“超級高鐵”能否跑進現(xiàn)實
2016-05-16
■本報記者夏斌整理
坐在一個類似膠囊的車廂里，只需35分鐘就可以從洛杉磯抵達舊金山。在最理想的情況下，從北京到紐約僅需2小時。
如此夢幻的場景，據(jù)說在“超級高鐵”的助力下即可實現(xiàn)。那么，什么是“超級高鐵”？它究竟只是一個科學設想，還是有望繼輪船、汽車、火車、飛機后成為“第五種交通方式”？
再過三五年具備可行性
“超級高鐵”是科技“狂人”、美國企業(yè)家埃隆·馬斯克極力推崇的概念。其最初是由機械工程師達里爾·奧斯特提出來的，他在1997年時獲得了此項技術的專利。在此基礎之上，馬斯克于2013年貢獻了更多的設計細節(jié)。
馬斯克是電影人物“鋼鐵俠”的原型，旗下?lián)碛卸嗉抑?，包括電動汽車公司特斯拉、火箭發(fā)射公司SpaceX。同時，他還是在線支付Paypal的創(chuàng)始人。
按照設計，“超級高鐵”的車廂像一個膠囊，放置于地面或地下建設的真空管道中，利用磁懸浮或氣懸浮技術，達到點對點的傳送運輸。由于膠囊處于幾乎沒有摩擦力的環(huán)境中，因而可以不間斷地行駛，其最高速度可達1200公里/小時。目前，飛行速度最快的客機之一波音787，最高時速僅為800公里至1000公里。
5月11日，美國“超回路１號”公司在內(nèi)華達州荒漠首次對“超級高鐵”的推進系統(tǒng)進行公開測試，測試結果符合預期。這場測試大概持續(xù)了4秒鐘，全程全直線設計，測試長度約為5公里，從靜止加速到640公里/小時只用了2秒。
當然，這場公測只是整個復雜系統(tǒng)中的一部分，離最終成功還有一段距離。但它至少證明這個概念具有一定可行性，而不只是“鋼鐵俠”的胡思亂想。業(yè)內(nèi)人士推測，2019年至2021年間，“超級高鐵”將真正具備時速1125公里的能力。
低能耗噪聲小還更安全
在馬斯克心里，“超級高鐵”是協(xié)和式飛機、軌道槍和氣墊曲棍球臺（桌子四周、緊貼桌面的部分噴出高速氣流，使球懸浮起來）的結合，具有超高速、高安全、低能耗、噪聲孝污染小等特點。
按照設想，“超級高鐵”一趟最多容納28人，但可以做到每兩分鐘發(fā)一趟車。由于膠囊車廂是個“小個頭”，高度為1.1米，寬度是1.35米，因此車廂門被設計為向上打開的模式。
車窗系統(tǒng)也比較新穎有趣。由于采用封閉式的管道回路設計，車廂將不具備真正的車窗，而使用屏幕代替，并引入增強現(xiàn)實（AR）技術。這個屏幕可模擬各種景色，甚至包括太空漫游。當乘客望向窗外時，看到的可能是地心歷險記，也可能是星際旅行。這樣，就不會因為封閉空間而感到壓抑。
能源方面，“超級高鐵”將采用自供電設計，通過在管道上部鋪設太陽能面板，產(chǎn)生足夠的電能維持運行。同時，每一個膠囊車廂前面配有電動渦輪壓縮機。這個壓縮機可以吸入空氣進行壓縮，再通過電子脈沖給每一個膠囊車廂提供推動力。
在真空環(huán)境中運行的車輛，行車阻力會大大減小，從而有效降低能耗，同時氣動噪聲也可以大大降低。因而，人們坐在里面“如電梯般平順”，且會感覺比火車和飛機更安全、更安靜?！熬拖褡陲w機中一樣。最開始會加速，然后你就感覺不到了。感覺超級平穩(wěn)，非常安靜，沒有任何氣流影響。”馬斯克曾這樣暢想乘坐“超級高鐵”的體驗。
由于采用的是密封管道設計，軌道除了具有自動調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)境的系統(tǒng)之外，還有能夠抵御地震的安全結構。如果出現(xiàn)撞車情況，后面所有的膠囊車廂都會緊急剎車，且能夠確保提供足夠的氧氣。此外，列車的軌道還可以架空在城市車道的上方，因此有助于節(jié)約城市空間并降低土地收購等成本。
