从地底到太空，超级高铁的前世与今生

图片起原@视觉中国 （自媒体久久自媒体）

文|刘文元

（原文来自www.jj00.com）

2013年，在“钢铁侠”埃隆·马斯克的号召下，超等高铁的概念（一种在真空管道中运行的交通对象）广为人知，近几年敏捷成为很多国度科研和社会商议的热点。但其实，雷同的设想早在两百年前就已经有人提出。

本文将对真空管道运输的演进汗青进行简要梳理，一窥超等高铁的宿世与此生。

01压力差即动力

真空手艺的发端，汗青上有切实记载的就是1643年的托里拆利实验：在密封的长管中注满水银并倒置在水银槽里即可发现，大气与真空之间的压力差，可以顶起760毫米水银柱。而真空手艺应用的第一个案例，则是1654年的马德堡半球实验：将两个半球合成为直径119厘米的球体，并用真空泵抽闲内部气体，，之后在两侧各用8匹马都无法拉开。

马德堡半球实验

能够说，这两个有名的实验都行使了大气与真空[1]之间有伟大压力差的道理，同时也是这种压力差可以发生机械感化力的证实。后人也从中获得了输运物品的开导。

1799年，一位名叫乔治·梅德赫斯特的英国机械工程师和发现家，申请了一项经由压缩空气获取动力的风机泵专利。次年，他又申请了行使压缩空气驱动汽车的“风驱”动员机专利，与此同时，他提出风驱汽车办事规划，并建议内行车路线上设置泵站为其持续增补动力，能够懂得为雷同于电动汽车和充电桩之间的关系。

大气铁路

大气铁路

基于此前的构想，梅德赫斯特于1810年提出真空邮递线的设想，并认为这种行使气压差在管道中传送信件和货物的方式，比邮递员挨家挨户输送要加倍快捷、高效。进一步地，他起头想象用规模更大的管道运输列车的或者性。

1812年，他首次揭橥了一篇关于大气铁路的理论较量文章，论证了在铁轨上方架设直径数米的管道，经由气压差来快速输送货色和乘客的可行性、结果和优势。此外，他还构想了另一种大气铁路的形式，即在铁轨下方铺设一根长管，管道内有器件与列车相连，器件在气压差的驱动下活动，从而带动列车行进，列车的动力源不是车头，而是车体下方的管道。

在他作古前不久的1827年9月，出书了著作《新型内陆运输系统》，对气动推进推崇备至，认为这种体式即使没有马匹或其他动物供应动力，也能达到96公里的时速。

大气铁路行使气压使车体沿轨道进步，而非用车头作为动力。

然而，因为如许那样的原因，大气铁路并没有成功实施，这一设想也就逐渐被充耳不闻。直到2018年，一位89岁的美国工程师马克斯·施力格把它酿成实际：他在自家的葡萄园里架设了一条轨道，铁轨之间有一根直径30厘米的聚氯乙烯管，管道外连一台泵，用以抽出管中的空气或将空气注入管中。

马克斯·施力格的大气铁路

在气压差的感化下，管道内的“推力车”便带动与之经由磁铁相连的列车行驶起来。这套只有尺度铁路系统六分之一巨细的模型运行究竟表明，它可以随意战胜传统列车无法超越的陡峭坡度，并且运行噪音更小，不需要高架输电线路，泵也能用可再生能源驱动。

马克思·施力格用大气铁路的模型进行演示：在管道一端向内吹气，列车模型就会在气压鞭策下行进。

2、从旧理论到科幻到新理论

在梅德赫斯特作古后的一个多世纪里，真空管道运输的理论研究慢慢走向深入和完美。并且，此种运输体式在方才鼓起的科幻文学中也大放异彩。那些作品中的设想看似超前，但其实从时间线上看，要滞后于科学家的理论研究，都有各自的理论原型。

1888年，儒勒·凡尔纳的儿子米歇尔·凡尔纳受大气铁路的开导，揭橥了超短篇小说《将来快车》。小说中设想了一种铺设在大西洋海底的钢铁管道，长度跨越4800公里，直径约1.5米，重量跨越1300万吨，将欧洲和北美保持起来。管道被三层铁网包裹，外外观涂满树脂，以使其免受海水运动的损害。

在壮大的气流吹动下，管道内列车的时速高达1800公里，从波士顿出发，两小时四十分钟内就能抵达利物浦。这种系统的长处显而易见：管道的内外观经由精美抛光，有按捺乘客重要不安情绪的感化；凭据季候的分歧，气流能够调节、平衡管道内的温度；抛开重力和损耗等问题，该系统的建造和运营费用低廉，所以票价也难以置信地低。

艺术家A.J.Johnson为《将来快车》绘的插图

不外，大气铁路需战胜空气阻力，以及车轮与铁轨间的摩擦力，理论速度天花板较低。此外，尽量车辆可以达到很高的速度，那时的气动噪声和气动振动也会变得很大，能量消费也随之大幅提高。是以，跟着科学的成长，理论研究逐渐朝着解脱摩擦力和空气阻力的偏向进步。

