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特斯拉的超级高铁要来了!

特斯拉的超级高铁要来了!
  达到理论状态的超级高铁从美国纽约到洛杉矶只要5分钟,纽约到北京只需2小时,环球旅行只需要6个小时。它的速度几乎磁悬浮列车的两倍,甚至达到了音速。由马斯克先生2013年提出的超级高铁(Hyperloop)计划,获得了全世界的关注,近年开始飞速的发展,并已经开始搭建测试轨道工作,最初只是源自科幻小说的一个奇幻概念,但是现在却开始加速成为现实了。
 
 

  什么是超级高铁

  超级高铁,Hyperloop,也称Pneumatic Tubes,从英文的字面解释,Hyperloop即超级回路,Pneumatic Tubes则为气动地铁。简单的说,Loop是一系列的气流输送管,将坐在胶囊中的乘客沿着空气河送到目的地,速度可达到亚音速。
  超级高铁如何秒杀磁悬浮、飞机?
  依据Hyperloop运输概念体系设计方案,目前计划可用35分钟时间把乘客和汽车从洛杉矶运往旧金山,时速高达760英里(约1233公里),而北京到上海的直线距离约为1088公里,即大约80分钟乘客即能从北京运达上海。
  而若达到理想状态,“胶囊”列车“漂浮”在处于真空的管道中,“胶囊”车厢运行速度最高可能达到每小时6500公里。这样算下来,从美国纽约到洛杉矶只要5分钟,纽约到北京只需2小时,环球旅行只需要6个小时。
  由于测试轨道长度有限,毕竟只有8公里长,当前阶段,HTT进行测试的超级高铁列车最高只能以最高320km/h的速度进行测试。
 
  
 
  埃隆马斯克(Elon Musk),在线支付巨头贝宝(PayPal)的联合创始人之一,目前掌管着特斯拉(Tesla motors)、Space X和Solar City等多家公司,从Space X进行太空探索,到家庭电池改变世界,这位“现实版钢铁侠”一次又一次推进着世界对于科技想象的边界。2013年8月,提出了惊世骇俗的超级高铁Hyperloop计划,再次引起了人们的热议。
 

  超级高铁计划进展

  2013年8月,超级高铁这种极具想象力的项目在提出后,这一概念获得了全世界的关注,近几年开始飞速发展。并不是由马斯克及其旗下的Space X一家主导,目前已经多家公司参与研究开发,各家的具体研究方向和进度也不完全一样,目前大致都已处于开始铺设测试轨道的阶段。
  Space X
  2015年,Space X对外宣布,已经开始建造一条Hyperloop的测试轨道,这条将近2公里长的测试轨道坐落于加利福尼亚霍桑市外——Space X的总部附近,用以对Hyperloop的各项前沿技术进行测试。
  除此之外,Space X还举办了一项Hyperloop设计竞赛,面向所有人开放,鼓励高校大学生和独立工程团队参加。由于这还是一个崭新的工程领域,发起竞赛有助于推动解决超级高铁各方面的技术难题。
  Hyperloop Transportation Technologies
  位于加利福尼亚州埃尔塞贡多的初创公司JumpStartFund接过了马斯克的这个设想,开始进行超级高铁的研制工作。JumpStartFund将众筹和众包模式——从所有的地方汇集资金和智慧——结合起来,把兴建超级高铁的雄心壮志逐步从设想推向现实。
  JumpStartFund的公司首席执行官德克-阿尔博恩(Dirk Ahlborn)主动与SpaceX公司接触,把这个项目放在了自己的在线平台上,并成立了一个名为“Hyperloop运输技术”(Hyperloop Transportation Technologies)的子公司,来专门负责这个项目。
  其中最突出的一家是Hyperloop Transportation Technologies(HTT)公司,他们正在搭建的轨道最快明年就可以投入测试。
  这条轨道长达8公里,位于加利福尼亚地区的Quay山谷地区。轨道一旦搭建成功,将成为第一个全尺寸的Hyperloop模型,能够对这项交通方式的系统和所有技术进行全局的测试和考量。
  然而由于轨道长度还比较有限,毕竟只有8公里长,HTT到时候进行测试的超级高铁列车最高只能以320km/h的速度进行测试。
 
