超级高铁直线电机驱动 理论时速可达1000公里？

  11月8日，英国维珍公司的超级高铁项目在美国内华达州拉斯维加斯附近的沙漠中完成了首次载人试验。在这次测试使用的500米长管道中，高铁车厢在管道强磁力的作用下，仅用15秒就到达了终点，最高时速达172公里。而在更长的管道中，超级高铁的理论时速可达1000公里。

  人们对便捷出行的渴望，促使有关轨道交通时速的研究不断推进，那么今天这种研发已经走到哪一步了？

  1 最成熟的轮轨式高铁有其发展极限

  高速交通工具最成熟的莫过于发端于日本的轮轨式高速铁路，经过五十多年的发展，无论技术还是实践，都已经成熟可靠，获得了广泛认可。作为后起之秀，中国已经修建了3.9万公里的高速铁路，建成了世界一流的高铁运输网络。中国高铁最高载人试验速度达到了481.6公里/小时，运营速度保持在时速350公里左右。

  随着列车运行速度的提高，许多在低速时被忽视的问题逐渐凸显了出来，并且很大程度上影响着列车速度的提高。当列车提速的时候，列车车身的空气脉动压力波动显著增加，气动噪声变得越来越明显。当列车的运行速度达到300公里/小时的时候，列车产生的气动噪声将超过轮轨噪声，成为高速列车的主要噪声源。实践证明，轮轨式高速铁路的时速超过400公里以后，面临的最大问题就是空气阻力，空气阻力可以占据整个列车总阻力的80%。同时，因为空气阻力的存在，列车运行产生的气动噪音与速度的八次方成正比，这就使得列车耗能迅速增加，在经济上并不合适。一般来说，轮轨式高速列车的最高运营速度不能超过400公里/小时，一旦超过，在经济上就很不划算了。

  人类对更高速度的渴望是永无止境的，所以研究时速超过400公里以上的交通方式，是很多国家在交通运输领域所追求的目标。

  2 超高速磁悬浮向超级高铁更近一步

  轮轨式的高速铁路有它的局限性，要想突破400公里/小时的速度限制，就需要寻找更加适宜的提速方式。如今我国和日本、德国、韩国都在大力发展超高速磁悬浮技术。其中，德国高速磁浮列车最高试验速度达到550公里/小时，并于2006年4月在我国上海建成了时速430公里的商业运营线。日本目前正在修建的中央新干线，高速磁浮列车试验速度达到了603公里/小时，其运营速度将达505公里/小时，东京至名古屋段计划在2027年投入运营。

  在高速交通领域，高铁商业运营速度为350公里/小时，飞机巡航速度为800-900公里/小时，超高速磁悬浮可以填补400-600公里/小时的速度空白。

  我国对超高速磁浮技术研发非常重视，早在2016年国家就通过“先进轨道交通”重点专项，对时速600公里高速磁浮交通系统进行了部署，计划攻克高速磁浮核心技术，全面自主掌握高速磁浮设计、制造、调试和试验评估方法。经过广大科技工作者的努力，终于在车辆、牵引、运行控制和通信等领域取得了重要阶段性成果，在2019年5月研制成功具有自主知识产权的时速600公里高速磁浮列车，解决了超高速情况下车体的轻量化、强度、刚度、噪声等系列技术难题，研发的新一代高速磁浮列车车体更轻、更强；解决了高速磁悬浮列车的气动阻力和升力等问题，气动性能达到国际先进水平；而高精度的悬浮导向、测速定位装置和控制系统性能指标达到国际领先。

  近期即将上马、投资千亿元的沪杭高速磁悬浮就是国内首条时速600公里的高速交通系统。这条线开通之后，上海到杭州200公里的路程，只需要30分钟就可到达。

  然而，不可否认的是，即使高速磁悬浮列车能够以600公里/小时运营，空气阻力依旧是最大的拦路虎。要想速度继续提高，就需要采用真空管道运输。

  3 多家公司致力超级高铁设想实用化

  今年11月，英国维珍公司在美国内华达州试验的“超级回路”(Hyperloop)项目取得了新突破，首次完成了载人实验。维珍公司的超级回路采用低真空管道磁悬浮模式，两名试验人员乘坐的是代号为XP-2的第二代超级回路吊舱，吊舱跑完500米长的管道耗时15秒钟，最高时速达到了172公里。维珍公司的“超级回路”就是美国企业大亨埃隆·马斯克在2013年提出的所谓超级高铁构想，当时预计时速可达到1200公里。

