湯友富

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

超級(jí)高鐵（Hyperloop，也叫超級(jí)回路）以“真空管道運(yùn)輸”為理論核心，綜合運(yùn)用高速磁浮和低真空管道，在地面上創(chuàng)造出低真空環(huán)境中能實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)行的交通運(yùn)輸體系。早在1904年，現(xiàn)代火箭之父羅伯特·戈達(dá)德（Robert Goddard）率先提出在波士頓至紐約之間建超級(jí)高鐵，其速度將達(dá)到約1 600 km／h。其后歐洲、美國的工程師也一直在推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展。2013年，著名硅谷“鋼鐵俠”馬斯克（Elon Musk）提出超級(jí)高鐵（Hyperloop）的初始方案，并參與到加州高鐵項(xiàng)目的競爭，全球再次掀起熱潮，各國也都積極參與此類型項(xiàng)目研究，但都處于初步工程探索階段。本文介紹超級(jí)高鐵的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)，分析要解決的關(guān)鍵問題，為我國的超級(jí)高鐵發(fā)展提供參考。

2 研究現(xiàn)狀

在車輛系統(tǒng)中，列車的阻力和速度的平方成正比，氣動(dòng)噪音與速度的八次方成正比。根據(jù)德國TransRapid（TR）系列車和日本新干線輪軌列車的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：列車時(shí)速大于400 km后，空氣阻力所占總阻力比例將超過80%［1］，列車牽引驅(qū)動(dòng)動(dòng)力主要用于克服氣動(dòng)阻力，導(dǎo)致時(shí)速超過400 km后能耗迅速增加，經(jīng)濟(jì)性差［2］，在地表稠密大氣層中運(yùn)行的最高交通工具，最高經(jīng)濟(jì)速度不超過 400 km／h［3］。噪音的國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)為線路距離軌道中心線30 m處噪音一般不超過 70 dB［4］，德國 ICE-V、法國TGV高速輪軌在速度400 km／h噪音達(dá)到100 dB。超級(jí)高鐵因綜合利用高速磁浮和低真空管道技術(shù)，消除了輪軌摩擦阻力，在地面創(chuàng)造出類似航空飛行的低真空環(huán)境，減小了列車運(yùn)行空氣阻力與氣動(dòng)噪音，從而進(jìn)一步提高列車的行駛速度。超級(jí)高鐵的效果圖如圖1所示。

圖1 超級(jí)高鐵效果圖

經(jīng)過研究，超級(jí)高鐵主要有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：

（1）快速。采用低真空環(huán)境和無接觸的磁浮技術(shù)，使空氣阻力和輪軌阻力減少，在0.01標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下可實(shí)現(xiàn)時(shí)速大于1 000 km。

（2）安全。單向運(yùn)行消除了列車相撞的可能性；磁浮技術(shù)的分段供電保證每個(gè)供電區(qū)間內(nèi)只有一輛車輛，避免了追尾的可能性；低真空無燃料和潤滑油不會(huì)發(fā)生火災(zāi)；管道可保證列車不受外界氣候條件的影響；在高速磁浮的“抱軌”運(yùn)行或U型結(jié)構(gòu)確保安全的基礎(chǔ)上，增加了真空管道，不易脫軌，不受湍流影響，增加了安全冗余度。

（3）節(jié)能環(huán)保。磁浮技術(shù)使用清潔能源電力，低真空環(huán)境下運(yùn)營能耗遠(yuǎn)低于輪軌列車，據(jù)測(cè)算：比較接近常規(guī)鐵路的瑞士真空隧道高速列車，在0.1 atm下，單向運(yùn)能估計(jì)為21.6萬人／年，單位能耗僅為普通鐵路的一半；在地面管道實(shí)現(xiàn)20～30 kPa所需能耗為飛機(jī)達(dá)到并保持萬米高空所需能耗的1／40［5］，低真空環(huán)境下列車可在管道內(nèi)慣性運(yùn)行，能耗遠(yuǎn)低于公路、民航、鐵路。高速磁浮無接觸運(yùn)行，噪音已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同速度下輪軌，低真空管道形成隔音屏障，進(jìn)一步降低了噪音污染。

