從地底到太空

人類對提高出行速度的渴求從未休止，五花八門的交通工具也應(yīng)運(yùn)而生。在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，人類發(fā)明了熱氣球、火車、汽車，然后是飛機(jī)、超音速噴氣式飛機(jī)，以及將宇航員送入太空的燃料動(dòng)力火箭。2013年，在“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克的號(hào)召下，超級高鐵的概念（一種在真空管道中運(yùn)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(huì)討論的熱點(diǎn)。但其實(shí)，類似的設(shè)想早在兩百年前就已經(jīng)有人提出。今天，我們將對真空管道運(yùn)輸?shù)难葸M(jìn)歷史進(jìn)行梳理，一窺超級高鐵的前世與今生。

1" 壓力差即動(dòng)力

真空技術(shù)的發(fā)端，歷史上有確切記載的就是1643年的托里拆利實(shí)驗(yàn)：在密封的長管中注滿水銀并倒置在水銀槽里即可發(fā)現(xiàn)，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(shù)應(yīng)用的第一個(gè)案例，則是1654年的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)：將兩個(gè)半球合成為直徑119厘米的球體，并用真空泵抽空內(nèi)部氣體，之后在兩側(cè)各用8匹馬都無法拉開。

可以說，這兩個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)都利用了大氣與真空之間有巨大壓力差的原理，同時(shí)也是這種壓力差能夠產(chǎn)生機(jī)械作用力的證明。后人也從中得到了輸運(yùn)物品的啟發(fā)。

1799年，一位名叫喬治·梅德赫斯特的英國機(jī)械工程師和發(fā)明家，申請了一項(xiàng)通過壓縮空氣獲取動(dòng)力的風(fēng)機(jī)泵專利。次年，他又申請了利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的“風(fēng)驅(qū)”發(fā)動(dòng)機(jī)專利;與此同時(shí)，他提出風(fēng)驅(qū)汽車服務(wù)計(jì)劃，并建議在行車路線上設(shè)置泵站為其持續(xù)補(bǔ)充動(dòng)力。這可以理解為類似于電動(dòng)汽車和充電樁之間的關(guān)系。

基于此前的構(gòu)想，梅德赫斯特于1810年提出真空郵遞線的設(shè)想，并認(rèn)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(yùn)送要更加快捷、高效。進(jìn)一步地，他開始想象用規(guī)模更大的管道運(yùn)輸列車的可能性。1812年，他首次發(fā)表了一篇關(guān)于大氣鐵路的理論計(jì)算文章，論證了在鐵軌上方架設(shè)直徑數(shù)米的管道，通過氣壓差來快速運(yùn)送貨物和乘客的可行性、效果和優(yōu)勢。此外，他還構(gòu)想了另一種大氣鐵路的形式，即在鐵軌下方鋪設(shè)一根長管，管道內(nèi)有器件與列車相連，器件在氣壓差的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)列車行進(jìn)，列車的動(dòng)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，梅德赫斯特出版了著作《新型內(nèi)陸運(yùn)輸系統(tǒng)》，對氣動(dòng)推進(jìn)推崇備至，認(rèn)為這種方式即使沒有馬匹或其他動(dòng)物提供動(dòng)力，也能達(dá)到96千米的時(shí)速。

然而，由于這樣那樣的原因，大氣鐵路并沒有成功實(shí)施，這一設(shè)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(xiàn)實(shí)：他在自家的葡萄園里架設(shè)了一條軌道，鐵軌之間有一根直徑30厘米的聚氯乙烯管，管道外連一臺(tái)泵，用以抽出管中的空氣或?qū)⒖諝庾⑷牍苤小Ｔ跉鈮翰畹淖饔孟?，管道?nèi)的“推力車”便帶動(dòng)與之通過磁鐵相連的列車行駛起來。這套只有標(biāo)準(zhǔn)鐵路系統(tǒng)六分之一大小的模型運(yùn)行結(jié)果表明，它能夠輕易克服傳統(tǒng)列車無法逾越的陡峭坡度，而且運(yùn)行噪音更小，不需要高架輸電線路，泵也能用可再生能源驅(qū)動(dòng)。

