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从地底到太空,超级高铁的前世与今生

摘要: 对真空管道运输的演进历史进行简要梳理,一窥超级高铁的前世与今生。

图片来源@视觉中国

图片来源@视觉中国

文 | 刘文元

2013年,在“钢铁侠”埃隆·马斯克的号召下,超级高铁的概念(一种在真空管道中运行的交通工具)广为人知,近几年迅速成为许多国家科研和社会讨论的热点。但其实,类似的设想早在两百年前就已经有人提出。

本文将对真空管道运输的演进历史进行简要梳理,一窥超级高铁的前世与今生。

01 压力差即动力

真空技术的发端,历史上有确切记载的就是1643年的托里拆利实验:在密封的长管中注满水银并倒置在水银槽里即可发现,大气与真空之间的压力差,能够顶起760毫米水银柱。而真空技术应用的第一个案例,则是1654年的马德堡半球实验:将两个半球合成为直径119厘米的球体,并用真空泵抽空内部气体,之后在两侧各用8匹马都无法拉开。

马德堡半球实验

可以说,这两个著名的实验都利用了大气与真空[1]之间有巨大压力差的原理,同时也是这种压力差能够产生机械作用力的证明。后人也从中得到了输运物品的启发。

1799年,一位名叫乔治·梅德赫斯特的英国机械工程师和发明家,申请了一项通过压缩空气获取动力的风机泵专利。次年,他又申请了利用压缩空气驱动汽车的“风驱”发动机专利,与此同时,他提出风驱汽车服务计划,并建议在行车路线上设置泵站为其持续补充动力,可以理解为类似于电动汽车和充电桩之间的关系。

大气铁路

大气铁路

基于此前的构想,梅德赫斯特于1810年提出真空邮递线的设想,并认为这种利用气压差在管道中传送信件和货品的方法,比邮递员挨家挨户运送要更加快捷、高效。进一步地,他开始想象用规模更大的管道运输列车的可能性。

1812年,他首次发表了一篇关于大气铁路的理论计算文章,论证了在铁轨上方架设直径数米的管道,通过气压差来快速运送货物和乘客的可行性、效果和优势。此外,他还构想了另一种大气铁路的形式,即在铁轨下方铺设一根长管,管道内有器件与列车相连,器件在气压差的驱动下运动,从而带动列车行进,列车的动力源不是车头,而是车体下方的管道。

在他去世前不久的1827年9月,出版了著作《新型内陆运输系统》,对气动推进推崇备至,认为这种方式即使没有马匹或其他动物提供动力,也能达到96公里的时速。

大气铁路利用气压使车体沿轨道前进,而非用车头作为动力。

然而,由于这样那样的原因,大气铁路并没有成功实施,这一设想也就逐渐被束之高阁。直到2018年,一位89岁的美国工程师马克斯·施力格把它变成现实:他在自家的葡萄园里架设了一条轨道,铁轨之间有一根直径30厘米的聚氯乙烯管,管道外连一台泵,用以抽出管中的空气或将空气注入管中。

马克斯·施力格的大气铁路

在气压差的作用下,管道内的“推力车”便带动与之通过磁铁相连的列车行驶起来。这套只有标准铁路系统六分之一大小的模型运行结果表明,它能够轻易克服传统列车无法逾越的陡峭坡度,而且运行噪音更小,不需要高架输电线路,泵也能用可再生能源驱动。

马克思·施力格用大气铁路的模型进行演示:在管道一端向内吹气,列车模型就会在气压推动下行进。

2、从旧理论到科幻到新理论

在梅德赫斯特去世后的一个多世纪里,真空管道运输的理论研究逐步走向深入和完善。而且,此种运输方式在刚刚兴起的科幻文学中也大放异彩。那些作品中的设想看似超前,但其实从时间线上看,要滞后于科学家的理论研究,都有各自的理论原型。

1888年,儒勒·凡尔纳的儿子米歇尔·凡尔纳受大气铁路的启发,发表了超短篇小说《未来快车》。小说中设想了一种铺设在大西洋海底的钢铁管道,长度超过4800公里,直径约1.5米,重量超过1300万吨,将欧洲和北美连接起来。管道被三层铁网包裹,外表面涂满树脂,以使其免受海水活动的侵害。

在强大的气流吹动下,管道内列车的时速高达1800公里,从波士顿出发,两小时四十分钟内就能抵达利物浦。这种系统的优点显而易见:管道的内表面经过精细抛光,有抑制乘客紧张不安情绪的作用;根据季节的不同,气流可以调节、均衡管道内的温度;抛开重力和损耗等问题,该系统的建造和运营费用低廉,所以票价也难以置信地低。

艺术家A. J. Johnson为《未来快车》绘的插图

不过,大气铁路需克服空气阻力,以及车轮与铁轨间的摩擦力,理论速度天花板较低。另外,即便车辆能够达到很高的速度,那时的气动噪声和气动振动也会变得很大,能量消耗也随之大幅提高。因此,随着科学的发展,理论研究逐渐朝着摆脱摩擦力和空气阻力的方向前进。