 
  首席执行官德克-阿尔博恩(Dirk Ahlborn)指出:“测试的速度其实并不是最重要的,更重要的是这套系统方方面面的细节能够得以弄清,是时候将Hyperloop从概念和设计阶段推向落实阶段了。”
  HTT公司表示力争在10年后建成贯穿美国全国的超级地铁网络。
  HTT吸引了上百名来自波音、美国宇航局、雅虎、空中客车以及Space X的专业工程师投入研究。比较新颖的是,这些人才都散落在美国各地,通过兼职的方式为HTT做贡献,每个人只要每个星期为HTT工作至少十个小时,酬劳是获得该公司的股票期权。
  成员根据兴趣和技能,分成了不同的工作小组,涵盖了这个宏大项目的各个方面,包括路线规划、传输舱设计,以及成本分析等。工作主要是通过电子邮件完成的,每周大家都会讨论进度状况。阿尔博恩说,组织的扁平化程度非常高,但牵头的人自然而然就会冒出来。如果某件事需要做个决定,就由担任CEO的他来拍板。
  很多工作是由加州大学洛杉矶分校的25名学生完成的。该学校的SUPRASTUDIO设计和建筑项目与JumpStartFund开展了合作,现在的学生们正在做Hyperloop系统所需的所有设计方案。
  公司CEO德克-阿尔博恩表示:“我们的团队将继续壮大,除了这些新的盟友,还有HTT合作精神的代表,这是我们在2016年实现成功创新的关键。我们收到了很多专业人士的申请,每天还有不少行业领先的公司与我们联系。”
  埃隆马斯克为超级高铁的设计勾勒了怎样的蓝图,让超级高铁计划得以吸引天下英杰共筑大业?
 

  超级高铁的设计理念

  以下内容摘自2013年8月埃隆马斯克提出的超级高铁项目的博文:
  “它有望成为比飞机、火车、汽车和轮船更快、更廉价、更节能的交通方式。”
  “如果开始对新交通系统进行巨额投资,按理说回报率也会相当大。对于当下选择方案,它的理想状态应当是:
  更安全、速度更快、成本更低、更便利、足以抵抗地震、足以抵抗各类破坏、不受天气影响、可持续自主供电。”
  一旦技术可行,造价将非常低廉,可以说集合了目前所有交通方式的优点若真实现,可以说是人类交通史上的一大里程碑。那么超级高铁的技术层面又将如何实现?
 

  Hyperloo技术原理究竟是什么?

  “超级高铁”是种新的交通方式。根据设计,“超级高铁”系统使用巨大、近乎真空的管道把主要城市相连接。在管道内部,车厢悬浮于空中,乘客坐在密封仓内,然后通过巨大的管道以次音速航行,时速可达1233公里。
 
  图:Argo Design公司的超级高铁设计图
 
  超级高铁的技术原理解释起来并不难懂,其核心是将列车舱体置于一段几近真空的管道之中,并通过磁铁来提供动力加速。因为管道中接近真空,因而空气阻力——高速列车加速的最大障碍——将不复存在,进而借助空气压缩机提供升力、磁铁提供推力的超级高铁列车理论上能接近音速(1200+km/h)。
 
  
 
