超级高铁:虚幻还是现实
2016-10-27李腾
李腾
一家美国初创的公司正在打造在真空环境中运行、时速超过音速的超级高铁并已经完成第一轮测试。这项名义上由特斯拉CEO埃隆·马斯克提出的设想,其实无论是概念还是技术都并不新颖。研究者普遍认为,超级高铁已经不是技术问题,而是工程问题。
从北京到上海,乘坐高铁最快需要4小时48分钟,但如果乘坐“超级高铁”,也许不到15分钟就可以到达。
2013年8月12日,特斯拉CEO埃隆·马斯克(Elon Musk)在SpaceX网站上提出了以真空管道搭配气悬浮技术的“超级高铁”概念,其理论时速可达每小时1200公里。在57页的报告中,马斯克论证了“超级高铁”的可行性,并将这一概念开放给所有愿意参与测试的研发团队。
2016年5月12日,一家名为Hyperloop One的初创公司根据马斯克的报告,将气悬浮技术改为磁悬浮技术之后,在拉斯维加斯北部的沙漠中利用测试轨道测试了超级高铁的推进系统,时速达到每小时640公里。报告称,若在真空管道之中,时速最高可达每小时6500公里,远超马斯克的设想。该公司还宣布将在北欧兴建连接瑞典首都斯德哥尔摩和芬兰首都赫尔辛基的跨海真空管道。
“超级高铁”似乎马上就要变为现实。然而,对于这个计划有大量反对声音,主要是从技术、安全和经济等角度对“超级高铁”概念表示质疑。就在这个关键时刻,Hyperloop One公司三大创始人中的一人突然辞职,并以“滥用资金”等罪名将原公司告上法庭,这为“超级高铁”的前景蒙上了阴影。
Hyperloop One公司高级副总裁乔治·奥尼尔(George ONeal)对《中国新闻周刊》说:“公司的人心的确出现了波动,但我们一定能够克服困难,继续前进。”
“超级高铁”热
实际上,马斯克并不是“超级高铁”概念的初创者。
早在1799年,英国工程师乔治·梅德赫斯特(George Medhurst)就提出利用管道运输货物,并于1812年在自己的著作中详细阐述了“利用空气推力在管道中运输乘客和货物”的构想。
1909年,美国工程师、现代火箭技术之父罗伯特·戈达德(Robert Goddard)首次提出真空管道火车的概念:将空气从密封的管道中抽出形成真空环境,之后将火车或者载物胶囊射出。真空管道火车可以兴建在平地上,也可以穿山过海,其最大的优势在于速度。戈达德推测真空管道火车的最高时速可达每小时6400-8000公里,是音速的5-6倍。
而马斯克于2013年提出的“超级高铁”概念与戈达德的真空管道火车概念除了名字不同之外,只额外增加了气悬浮理念。由于气悬浮技术无法突破音速,所以马斯克在报告中将预计时速降低为每小时1200公里,接近音速。尽管如此,这一速度仍然比现在最快的子弹头列车快2-3倍,比飞机的速度快2倍。一旦项目建成,乘客从旧金山前往洛杉矶643公里的旅程仅需花费 35 分钟的时间。
“超级高铁”概念重新被提出后,多家公司立刻跟进研究,其中最著名的两家公司分别是Hyperloop One(原名Hyperloop Transportation)和Hyperloop Transportation Technologies,前者是一家科技初创公司,后者则是由来自世界各地的450名工程师、科学家、反恐等领域的专家众筹成立的,这些雇员利用业余时间为这间公司工作,以获得公司的股权作为回报。
因为气悬浮的速度限制,两家公司不约而同地采用磁悬浮技术搭配真空管道的方案。磁悬浮技术通过强力电磁铁所产生的斥力托起列车的车身,使车身与轨道的摩擦阻力降为0,在空气阻力极低的情况下,极大地提升速度,并可避免天气与环境对运输造成不利影响。