（4）高效。超級(jí)高鐵發(fā)車頻率高，最小發(fā)車間隔可做到40 s，不受雨雪天氣影響，可與鐵路、城市軌道交通、公路等換乘，形成綜合交通體系，高效地實(shí)現(xiàn)長距離客貨運(yùn)輸。

目前，美國、瑞士和中國等多個(gè)國家都在積極探索超級(jí)高鐵系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。美國ET3公司最早在1999年申請(qǐng)了真空管道的專利；美國特斯拉公司（Tesla）與太空探索技術(shù)公司（SpaceX）創(chuàng)始人埃隆·馬斯克提出的Hyperloop“超級(jí)高鐵”概念，同位于美國硅谷的Hyperloop One和Hyperloop Transportation Technologies（下面簡稱HTT）公司都加入研發(fā)隊(duì)伍。其中Hyperloop One公司在美國內(nèi)華達(dá)沙漠搭建了500 m長的試驗(yàn)線，并于2017年實(shí)現(xiàn)了310 km／h的最高時(shí)速，在迪拜建設(shè)的運(yùn)營線路預(yù)計(jì)2021年開通；HTT公司正在法國圖盧茲建造試驗(yàn)場，預(yù)計(jì)2019年對(duì)外開放；HTT公司正在運(yùn)作的運(yùn)營線路是從迪拜到阿聯(lián)酋首都阿布扎比，計(jì)劃2019年動(dòng)工；2018年7月19日，HTT公司與中國貴州省銅仁市在貴陽市舉行了“真空管道超級(jí)高鐵研發(fā)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目［6］”簽約儀式，這是HTT與中國簽署的第一份超級(jí)高鐵建設(shè)協(xié)議，是HTT公司的第12份協(xié)議和第3份商業(yè)協(xié)議，其中中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司作為設(shè)計(jì)單位參與該項(xiàng)目［7］，并委派專人到德國、西班牙等國家考察，參加HTT公司的首輛超級(jí)高鐵首發(fā)式（見圖2）。瑞士［8］真空隧道高速列車，計(jì)劃在洛桑籌建一條試驗(yàn)線，但因經(jīng)費(fèi)問題暫停。我國也一直積極探索，2014年6月，西南交通大學(xué)搭建成功國際首個(gè)真空管道高溫超導(dǎo)磁浮車試驗(yàn)平臺(tái)“Super-Maglev”；2017年8月30日，中國航天科工集團(tuán)公司在第三屆中國（國際）商業(yè)航天高峰論壇上宣布開展“高速飛行列車”研究，利用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)和真空管道，致力于實(shí)現(xiàn)超音速的“近地飛行”，初近遠(yuǎn)期將按照最大運(yùn)行速度1 000 km／h、2 000 km／h、4 000 km／h三步走戰(zhàn)略逐步實(shí)現(xiàn)［9］。

圖2 Hyperloop TT公司首輛車廂發(fā)布儀式

國內(nèi)除西南交通大學(xué)、航天科工集團(tuán)外，國防科技大學(xué)、北京交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)等高校也展開了相關(guān)理論研究，2018年10月30日，由中國工程院主導(dǎo)的中國超高速磁浮技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)在深圳召開，標(biāo)志著中國加速了超級(jí)高鐵的研發(fā)。國內(nèi)在真空管道和高速磁浮理論方面基本成熟，但工程化應(yīng)用方面仍以收集資料、考察、調(diào)研為主，計(jì)劃在2019年6月，中國工程院完成分析報(bào)告，目前尚無工程化應(yīng)用的測(cè)試和試驗(yàn)，離工程化尚有一定距離。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 與其他運(yùn)輸方式的關(guān)系