  超级高铁的速度远超当下最快的磁悬浮列车,后者的速度极限仅为500km/h左右。因为磁悬浮列车的磁铁动力除了需要提供推力还要提供升力,而超级高铁列车的磁铁动力全部用于推进,加上接近零的空气阻力,使得超级高铁的速度是磁悬浮两倍有余。
  根据当前理想的设计方案,该系统的密封仓可以通过沿着管道内壁设计的空气轴承滑板,悬浮在运输管道内壁之上。为避免管道与密封舱的内壁过于接近带来的窒息风险,他建议在密封舱前安装一个电动压缩机,主动将前方的高压空气输送到后方。这就像是在注射器前面安装一个气泵,主动释放压力。
  马斯克认为该系统最适合900英里(约合1500公里)以内的运输。超过900英里后,管道的建设成本就过高,最好还是使用超音速喷气式飞机。
  据悉,该系统将采用自供电设计,使用管道顶端的太阳能面板发电,推动车舱前进的电动机是一种线性电感应发动机,与特斯拉Models S汽车使用的电动机相似。能量可以压缩空气的形式存储起来,反过来通过驱动电扇来发电。
  加州大学洛杉矶分校物理学教授西蒙认为,从技术角度来看“超级高铁”是可行的,“看上去几乎所有问题用现有的已知技术都可以解决,不需要什么全新的发明”。
 

  超级高铁的细节进展

  路线规划
  研究成员需要考虑到实际交通中的复杂多变的地理环境和建筑物的影响,运用恰当的算法制定出合理的路线,优化车舱的速度和舒适性。举个形象的例子来说,当在乘坐飞机时,乘客并不会因为超高的行驶速度而产生不适的身体反应。但是如果飞机遇到气流冲击的影响,不稳定的晃动,由此便如同“蝴蝶效应”一般,乘客会产生呕吐、恶心等不适症状。
  阿尔伯恩表示,在实际生活中,高铁的轨道是不可能做到尽可能的平滑而无曲折的,所以这就是团队目前正在努力的方向,并试着选择不同的路线。
  在研究可能的路线时,加州大学洛杉矶分校的学生们设想了在美国、欧洲和亚洲建成纵横交错的管道网络。但我们至少需要10年的时间,才能建成在商业上可行的Hyperloop高速列车,所以全国管道网是很难想象的。于是他们提出了一个“迷你Hyperloop高速列车”计划,由比较短的进入城市、围绕城市的路线组成。
 
  图:团队设想的覆盖全美的超级高铁路线网
 
  胶囊传送舱
  马克斯对于超级高铁传输舱的雏形还是有许多有待完善的地方,马斯克建议门向上打开,但阿尔博恩说,这是很难实现的,因为管道内气压较低,传输舱的门需要相当沉重才行。所以团队最总决定了采用“泡泡策略”。传输舱就是“泡泡”,它外形时髦,有漂亮的门窗。乘客进入传输舱。然后传输舱在进入管道时,被装入了一个外壳。外壳可以帮助它在轨道中移动,里面配有有空气压缩机和其他所需部件。
 
  
  传输舱外形时髦,有漂亮的门窗。传输舱在进入管道的时候,会被装入一个外壳。
 
  
  传输舱内部模型图
 
  不仅如此,由于舱内没有窗户,空间较为狭窄,设计师利用舱顶的虚拟现实屏幕,播出一些类似蓝天白云的画面,营造出一种开放感,从而消除乘客的幽闭恐惧症。
  不过不要指望Hyperloop高速列车可以消除阶级差别:除了货运传输舱之外,还会有经济舱和商务舱之分。商务舱的空间比较宽敞。
 
Hyperloop舱配有电视机,乘客可以在旅途的过程中看电影或办公。
  乘客可以在旅行屏幕装置中选择不同的仿真虚拟环境,比如海底世界。
  商务舱的环境很奢华,总共可容纳8人。
 
  车站
  学生的设想是,当你到达车站时,把行李交给一个基瓦机器人(亚马逊的仓库使用的那种机器人),然后你通过安检。那是一个移动的人行道,位于金属探测器下方。这个想法还有待斟酌,因为经过机场安检的人都知道,有很多人都会忘记把硬币或其他金属物从口袋里取出来。但是,一旦通过安检,你将能在大堂里买东西、吃东西、上卫生间,或租用平板电脑了。然后你前往月台,坐上自己的座位,然后出发。
 
  
 
  Hyperloop高速列车系统由两根管道组成,方向一正一反。当传输舱到达车站后,它从侧面滑到月台上,让乘客下车。然后传输舱将被载入反方向的管道中,做好再次出发的准备。
 