  虽然很多专家对这种异想天开的设想持怀疑态度，但还有很多公司努力将其实用化，维珍公司就是其中的代表。参与这次试验的萨拉·卢奇安表示，超级高铁加速非常快，且不会让人感觉不适。如果一切顺利，维珍公司计划在2025年获取超级高铁运营所需的认证，并在2030年开通第一条超级高铁线路。线路将能在载有28人的情况下达到最高时速。

>  除了英国维珍公司之外，西班牙的Zeleros公司也筹措700万欧元研发超级回路，并乐观估计该项目未来会带来数十亿美元的市场机会。成立于2015年的波兰Hyper Poland公司也致力于研发与超级回路相似的真空管道磁悬浮技术，并且筹措了400万欧元作为研发资金，他们的速度目标值是300-600公里/小时。在2019年，荷兰的Hardt Hyperloop公司正式启用了欧洲第一个全尺寸超级高铁试验设施，并致力于建设欧洲超级高铁中心，这个中心修建一条长约3公里的测试线，用于测试速度超过700公里/小时的超级高铁列车，未来还要打造成欧洲超级高铁基础设施和技术标准化试验基地。Hardt Hyperloop计划在2022年建成超级高铁中心，并于2023年建成10-15公里的试验线路，在2028年实现超级高铁的商业运营。

  这些公司的开拓精神值得赞叹，但是他们目前研发的超级高铁所能达到的速度，距离预想的1200公里还相差甚远。

  4 真空管道磁悬浮研发仍需攻克很多难关

  气动噪音和空气阻力是制约高速列车继续提高速度的两大控制因素，而解决空气阻力最好的方法，就是采用低真空管道运输。然而，低真空管道交通是一个全新的领域，包括系统散热、生命保持、救援逃生、应急保障等一系列的关键问题都需要研究解决。

  如今热门研究的真空管道运输系统都是采用“真空+磁悬浮”技术，而“真空+气垫技术”因为安全性太低，并没有成为研发的主流。目前真空管道磁悬浮技术主要集中在真空管道的设计和制造、管道结构特征和优化方法、施工方法方面。美国的初创公司和中国的西南交通大学开展了大量基础研究工作，积累了较多的技术储备。但是，真空管道磁悬浮技术研发有很多难关亟待解决，主要包括：

  因为超级列车在低真空环境下超高速运行，具有传统航天领域飞行器和高速铁路的部分特点，需要在车体系统、磁悬浮、直线电机驱动、牵引供电和制动技术等领域开展深入研究。

  超高速列车系统控制复杂，可靠性要求高，列车运行在狭小的密闭管道空间中，使得通信系统信号衰落严重，这就需要研发可靠不间断的通信技术，以满足列车的安全运行需求。

  低真空管道交通运行速度极高，低真空管道在长距离运营过程中可能遭受地震、泥石流或自身系统出现火灾、漏气、渗水等灾害。因此，超高速低真空管道磁浮交通的安全问题尤为重要，这就要研究列车的防脱轨/碰撞技术、管道自动分段封闭技术、应急救援和逃生技术、自然灾害预警与安全运行控制技术、管道系统和列车运行安全监测、评估和预测控制技术等。

  真空管道悬浮交通为密闭环境，受暴风、风雪等恶劣天气影响较小，车内和外界噪音小及占地减少，可与城市地铁接驳。在全国乃至全球主要区域中心之间通过低真空管道运行时速1000公里以上的磁悬浮列车，可以实现人员和货物的即时到达，将极大地便利各区域之间的物质交流，极大地改善信息时代信息传播速度与物质传播速度极不匹配的现状，引发交通运输方式变革。

  在衍生应用领域，超高速低真空管道磁悬浮技术还可以为卫星、火箭发射提供一种富有竞争优势的技术选择，通过真空管道磁悬浮助推发射系统为运载器单级入轨提供一种可实施的方案，发射装置可以重复利用，从而可大大降低发射成本。

  总体来说，超级高铁距离工程化应用更近了一步，让我们拭目以待，期待又一次交通革命的到来。