技術突破還面臨難題
不過，“超級高鐵”要逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，還面臨一些難題。
一方面，如果抽空管道中的所有空氣，空氣阻力問題就能得以解決。但問題是，馬斯克已經(jīng)公開表示完全意義上的真空還難以實現(xiàn)。那么，在管道內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生接近超音速的高速氣流，就要消耗巨大的能量，僅用太陽能電池板顯然還不夠。如何有效解決能源供應問題，還需科研探索。
同時，還有一個散熱的問題。能量分析專家指出，膠囊車廂壓縮空氣，向下或者逆向排出，都會產(chǎn)生巨大的熱量，這將導致乘客艙和相應的儀器設備遭受損壞。馬斯克的解決方案是在每一個車廂里添加一個水箱，用水箱來吸收熱量，并轉(zhuǎn)化為水蒸氣。但是，膠囊車廂僅有幾立方米的空間，具體運行時熱量轉(zhuǎn)換率不高，這意味著必須增大水箱容量。
另一方面，雖然“超級高鐵”不違背物理原理，但過快的速度將會令人頭暈目眩，更不用說還可能要應對的翻滾和急剎車等緊急事件。此外，“超級高鐵”的路線理論上越直越好。這是因為，高速下的轉(zhuǎn)彎不但非常困難，還會讓乘客體驗變得糟糕。
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“超級高鐵”為什么能跑那么快
速度是科技發(fā)展的產(chǎn)物。那么，“超級高鐵”需要什么樣的高科技支撐呢？
一是材料高科技?！俺壐哞F”要以導彈的速度飛馳，那么制造火車的材料必定不能是一般材料。普通材料的強度無法適應高速度的撕裂，很容易在運行過程中被撕成碎片。就目前的情況來看，抗高溫高壓、密度小強度高、使用壽命長的納米材料很適合制造“超級高鐵”的車廂。納米材料已經(jīng)通過航天工程的實用檢驗，將這一成熟的高科技材料運用于“超級高鐵”項目應該不是什么困難的事。
二是制造高科技。黃金自古就有，但古人只是把黃金做成項鏈，現(xiàn)代人則把黃金用在了電腦芯片中。黃金在科技領域的應用現(xiàn)狀，說明這樣一個問題：任何一種材料要想轉(zhuǎn)化成高科技產(chǎn)品，需要高科技的產(chǎn)品制造技術。開發(fā)“超級高鐵”已經(jīng)具備了相應的高科技制造技術，如“真空運輸管道制造技術”在上世紀90年代被提出來。
三是能源高科技。凡是高速度的東西，都離不開高科技的能源傳輸或轉(zhuǎn)化方式。比如，“超級高鐵”需要用超導體來傳輸電能，產(chǎn)生磁懸浮效果，以便能讓膠囊車廂懸浮在管道內(nèi)高速運行。利用超導體產(chǎn)生磁懸浮，是尚需提升的能源技術。
此外，人造機車的行進速度一直受能量轉(zhuǎn)換效率的制約。換句話說，能量轉(zhuǎn)換效率越高，人造機車的行進速度就越快。比如，火箭飛行時需要攜帶大量的燃料，如果燃料的化學能轉(zhuǎn)化為動能的效率提升一個百分點，則可以少帶十個百分點的燃料，這就會有效降低火箭的重量，從而提升飛行速度。再如，汽車將汽油的化學能轉(zhuǎn)化為動能的效率大約是30%，因為能量轉(zhuǎn)化效率不高，動能不足，所以汽車飛不起來。
目前，傳統(tǒng)機車發(fā)動機能量的轉(zhuǎn)換效率已達到40%的極限。所以，工程技術專家在“超級高鐵”項目中拋棄了傳統(tǒng)的發(fā)動機帶動機車前行的做法，而是采取類似“導彈發(fā)射”的方式進行。這種方式的能量轉(zhuǎn)換效率，在真空狀態(tài)下理論上可達100%。
（孫永強）