Hyperloop One走在所有竞争对手的前面。在2016年6月18日-20日召开的圣彼得堡国际经济论坛上,Hyperloop One宣布与莫斯科市签署“谅解备忘录”,研究建设一条超级高铁线路与莫斯科交通网络连接。截止到2016年7月,该公司已获得8000万美元的融资,公司估值超过1.2亿美元。
关于建设成本,毕马威出具的一份建设可行性报告显示,连接斯德哥尔摩和赫尔辛基的线路每英里成本为4000万美元,而正在兴建的美国加州高铁每英里成本为5600万美元,“超级高铁”显得更加经济。该报告称,连接两国首都的网络最快可在8年内建成,一旦海底电线完成即可运行。预计每年将迎来4270万名乘客,每名乘客需要支付的价格平均仅为28美元。
他们还在官网推出“全球挑战”计划,凡是对“超级高铁”感兴趣的城市,都可以与该公司合作,推动高铁落户该城市,并给出详细的时间表,将在2017年3月决定最初落地的3座城市。截至2016年8月9日,全世界已经有超过100座城市申请“超级高铁”落地,中国共有8座城市申请,其中中国大陆6座,台湾地区2座。
奥尼尔对《中国新闻周刊》透露,公司正在与中国的申请城市研究项目细节以及法律方面的问题。按照公司的规划,将在2021年建成世界第一条客运线路,他认为中国是非常理想的落地点。
Hyperloop One公司的“超级高铁”概念图。
虚幻还是现实
然而,人们对“超级高铁”的疑虑并未随着Hyperloop One的高歌猛进而停止。
真空和磁悬浮是“超级高铁”的两大核心理念,也是争议的焦点所在。中国工程院院士王梦恕撰文指出,“超级高铁”仍然是幻想,很难在上千公里的距离内保持真空状态,而且在超高速运行状态下,乘客体力消耗难以承受;此外,用电量大能耗高也是无法回避的问题。
奥尼尔并不认同王梦恕院士的看法。他对《中国新闻周刊》介绍,所谓真空管道并不像人们从字面上理解的那样是完全真空的,“真空概念的范围很大,只要低于1个大气压就会形成真空,完全真空极难做到,实验室最高纪录是10 -10大气压。我们寻求的实际上是低真空。”
他认为虽然目前高铁技术已经成熟,但真空管道是大势所趋。当火车时速达到每小时300公里时,来自空气的阻力占所有阻力的85%。当时速提升到350公里时,该阻力将占所有阻力的90%。换句话说,当高铁的时速提升到一定程度时,绝大部分的成本都将用来克服空气阻力,远不如建设真空管道经济。
此外,Hyperloop One设计的“超级高铁”在真空管道内运行时并不需要一直耗能。在火车离站时磁线圈通过充能会把车身像子弹一样射出去,使火车在90%的时间里以滑行状态前进,他们正在与西门子公司合作研发推进系统,只需在轨道的前20公里通电即可。相对于目前上海正在运行的磁悬浮线路,耗能大大降低。
针对乘客舒适度的争议,奥尼尔指出,虽然“超级高铁”以超音速运行,但乘客并不会感到不适,因为影响乘客舒适度的不是运行速度而是加速度。他以“坐地日行八千里”为例,人在地面上随着地球公转,并不会感到不适,因为地球在匀速运转。同样的道理,Hyperloop One在设计“超级高铁”的速度时会将加速度限制在每小时300公里以内,不超过飞机起飞时的加速度,只需几秒钟就完成整个加速过程,乘客在“超音速旅程”中不会感到不适。
奥尼尔还表示, “超级高铁”的优势还在于安全。他说,在铁道交通发生的车祸中,有89%是基于三方面的原因:人、气候、会车产生的事故。而“超级高铁”由于是在全密封的管箱中运行,并采用无人驾驶技术,不会受这些因素影响。若真出现意外情况,直接把事发区域的管道引爆,就可以把人救出来,事后再修复特定区域的管道即可,相对于飞机来讲,可操作的空间大得多。“在飞机被发明出来之前,人们不会讨论空难。我承认超级高铁存在一定的风险,比如火灾、车身破裂、甚至恐怖袭击,但这些风险完全是可以克服的,而且相对于它带来的收益,微不足道。”奥尼尔对《中国新闻周刊》说。
来得正是时候?