1904年，现代火箭手艺之父罗伯特·H.戈达德提出vactrain的设想，这是首个现代意义上的真空管道运输系统。当时，他照样美国伍斯特理工学院的大一新生。他设想列车在连结真空状况的管道中滑动，为了经由非磁性手段使列车加快、减速，以及防止摩擦，需要在相对可移动部件，好比车轮与车轨之间施加流体压力，方式是用喷嘴喷出高压高温液体，液体被喷出后马上就会酿成高压蒸汽，从而使车体悬浮于轨道上。

实质上，列车能够算作是在一层高压液膜上行驶。1906年，戈达德在短篇小说《高速往返》中完美了这一设想。三年后，《科学美国人》以《快速交通的极限》为题揭橥了该作品的概述。

戈达德vactrain专利中的示意图

戈达德的设想能够说是大气铁路向超等高铁的过渡。与大气铁路比拟，vactrain的管道处于真空状况，列车不再行使气压差供应动力，而且首次考虑到降低空气阻力，杜绝列车与轨道间发生摩擦。与超等高铁比拟，vactrain的形式已经与之非常接近，只不外在使列车悬浮和行进的手段方面，绝大多数超等高铁方案均采用磁悬浮手艺，vactrain行使的是高压气体。

1955年，波兰科幻巨匠斯坦尼斯拉夫·莱姆出书了《麦哲伦星云》。这部小说以32世纪的共产主义乌托邦为配景，人类已经完成整个太阳系的殖民，正在测验星际观光。在小说中，莱姆描写了一种名为“Organowiec”的洲际真空列车，这种列车在透亮的真空管道中可以以跨越1666公里的时速行驶。这显然受到了vactrain的影响。

《雇佣兵》封面

1962年，美国科幻作家麦克·雷诺兹揭橥在《类比》上的短篇《雇佣兵》，更是将真空管道运输提到至关主要的位置。

在小说中，和平已经实现，为防止显现世界扑灭的或者，当局划定斗争仅能使用20世纪以前设计的兵器，而且，所有的斗争都邑进行电视转播以娱乐公共。各大公司行使雇佣兵军队解决贸易胶葛。在运输行业，大陆气垫船公司处于垄断地位。而新近鼓起的真空管道运输公司则能大幅降低运输成本，并给消费者带来更好的办事，从而打破垄断，但首先，它不得不与前者进行战争。

当然，不光是兵器，就连小说中的交通对象也都是20世纪之前就存在的设想。气垫船的概念最早能够追溯到1716年，瑞典科学家伊曼纽尔·斯维登伯格在研究交通对象外观效应时提到的“悬浮”一词。到了19世纪初，有人熟悉到将压缩空气打入船底，能够削减航行阻力，提高航速。真空管道运输的概念能够追溯到1810年梅德赫斯特的真空邮递线构想。是以，无论是小说中，照样在真实的汗青上，真空管道运输切实都比气垫船更新一些。

若是说以前的研究首要限于理论较量方面，那么到20世纪70年月，真空管道运输的拥趸罗伯特·M.萨尔特则起头考虑实际的运营问题。当时，他设想了一种位于地下数百米的坚硬岩层中的真空管道系统“Planetran”，贯穿美国东北部的各多半市，并在8个州设立9座车站。

其时，..新干线已经运营了近10年，磁悬浮列车的研究也正活着界列国如火如荼地开展，但手艺终归不甚成熟。所以，他并未将磁悬浮手艺应用于本身的设想，而是提议使用钢铁轮胎。列车行使电磁力加快，减速则依靠挤压前方稀薄的空气，以及相邻管道内列车的加快来实现。它能够看做大气铁路与vactrain的融合版本。

该系统最值得称道的，当属其惊人的节能能力。作为“高能量守恒系统”，列车在减速时，会将大部门能量返回系统，以供相邻管道内的车辆加快时使用。此外，通俗列车行驶过程中，空气阻力所占总阻力的比例跨越70%，而真空管道内腔的空气阻力则会极大地降低，能耗天然随之降低，使得每位乘客消费的能源成本还不足1美元，并且整段旅程的平均时速能达到4800公里，从美国东海岸到西海岸只需21分钟。

萨尔特认为，这套系统将有助于削减飞机和地面交通对象对大气造成的损坏，有伟大的情况和经济效益。是以，他称Planetran是美国“合乎逻辑的下一步规划”。然而其建造成本估计高达1万亿美元，所以该规划并未被当局采纳。

3、超等高铁应时而生

跟着磁悬浮手艺络续取得冲破性功效，真空管道列车的倡导者们也意识到，这或者是其可否成功的要害身分之一。1991年11月，杰拉德·K.奥尼尔提交了一项专利申请，提出“磁航行”的设想：位于管道内的列车是在单轨上行驶，而非传统的两条铁轨。在轨道上装有永磁体，装配可变磁体的列车在电磁力的感化下悬浮于轨道上。他推算，若是将空气从管道内抽出，那么列车的时速就能达到4000公里。

