超級高鐵（Hyperloop）理念分析

1 引言

2013年8月，埃隆?·?馬斯克（Elon Musk）在一份名為“Hyperloop Alpha”的白皮書中提出了超級高鐵（Hyperloop）理念，這是一種在密閉的低真空管道中用所謂的“膠囊”運輸乘客和貨物的運輸系統(tǒng)。但從那時起，也出現(xiàn)了一些質(zhì)疑的聲音，其焦點集中在Hyperloop的技術(shù)實施及盈利能力問題上。由此可以看出，人們所關(guān)注的是，Hyperloop能否成為可真正發(fā)揮潛能的新運輸系統(tǒng)，以及其相對于其他鐵路運輸方式的差異和優(yōu)缺點何在。

2 磁懸浮列車發(fā)展概況

磁懸浮列車可被視為Hyperloop的前身。與傳統(tǒng)的鐵路運輸方式相比，磁懸浮列車的主要優(yōu)點是運行更安靜，行駛速度更高，加速能力更強(qiáng)，以及設(shè)施基本無磨損。

20世紀(jì)下半葉，德國的西門子公司（Siemens AG）和蒂森克虜伯公司（ThyssenKrupp）合作研發(fā)了磁懸浮列車Transrapid，其設(shè)計最高運行速度達(dá)500 km/h。盡管其技術(shù)應(yīng)用已達(dá)到成熟階段，并在埃姆斯蘭（Emsland）約30 km長的試驗線路上進(jìn)行了密集的運行測試，但僅在上海建造了一條商用線路。該線路（即上海磁懸浮列車示范運營線）長30 km，于2006年開通運營，測試行車時的最高速度達(dá)到501 km/h，但實際最高運營速度僅為300 km/h。降低速度的主要原因之一是速度越高，能量需求越大。因此，在這之后，中國和德國轉(zhuǎn)而不斷加大對于高速鐵路的投資。日本目前正在為其磁懸浮列車JR-Maglev建造一條新生產(chǎn)線。

磁懸浮列車能否在其他國家得到應(yīng)用和推廣還有待觀察。大多數(shù)專家認(rèn)為，如果能夠解決經(jīng)濟(jì)性問題，磁懸浮列車將在客運領(lǐng)域具有較大的競爭力。

3 Hyperloop 理念概述

在馬斯克首次提出Hyperloop理念之前，就已經(jīng)存在對類似系統(tǒng)的設(shè)想和研究。早在20世紀(jì)初，就有人提出了在真空隧道中運行列車的想法。2013年8月，馬斯克在Hyperloop Alpha白皮書中正式首次提出Hyperloop理念。

之前的類似理念主張制造一個真空或者近似真空的列車運行環(huán)境，從而大幅減小空氣阻力，實現(xiàn)列車的高速運行。然而，白皮書中認(rèn)為，這種狀態(tài)極難維持，管道上微小的裂縫或泄漏點就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)。因此，馬斯克的Hyperloop是一個在低真空環(huán)境中（而不是在真空或近似真空狀態(tài)下）運行的系統(tǒng)，其管道內(nèi)的氣壓為100 Pa，約為海平面氣壓的1/1 000，這將使管道內(nèi)的空氣阻力與海平面處相比減小約1 000倍。為使氣壓保持在此水平，必須在限制空氣泄漏量的前提下，用空氣泵抽吸管道中的空氣。

Hyperloop的管道中始終殘存著一定量的空氣。當(dāng)膠囊（即列車）在狹窄管道中行駛時，空氣只能在膠囊與管道內(nèi)壁之間的空隙中流動。因此，當(dāng)膠囊的運行速度足夠高時，膠囊周圍的空氣流速會達(dá)到聲速，從而發(fā)生阻塞效應(yīng)，導(dǎo)致空氣阻力不降反升。從理論上講，可以通過將管道直徑增大為膠囊直徑數(shù)倍的方式避免發(fā)生阻塞效應(yīng)。但出于成本的考慮，該方案不可行。為此，馬斯克提出可通過在膠囊上安裝高功率空氣壓縮機(jī)的方式解決上述問題?？諝鈮嚎s機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)會從車頭處吸入空氣，并在膠囊下方形成氣墊，將膠囊抬升起來，從而減小摩擦力，提高膠囊的運行速度（圖1）。但Hyperloop不同于磁懸浮列車，原因在于膠囊的懸浮狀態(tài)不是通過磁場實現(xiàn)的。馬斯克認(rèn)為，利用磁場實現(xiàn)懸浮的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其提出的氣墊解決方案。