  
  现在,设计团队正在努力研究,如何让汽车也能“坐上”Hyperloop。
 
  Hyperloop的首席设计师认为未来列车将具有更加灵活的形态,所以为Hyperloop设计了所谓的“点唱机”系统,车厢将拥有多种不同的配置,通过大型机械手臂可自由组合车厢,比如能够容纳大中型轿车的运输车厢、不同配置的旅客车厢等,满足多种运输需求。
  图为 定制化模块式车厢
 

  面临的最大难题和挑战

  1.技术层面的难题
  JumpStartFund和加州大学洛杉矶分校的学生都取得了不错的进展,但在真正进入测试、验证和施工这些环节之前,还有很多问题仍需解决。阿尔博恩说,如何修建低压管道以及支撑它的外挂架的问题,大部分都已经解决了,设计制造传输舱应该也不会太棘手。困难的部分是让传输舱在管道中移动,看看速度究竟能有多快。为了减少管道中的摩擦力,马斯克提出使用压缩机,在传输舱下方制造空气隔层。
 
 
  这是最省钱的方法,阿尔博恩说,但它也存在缺点。他的研究小组正在研究磁悬浮和其他可能的替代方式。“我们希望找到实现它的最好方式。”
  退休物理学家、超导磁悬浮概念的联合提出者詹姆士·鲍威尔(James Powell)说:“轨道的误差必须非常小,因为如果墙壁的位置差之毫厘,都可能导致灾难。”
  另一方面,这么长的管道要维持低压甚至接近真空的状态是极其困难的,列车前段的空气压缩机也不能出一点儿问题,否则乘客舱就会撞到管壁上。
  鲍威尔说:“整套系统非常脆弱,哪怕一个点失败,都有可能引发灾难。”
  举例来说,有人可能在管壁上穿个孔,或地震导致管道稍微移位,这都可能导致乘客舱崩溃。与之相比,在超导磁悬浮中,磁铁非常稳定,运行也可靠,它不需要持续控制以确保悬浮。
 
  2.对于预算的质疑
  “一旦我们完成了前期工作,知道了该如何兴建它,而且在经济上也合理可行,那我们就能筹到资金,对此我毫不怀疑,”阿尔博恩说。马斯克曾经估算过,修建400英里的Hyperloop高速列车系统大约将耗资60亿到100亿美元,从该团队当时的研究来看,这个数字是靠谱的。然而到了2015年八月,耗资又立刻增加到了160亿美元。
  有鉴于这段时间以来,连一些非主要项目都获得了风险投资,为Hyperloop筹集资金应该不会太困难,虽然它的投资者需要有不同寻常的耐心才行。阿尔博预计将在2016年建成第一个原型。最终成品“可以在十年内建成”,阿尔博恩说,“这绝对没有问题。”
  但也有部分人士针对超级高铁的成本计算也引发了不少质疑,他们表示,超级高铁理论上看似容易,现实则是骨感的,超级高铁实际上不可能如此便宜。一方面”8公里1亿美元“只是最初期的测试轨道的铺设花费,和最终测试完全、解决所有技术难题后的轨道不是一回事儿。
  另一方面,研发成本并没有计算在内,而对于这项极为前沿科技的项目,其研发成本毫无疑问是巨大的,为解决技术难题而投入的人力、物力、财力等目前都难以估量。
  
 
      结语:可以肯定的是,激起世界兴趣的Hyperloop超级高铁还处于起步阶段,从设计雏形到完成成品,还需要集结全世界最优秀的工程师,科技人员,学者,等各界专业人员来一同协作,克服难关,才有可能完成来自未来的列车--超级高铁。一旦成功,其影响也必将改变历史,改变世界,彻底颠覆人类对于交通的认知。
  这也是为什么马斯克、阿尔博恩、以及所有开发、兴趣者对Hyperloop高速列车项目很热衷的原因,它是一个非常艰巨的任务,这也正是它的迷人之处。
 
 

 

价值中国网编 2015-09-01
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