时间进入21世纪，获得真空的手艺已经成熟，高速磁悬浮列车也先后在中国上海、..山梨等地投入使用。看起来，超等高铁万事俱备了。2013年，有感于北加州高速铁路工程迟缓，特斯拉及SpaceX公司创始人埃隆·马斯克发布了长达57页的白皮书，提出在洛杉矶与旧金山之间建筑560公里超等高铁（hyperloop）的设法。

在这套系统中，运输舱在真空管道内以1220公里的时速运行，使舱体悬浮的能量来自太阳能或其他可再生能源。有趣的是，马斯克设想的是雷同于戈达德提出的气动悬浮体式。能够看出，超等高铁几乎完全脱胎于以前科学家的理论构想。

此后，又有多家公司和科研机构接踵进入超等高铁的研发阵营傍边，个中就包罗中国航天科工、西南交通大学牵哄动力国度重点实验室、北京交通大学、西京学院等国内机构。不外，它们均采用磁悬浮的体式。在人人最关心的最高时速上，有的机构也给出了6500公里的数据。至于可否达到，如今尚属未知。

诚然，超等高铁看似非常切近人类当前的科技水平，但实际上仍有很多要害问题有待研究解决——

超高速运行前提下的车轨感化：高速列车车轨的感化机理是车辆系统动力学的焦点，但今朝高温超导磁悬浮车的实验研究，首要集中在准静态或低速局限，实验数据难以撑持更高速度（跨越600公里/小时）下磁悬浮车悬浮与导向不乱性的研究。空气动力学问题：真空管道内稀薄空气发生的气动阻力，是列车运行的首要阻力。对于此种低压高速气流，现有的仿真很难正确模拟。管道靠得住密封与高效抽真空问题：一方面，连结直径数米、长度上百公里的管道内长时间的真空度[2]，对管道的构造和密封性要求极高。另一方面，快速抽除如斯大空间内的空气，而且精准维持个中的真空度，对真空设备也提出更高挑战。散热问题：在低气压情况下，地面上起主要感化的对撒布热体式几乎不起感化，传导和辐射将成为首要散热体式。研究低气压下列车外观的升温特征以及电气设备的散热机理，包管系统内的热均衡，是不容轻忽的课题。关闭管道内的通信与救援问题：首先，真空情况下的无线电旌旗流传尚待研究。其次，管道内为真空状况，且密封结果好，不易被外界损坏，若是显现突发事变，若何快速救援，也是一个值得思虑和亟待解决的问题。

恰是因为以上及更多未被说起的问题，超等高铁还停留在模型试验阶段，远未达到载人测试的田地。好在理论上完全可行，再加上全世界攻关的科学家较之以前也更多，所以成为实际照样有进展的。

4、飞向太空

值得一提的是，在研究真空管道列车的过程中，科学家们也曾畅想用这种手段加快航行器的或者。因为传统火箭若是增大载荷，就要将体积造得更大，也要塞进更多的化学推进剂。而真空管道运输不光速度快，还节约能源，倘若用来加快航行器，那么航行器的体积就能够更小，或是载荷得以提高。

2001年，六十年月超导磁悬浮（现代磁悬浮列车的根蒂手艺）的发现者之一、美国布鲁克海文国度实验室研究员詹姆斯·鲍威尔，提出了野心勃勃的星际列车（StarTram）规划，即磁悬浮太空发射系统。

顾名思义，该系统需将磁悬浮太空船置入一条伸向天空的弯曲的真空管道内。第一代系统的管道长度130公里，出口高度3~7公里。最佳所在是智利的安第斯山脉或新墨西哥州南部的白沙导弹靶场。加快后，太空船能以14300~31500公里的时速冲出管道，逃离地球大气层。这已经非常接近第二宇宙速度。

星际列车每隔1小时发射一次，每次发射可携带跨越70吨重的货色。从每公斤发射成正本说，该系统仅需20~50美元。要知道，就连SpaceX也只敢说从本来的4600~20000美元降至1400美元。从扶植费用上来说，第一代系统需要200~400亿美元，远低于航天飞机30年周期中花掉的1960亿美元，与美国2018年的6430亿美元军费开支比拟更是眇乎小哉。

研究团队规划，第一代星际列车首要输送卫星等货色，将于本世纪二十年月完成。第二代系统管道的长度为1000~1500公里，出口高度22公里，每年输送一百万名太空旅客，每张船票只需5000美元，规划于本世纪三十年月建造完成。

当然，星际列车不光要面临超等高铁既有的问题，还增加了好多难度超大的工程难题，好比，管道的架设、航行器在管道中的悬浮掌握，等等。不外，星际列车甫一提出，就获得了桑迪亚国度实验室在可行性方面的验证，今朝也有相关的理论研究和模型试验。若是星际列车可以成真，它或许能将人类带入一个全新的航天时代。

[1]人类的手艺手段无法获得绝对真空。学术界界说的真空是一个相对状况，比大气压低即可称为真空，涵盖了从一个大气压（约105Pa）到虚无的绝对真空（0Pa）之间的宽广局限。

[2]对气体稀薄水平的量度。

【本文首发于《科幻世界》杂志2020年第2期，原题目《从地底到太空——真空管道运输演进史》】