一个无法回避的问题是:既然建设“超级高铁”并不如想象中的困难,为何直到今天才开始规划?
西南交通大学真空管道运输研究所所长张耀平教授投身“超级高铁”研究十余年,他对《中国新闻周刊》说:“需求和技术的积累共同奠定了超级高铁从理论走向现实的基础。从技术上将需要克服车辆运行、真空环境、材料三大难关。”
据他介绍,车辆运行难关指的是磁悬浮与气悬浮之争。在过去,维持高强磁场需要高强的电流,在有电阻的情况下能耗很大,要托起一辆火车不现实,气悬浮通过不断喷射高强度的气流维持悬浮状态,能耗也很大,但比磁悬浮要经济。上世纪80年代,铜氧超导体的发现,使电阻在几乎为0的情况下形成强力磁场。进入新世纪,随着铁基超导体、硼化镁超导体相继被发现,气悬浮技术已毫无优势,最终被磁悬浮技术取代,世界第一条商业运营的高架磁悬浮专线——上海磁悬浮列车专线应运而生。
但上海磁悬浮列车专线的运营结果证明:与高铁相比,磁悬浮技术的运行速度与成本不成正比,没有独立运用前景,必须搭配其他技术才能最大化自身价值,真空管道成为了必然选择。张耀平说:“搭配真空管道后,磁悬浮列车速度的提升将是指数级的,无论是运送乘客还是货物,综合成本必将低于高铁。”
材料也已经不是问题。理论上说,普通的无缝钢管就可以作为真空管道的材料,但更好的选择是碳或者镁合金等复合材料,这些材料在当下已经不难获取。“中国在真空运输方面的研究比美国更扎实,只要能够启动项目,最短1年最长3年,完全可以在美国之前建成10公里长的试验段。”张耀平说。
奥尼尔从市场方面分析认为,真正让“超级高铁”脱颖而出的是“断面”的大小,也就是火车追踪间距的界限。断面直接影响到客流量和运输成本,在过去火车之间必须保持足够远的间距才能安全行驶,随着技术的发展,这一间距正在急剧缩小。“京沪高铁已经缩短到5分钟,而我们可以缩短到30秒,所以虽然造价高,但综合成本只有高铁的60%。”他对《中国新闻周刊》说。
雄心勃勃的Hyperloop One却在7月陷入危机。公司创始人之一布罗根·巴姆布罗根(Brogan BamBrogan)带领一批核心成员辞职,谋划成立Hyperloop Two,并将原公司告上了法庭,指控另一名创始人谢尔文·皮谢瓦(Shervin Pishevar)任人唯亲搞“裙带关系”,比如雇佣能力低下但私交好的朋友进入公司,以及为某女员工开出每月4万美元的天价薪水。指控书中还提到皮谢瓦滥用资金,要求潜在投资人必须把钱先投资到自己掌控的夏尔巴风投(Sherpa Ventures)。最引人关注的是,巴姆布罗根离职前,在自己的办公桌上发现了一根用于绞刑的绳索,监控视频显示该绳索正是皮谢瓦放在前者的办公桌上的。
Hyperloop One很快发表声明予以回击,“这些员工企图在公司内发动政变,但是他们失败了。公司早就已经洞晓了他们的诡计,今日的起诉只是他们的先发制人罢了。这些指控都是毫无根据的,必将遭到我们快速而强力的法律反击。”
无论怎样,创始人以及一批核心成员的离职为Hyperloop One的发展蒙上了阴影。谈到这起事件,自一开始便加入公司的奥尼尔坦承自己受到的冲击很大,但他仍然对公司的情景充满信心,“每天寄到公司的求职信有上千封,我们仍然是一个充满活力的团队。”他对《中国新闻周刊》说。