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超级高铁技术

2015-8-26 23:10| 发布者: 站长| 查看: 44| 评论: 0

摘要: 马斯克提出超级高铁之后,这一概念获得了全世界的关注,近几年开始飞速发展。目前有多家公司参与研究开发,且都已经开始进行测试轨道的搭建工作,最快在2016年左右就有全尺寸的测试轨道搭建完成。

      自从马斯克提出超级高铁之后,这一概念获得了全世界的关注,近几年开始飞速发展。目前有多家公司参与研究开发,且都已经开始进行测试轨道的搭建工作,最快在2016年左右就有全尺寸的测试轨道搭建完成。Hyperloop超级高铁是马斯克在2013年提出的“第五种交通方式”。它有望成为比飞机、火车、汽车和轮船更快、更廉价、更节能的交通方式。按照设想,超级高铁的速度能秒杀飞机,对各种复杂天气免疫,可以在地面、地下甚至海底行进,它还能够借助太阳能自己补充能量。


      一旦技术可行,造价将非常低廉,可以说集合了目前所有交通方式的优点。若真实现,可以说是人类交通史上的一大里程碑。那么问题是,它是如何实现的?超级高铁的技术原理,超级高铁的技术原理解释起来并不难懂,其核心是将列车舱体置于一段几近真空的管道之中,并通过磁铁来提供动力加速。因为管道中接近真空,因而空气阻力——高速列车加速的最大障碍——将不复存在,进而借助空气压缩机提供升力、磁铁提供推力的超级高铁列车理论上能接近音速(1200+km/h)。


      超级高铁的速度远超当下最快的磁悬浮列车,后者的速度极限仅为500km/h左右。因为磁悬浮列车的磁铁动力除了需要提供推力还要提供升力,而超级高铁列车的磁铁动力全部用于推进,加上接近零的空气阻力,使得超级高铁的速度是磁悬浮两倍有余。百家争鸣的竞争局面,超级高铁这种极具想象力的项目在提出后,并不是由马斯克及其旗下的Space X一家主导,而是有多家公司都在参与研究,彼此之间呈现着竞争的关系。各家的具体研究方向和进度也不完全一样,目前大致都已处于开始铺设测试轨道的阶段。

      自从2013年提出超级高铁的概念之后,马斯克就一直没闲着。近日Space X对外宣布,已经开始建造一条Hyperloop的测试轨道,这条将近2公里长的测试轨道坐落于加利福尼亚霍桑市外——Space X的总部附近,用以对Hyperloop的各项前沿技术进行测试。除此之外,Space X还举办了一项Hyperloop设计竞赛,面向所有人开放,鼓励高校大学生和独立工程团队参加。由于这还是一个崭新的工程领域,发起竞赛有助于推动解决超级高铁各方面的技术难题。受到马斯克的号召,不少公司都开始了超级高铁的研发工程,其中最突出的一家是Hyperloop Transportation Technologies(HTT)公司,他们正在搭建的轨道最快明年就可以投入测试。


     这条轨道长达8公里,位于加利福尼亚地区的Quay山谷地区。轨道一旦搭建成功,将成为第一个全尺寸的Hyperloop模型,能够对这项交通方式的系统和所有技术进行全局的测试和考量。然而由于轨道长度还比较有限,毕竟只有8公里长,HTT到时候进行测试的超级高铁列车最高只能以320km/h的速度进行测试。不过HTT的首席执行官Dirk Ahlborn指出:“测试的速度其实并不是最重要的,更重要的是这套系统方方面面的细节能够得以弄清。这家通过Jump Start Fund众筹组建的公司吸引了上百名来自波音、思科以及Space X的专业工程师投入研究。比较新颖的是,这些人才都散落在美国各地,通过兼职的方式为HTT做贡献,每个人只要每个星期为HTT工作至少十个小时,就可以获得该公司的股票期权,团队成员通过每周一次的电话会议以及Google Docs进行沟通联系。


     除了HTT以外,还有另外一家公司Hyperloop Tech也在进行着相关的研究,这两家公司名字极其相似,很容易让人混淆,但是两者的研究重点十分不同。与HTT着重于人员运输不一样,Hyperloop Tech专注于货物的运输,它正计划在洛杉矶和拉斯维加斯之间搭建一条货物运输轨道。Hyperloop Tech的人才储备堪称”梦之队“,团队里有来自硅谷和华盛顿的大量高级人才,这个团队此前十分低调,但如今他们却握有850万美元的投资基金,还计划在今年后半年启动新一轮8000万美元融资。这850万美元将用于承担初期工程和设计费用,而预计将融得8000万美元将用来建造并运行试验轨道。目前看来针对超级高铁的研究,多家公司正处于一种类似”太空竞赛“一般的竞争关系中,且这个竞争团体随时可能有新成员的加入,也显示出这一可能改变世界的交通技术的重要性。