2 從舊理論到科幻到新理論

在梅德赫斯特去世后的一個(gè)多世紀(jì)里，真空管道運(yùn)輸?shù)睦碚撗芯恐鸩阶呦蛏钊牒屯晟?。而且，此種運(yùn)輸方式在當(dāng)時(shí)剛剛興起的科幻文學(xué)中也大放異彩。那些作品中的設(shè)想看似超前，但其實(shí)從時(shí)間線上看要滯后于科學(xué)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(fā)，發(fā)表了超短篇小說《未來快車》。小說中設(shè)想了一種鋪設(shè)在大西洋海底的鋼鐵管道，長度超過4800千米，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(wǎng)包裹，外表面涂滿樹脂，以使其免受海水活動(dòng)的侵害。在強(qiáng)大的氣流吹動(dòng)下，管道內(nèi)列車的時(shí)速高達(dá)1800千米，從波士頓出發(fā)，2小時(shí)40分鐘內(nèi)就能抵達(dá)利物浦。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：管道的內(nèi)表面經(jīng)過精細(xì)拋光，有抑制乘客緊張不安情緒的作用;根據(jù)季節(jié)的不同，氣流可以調(diào)節(jié)、均衡管道內(nèi)的溫度;拋開重力和損耗等問題，該系統(tǒng)的建造和運(yùn)營費(fèi)用低廉，所以票價(jià)也難以置信的低。

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，不然速度就會(huì)受到限制。另外，即便車輛能夠達(dá)到很高的速度，那時(shí)的氣動(dòng)噪聲和氣動(dòng)振動(dòng)也會(huì)變得很大，燃油消耗也隨之大幅提高。因此，隨著科學(xué)的發(fā)展，理論研究逐漸朝著擺脫摩擦力和空氣阻力的方向前進(jìn)。

1904年，現(xiàn)代火箭技術(shù)之父羅伯特·H.戈達(dá)德提出vactrain的設(shè)想，這是首個(gè)現(xiàn)代意義上的真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)。其時(shí)，他還是美國伍斯特理工學(xué)院的大一新生。他設(shè)想列車在保持真空狀態(tài)的管道中滑動(dòng)，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(dòng)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，液體被噴出后立刻就會(huì)變成高壓蒸汽，從而使車體懸浮于軌道上。實(shí)質(zhì)上，列車可以看成是在一層高壓液膜上行駛。1906年，戈達(dá)德在短篇小說《高速往返》中完善了這一設(shè)想。三年后，《科學(xué)美國人》以《快速交通的極限》為題發(fā)表了該作品的概述。

戈達(dá)德的設(shè)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的管道處于真空狀態(tài)，列車不再利用氣壓差提供動(dòng)力，并且首次考慮到降低空氣阻力，杜絕列車與軌道間產(chǎn)生摩擦。與超級高鐵相比，Vactrain的形式已經(jīng)與之非常接近，只不過在使列車懸浮和行進(jìn)的手段方面，絕大多數(shù)超級高鐵方案均采用磁懸浮技術(shù)，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《麥哲倫星云》。這部小說以32世紀(jì)的共產(chǎn)主義烏托邦為背景，人類已經(jīng)完成整個(gè)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1666千米的時(shí)速行駛。這顯然受到了Vactrain的影響。

1962年，美國科幻作家麥克·雷諾茲發(fā)表在《類比》上的短篇《雇傭兵》，更是將真空管道運(yùn)輸提到至關(guān)重要的位置。在小說中，和平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，為防止出現(xiàn)世界毀滅的可能，政府規(guī)定戰(zhàn)斗僅能使用20世紀(jì)以前設(shè)計(jì)的武器，并且所有的戰(zhàn)斗都會(huì)進(jìn)行電視轉(zhuǎn)播以娛樂大眾。各大公司利用雇傭兵部隊(duì)解決商業(yè)糾紛。在運(yùn)輸行業(yè)，大陸氣墊船公司處于壟斷地位。而新近興起的真空管道運(yùn)輸公司則能大幅降低運(yùn)輸成本，并給消費(fèi)者帶來更好的服務(wù)，從而打破壟斷，但首先，它不得不與前者進(jìn)行戰(zhàn)爭。當(dāng)然，不僅是武器，就連小說中的交通工具也都是20世紀(jì)之前就存在的設(shè)想。氣墊船的概念最早可以追溯到1716年，瑞典科學(xué)家伊曼紐爾·斯維登伯格在研究交通工具表面效應(yīng)時(shí)提到的“懸浮”一詞。到了19世紀(jì)初，有人認(rèn)識(shí)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(yùn)輸?shù)母拍羁梢宰匪莸?810年梅德赫斯特的真空郵遞線構(gòu)想。因此，無論是小說中，還是在真實(shí)的歷史上，真空管道運(yùn)輸?shù)拇_都比氣墊船更新一些。

