11月8日,英國維珍公司的超級高鐵項目在美國內(nèi)華達州拉斯維加斯附近的沙漠中完成了首次載人試驗。在這次測試使用的500米長管道中,高鐵車廂在管道強磁力的作用下,僅用15秒就到達了終點,最高時速達172公里。而在更長的管道中,超級高鐵的理論時速可達1000公里。
人們對便捷出行的渴望,促使有關(guān)軌道交通時速的研究不斷推進,那么今天這種研發(fā)已經(jīng)走到哪一步了?
1 最成熟的輪軌式高鐵有其發(fā)展極限
高速交通工具最成熟的莫過于發(fā)端于日本的輪軌式高速鐵路,經(jīng)過五十多年的發(fā)展,無論技術(shù)還是實踐,都已經(jīng)成熟可靠,獲得了廣泛認可。作為后起之秀,中國已經(jīng)修建了3.9萬公里的高速鐵路,建成了世界一流的高鐵運輸網(wǎng)絡(luò)。中國高鐵最高載人試驗速度達到了481.6公里/小時,運營速度保持在時速350公里左右。
隨著列車運行速度的提高,許多在低速時被忽視的問題逐漸凸顯了出來,并且很大程度上影響著列車速度的提高。當列車提速的時候,列車車身的空氣脈動壓力波動顯著增加,氣動噪聲變得越來越明顯。當列車的運行速度達到300公里/小時的時候,列車產(chǎn)生的氣動噪聲將超過輪軌噪聲,成為高速列車的主要噪聲源。實踐證明,輪軌式高速鐵路的時速超過400公里以后,面臨的最大問題就是空氣阻力,空氣阻力可以占據(jù)整個列車總阻力的80%。同時,因為空氣阻力的存在,列車運行產(chǎn)生的氣動噪音與速度的八次方成正比,這就使得列車耗能迅速增加,在經(jīng)濟上并不合適。一般來說,輪軌式高速列車的最高運營速度不能超過400公里/小時,一旦超過,在經(jīng)濟上就很不劃算了。
人類對更高速度的渴望是永無止境的,所以研究時速超過400公里以上的交通方式,是很多國家在交通運輸領(lǐng)域所追求的目標。
2 超高速磁懸浮向超級高鐵更近一步
輪軌式的高速鐵路有它的局限性,要想突破400公里/小時的速度限制,就需要尋找更加適宜的提速方式。如今我國和日本、德國、韓國都在大力發(fā)展超高速磁懸浮技術(shù)。其中,德國高速磁浮列車最高試驗速度達到550公里/小時,并于2006年4月在我國上海建成了時速430公里的商業(yè)運營線。日本目前正在修建的中央新干線,高速磁浮列車試驗速度達到了603公里/小時,其運營速度將達505公里/小時,東京至名古屋段計劃在2027年投入運營。
在高速交通領(lǐng)域,高鐵商業(yè)運營速度為350公里/小時,飛機巡航速度為800-900公里/小時,超高速磁懸浮可以填補400-600公里/小時的速度空白。
我國對超高速磁浮技術(shù)研發(fā)非常重視,早在2016年國家就通過“先進軌道交通”重點專項,對時速600公里高速磁浮交通系統(tǒng)進行了部署,計劃攻克高速磁浮核心技術(shù),全面自主掌握高速磁浮設(shè)計、制造、調(diào)試和試驗評估方法。經(jīng)過廣大科技工作者的努力,終于在車輛、牽引、運行控制和通信等領(lǐng)域取得了重要階段性成果,在2019年5月研制成功具有自主知識產(chǎn)權(quán)的時速600公里高速磁浮列車,解決了超高速情況下車體的輕量化、強度、剛度、噪聲等系列技術(shù)難題,研發(fā)的新一代高速磁浮列車車體更輕、更強;解決了高速磁懸浮列車的氣動阻力和升力等問題,氣動性能達到國際先進水平;而高精度的懸浮導(dǎo)向、測速定位裝置和控制系統(tǒng)性能指標達到國際領(lǐng)先。
近期即將上馬、投資千億元的滬杭高速磁懸浮就是國內(nèi)首條時速600公里的高速交通系統(tǒng)。這條線開通之后,上海到杭州200公里的路程,只需要30分鐘就可到達。
然而,不可否認的是,即使高速磁懸浮列車能夠以600公里/小時運營,空氣阻力依舊是最大的攔路虎。要想速度繼續(xù)提高,就需要采用真空管道運輸。
3 多家公司致力超級高鐵設(shè)想實用化
今年11月,英國維珍公司在美國內(nèi)華達州試驗的“超級回路”(Hyperloop)項目取得了新突破,首次完成了載人實驗。維珍公司的超級回路采用低真空管道磁懸浮模式,兩名試驗人員乘坐的是代號為XP-2的第二代超級回路吊艙,吊艙跑完500米長的管道耗時15秒鐘,最高時速達到了172公里。維珍公司的“超級回路”就是美國企業(yè)大亨埃隆·馬斯克在2013年提出的所謂超級高鐵構(gòu)想,當時預(yù)計時速可達到1200公里。