目前運(yùn)輸方式主要有水上運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸?shù)人姆N方式。水上運(yùn)輸出現(xiàn)最早，在速度方面低于其他運(yùn)輸方式，在20世紀(jì)初飛機(jī)出現(xiàn)之前，人類跨越大洋主要靠水上運(yùn)輸，目前向大型化發(fā)展；公路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是靈活、方便、可從門到門，但其缺點(diǎn)是相對(duì)無序性和人為操作的相對(duì)不可靠性，導(dǎo)致交通事故較多，同時(shí)公路運(yùn)輸也是石油資源的最大消費(fèi)者，目前汽車保有量已經(jīng)過多，交通擁堵嚴(yán)重，未來綜合交通體系中其占有比例將下降，部分任務(wù)將轉(zhuǎn)移到軌道交通和管道運(yùn)輸中去；鐵路是適宜遠(yuǎn)距離、大宗客貨運(yùn)輸?shù)年懮线\(yùn)輸手段，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)其影響力位居國民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)首位，旅游觀光客流運(yùn)輸、大宗貨物運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)需其承擔(dān)；航空運(yùn)輸作為靈活性很高的運(yùn)輸方式，在跨越海洋、高山等障礙物方面是其他運(yùn)輸方式所不具備的，但同時(shí)其作為高油耗的運(yùn)輸工具，未來其部分客運(yùn)任務(wù)要向比其成本低速度更快的超級(jí)高鐵轉(zhuǎn)移［10］；超級(jí)高鐵作為高速磁浮和管道運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)合體，未來其他四種運(yùn)輸方式的部分客、貨運(yùn)量，可由其完成，而且其速度、效率更高，能耗、噪音、污染更小，安全性更高，將作為第五代運(yùn)輸工具，帶來一次新的運(yùn)輸革命。總之，超級(jí)高鐵作為一種比軌道交通更有序的軌道＋管道的運(yùn)輸方式，將在綜合運(yùn)輸體系中占據(jù)非常重要的位置和較大的比例。

3.2 在未來綜合交通體系中的地位

超級(jí)高鐵可認(rèn)為是人造低真空環(huán)境中的高速磁浮運(yùn)輸系統(tǒng)，可認(rèn)為是鐵路運(yùn)輸?shù)母呒?jí)階段，集合了鐵路運(yùn)輸和管道運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但其也存在局限性，靈活性比不上水上運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸，載重比不上水上運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸。其將競爭其他運(yùn)輸方式的客運(yùn)和貨運(yùn)，但不可能完全取代其他任何一種運(yùn)輸方式，將成為其他運(yùn)輸方式的補(bǔ)充或功能的延伸，未來將承擔(dān)較大比例的客、貨運(yùn)輸任務(wù)。

3.3 未來發(fā)展趨勢(shì)

超級(jí)高鐵因?yàn)槠淇焖佟踩?、?jié)能環(huán)保、高效的優(yōu)勢(shì)，未來發(fā)展趨勢(shì)主要有幾個(gè)方面：

（1）陸地長距離客運(yùn)運(yùn)輸，用于洲際、國家之間、國內(nèi)距離較遠(yuǎn)的城市之間，部分替代未來石油能源緊缺的航空運(yùn)輸；

（2）以海底隧道的方式，連接陸地與海島之間長距離客運(yùn)運(yùn)輸；

（3）替代部分管道運(yùn)輸?shù)墓δ?，?shí)現(xiàn)急需物資的物流運(yùn)輸；

（4）國家戰(zhàn)備、國防需要的運(yùn)輸；

（5）技術(shù)發(fā)展成熟后可促進(jìn)超高速軌道電磁炮、電磁彈射、導(dǎo)彈發(fā)射、航空航天領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展。

4 關(guān)鍵問題分析

結(jié)合貴州銅仁項(xiàng)目，超級(jí)高鐵的關(guān)鍵問題主要有以下幾個(gè)方面：

（1）高速磁浮在低真空環(huán)境下的懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［11］的可靠性。根據(jù)調(diào)研，懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)可分為以下幾類：

①常導(dǎo)電磁吸力主動(dòng)控制型，以德國TR系、上海高速磁浮示范運(yùn)營線為代表；

②低溫超導(dǎo)電動(dòng)斥力被動(dòng)自穩(wěn)型，以日本低溫超導(dǎo)山梨試驗(yàn)線為代表；

③高溫超導(dǎo)塊材釘扎效應(yīng)被動(dòng)自穩(wěn)型，以西南交通大學(xué)的高溫超導(dǎo)為代表；

④永磁電動(dòng)斥力被動(dòng)自穩(wěn)型，以美國Hyperloop項(xiàng)目試驗(yàn)線為代表。

以上幾種懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)，在高速磁浮的運(yùn)用上理論基本成熟，運(yùn)用在超級(jí)高鐵上都是可行的，目前要考慮工程化應(yīng)用，需要對(duì)以上幾個(gè)系統(tǒng)綜合深入比選，在試驗(yàn)線路上進(jìn)行全尺寸模型試驗(yàn)，進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證測(cè)試，因此，銅仁超級(jí)高鐵試驗(yàn)線的建設(shè)需盡快提上日程。