馬斯克指出，膠囊的加速和制動由線性電機(jī)控制，可以實現(xiàn)全線的高加速度。此外，空氣壓縮機(jī)也能夠在膠囊達(dá)到旅行速度后提供所需的推動力。Hyperloop膠囊的最高運行速度可達(dá)到1 223 km/h，略低于聲速1 236 km/h，但其理論速度甚至還可以更高。因此，不能完全排除其在較長距離上實現(xiàn)超聲速的可能性。然而，與達(dá)到此速度的Hyperloop相比，飛機(jī)運輸?shù)某杀久黠@更低。

Hyperloop的一大優(yōu)點在于其采用的高架結(jié)構(gòu)。Hyperloop運輸管道（圖2）由鋼材料制成，內(nèi)徑為2.23 m或3.30 m，具體取決于所用膠囊大小（圖3），其各部分是預(yù)制的，可直接安裝在線路上。支撐管道的鋼筋混凝土支柱平均高度為6 m，支柱間的間隔距離為30 m。這種高架結(jié)構(gòu)可減少Hyperloop基礎(chǔ)設(shè)施安裝所需的空間，減小需要購買的土地面積。對于正在規(guī)劃中的洛杉磯—舊金山線路，由于除小半徑曲線處及城市中的區(qū)段外，其大部分是沿著加利福尼亞州5 號州際公路修建的，因此需要購買的土地更少。該線路計劃平行建造2 條管道，上下行線路分別使用1條。

圖1 白皮書中的膠囊設(shè)計草圖

圖2 Hyperloop運輸管道

圖3 膠囊示意圖

整個Hyperloop系統(tǒng)所用的電能全部由安裝在管道外側(cè)的太陽能電池板提供。據(jù)馬斯克稱，其生產(chǎn)的電能甚至還有富余量，可饋入普通電網(wǎng)，或者存儲在適當(dāng)?shù)哪芰看鎯ρb置中，以保證系統(tǒng)在日光不好的白天和夜間正常運行。

馬斯克將他的Hyperloop理念免費分享給所有關(guān)注者。隨后便誕生了許多致力于將這一理念付諸實踐的公司，其中最著名的有美國的Hyperloop Transportation Technologies（Hyperloop TT）、 Virgin Hyperloop One、SpaceX，加拿大的TransPod，以及荷蘭的Hardt Hyperloop。這些公司都開發(fā)了各自的Hyperloop系統(tǒng)。與馬斯克的Hyperloop理念不同的是，最大的2家公司Hyperloop TT和Virgin Hyperloop One采用的是電磁懸浮系統(tǒng)。其中的一些公司已經(jīng)建造了測試線路，并計劃在未來10年內(nèi)將其產(chǎn)品投入商業(yè)運營。

4 批判性觀點

關(guān)于Hyperloop理念能否實現(xiàn)的問題，目前存在質(zhì)疑之聲，質(zhì)疑的焦點集中在其具體實施方案和盈利能力上，具體如下。

（1）專家們認(rèn)為膠囊的應(yīng)用及其加速是一項從未付諸過實踐的技術(shù)，需要經(jīng)過大量的試驗驗證才能成熟。

（2）系統(tǒng)的實際能量需求不明確。降低管道內(nèi)氣壓并放棄制造真空或近似真空環(huán)境是明智的決定，也是將能量需求保持在最低水平的有效措施。但即使采取了這種措施，管道上安裝的太陽能電池板所產(chǎn)生的電能仍無法像馬斯克設(shè)想的那樣完全滿足該系統(tǒng)的能量需求。

（3）盡管白皮書中考慮到系統(tǒng)的地震安全性，但專家們?nèi)匀粚τ谄渚o急制動系統(tǒng)的有效性提出了質(zhì)疑。據(jù)馬斯克稱，該系統(tǒng)在檢測到首輪地震波時會立即觸發(fā)緊急制動。然而，即使在以極高的減速力實施緊急制動的情況下，Hyperloop膠囊也需要至少15 s的緊急停車時間，并向前行進(jìn)至少2 km。在強(qiáng)烈地震中，這個時間顯然太長。

（4）由于空氣壓縮機(jī)的作用，膠囊和管道中會產(chǎn)生和積累大量熱量，這些積聚的廢熱會帶來其他問題。

（5）專家們認(rèn)為馬斯克對乘客和行李重量相關(guān)的列車凈載重預(yù)估過低。

（6）馬斯克關(guān)于旅行時間的預(yù)估也遭到質(zhì)疑，因為他未將必要的安全檢查時間納入其中，而且由于洛杉磯—舊金山線路的起點和終點具體在何處尚未確定，因此其實際旅行時間也難以精確計算。

