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2020-03-28 13:37:29聖天使

從地底到太空,超級高鐵的前世與今生



[文/劉文元]

2013年,在“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克的號召下,超級高鐵的概念(一種在真空管道中運行的交通工具)廣為人知,近幾年迅速成為許多國家科研和社會討論的熱點。但其實,類似的設想早在兩百年前就已經有人提出。

本文將對真空管道運輸的演進歷史進行簡要梳理,一窺超級高鐵的前世與今生。


01 壓力差即動力

真空技術的發端,歷史上有確切記載的就是1643年的托里拆利實驗:在密封的長管中注滿水銀並倒置在水銀槽里即可發現,大氣與真空之間的壓力差,能夠頂起760毫米水銀柱。而真空技術應用的第一個案例,則是1654年的馬德堡半球實驗:將兩個半球合成為直徑119厘米的球體,並用真空泵抽空內部氣體,之後在兩側各用8匹馬都無法拉開。




馬德堡半球實驗

可以說,這兩個著名的實驗都利用了大氣與真空[1]之間有巨大壓力差的原理,同時也是這種壓力差能夠產生機械作用力的證明。後人也從中得到了輸運物品的啟發。

1799年,一位名叫喬治·梅德赫斯特的英國機械工程師和發明家,申請了一項通過壓縮空氣獲取動力的風機泵專利。次年,他又申請了利用壓縮空氣驅動汽車的“風驅”發動機專利,與此同時,他提出風驅汽車服務計劃,並建議在行車路線上設置泵站為其持續補充動力,可以理解為類似於電動汽車和充電樁之間的關係。



大氣鐵路




大氣鐵路

基於此前的構想,梅德赫斯特於1810年提出真空郵遞線的設想,並認為這種利用氣壓差在管道中傳送信件和貨品的方法,比郵遞員挨家挨戶運送要更加快捷、高效。進一步地,他開始想象用規模更大的管道運輸列車的可能性。


1812年,他首次發表了一篇關於大氣鐵路的理論計算文章,論證了在鐵軌上方架設直徑數米的管道,通過氣壓差來快速運送貨物和乘客的可行性、效果和優勢。此外,他還構想了另一種大氣鐵路的形式,即在鐵軌下方鋪設一根長管,管道內有器件與列車相連,器件在氣壓差的驅動下運動,從而帶動列車行進,列車的動力源不是車頭,而是車體下方的管道。


在他去世前不久的1827年9月,出版了著作《新型內陸運輸系統》,對氣動推進推崇備至,認為這種方式即使沒有馬匹或其他動物提供動力,也能達到96公里的時速。




大氣鐵路利用氣壓使車體沿軌道前進,而非用車頭作為動力。

然而,由於這樣那樣的原因,大氣鐵路並沒有成功實施,這一設想也就逐漸被束之高閣。直到2018年,一位89歲的美國工程師馬克斯·施力格把它變成現實:他在自家的葡萄園裡架設了一條軌道,鐵軌之間有一根直徑30厘米的聚氯乙烯管,管道外連一台泵,用以抽出管中的空氣或將空氣注入管中。




馬克斯·施力格的大氣鐵路

在氣壓差的作用下,管道內的“推力車”便帶動與之通過磁鐵相連的列車行駛起來。這套只有標準鐵路系統六分之一大小的模型運行結果表明,它能夠輕易克服傳統列車無法逾越的陡峭坡度,而且運行噪音更小,不需要高架輸電線路,泵也能用可再生能源驅動。




馬克思·施力格用大氣鐵路的模型進行演示:在管道一端向內吹氣,列車模型就會在氣壓推動下行進。


2、從舊理論到科幻到新理論

在梅德赫斯特去世後的一個多世紀里,真空管道運輸的理論研究逐步走向深入和完善。而且,此種運輸方式在剛剛興起的科幻文學中也大放異彩。那些作品中的設想看似超前,但其實從時間線上看,要滯後於科學家的理論研究,都有各自的理論原型。


