的安全性等问题。

而这些问题的解决都具有相当高的难度,因此需要科学家和工程师在理论和实践的探索中逐步来加以解决。

参考文献

【1】澎湃新闻.《超级高铁公司首批全尺寸管道运抵法国,将展开真空悬浮试验》,观察者网,2018-04-13。

【2】科技日报.《时速613公里、14秒内“秒停”?马斯克的超级高铁离上路还有多远》,观察者网,2018-04-15

【3】科技日报.宦建新.《海底真空隧道列车:理论时速2000公里》,人民网,2017-04-25。

【4】第一财经周刊  许诗雨.《胶囊列车”是一个好点子?》,民航资源网,2013-09-29。

【5】光明日报  詹媛.《30分钟北京到上海?中国“超级高铁”何时梦想成真》,央广网,2017-09-11。

【6】王眉灵.《探访西南交通大学牵引动力国家重点实验室 比飞机还快的“超级高铁”有望在此诞生》,四川日报,2018-04-24。

扫码加蝌蚪五线谱微信