（2）牽引系統(tǒng)采用直線電機(jī)的可靠性。根據(jù)調(diào)研，牽引直線電機(jī)主要有幾種類型：

①長初級(jí)常導(dǎo)同步電機(jī)，以德國TR系、上海高速磁浮示范運(yùn)營線為代表；

②長初級(jí)超導(dǎo)同步電機(jī)，以日本低溫超導(dǎo)山梨試驗(yàn)線為代表；

③長初級(jí)感應(yīng)電機(jī)，美國Hyperloop One公司為代表；

④長初級(jí)永磁同步電機(jī)，以美國Magne Motion公司的M3＋為代表。

以上幾種類型的直線電機(jī)，是與車輛采用常導(dǎo)還是超導(dǎo)、永磁相配套，需結(jié)合車輛綜合考慮，同樣需要進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試驗(yàn)證工作。

（3）防災(zāi)救援問題。在低真空管道中發(fā)生緊急情況，人員逃生、防災(zāi)救援疏散問題需考慮設(shè)置救援天窗、疏散平臺(tái)等設(shè)施，防災(zāi)救援系統(tǒng)需深入研究，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試工作。

（4）低真空管道和密封技術(shù)的成熟性。目前真空技術(shù)發(fā)展較快，已廣泛應(yīng)用于冶煉、石油化工、電工、電子等領(lǐng)域，使用鋼管或復(fù)合材料的管道和機(jī)械真空泵為核心的真空機(jī)組能滿足要求。真空泵的種類很多，當(dāng)前的主流方向是使用旋轉(zhuǎn)式的羅茨真空泵。參照和諧號(hào)列車和飛機(jī)，超級(jí)高鐵車輛、進(jìn)出低真空環(huán)境的上下客門窗可采用橡膠等材料進(jìn)行密封，技術(shù)均已成熟可靠。可參照利用完成從低真空到大氣環(huán)境的過渡。

（5）經(jīng)濟(jì)性問題。經(jīng)過測(cè)算，超級(jí)高鐵在國內(nèi)造價(jià)地上高架線約3億元／km，建設(shè)造價(jià)相對(duì)高鐵要高，HTT宣稱使用永磁電動(dòng)技術(shù)［12］造價(jià)約為1.7億元／km，但對(duì)方未公開具體數(shù)據(jù)來源，無法核實(shí)。采用適宜的磁浮技術(shù)來降低建設(shè)成本，解決好經(jīng)濟(jì)性問題，有利于超級(jí)高鐵的快速發(fā)展。

由以上分析可知，下一步應(yīng)完善相關(guān)理論，加快試驗(yàn)線的審批建設(shè)工作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)高鐵車輛懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)、低真空系統(tǒng)等的測(cè)試驗(yàn)證以及改進(jìn)工作，降低系統(tǒng)造價(jià)，確保技術(shù)成熟度，以加快超級(jí)高鐵的商業(yè)化運(yùn)營進(jìn)程。

5 結(jié)束語

超級(jí)高鐵以其快速、安全、節(jié)能環(huán)保、高效的優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)外已展開大量的研究，理論已基本成熟，正在工程化應(yīng)用的探索過程中。建議在完善基礎(chǔ)理論和完成實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的前提下，加快試驗(yàn)線的審批和建設(shè)，通過試驗(yàn)測(cè)試確定最佳的工程化應(yīng)用方案，再進(jìn)行運(yùn)營示范線，最后達(dá)到商業(yè)運(yùn)營。黨的十九大明確提出了建設(shè)“科技強(qiáng)國、交通強(qiáng)國”的宏偉目標(biāo)，吹響了交通強(qiáng)國建設(shè)的號(hào)角，為未來交通建設(shè)奠定了總基調(diào)，我國應(yīng)把握先機(jī)，統(tǒng)籌資源力量，在該領(lǐng)域搶占世界超高速交通的制高點(diǎn)，引領(lǐng)全球未來的交通革命，打造高鐵之外的另外一張世界名片。