1888年,儒勒·凡爾納的兒子米歇爾·凡爾納受大氣鐵路的啟發,發表了超短篇小說《未來快車》。小說中設想了一種鋪設在大西洋海底的鋼鐵管道,長度超過4800公里,直徑約1.5米,重量超過1300萬噸,將歐洲和北美連接起來。管道被三層鐵網包裹,外表面塗滿樹脂,以使其免受海水活動的侵害。


在強大的氣流吹動下,管道內列車的時速高達1800公里,從波士頓出發,兩小時四十分鐘內就能抵達利物浦。這種系統的優點顯而易見:管道的內表面經過精細拋光,有抑制乘客緊張不安情緒的作用;根據季節的不同,氣流可以調節、均衡管道內的溫度;拋開重力和損耗等問題,該系統的建造和運營費用低廉,所以票價也難以置信地低。




藝術家A. J. Johnson為《未來快車》繪的插圖

不過,大氣鐵路需克服空氣阻力,以及車輪與鐵軌間的摩擦力,理論速度天花板較低。另外,即便車輛能夠達到很高的速度,那時的氣動噪聲和氣動振動也會變得很大,能量消耗也隨之大幅提高。因此,隨着科學的發展,理論研究逐漸朝着擺脫摩擦力和空氣阻力的方向前進。


1904年,現代火箭技術之父羅伯特·H.戈達德提出vactrain的設想,這是首個現代意義上的真空管道運輸系統。其時,他還是美國伍斯特理工學院的大一新生。他設想列車在保持真空狀態的管道中滑動,為了通過非磁性手段使列車加速、減速,以及防止摩擦,需要在相對可移動部件,比如車輪與車軌之間施加流體壓力,方法是用噴嘴噴出高壓高溫液體,液體被噴出後立刻就會變成高壓蒸汽,從而使車體懸浮於軌道上。


實質上,列車可以看成是在一層高壓液膜上行駛。1906年,戈達德在短篇小說《高速往返》中完善了這一設想。三年後,《科學美國人》以《快速交通的極限》為題發表了該作品的概述。




戈達德vactrain專利中的示意圖

戈達德的設想可以說是大氣鐵路向超級高鐵的過渡。與大氣鐵路相比,vactrain的管道處於真空狀態,列車不再利用氣壓差提供動力,並且首次考慮到降低空氣阻力,杜絕列車與軌道間產生摩擦。與超級高鐵相比,vactrain的形式已經與之非常接近,只不過在使列車懸浮和行進的手段方面,絕大多數超級高鐵方案均採用磁懸浮技術,vactrain利用的是高壓氣體。


1955年,波蘭科幻大師斯坦尼斯拉夫·萊姆出版了《麥哲倫星雲》。這部小說以32世紀的共產主義烏托邦為背景,人類已經完成整個太陽系的殖民,正在嘗試星際旅行。在小說中,萊姆描寫了一種名為“Organowiec”的洲際真空列車,這種列車在透明的真空管道中能夠以超過1666公里的時速行駛。這顯然受到了vactrain的影響。




《僱傭兵》封面

1962年,美國科幻作家麥克·雷諾茲發表在《類比》上的短篇《僱傭兵》,更是將真空管道運輸提到至關重要的位置。

在小說中,和平已經實現,為防止出現世界毀滅的可能,政府規定戰鬥僅能使用20世紀以前設計的武器,並且,所有的戰鬥都會進行電視轉播以娛樂大眾。各大公司利用僱傭兵部隊解決商業糾紛。在運輸行業,大陸氣墊船公司處於壟斷地位。而新近興起的真空管道運輸公司則能大幅降低運輸成本,並給消費者帶來更好的服務,從而打破壟斷,但首先,它不得不與前者進行戰爭。


