超级高铁：速度与空气的耦合关系

在稠密的地表大气层中，高速交通工具在运行过程中都会受到摩擦（包括接触摩擦和空气摩擦，主要是空气摩擦）的影响。地表交通工具的最高速度在 500 km/h 左右，而理论上管道运输系统最高速度能够达到20 000 km/h。如果高铁速度超过 300 km/h，其主要阻力就是空气阻力；而达到 400 km/h 时，空气阻力就超过全部阻力的 90%；达到 500 km/h 时，空气阻力就超过全部阻力的 99%。常规高铁的运行速度超不过飞机的飞行速度，其主要原因是常规高铁遇到的地表空气阻力远远大于飞机遇到的空中空气阻力。所以，交通工具的运行速度与空气阻力有关，空气阻力越大，交通工具的运行速度越小（见图1.10）。

图1.10　列车受到的空气阻力

1.地表速度与空气阻力的耦合关系

当交通工具在地面运行时，面对的是1个大气压，常规高铁与汽车、轮船、普通火车等交通工具相比，是地表的速度王者，运营速度极限是400 km/h，当然也可以达到 486.1 km/h（2010年10月3日中国常规高铁运行最高速度）、574.8 km/h（2007年4月3日法国常规高铁运行最高速度），甚至 603 km/h（2015年4月21日日本磁悬浮列车最高速度），但这些速度不是正常运营的经济速度，而是各国的实验速度。根据最新研究成果，地面常规轮轨式高铁正常运营的最高经济速度为 400 km/h，而地面常规磁浮式高铁正常运营的最高经济速度为 500 km/h。由于地表空气阻力的作用，无论哪种交通工具，最快的经济速度都不能超过500 km/h。不同距离下的最佳运营速度见表1.1。

表1.1　不同距离下的最佳运营速度

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2.空中速度与空气阻力的耦合关系

不同的高度，空气密度不同，因此不同高度空气阻力也不一样，而这种空气阻力也和大气压力（也叫大气压）有关。因此，不同大气压下交通工具的运营速度也不一样。根据现有研究成果，不同大气压下的最佳运营速度值见表 1.2。

表1.2　不同大气压下的最佳运营速度值

通过表 1.1 和表 1.2 对地表和空中的空气阻力分析：空气越稀薄，空气阻力就越小，交通工具的运营速度就越大。因此，如果建设一根管道，将里面的空气排出去，管道里面是真空，这样交通工具运行就没有空气阻力，其速度就可以达到 6 500 km/h，甚至更高；即使管道里面有少许空气，只要小于0.1个大气压，交通工具速度也可以达到 1 000 km/h。