雖然很多專家對這種異想天開的設(shè)想持懷疑態(tài)度,但還有很多公司努力將其實用化,維珍公司就是其中的代表。參與這次試驗的薩拉·盧奇安表示,超級高鐵加速非???,且不會讓人感覺不適。如果一切順利,維珍公司計劃在2025年獲取超級高鐵運營所需的認證,并在2030年開通第一條超級高鐵線路。線路將能在載有28人的情況下達到最高時速。
> 除了英國維珍公司之外,西班牙的Zeleros公司也籌措700萬歐元研發(fā)超級回路,并樂觀估計該項目未來會帶來數(shù)十億美元的市場機會。成立于2015年的波蘭Hyper Poland公司也致力于研發(fā)與超級回路相似的真空管道磁懸浮技術(shù),并且籌措了400萬歐元作為研發(fā)資金,他們的速度目標值是300-600公里/小時。在2019年,荷蘭的Hardt Hyperloop公司正式啟用了歐洲第一個全尺寸超級高鐵試驗設(shè)施,并致力于建設(shè)歐洲超級高鐵中心,這個中心修建一條長約3公里的測試線,用于測試速度超過700公里/小時的超級高鐵列車,未來還要打造成歐洲超級高鐵基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)標準化試驗基地。Hardt Hyperloop計劃在2022年建成超級高鐵中心,并于2023年建成10-15公里的試驗線路,在2028年實現(xiàn)超級高鐵的商業(yè)運營。
這些公司的開拓精神值得贊嘆,但是他們目前研發(fā)的超級高鐵所能達到的速度,距離預(yù)想的1200公里還相差甚遠。
4 真空管道磁懸浮研發(fā)仍需攻克很多難關(guān)
氣動噪音和空氣阻力是制約高速列車繼續(xù)提高速度的兩大控制因素,而解決空氣阻力最好的方法,就是采用低真空管道運輸。然而,低真空管道交通是一個全新的領(lǐng)域,包括系統(tǒng)散熱、生命保持、救援逃生、應(yīng)急保障等一系列的關(guān)鍵問題都需要研究解決。
如今熱門研究的真空管道運輸系統(tǒng)都是采用“真空+磁懸浮”技術(shù),而“真空+氣墊技術(shù)”因為安全性太低,并沒有成為研發(fā)的主流。目前真空管道磁懸浮技術(shù)主要集中在真空管道的設(shè)計和制造、管道結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)化方法、施工方法方面。美國的初創(chuàng)公司和中國的西南交通大學(xué)開展了大量基礎(chǔ)研究工作,積累了較多的技術(shù)儲備。但是,真空管道磁懸浮技術(shù)研發(fā)有很多難關(guān)亟待解決,主要包括:
因為超級列車在低真空環(huán)境下超高速運行,具有傳統(tǒng)航天領(lǐng)域飛行器和高速鐵路的部分特點,需要在車體系統(tǒng)、磁懸浮、直線電機驅(qū)動、牽引供電和制動技術(shù)等領(lǐng)域開展深入研究。
超高速列車系統(tǒng)控制復(fù)雜,可靠性要求高,列車運行在狹小的密閉管道空間中,使得通信系統(tǒng)信號衰落嚴重,這就需要研發(fā)可靠不間斷的通信技術(shù),以滿足列車的安全運行需求。
低真空管道交通運行速度極高,低真空管道在長距離運營過程中可能遭受地震、泥石流或自身系統(tǒng)出現(xiàn)火災(zāi)、漏氣、滲水等災(zāi)害。因此,超高速低真空管道磁浮交通的安全問題尤為重要,這就要研究列車的防脫軌/碰撞技術(shù)、管道自動分段封閉技術(shù)、應(yīng)急救援和逃生技術(shù)、自然災(zāi)害預(yù)警與安全運行控制技術(shù)、管道系統(tǒng)和列車運行安全監(jiān)測、評估和預(yù)測控制技術(shù)等。
真空管道懸浮交通為密閉環(huán)境,受暴風、風雪等惡劣天氣影響較小,車內(nèi)和外界噪音小及占地減少,可與城市地鐵接駁。在全國乃至全球主要區(qū)域中心之間通過低真空管道運行時速1000公里以上的磁懸浮列車,可以實現(xiàn)人員和貨物的即時到達,將極大地便利各區(qū)域之間的物質(zhì)交流,極大地改善信息時代信息傳播速度與物質(zhì)傳播速度極不匹配的現(xiàn)狀,引發(fā)交通運輸方式變革。
在衍生應(yīng)用領(lǐng)域,超高速低真空管道磁懸浮技術(shù)還可以為衛(wèi)星、火箭發(fā)射提供一種富有競爭優(yōu)勢的技術(shù)選擇,通過真空管道磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)為運載器單級入軌提供一種可實施的方案,發(fā)射裝置可以重復(fù)利用,從而可大大降低發(fā)射成本。
總體來說,超級高鐵距離工程化應(yīng)用更近了一步,讓我們拭目以待,期待又一次交通革命的到來。