當然,不僅是武器,就連小說中的交通工具也都是20世紀之前就存在的設想。氣墊船的概念最早可以追溯到1716年,瑞典科學家伊曼紐爾·斯維登伯格在研究交通工具表面效應時提到的“懸浮”一詞。到了19世紀初,有人認識到將壓縮空氣打入船底,可以減少航行阻力,提高航速。真空管道運輸的概念可以追溯到1810年梅德赫斯特的真空郵遞線構想。因此,無論是小說中,還是在真實的歷史上,真空管道運輸的確都比氣墊船更新一些。


如果說以前的研究主要限於理論計算方面,那麼到20世紀70年代,真空管道運輸的擁躉羅伯特·M.薩爾特則開始考慮實際的運營問題。其時,他設想了一種位於地下數百米的堅固岩層中的真空管道系統“Planetran”,貫穿美國東北部的各大都市,並在8個州設立9座車站。




當時,日本新幹線已經運營了近10年,磁懸浮列車的研究也正在世界各國如火如荼地開展,但技術終歸不甚成熟。所以,他並未將磁懸浮技術應用於自己的設想,而是提議使用鋼鐵輪胎。列車利用電磁力加速,減速則依靠擠壓前方稀薄的空氣,以及相鄰管道內列車的加速來實現。它可以看做大氣鐵路與vactrain的融合版本。


該系統最值得稱道的,當屬其驚人的節能能力。作為“高能量守恆系統”,列車在減速時,會將大部分能量返回系統,以供相鄰管道內的車輛加速時使用。此外,普通列車行駛過程中,空氣阻力所佔總阻力的比例超過70%,而真空管道內腔的空氣阻力則會極大地降低,能耗自然隨之降低,使得每位乘客消耗的能源成本還不足1美元,而且整段路程的平均時速能達到4800公里,從美國東海岸到西海岸只需21分鐘。


薩爾特認為,這套系統將有助於減少飛機和地面交通工具對大氣造成的破壞,有巨大的環境和經濟效益。因此,他稱Planetran是美國“合乎邏輯的下一步計劃”。然而其建造成本預計高達1萬億美元,所以該計劃並未被政府採納。


3、超級高鐵應時而生

隨着磁懸浮技術不斷取得突破性成果,真空管道列車的倡導者們也意識到,這可能是其能否成功的關鍵因素之一。1991年11月,傑拉德·K.奧尼爾提交了一項專利申請,提出“磁飛行”的設想:位於管道內的列車是在單軌上行駛,而非傳統的兩條鐵軌。在軌道上裝有永磁體,裝配可變磁體的列車在電磁力的作用下懸浮於軌道上。他推算,如果將空氣從管道內抽出,那麼列車的時速就能達到4000公里。


時間進入21世紀,獲得真空的技術已經成熟,高速磁懸浮列車也先後在中國上海、日本山梨等地投入使用。看起來,超級高鐵萬事俱備了。2013年,有感於北加州高速鐵路工程緩慢,特斯拉及SpaceX公司創始人埃隆·馬斯克公布了長達57頁的白皮書,提出在洛杉磯與舊金山之間修建560公里超級高鐵(hyperloop)的想法。


在這套系統中,運輸艙在真空管道內以1220公里的時速運行,使艙體懸浮的能量來自太陽能或其他可再生能源。有趣的是,馬斯克設想的是類似於戈達德提出的氣動懸浮方式。可以看出,超級高鐵幾乎完全脫胎於以前科學家的理論構想。


此後,又有多家公司和科研機構相繼進入超級高鐵的研發陣營當中,其中就包括中國航天科工、西南交通大學牽引動力國家重點實驗室、北京交通大學、西京學院等國內機構。不過,它們均採用磁懸浮的方式。在大家最關心的最高時速上,有的機構也給出了6500公里的數據。至於能否達到,現在尚屬未知。


誠然,超級高鐵看似非常貼近人類當前的科技水平,但實際上仍有許多關鍵問題有待研究解決——

    超高速運行條件下的車軌作用:高速列車車軌的作用機理是車輛系統動力學的核心,但目前高溫超導磁懸浮車的實驗研究,主要集中在准靜態或低速範圍,實驗數據難以支撐更高速度(超過600公里/小時)下磁懸浮車懸浮與導向穩定性的研究。