如果說以前的研究主要限于理論計(jì)算方面，那么到20世紀(jì)70年代，真空管道運(yùn)輸?shù)膿碥O羅伯特·M.薩爾特則開始考慮實(shí)際的運(yùn)營問題。其時(shí)，他設(shè)想了一種位于地下數(shù)百米的堅(jiān)固巖層中的真空管道系統(tǒng)Planetran，貫穿美國東北部的各大都市，并在8個(gè)州設(shè)立9座車站。

當(dāng)時(shí)，日本新干線已經(jīng)運(yùn)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(shù)終歸不甚成熟。所以，他并未將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于自己的設(shè)想，而是提議使用鋼鐵輪胎。列車?yán)秒姶帕铀?，減速則依靠擠壓前方稀薄的空氣，以及相鄰管道內(nèi)列車的加速來實(shí)現(xiàn)。它可以看作大氣鐵路與Vactrain的融合版本。

該系統(tǒng)最值得稱道的，當(dāng)屬其驚人的節(jié)能能力。作為“高能量守恒系統(tǒng)”，列車在減速時(shí)，會(huì)將大部分能量返回系統(tǒng)，以供相鄰管道內(nèi)的車輛加速時(shí)使用。此外，普通列車行駛過程中，空氣阻力所占總阻力的比例超過70%，而真空管道內(nèi)腔的空氣阻力則會(huì)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(shí)速能達(dá)到4800千米，從美國東海岸到西海岸只需21分鐘。

薩爾特認(rèn)為，這套系統(tǒng)將有助于減少飛機(jī)和地面交通工具對大氣造成的破壞，有巨大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。因此，他稱Planetran是美國“合乎邏輯的下一步計(jì)劃”。然而其建造成本預(yù)計(jì)高達(dá)1萬億美元，所以該計(jì)劃并未被政府采納。

3 超級高鐵應(yīng)時(shí)而生

隨著磁懸浮技術(shù)不斷取得突破性成果，真空管道列車的倡導(dǎo)者們也意識(shí)到，這可能是其能否成功的關(guān)鍵因素之一。1991年11月，杰拉德·K.奧尼爾提交了一項(xiàng)專利申請，提出“磁飛行”的設(shè)想：位于管道內(nèi)的列車是在單軌上行駛，而非傳統(tǒng)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于軌道上。他推算，如果將空氣從管道內(nèi)抽出，那么列車的時(shí)速就能達(dá)到4000千米。

時(shí)間進(jìn)入21世紀(jì)，獲得真空的技術(shù)已經(jīng)成熟，高速磁懸浮列車也先后在中國上海、日本山梨等地投入使用?？雌饋恚壐哞F萬事俱備了。2013年，有感于北加州高速鐵路工程緩慢，特斯拉及SpaceX公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克公布了長達(dá)57頁的白皮書，提出在洛杉磯與舊金山之間修建560千米超級高鐵（hyperloop）的想法。在這套系統(tǒng)中，運(yùn)輸艙在真空管道內(nèi)以1220千米的時(shí)速運(yùn)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(shè)想的是類似于戈達(dá)德提出的氣動(dòng)懸浮方式?？梢钥闯?，超級高鐵幾乎完全脫胎于以前科學(xué)家的理論構(gòu)想。

此后，又有多家公司和科研機(jī)構(gòu)相繼進(jìn)入超級高鐵的研發(fā)陣營當(dāng)中，其中就包括中國航天科工、西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京交通大學(xué)、西京學(xué)院等國內(nèi)機(jī)構(gòu)。不過，它們均采用磁懸浮的方式。在大家最關(guān)心的最高時(shí)速上，有的機(jī)構(gòu)也給出了6500千米的數(shù)據(jù)。至于能否達(dá)到，現(xiàn)在尚屬未知。