1904年,现代火箭技术之父罗伯特·H.戈达德提出vactrain的设想,这是首个现代意义上的真空管道运输系统。其时,他还是美国伍斯特理工学院的大一新生。他设想列车在保持真空状态的管道中滑动,为了通过非磁性手段使列车加速、减速,以及防止摩擦,需要在相对可移动部件,比如车轮与车轨之间施加流体压力,方法是用喷嘴喷出高压高温液体,液体被喷出后立刻就会变成高压蒸汽,从而使车体悬浮于轨道上。

实质上,列车可以看成是在一层高压液膜上行驶。1906年,戈达德在短篇小说《高速往返》中完善了这一设想。三年后,《科学美国人》以《快速交通的极限》为题发表了该作品的概述。

戈达德vactrain专利中的示意图

戈达德的设想可以说是大气铁路向超级高铁的过渡。与大气铁路相比,vactrain的管道处于真空状态,列车不再利用气压差提供动力,并且首次考虑到降低空气阻力,杜绝列车与轨道间产生摩擦。与超级高铁相比,vactrain的形式已经与之非常接近,只不过在使列车悬浮和行进的手段方面,绝大多数超级高铁方案均采用磁悬浮技术,vactrain利用的是高压气体。

1955年,波兰科幻大师斯坦尼斯拉夫·莱姆出版了《麦哲伦星云》。这部小说以32世纪的共产主义乌托邦为背景,人类已经完成整个太阳系的殖民,正在尝试星际旅行。在小说中,莱姆描写了一种名为“Organowiec”的洲际真空列车,这种列车在透明的真空管道中能够以超过1666公里的时速行驶。这显然受到了vactrain的影响。

《雇佣兵》封面

1962年,美国科幻作家麦克·雷诺兹发表在《类比》上的短篇《雇佣兵》,更是将真空管道运输提到至关重要的位置。

在小说中,和平已经实现,为防止出现世界毁灭的可能,政府规定战斗仅能使用20世纪以前设计的武器,并且,所有的战斗都会进行电视转播以娱乐大众。各大公司利用雇佣兵部队解决商业纠纷。在运输行业,大陆气垫船公司处于垄断地位。而新近兴起的真空管道运输公司则能大幅降低运输成本,并给消费者带来更好的服务,从而打破垄断,但首先,它不得不与前者进行战争。

当然,不仅是武器,就连小说中的交通工具也都是20世纪之前就存在的设想。气垫船的概念最早可以追溯到1716年,瑞典科学家伊曼纽尔·斯维登伯格在研究交通工具表面效应时提到的“悬浮”一词。到了19世纪初,有人认识到将压缩空气打入船底,可以减少航行阻力,提高航速。真空管道运输的概念可以追溯到1810年梅德赫斯特的真空邮递线构想。因此,无论是小说中,还是在真实的历史上,真空管道运输的确都比气垫船更新一些。

如果说以前的研究主要限于理论计算方面,那么到20世纪70年代,真空管道运输的拥趸罗伯特·M.萨尔特则开始考虑实际的运营问题。其时,他设想了一种位于地下数百米的坚固岩层中的真空管道系统“Planetran”,贯穿美国东北部的各大都市,并在8个州设立9座车站。

当时,日本新干线已经运营了近10年,磁悬浮列车的研究也正在世界各国如火如荼地开展,但技术终归不甚成熟。所以,他并未将磁悬浮技术应用于自己的设想,而是提议使用钢铁轮胎。列车利用电磁力加速,减速则依靠挤压前方稀薄的空气,以及相邻管道内列车的加速来实现。它可以看做大气铁路与vactrain的融合版本。

该系统最值得称道的,当属其惊人的节能能力。作为“高能量守恒系统”,列车在减速时,会将大部分能量返回系统,以供相邻管道内的车辆加速时使用。此外,普通列车行驶过程中,空气阻力所占总阻力的比例超过70%,而真空管道内腔的空气阻力则会极大地降低,能耗自然随之降低,使得每位乘客消耗的能源成本还不足1美元,而且整段路程的平均时速能达到4800公里,从美国东海岸到西海岸只需21分钟。

萨尔特认为,这套系统将有助于减少飞机和地面交通工具对大气造成的破坏,有巨大的环境和经济效益。因此,他称Planetran是美国“合乎逻辑的下一步计划”。然而其建造成本预计高达1万亿美元,所以该计划并未被政府采纳。

3、超级高铁应时而生

随着磁悬浮技术不断取得突破性成果,真空管道列车的倡导者们也意识到,这可能是其能否成功的关键因素之一。1991年11月,杰拉德·K.奥尼尔提交了一项专利申请,提出“磁飞行”的设想:位于管道内的列车是在单轨上行驶,而非传统的两条铁轨。在轨道上装有永磁体,装配可变磁体的列车在电磁力的作用下悬浮于轨道上。他推算,如果将空气从管道内抽出,那么列车的时速就能达到4000公里。

