高速铁路导论：真空管道运输与胶囊列车

迄今，轨道交通运输工具中速度最快者当属磁悬浮列车。然而，限制磁悬浮列车速度进一步提高的障碍是空气阻力，空气阻力跟速度的平方成正比地增加。这意味着要想在磁悬浮列车的基础上实现突破，创造下一代高速运载工具，则需要考虑从根本上减少或消除空气阻力。一个合乎逻辑的可能思路是：建设真空管道，让车辆无接触、无摩擦地在其中运行，即可使速度在磁浮列车的基础上数倍地提高。与这种设想对应的就是真空管道运输（Evacuated Tube Transportation，ETT）。

世界科技史上，任何一项重大发明或发现都是人类共同智慧的结晶，是一代又一代人思想积淀的积累达到一定程度时质变的体现。真空管道运输从思想萌芽到概念提出，再到今天的工程化研发，也大致经历了类似的过程。早在1922年，德国工程师赫尔曼·肯培尔就在提出磁浮列车概念的同时提出了真空管道的设想。机械工程师达里尔·奥斯特（Daryl Oster）于20世纪90年代提出真空管道运输的概念，并于1999年获得专利。自从那时起，奥斯特一直想方设法来寻找投资人帮助建设这种运输系统。2010年，奥斯特成立了致力于开发真空运输项目的公司ET3。按照ET3公司的设想，列车在真空管道中运行，胶囊状的车厢放置于真空管道中，像炮弹一样被发射至目的地。列车处于几乎没有阻力的环境中，无间断地行驶，速度可以达到时速6 500公里。

在能源方面，真空管道运输将采用自供电设计，通过在管道上部铺设太阳能面板，产生足够的电能维持列车及其他设备运行。尽管真空管道运输能够达到超高速度，但乘客却不会感受到高强度的加速度。它将比火车和飞机更安全、更便宜、更安静。

这一构想中的关键是如何实现运行管道的真空。2013年，有着“科技狂人”之称的SpaceX总裁马斯克对“真空管道运输”这一概念进行了丰富，提出了“超级高铁”的理念。如图8-1-4所示。在马斯克的设计中，其技术原理是在地面或地下建一个密闭管道，用真空泵将管道抽成真空或部分真空。

图8-1-4　SpaceX超级高铁原理图

马斯克超级高铁的另一大亮点是悬浮技术。悬浮技术要解决的正是接触摩擦的阻力，利用磁悬浮或气悬浮技术使车厢在真空管道中无接触、无摩擦地运行，达到点对点的传送运输。

在这样环境中运行的车辆，行车阻力会大大减小，从而有效地降低能耗，同时气动噪声也可以大大降低。对于真空管道运输系统的最高速度，曾有媒体报道说，其理论速度最快可以达到时速2万千米；ET3公司对外宣称他们的目标时速是6 500 km；马斯克的SpaceX公司将时速目标定在1 200 km。

真空管道运输给人类未来洲际快速旅行带来无限希望，因此自从真空管道运输的概念提出以来，有不少公司和机构都积极致力于项目的研发。其中，ET3公司是开始得最早、最有代表性的一家。2015年6月，马斯克投资的公司SpaceX曾宣布举行超级高铁设计竞赛，鼓励其他人提交自己的穿梭舱设计方案。2016年5月，Hyperloop One公司在美国内华达州拉斯维加斯郊区的沙漠测试场进行首次测试推进系统，并达到其预定目标，如图8-1-5所示。2017年4月，在美国国内Hyperloop One提出了“美国愿景”（Vision of America）的计划（如图8-1-6所示），规划了11条潜在的高铁路线，包括从拉斯维加斯到里诺的42 min线路和从芝加哥到哥伦布的29 min线路。2017年7月，Hyperloop One完成首次超级高铁全系统真空环境实验。测试期间，超级高铁的加速度达到2G，时速为70 ni/h（1 ni＝1.01 km），超级高铁技术离成为现实又接近了一步。

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图8-1-5　Hyperloop One推进系统测试

图8-1-6　Hyperloop One美国愿景

早在20世纪70年代，我国有些报纸就对美国科学家提出的真空管道运输系统设想做过报道，后来还有一些评论文章相继见报。1988年，铁道工程专家郝瀛教授在他著作《中国铁路建设》一书中，把真空管道运输系统视为未来铁路发展的一种模式做了介绍与描述。

2001年，我国研究人员跟Daryl Oster建立联系，将“真空管道运输”概念推介到中国。2002年年底，Daryl Oster应邀来到中国，先后到北方交通大学（现北京交通大学）、中科院电工所、西南交通大学、北京特运科技公司、铁道部专业设计院等单位演讲报告ETT及其研究工作。作为外聘专家，Daryl Oster在西南交通大学工作三个月，就建设高温超导磁浮模式的真空管道运输试验线进行了交流探讨。2002年，西南交通大学成立了“真空管道运输研究所”，正式启动了我国在真空管道运输领域的研究开发工作。这是世界上第一个由大学或者政府部门成立的真空管道运输研究机构，表明中国在这一领域的研究已经走在了世界前列。2014年，我国首条载人真空管道高温超导磁悬浮环形实验线（如图8-1-7所示）在西南交通大学牵引动力国家重点实验室建成，并顺利地完成了首次轨道测试，为我国在真空管道运输的研究奠定了坚实的基础。

图8-1-7　高温超导磁悬浮环形实验线

在真空管道运输研究方面，除了上述的西南交通大学，中车旗下的主机厂以及中科院下属的一些科研院所等单位也都在积极开展超级高铁方面的研究工作。2017年08月，中国航天科工集团在第三届中国（国际）商业航天高峰论坛上宣布已启动超声速地面运输系统研发项目。该系统将超声速飞行技术与轨道交通技术相结合，利用超导磁悬浮技术和真空管道，致力于实现列车超音速的“近地飞行”。

胶囊列车是一种以“真空管道运输”为理论核心的交通工具，具有超高速、高安全、低能耗、噪声小、污染小等特点，备受世界各国的广泛关注。无论是磁悬浮列车，还是真空管道运输都是人类在追求更高速度旅行道路上的一个梦想。“科学是理想的，技术是渐进的”。任何一项发明或技术，从理念的提出到最终的工程应用都需要一个逐渐完善的过程，被人们所接受也需要一个过程。对于磁悬浮列车与真空管道运输而言，虽然这个过程可能有点漫长，但是我们相信胶囊列车将给今天的运输模式与运输格局带来革命性变化，也是人类摆脱上述交通困境的最有效途径。人类的追求永不停止，汽车与火车不是人类出行的永恒选择，胶囊列车也不会是交通工具的终结。