超級高鐵，跑的比飛機還快？

對于飛機來說，空氣是一個讓它既愛又恨的東西。飛機能夠獲得足夠的升力離開地面、在空中飛行，依靠的是空氣流過機體時機翼上下面受力的不同。沒有空氣，我們目前使用的飛機都將無法飛行。然而，飛機發動機在飛行過程中輸出的動力，大部分都用來克服空氣給飛機帶來的阻力。各個飛機制造商在設計新的機型時，都會盡量利用更好的氣動外形來降低阻力。在同樣的條件下，阻力的減小意味著油耗的降低，進而意味著更低的飛行成本和更便宜的機票。

(波音787-10客機)

當飛機的速度接近空氣中聲音傳播的速度時，它所受到的阻力會急劇增加，遭遇“音障”現象。在上世紀中葉,軍用戰斗機已經可以超音速飛行，以F-22、殲20為代表的第五代戰機還能實現超音速機動。然而對民航客機這種體積、重量都比較大的飛機來說，實現超音速的困難就比較大了。歷史上唯一一種投入運營的超音速客機是英法聯合研制的協和號客機。這種機型僅僅生產了20架。比起動輒生產上千架的其他民航機型來說，協和號的數量顯得微不足道。因為運營維護成本太高，協和號在2003年退役。目前在役的民航客機都是亞音速機型，最高的巡航速度為900公里/小時。

（協和號客機）

空氣給高鐵列車帶來的麻煩除了阻力，還有噪聲。氣動阻力與速度的二次方成正比，而氣動噪音隨則會隨著速度的七次或八次方急劇增加。這也是為什么高鐵線路要在人口稠密地區的區段安裝隔音設備并讓列車減速通過的原因。計算表明，當列車的速度達到400公里/小時以上時，空氣阻力所占總阻力的比例將超過80%。而任何在地表稠密大氣中運行的高速交通工具，其最高經濟速度不會超過400公里/小時。也就是說，列車可以在測試中跑出高于400公里/小時的速度（例如2010年12月3日中國的CRH380AL型列車曾經在京滬高鐵試驗段跑出過486.1公里/小時的速度），但在實際運營中列車使用這個速度將會使成本和票價急劇升高，并不經濟劃算。

（新聞聯播對京滬高鐵高速測試的報道）

既然空氣是阻礙列車提速的原因，那么如果能將空氣抽干，讓列車在真空中運行，阻力和噪聲的問題便迎刃而解了。事實上，1934年德國工程師肯佩爾獲得世界上第一個磁懸浮列車專利時，就有過這樣的設想。他提出在真空隧道中運行磁懸浮列車，速度可以達到1800公里/小時的高速！

當時的技術難以讓肯佩爾的愿望變成現實。進入二十一世紀，人類的真空技術已經有了很大提高。例如，進行高能物理實驗的粒子加速器，已經可以長期將幾十公里的管道內的氣壓維持在0.1Pa甚至更低的狀態（海平面的大氣壓強約為1000000Pa）。最近幾年，在真空管中行駛的“超級高鐵”正在由概念變成現實。例如SpaceX、特斯拉的創辦者埃隆·馬斯克積極推動的超回路（Hyperloop）列車。按照計劃，這種列車的運營速度將達到1220千米/小時，比目前的商業噴氣式客機的速度更快。2016年5月11日，超回路列車的實驗裝置“超回路1號”進行了第一次測試。當時，許多媒體對這個測試的宣傳報道出現了偏差，把未來設想的速度報道成了測試速度。實際上上，“超回路1號”在那次測試中達到的最大速度也就170公里/小時左右，比我國普通鐵路上運行的Z字頭列車速度稍快一些。

（超回路列車設想圖）

要將超級高鐵的夢想變成現實，超回路還有很長的路要走。在超回路1號的測試中，測試裝置減速的方法簡單暴力到直接撞擊沙土堆。對于測試這無可厚非，但如果要投入實際運營必然還要研發與這么高的運行速度相匹配的減速制動系統。高速鐵路是一項系統工程，不是具備了跑的比誰都快的列車就萬事大吉，還需要相應的軌道、信號、供電等一些列系統問題的突破。因為在運行過程中要頻繁的打開真空管乘降旅客，保持管中的真空狀態是另一個需要解決的大問題。目前，超回路列車的第一段測試管道已經在歐洲建成，不過長度僅有30米，用于研究驗證關鍵技術。如果一切都按照馬斯克的設想順利進行，超級高鐵投入運營也要到2021年之后了。

（超回路列車的測試管道）

作為全世界最大高鐵網的擁有者，我們國家的真空管超級高鐵也在研制中。2014年，西南交通大學已經建成了全球首個真空管道超高速磁懸浮列車原型試驗平臺，其功能與超回路列車剛剛在歐洲開建的那30米的測試管道基本一致。而早在2005年，西南交大的學報就已經發表了沈志云院士對真空管高鐵發展的思考，提出了在2030年左右建成運行速度在1000公里/小時的超級高鐵的設想。可以說，中國的研究者在超級高鐵的研究上并不落后。只是他們大都低調，在拿出成熟的產品前，不喜歡搞大新聞。

發表于 2017-06-09 00:00
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