时间进入21世纪,获得真空的技术已经成熟,高速磁悬浮列车也先后在中国上海、日本山梨等地投入使用。看起来,超级高铁万事俱备了。2013年,有感于北加州高速铁路工程缓慢,特斯拉及SpaceX公司创始人埃隆·马斯克公布了长达57页的白皮书,提出在洛杉矶与旧金山之间修建560公里超级高铁(hyperloop)的想法。

在这套系统中,运输舱在真空管道内以1220公里的时速运行,使舱体悬浮的能量来自太阳能或其他可再生能源。有趣的是,马斯克设想的是类似于戈达德提出的气动悬浮方式。可以看出,超级高铁几乎完全脱胎于以前科学家的理论构想。

此后,又有多家公司和科研机构相继进入超级高铁的研发阵营当中,其中就包括中国航天科工、西南交通大学牵引动力国家重点实验室、北京交通大学、西京学院等国内机构。不过,它们均采用磁悬浮的方式。在大家最关心的最高时速上,有的机构也给出了6500公里的数据。至于能否达到,现在尚属未知。

诚然,超级高铁看似非常贴近人类当前的科技水平,但实际上仍有许多关键问题有待研究解决——

  • 超高速运行条件下的车轨作用:高速列车车轨的作用机理是车辆系统动力学的核心,但目前高温超导磁悬浮车的实验研究,主要集中在准静态或低速范围,实验数据难以支撑更高速度(超过600公里/小时)下磁悬浮车悬浮与导向稳定性的研究。
  • 空气动力学问题:真空管道内稀薄空气产生的气动阻力,是列车运行的主要阻力。对于此种低压高速气流,现有的仿真很难准确模拟。
  • 管道可靠密封与高效抽真空问题:一方面,保持直径数米、长度上百公里的管道内长时间的真空度[2],对管道的结构和密封性要求极高。另一方面,快速抽除如此大空间内的空气,并且精准维持其中的真空度,对真空设备也提出更高挑战。
  • 散热问题:在低气压环境下,地面上起重要作用的对流传热方式几乎不起作用,传导和辐射将成为主要散热方式。研究低气压下列车表面的升温特性以及电气设备的散热机理,保证系统内的热平衡,是不容忽视的课题。
  • 封闭管道内的通信与救援问题:首先,真空环境下的无线电信号传播尚待研究。其次,管道内为真空状态,且密封效果好,不易被外界破坏,如果出现突发事故,如何快速救援,也是一个值得思考和亟待解决的问题。

正是因为以上及更多未被提及的问题,超级高铁还停留在模型试验阶段,远未达到载人测试的地步。好在理论上完全可行,再加上全世界攻关的科学家较之以前也更多,所以成为现实还是有希望的。

4、飞向太空

值得一提的是,在研究真空管道列车的过程中,科学家们也曾畅想用这种手段加速飞行器的可能。因为传统火箭如果增大载荷,就要将体积造得更大,也要塞进更多的化学推进剂。而真空管道运输不仅速度快,还节约能源,倘若用来加速飞行器,那么飞行器的体积就可以更小,或是载荷得以提高。

2001年,六十年代超导磁悬浮(现代磁悬浮列车的基础技术)的发明者之一、美国布鲁克海文国家实验室研究员詹姆斯·鲍威尔,提出了野心勃勃的星际列车(StarTram)计划,即磁悬浮太空发射系统。

顾名思义,该系统需将磁悬浮太空船置入一条伸向天空的弯曲的真空管道内。第一代系统的管道长度130公里,出口高度3~7公里。最佳地点是智利的安第斯山脉或新墨西哥州南部的白沙导弹靶场。加速后,太空船能以14300~31500公里的时速冲出管道,逃离地球大气层。这已经非常接近第二宇宙速度。

星际列车每隔1小时发射一次,每次发射可携带超过70吨重的货物。从每公斤发射成本来说,该系统仅需20~50美元。要知道,就连SpaceX也只敢说从原来的4600~20000美元降至1400美元。从建设费用上来说,第一代系统需要200~400亿美元,远低于航天飞机30年周期中花掉的1960亿美元,与美国2018年的6430亿美元军费开支相比更是微不足道。

研究团队规划,第一代星际列车主要运送卫星等货物,将于本世纪二十年代完成。第二代系统管道的长度为1000~1500公里,出口高度22公里,每年运送一百万名太空游客,每张船票只需5000美元,计划于本世纪三十年代建造完成。

当然,星际列车不仅要面临超级高铁既有的问题,还增加了很多难度超大的工程难题,比如,管道的架设、飞行器在管道中的悬浮控制,等等。不过,星际列车甫一提出,就得到了桑迪亚国家实验室在可行性方面的验证,目前也有相关的理论研究和模型试验。如果星际列车能够成真,它或许能将人类带入一个全新的航天时代。

[1]人类的技术手段无法获得绝对真空。学术界定义的真空是一个相对状态,比大气压低即可称为真空,涵盖了从一个大气压(约105Pa)到虚无的绝对真空(0Pa)之间的宽广范围。

[2] 对气体稀薄程度的量度。

【本文首发于《科幻世界》杂志2020年第2期,原标题《从地底到太空——真空管道运输演进史》】

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