11月8日，英國(guó)維珍公司的超級(jí)高鐵項(xiàng)目在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯附近的沙漠中完成了首次載人試驗(yàn)。在這次測(cè)試使用的500米長(zhǎng)管道中，高鐵車廂在管道強(qiáng)磁力的作用下，僅用15秒就到達(dá)了終點(diǎn)，最高時(shí)速達(dá)172公里。而在更長(zhǎng)的管道中，超級(jí)高鐵的理論時(shí)速可達(dá)1000公里。
人們對(duì)便捷出行的渴望，促使有關(guān)軌道交通時(shí)速的研究不斷推進(jìn)，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(guò)于發(fā)端于日本的輪軌式高速鐵路，經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，無(wú)論技術(shù)還是實(shí)踐，都已經(jīng)成熟可靠，獲得了廣泛認(rèn)可。作為后起之秀，中國(guó)已經(jīng)修建了3.9萬(wàn)公里的高速鐵路，建成了世界一流的高鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)高鐵最高載人試驗(yàn)速度達(dá)到了481.6公里/小時(shí)，運(yùn)營(yíng)速度保持在時(shí)速350公里左右。
隨著列車運(yùn)行速度的提高，許多在低速時(shí)被忽視的問(wèn)題逐漸凸顯了出來(lái)，并且很大程度上影響著列車速度的提高。當(dāng)列車提速的時(shí)候，列車車身的空氣脈動(dòng)壓力波動(dòng)顯著增加，氣動(dòng)噪聲變得越來(lái)越明顯。當(dāng)列車的運(yùn)行速度達(dá)到300公里/小時(shí)的時(shí)候，列車產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲將超過(guò)輪軌噪聲，成為高速列車的主要噪聲源。實(shí)踐證明，輪軌式高速鐵路的時(shí)速超過(guò)400公里以后，面臨的最大問(wèn)題就是空氣阻力，空氣阻力可以占據(jù)整個(gè)列車總阻力的80%。同時(shí)，因?yàn)榭諝庾枇Φ拇嬖?，列車運(yùn)行產(chǎn)生的氣動(dòng)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(jì)上并不合適。一般來(lái)說(shuō)，輪軌式高速列車的最高運(yùn)營(yíng)速度不能超過(guò)400公里/小時(shí)，一旦超過(guò)，在經(jīng)濟(jì)上就很不劃算了。
人類對(duì)更高速度的渴望是永無(wú)止境的，所以研究時(shí)速超過(guò)400公里以上的交通方式，是很多國(guó)家在交通運(yùn)輸領(lǐng)域所追求的目標(biāo)。
2 超高速磁懸浮向超級(jí)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(shí)的速度限制，就需要尋找更加適宜的提速方式。如今我國(guó)和日本、德國(guó)、韓國(guó)都在大力發(fā)展超高速磁懸浮技術(shù)。其中，德國(guó)高速磁浮列車最高試驗(yàn)速度達(dá)到550公里/小時(shí)，并于2006年4月在我國(guó)上海建成了時(shí)速430公里的商業(yè)運(yùn)營(yíng)線。日本目前正在修建的中央新干線，高速磁浮列車試驗(yàn)速度達(dá)到了603公里/小時(shí)，其運(yùn)營(yíng)速度將達(dá)505公里/小時(shí)，東京至名古屋段計(jì)劃在2027年投入運(yùn)營(yíng)。
在高速交通領(lǐng)域，高鐵商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度為350公里/小時(shí)，飛機(jī)巡航速度為800-900公里/小時(shí)，超高速磁懸浮可以填補(bǔ)400-600公里/小時(shí)的速度空白。
我國(guó)對(duì)超高速磁浮技術(shù)研發(fā)非常重視，早在2016年國(guó)家就通過(guò)“先進(jìn)軌道交通”重點(diǎn)專項(xiàng)，對(duì)時(shí)速600公里高速磁浮交通系統(tǒng)進(jìn)行了部署，計(jì)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(jì)、制造、調(diào)試和試驗(yàn)評(píng)估方法。經(jīng)過(guò)廣大科技工作者的努力，終于在車輛、牽引、運(yùn)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(shí)產(chǎn)權(quán)的時(shí)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(qiáng)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(qiáng);解決了高速磁懸浮列車的氣動(dòng)阻力和升力等問(wèn)題，氣動(dòng)性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平;而高精度的懸浮導(dǎo)向、測(cè)速定位裝置和控制系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)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(guó)內(nèi)首條時(shí)速600公里的高速交通系統(tǒng)。這條線開(kāi)通之后，上海到杭州200公里的路程，只需要30分鐘就可到達(dá)。
然而，不可否認(rèn)的是，即使高速磁懸浮列車能夠以600公里/小時(shí)運(yùn)營(yíng)，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(yùn)輸。
3 多家公司致力超級(jí)高鐵設(shè)想實(shí)用化
今年11月，英國(guó)維珍公司在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州試驗(yàn)的“超級(jí)回路”(Hyperloop)項(xiàng)目取得了新突破，首次完成了載人實(shí)驗(yàn)。維珍公司的超級(jí)回路采用低真空管道磁懸浮模式，兩名試驗(yàn)人員乘坐的是代號(hào)為XP-2的第二代超級(jí)回路吊艙，吊艙跑完500米長(zhǎng)的管道耗時(shí)15秒鐘，最高時(shí)速達(dá)到了172公里。維珍公司的“超級(jí)回路”就是美國(guó)企業(yè)大亨埃隆·馬斯克在2013年提出的所謂超級(jí)高鐵構(gòu)想，當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)時(shí)速可達(dá)到1200公里。