（7）馬斯克預(yù)估的0.5g加速度過高。盡管加速度g力僅持續(xù)幾秒鐘，但其產(chǎn)生的載荷與飛機(jī)起飛時相當(dāng)。此外，Hyperloop加速需要超過5 min的時間，許多乘客可能因此感到不適。

（8）目前，各Hyperloop公司在其管道上沒有設(shè)置或者僅設(shè)置極少的緊急出口，也沒有完備的安全和應(yīng)急理念和措施。對以上2方面進(jìn)行完善都將顯著增加Hyperloop系統(tǒng)的總成本，從而降低其經(jīng)濟(jì)性。

（9）目前，尚無有關(guān)Hyperloop技術(shù)的法律或法規(guī)。在美國和歐盟，進(jìn)行相關(guān)的立法可能要花費數(shù)年時間，從而延遲Hyperloop線路的建設(shè)時間。

（10）Hyperloop公司發(fā)布的成本估算明顯偏低。根據(jù)專家的估算，Hyperloop總成本應(yīng)高于高速鐵路的成本。

5 與其他鐵路運輸方式的比較

本節(jié)將Hyperloop的運輸能力與高速鐵路和磁懸浮列車進(jìn)行了比較（表1）。對于Hyperloop，將考慮發(fā)車間隔分別為2 min和5 min時的載客量；5 min的發(fā)車間隔用于Hyperloop的初期運營階段，以留出足夠的緩沖時間。對于高速鐵路，考慮到基于現(xiàn)有的列車防護(hù)系統(tǒng)，采取較短的發(fā)車間隔不現(xiàn)實，因此設(shè)定發(fā)車間隔為5 min。如果將來這一領(lǐng)域有進(jìn)一步的發(fā)展，則發(fā)車間隔可能縮短。因此，表中還列出了發(fā)車間隔為3 min時的預(yù)估載客量。對于磁懸浮列車，由于其技術(shù)條件允許，將其發(fā)車間隔設(shè)定為更短的2 min。此外，設(shè)定每列高鐵列車的載客量為900人，每列磁懸浮列車的載客量為500人。

表1 Hyperloop、高速鐵路和磁懸浮列車運輸能力比較

由表1可知，若使用設(shè)置28個座位的膠囊（型號 1），Hyperloop每個方向每小時可運輸乘客336人次；若將發(fā)車間隔縮短為2 min（其操作可行性尚未得到證實），可運輸840人次。而高速鐵路列車和磁懸浮列車每個方向每小時的客運量都超過了10 000人次。即便使用設(shè)置40個座位的大型膠囊（型號2），Hyperloop的客運量與高速鐵路列車和磁懸浮列車相比仍然差距巨大。由此可見，Hyperloop明顯偏低的運輸能力是其主要缺點。此外，Hyperloop的上述缺點還造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)問題，即嚴(yán)重限制其車票銷售收入。

專家還指出，Hyperloop簡言之就是一種管道中運行的磁懸浮列車，雖然其可能實現(xiàn)更高的運行速度，但兩者十分相似。而以Transrapid為代表的磁懸浮列車，盡管技術(shù)已經(jīng)成熟，但最終仍未實現(xiàn)推廣。Hyperloop也面臨相似的問題，即其運行速度優(yōu)勢是否足以推動其推廣應(yīng)用。

6 結(jié)語

總而言之，Hyperloop項目的可實現(xiàn)性在很大程度上取決于其運輸能力、技術(shù)競爭力、建設(shè)和運營成本，以及總體盈利能力。Hyperloop理念在早期實施階段，應(yīng)將重點放在可能的點對點連接上，因為這相對容易實現(xiàn)。

Hyperloop在歐洲（尤其是西歐和中歐）的應(yīng)用可能性比較小，因為那里已經(jīng)有非常密集的鐵路網(wǎng)絡(luò)，尤其在德國、法國、西班牙和意大利有極為發(fā)達(dá)的高速鐵路交通系統(tǒng)，建造Hyperloop意義不大。此外，Hyperloop的成本高、運輸能力低下等問題也是其硬傷。

圖4 迪拜至阿布扎比Hyperloop線路

Hyperloop在某些地區(qū)也具有實現(xiàn)可能性。例如，阿拉伯聯(lián)合酋長國正在規(guī)劃建設(shè)一條從迪拜至阿布扎比、長約150 km的Hyperloop線路（圖4），該項目還得到了該國政府的大力支持。這條線路可能成為世界首條建成的Hyperloop線路。其實施將提供有關(guān)Hyperloop實際成本的信息，研究者可以此為依據(jù)評估其盈利能力，若評估結(jié)果為正向，則可作為項目推廣的催化劑；但若為負(fù)向，則大多數(shù)Hyperloop項目將中止。