    空氣動力學問題:真空管道內稀薄空氣產生的氣動阻力,是列車運行的主要阻力。對於此種低壓高速氣流,現有的仿真很難準確模擬。


    管道可靠密封與高效抽真空問題:一方面,保持直徑數米、長度上百公里的管道內長時間的真空度[2],對管道的結構和密封性要求極高。另一方面,快速抽除如此大空間內的空氣,並且精準維持其中的真空度,對真空設備也提出更高挑戰。

    散熱問題:在低氣壓環境下,地面上起重要作用的對流傳熱方式幾乎不起作用,傳導和輻射將成為主要散熱方式。研究低氣壓下列車表面的升溫特性以及電氣設備的散熱機理,保證系統內的熱平衡,是不容忽視的課題。


    封閉管道內的通信與救援問題:首先,真空環境下的無線電信號傳播尚待研究。其次,管道內為真空狀態,且密封效果好,不易被外界破壞,如果出現突發事故,如何快速救援,也是一個值得思考和亟待解決的問題。

正是因為以上及更多未被提及的問題,超級高鐵還停留在模型試驗階段,遠未達到載人測試的地步。好在理論上完全可行,再加上全世界攻關的科學家較之以前也更多,所以成為現實還是有希望的。


4、飛向太空

值得一提的是,在研究真空管道列車的過程中,科學家們也曾暢想用這種手段加速飛行器的可能。因為傳統火箭如果增大載荷,就要將體積造得更大,也要塞進更多的化學推進劑。而真空管道運輸不僅速度快,還節約能源,倘若用來加速飛行器,那麼飛行器的體積就可以更小,或是載荷得以提高。


2001年,六十年代超導磁懸浮(現代磁懸浮列車的基礎技術)的發明者之一、美國布魯克海文國家實驗室研究員詹姆斯·鮑威爾,提出了野心勃勃的星際列車(StarTram)計劃,即磁懸浮太空發射系統。




顧名思義,該系統需將磁懸浮太空船置入一條伸向天空的彎曲的真空管道內。第一代系統的管道長度130公里,出口高度3~7公里。最佳地點是智利的安第斯山脈或新墨西哥州南部的白沙導彈靶場。加速後,太空船能以14300~31500公里的時速衝出管道,逃離地球大氣層。這已經非常接近第二宇宙速度。


星際列車每隔1小時發射一次,每次發射可攜帶超過70噸重的貨物。從每公斤發射成本來說,該系統僅需20~50美元。要知道,就連SpaceX也只敢說從原來的4600~20000美元降至1400美元。從建設費用上來說,第一代系統需要200~400億美元,遠低於航天飛機30年周期中花掉的1960億美元,與美國2018年的6430億美元軍費開支相比更是微不足道。




研究團隊規劃,第一代星際列車主要運送衛星等貨物,將於本世紀二十年代完成。第二代系統管道的長度為1000~1500公里,出口高度22公里,每年運送一百萬名太空遊客,每張船票只需5000美元,計劃於本世紀三十年代建造完成。




當然,星際列車不僅要面臨超級高鐵既有的問題,還增加了很多難度超大的工程難題,比如,管道的架設、飛行器在管道中的懸浮控制,等等。不過,星際列車甫一提出,就得到了桑迪亞國家實驗室在可行性方面的驗證,目前也有相關的理論研究和模型試驗。如果星際列車能夠成真,它或許能將人類帶入一個全新的航天時代。-----(鈦媒體)


[1]人類的技術手段無法獲得絕對真空。學術界定義的真空是一個相對狀態,比大氣壓低即可稱為真空,涵蓋了從一個大氣壓(約105Pa)到虛無的絕對真空(0Pa)之間的寬廣範圍。

[2] 對氣體稀薄程度的量度。

【本文首發於《科幻世界》雜誌2020年第2期,原標題《從地底到太空——真空管道運輸演進史》】


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