雖然很多專家對(duì)這種異想天開(kāi)的設(shè)想持懷疑態(tài)度，但還有很多公司努力將其實(shí)用化，維珍公司就是其中的代表。參與這次試驗(yàn)的薩拉·盧奇安表示，超級(jí)高鐵加速非?？?，且不會(huì)讓人感覺(jué)不適。如果一切順利，維珍公司計(jì)劃在2025年獲取超級(jí)高鐵運(yùn)營(yíng)所需的認(rèn)證，并在2030年開(kāi)通第一條超級(jí)高鐵線路。線路將能在載有28人的情況下達(dá)到最高時(shí)速。
除了英國(guó)維珍公司之外，西班牙的Zeleros公司也籌措700萬(wàn)歐元研發(fā)超級(jí)回路，并樂(lè)觀估計(jì)該項(xiàng)目未來(lái)會(huì)帶來(lái)數(shù)十億美元的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。成立于2015年的波蘭Hyper Poland公司也致力于研發(fā)與超級(jí)回路相似的真空管道磁懸浮技術(shù)，并且籌措了400萬(wàn)歐元作為研發(fā)資金，他們的速度目標(biāo)值是300-600公里/小時(shí)。在2019年，荷蘭的Hardt Hyperloop公司正式啟用了歐洲第一個(gè)全尺寸超級(jí)高鐵試驗(yàn)設(shè)施，并致力于建設(shè)歐洲超級(jí)高鐵中心，這個(gè)中心修建一條長(zhǎng)約3公里的測(cè)試線，用于測(cè)試速度超過(guò)700公里/小時(shí)的超級(jí)高鐵列車，未來(lái)還要打造成歐洲超級(jí)高鐵基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)基地。Hardt Hyperloop計(jì)劃在2022年建成超級(jí)高鐵中心，并于2023年建成10-15公里的試驗(yàn)線路，在2028年實(shí)現(xiàn)超級(jí)高鐵的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。
這些公司的開(kāi)拓精神值得贊嘆，但是他們目前研發(fā)的超級(jí)高鐵所能達(dá)到的速度，距離預(yù)想的1200公里還相差甚遠(yuǎn)。
4 真空管道磁懸浮研發(fā)仍需攻克很多難關(guān)
氣動(dòng)噪音和空氣阻力是制約高速列車?yán)^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(yùn)輸。然而，低真空管道交通是一個(gè)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(wèn)題都需要研究解決。
如今熱門(mén)研究的真空管道運(yùn)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?yàn)榘踩蕴?，并沒(méi)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(jì)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(guó)的初創(chuàng)公司和中國(guó)的西南交通大學(xué)開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究工作，積累了較多的技術(shù)儲(chǔ)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?yàn)槌?jí)列車在低真空環(huán)境下超高速運(yùn)行，具有傳統(tǒng)航天領(lǐng)域飛行器和高速鐵路的部分特點(diǎn)，需要在車體系統(tǒng)、磁懸浮、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、牽引供電和制動(dòng)技術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)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(yùn)行在狹小的密閉管道空間中，使得通信系統(tǒng)信號(hào)衰落嚴(yán)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(yùn)行需求。
低真空管道交通運(yùn)行速度極高，低真空管道在長(zhǎng)距離運(yùn)營(yíng)過(guò)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(wèn)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(dòng)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(yùn)行控制技術(shù)、管道系統(tǒng)和列車運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)測(cè)控制技術(shù)等。
真空管道懸浮交通為密閉環(huán)境，受暴風(fēng)、風(fēng)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(guó)乃至全球主要區(qū)域中心之間通過(guò)低真空管道運(yùn)行時(shí)速1000公里以上的磁懸浮列車，可以實(shí)現(xiàn)人員和貨物的即時(shí)到達(dá)，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(shí)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(yùn)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)選擇，通過(guò)真空管道磁懸浮助推發(fā)射系統(tǒng)為運(yùn)載器單級(jí)入軌提供一種可實(shí)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(lái)說(shuō)，超級(jí)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(lái)。