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

高速列車車軌的作用機(jī)理是車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的核心，但目前高溫超導(dǎo)磁懸浮車的實(shí)驗(yàn)研究，主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)或低速范圍，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以支撐更高速度（超過600千米/小時(shí)）下磁懸浮車懸浮與導(dǎo)向穩(wěn)定性的研究。

真空管道內(nèi)稀薄空氣產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力，是列車運(yùn)行的主要阻力。對于此種低壓高速氣流，現(xiàn)有的仿真很難準(zhǔn)確模擬。

一方面，保持直徑數(shù)米、長度上百千米的管道內(nèi)長時(shí)間的真空度，對管道的結(jié)構(gòu)和密封性要求極高;另一方面，快速抽除如此大空間內(nèi)的空氣，并且精準(zhǔn)維持其中的真空度，對真空設(shè)備也提出更高挑戰(zhàn)。

在低氣壓環(huán)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(dǎo)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(shè)備的散熱機(jī)理，保證系統(tǒng)內(nèi)的熱平衡，是不容忽視的課題。

首先，真空環(huán)境下的無線電信號(hào)傳播尚待研究;其次，管道內(nèi)為真空狀態(tài)，且密封效果好，不易被外界破壞，如果出現(xiàn)突發(fā)事故，如何快速救援，也是一個(gè)值得思考和亟待解決的問題。

正是因?yàn)橐陨霞案辔幢惶峒暗膯栴}，超級高鐵還停留在模型試驗(yàn)階段，遠(yuǎn)未達(dá)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(guān)的科學(xué)家較之以前也更多，所以成為現(xiàn)實(shí)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(xué)家們也曾暢想用這種手段加速飛行器的可能。因?yàn)閭鹘y(tǒng)火箭如果增大載荷，就要將體積造得更大，也要塞進(jìn)更多的化學(xué)推進(jìn)劑。而真空管道運(yùn)輸不僅速度快，還節(jié)約能源，倘若用來加速飛行器，那么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(dǎo)磁懸?。ìF(xiàn)代磁懸浮列車的基礎(chǔ)技術(shù)）的發(fā)明者之一、美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室研究員詹姆斯·鮑威爾，提出了野心勃勃的星際列車（StarTram）計(jì)劃，即磁懸浮太空發(fā)射系統(tǒng)。

顧名思義，該系統(tǒng)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(nèi)。第一代系統(tǒng)的管道長度130千米，出口高度3至7千米。最佳地點(diǎn)是智利的安第斯山脈或新墨西哥州南部的白沙導(dǎo)彈靶場。加速后，太空船能以14300至31500千米的時(shí)速?zèng)_出管道，逃離地球大氣層。這已經(jīng)非常接近第二宇宙速度。

星際列車每隔1小時(shí)發(fā)射一次，每次發(fā)射可攜帶超過70噸重的貨物。從每公斤發(fā)射成本來說，該系統(tǒng)僅需20至50美元。要知道，就連SpaceX也只敢說從原來的4600至20000美元降至1400美元。從建設(shè)費(fèi)用上來說，第一代系統(tǒng)需要200至400億美元，遠(yuǎn)低于航天飛機(jī)30年周期中花掉的1960億美元，與美國2018年的6430億美元軍費(fèi)開支相比更是微不足道。

研究團(tuán)隊(duì)規(guī)劃，第一代星際列車主要運(yùn)送衛(wèi)星等貨物，將于本世紀(jì)20年代完成。第二代系統(tǒng)管道的長度為1000至1500千米，出口高度22千米，每年運(yùn)送一百萬名太空游客，每張船票只需5000美元，計(jì)劃于本世紀(jì)30年代建造完成。

當(dāng)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(shè)、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(shí)驗(yàn)室在可行性方面的驗(yàn)證，目前也有相關(guān)的理論研究和模型試驗(yàn)。如果星際列車能夠成真，它或許能將人類帶入一個(gè)全新的航天時(shí)代。

【責(zé)任編輯：艾"珂】

①人類的技術(shù)手段無法獲得絕對真空。學(xué)術(shù)界定義的真空是一個(gè)相對狀態(tài)，比大氣壓低即可稱為真空，涵蓋了從一個(gè)大氣壓（約105Pa）到虛無的絕對真空（0Pa）之間的寬廣范圍。

①"對氣體稀薄程度的量度。