比子彈還快的“飛鐵”是啥樣

洛 雨

比子彈還快的“飛鐵”是啥樣

洛 雨

時速4000公里，意味著車中乘客的速度，是地面音速的3倍、步槍子彈出膛速度的1.5倍。面對這個數(shù)字，許多人最關(guān)注的還是舒適性和安全性的問題。對人體來說，“飛”得比子彈還快究竟意味著什么呢？

以磁懸浮的加速度，要從北京一路加速到上海

首先，對于“坐地日行八萬里”的我們來說，速度本身并不是關(guān)鍵，關(guān)鍵在于加速度。

要通俗地理解加速度給人帶來的感受，可以參考超級跑車全力啟動的過程。一輛能夠做到3秒內(nèi)突破百公里時速的超級跑車，其最快加速度可以超過1g（重力加速度，約為9.8m/s），這時，駕駛者會有一個強烈的“推背感”，感覺人像是被緊緊地釘在座椅上，這個力的大小，相當(dāng)于一個人壓在自己的身上。

中國工程院院士、空軍航空醫(yī)學(xué)研究所航空醫(yī)學(xué)工程研究中心主任俞夢孫曾介紹，戰(zhàn)機飛行員一般需要承受高達9g的加速度，但飛行員可能會出現(xiàn)黑視或暈厥的現(xiàn)象。

“神舟”十一號航天員陳冬也曾向公眾描述過訓(xùn)練時體驗4g加速度時的感受：身體像被三個自己牢牢按死，眼淚直流，十分狼狽。

但這種加速持續(xù)時間只是數(shù)秒或幾十秒，是瞬間的事。對于一般的交通運輸工具來說，設(shè)計者要權(quán)衡加速度、加速時間和加速路程，盡量保證乘客的舒適性。

8月31日，航天科工三院三部“高速飛行列車”技術(shù)總負(fù)責(zé)人毛凱回應(yīng)媒體稱：“列車進入高速運行狀態(tài)前有個緩慢的加速過程，加速度比飛機啟動要小。”

在“緩慢加速”的情況下，加速時間和加速距離都會相應(yīng)增加。波音787客機啟動的加速度約為0.25g，以0.25g加速到時速4000公里，加速時間約為450秒，即7.5分鐘，加速距離約為250公里。

而上海磁懸浮列車目前的啟動加速度約為0.06g，以這個速度加速到時速4000公里，加速時間約為1890秒，即31.5分鐘，加速距離約為1050公里。

北京至上海的直線距離為1084公里。也就是說，如果以磁懸浮列車的加速度，乘客從北京出發(fā)，開始一路加速，到上海差不多剛剛達到最高時速。

而如果在北京和上海的中點設(shè)置一站，以波音787客機的加速度，“高速飛行列車”從加速到最高時速，再馬上減速至停止，正好是一站的距離。

如此壓縮列車的平穩(wěn)運行時間，不利于乘客的舒適度。因此，如果要實現(xiàn)時速4000公里的“高速飛行”，兩站之間的距離必須非常遠。

線路要又“直”又“平”：如何轉(zhuǎn)彎、過橋

如此，“高速飛行列車”又面臨第二個挑戰(zhàn)：彎道和橋梁。

長達數(shù)千公里的行駛距離，肯定要跨越不同的海拔以及復(fù)雜變化的地形，比如山脈、高原、盆地、平原、丘陵、河流甚至海洋。這就需要轉(zhuǎn)彎以回避線路上的險阻。但在向心加速度相同的情況下，列車運行速度和能承受的最小曲線半徑（編注：非專業(yè)場合稱之為轉(zhuǎn)彎半徑）成平方關(guān)系。也就是說，“高速飛行列車”比高鐵的速度快了10倍，那它在實際運行中需要的最小曲線半徑可能要以百倍計算。

可查資料顯示，最高時速350公里的京滬線上的最小曲線半徑7公里左右。這意味著，乘客要達到高鐵的舒適程度，最高時速4000公里“飛鐵”的最小曲線半徑得是900公里左右。900公里左右的最小曲線半徑，基本已經(jīng)不具備在地面上的轉(zhuǎn)彎能力。怎么理解這個概念呢？只有從太空中，才能發(fā)現(xiàn)這條地面上的“直線”是“彎”的。

為了在工程上可行，“飛鐵”就得縮小最小曲線半徑。這就涉及到乘客舒適度的問題。簡單來說，列車啟動時的加速度帶給人“推背感”，而轉(zhuǎn)彎時的向心加速度會帶給人“甩飛感”。

假設(shè)最高時速4000公里的“飛鐵”在轉(zhuǎn)彎時將速度降至最高時速的25%即1000公里，最小曲線半徑與高鐵一致也是7公里，那么乘客在轉(zhuǎn)彎時就會承受1.24個g的向心加速度。這相當(dāng)于在橫向或者斜向上，給乘客身體上再施加一個多人的重量，這會帶來很強的壓迫感。打個比方，相當(dāng)于每次轉(zhuǎn)彎，都是激烈的過山車體驗。

與軌道的彎道問題相似的，是軌道橋梁問題。在時速4000公里下，輕微的曲率都可能造成一定程度的失重。這就意味著，“高速飛行列車”的真空管道不僅要在水平方向上減少拐彎程度，也要在垂直方向上減少坡度變化，否則，列車的安全性和舒適性難以保障。

前一段時間，中國航天科工集團正在論證研制的“最高時速4000公里”高速飛行列車在網(wǎng)絡(luò)上“刷屏”，被網(wǎng)友稱為“飛鐵”，也引發(fā)了對“北京到上海半小時”的未來憧憬。畢竟，相比京滬高鐵最高時速350公里，“高速飛行列車”要快出10倍。

據(jù)航天科工透露，“高速飛行列車”的原理是利用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)和真空管道，實現(xiàn)超音速的“近地飛行”。

此外，在安全性方面，成倍提高的速度也會要求成倍的制動和預(yù)警能力。因為最高時速是4000公里，緊急制動距離會很長?？勺霰容^的是，轎車在緊急制動，即一腳剎車踩到底的情況下，加速度是-1g左右，在時速100公里的情況下制動距離需要39米。時速4000公里，如果加速度也是-1g，緊急制動距離需要63公里。這意味著，得確保前方線路63公里之內(nèi)都沒有任何故障，否則后果不堪設(shè)想。

此外，“飛鐵”緊急制動時間得用113秒，可做參考的是，百公里時速的轎車緊急制動是3秒不到。在這個過程中，乘客會極度不適，有飛出去的感覺。事實上，在轎車制動中，如果不系安全帶，人已經(jīng)飛出車外了。

總而言之，最高時速4000公里的列車，一方面需要站點設(shè)置得盡量“遠”，一方面又需要線路設(shè)計得盡量又“直”又“平”，這給工程建設(shè)提出了極大挑戰(zhàn)。畢竟，按前文推導(dǎo)，“高速飛行列車”覆蓋距離需要以千公里計算，而中國疆域的東西距離為5200公里，南北距離為5500公里，其間地勢地形變化多端，十分復(fù)雜。

時速4000公里是航天科工為“高速飛行列車”規(guī)劃的最后一步，在近期內(nèi)，航天科工會首先突破時速1000公里這個“小目標(biāo)”。但對于“北京到上海半小時”這個美好的憧憬，目前還尚未有具體時間表。

（摘自2017年9月2日網(wǎng)易新聞，標(biāo)題為編者所加）