      虽然目前看来形势一片大好,实际上并没有这么容易。超级高铁所凭借的技术现在基本都还处于理论想象的阶段,存在很多有待攻关的难题。虽然上文所述的几家公司都已经开始搭建测试轨道,但实际能否成功还有待观察。超级高铁还存在一系列的技术难题。一方面真空管道必须很直,不容出现任何误差。退休物理学家、超导磁悬浮概念的联合提出者詹姆士·鲍威尔说:轨道的误差必须非常小,因为如果墙壁的位置差之毫厘,都可能导致灾难。另一方面,这么长的管道要维持低压甚至接近真空的状态是极其困难的,列车前段的空气压缩机也不能出一点儿问题,否则乘客舱就会撞到管壁上。


      鲍威尔说:“整套系统非常脆弱,哪怕一个点失败,都有可能引发灾难。举例来说,有人可能在管壁上穿个孔,或地震导致管道稍微移位,这都可能导致乘客舱崩溃。与之相比,在超导磁悬浮中,磁铁非常稳定,运行也可靠,它不需要持续控制以确保悬浮。此外,针对超级高铁的成本计算也引发了不少质疑,HTT正在搭建的8公里长测试轨道估计需要耗资1亿美元,按照这一标准计算,从洛杉矶到旧金山644公里长的轨道则仅需80亿美元,远低于现在加州欲建设的高铁项目的676亿美元的成本。然而理论上看似容易,现实则是骨感的,超级高铁实际上不可能如此便宜。一方面”8公里1亿美元“只是最初期的测试轨道的铺设花费,和最终测试完全、解决所有技术难题后的轨道不是一回事儿。


     另一方面,研发成本并没有计算在内,而对于这项极为前沿科技的项目,其研发成本毫无疑问是巨大的,为解决技术难题而投入的人力、物力、财力等目前都难以估量。可以肯定的是,Hyperloop超级高铁目前还仅仅处于起步阶段,它其中所包含的技术难题远超我们的想象,可能需要集结全世界最顶尖的工程师和学者一同协作才有可能完成,是一项任重道远的大工程。不过一旦研发成功,制造出可以投入使用的产品,其影响必然是改变世界的。想象一下,未来也许人们能够在两三个小时内就能环游世界,那将是多么美好!

      2年前,马斯克提出超级高铁的概念,他认为超级高铁可以1200公里的超高时速远距离运送乘客。美国伊利诺伊大学一个学生团队按照1:24的比例建成了超级高铁的仿真模型。在这个模型中,高铁运行速度为每秒3米,放大到实际尺寸其时速可达260公里。伊利诺伊大学团队建造的列车模型直径为6厘米,可高速穿过金属管道。由于尺寸太小,这种模型与马斯克的原始设计有很大不同。马斯克认为超级高铁列车可在空气管道中飘浮,并通过管道内的电磁电机推动。领导此项工程的毕业生安德鲁·豪尔顿说:我们不得不对模型进行简化。比如,我们使用滚动轴承代替空气轴承。对于我们的模型来说,在一个学期内植入复杂系统似乎是不可能的。我们认为将来会有后继者继续我们的工作,并大力推动它取得进展。


     伊利诺伊大学学生建造的超级高铁模型使用电磁电机推动模拟列车以每秒3米的最高速度穿过管道。如果将模型扩至实际大小,意味着其最高时速可达到260公里,但依然比理论上的1200公里时速慢很多。造成模型列车大幅减速的主要原因是其使用了滚动轴承,以致产生的摩擦阻力加大。此外,模型设计采用了椭圆形状,如果采用直线方式,速度可能会加快。尽管与马斯克的原始创意存在差异,但超级高铁模型的建成预示着,这个激进概念将来有成为现实的可能。马斯科宣称,洛杉矶到旧金山相距610公里,超级高铁只需30分钟即可到达,所用时间仅是飞机的一半。6月初,马斯克的私人太空公司SpaceX宣布,计划在洛杉矶郊区总部附近建造1.6公里长的超级高铁测试铁轨。


     为了推进这一计划,SpaceX宣布将在明年举行竞赛,对搭载乘客的超级高铁列车进行测试。这也是马斯克的公司首次直接参与超级高铁项目中,尽管已经有多家私人公司开始探究其可行性。竞赛的目的旨在吸引独立和大学工程团队,设计和测试半模型超级高铁列车。递交参赛申请的最后期限为9月15日,竞赛可能于明年6月份举行。SpaceX表示:“我们不仅对开发超级高铁的商业应用感兴趣,也愿意帮助加速超级高铁原型的开发。”目前有关SpaceX竞赛的奖项还未确定,但据说竞赛全部规则和其他细节将于8月份公布。


    明年1月份,参赛者将至德克萨斯农机大学的设计周上见面。这些原型设计将首先由来自SpaceX、特斯拉电动汽车公司以及大学教授组成的评审团测评。SpaceX还称,他们可能建造自己的超级高铁列车进行展示,但是其团队没有赢得比赛的资格。该公司将有权决定谁最终可以使用其测试铁轨,铁轨建造的成本造价还不清楚。马斯克此前曾暗示,建造真正的超级高铁体系可能需要耗资60亿美元,尽管其他人表示这一数字可能更高。5月份,名为Suprastudio的机构公布了超级高铁系统,暗示其技术甚至可以复制大城市的地铁。该公司还公布了白皮书,提供了有关超级高铁线路、车站设计、列车设计以及宣传战略等。


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