高铁概念设计（超级高铁Hyperloop理念分析）

2013年8月，埃隆·马斯克（Elon Musk）在一份名为“Hyperloop Alpha”的白皮书中提出了超级高铁（Hyperloop）理念，这是一种在密闭的低真空管道中用所谓的“胶囊”运输乘客和货物的运输系统。尽管该理念的基本技术可行性毋庸置疑，但其具体实施仍然存在未解决的问题，如运输能力低、成本受到低估等。文章介绍Hyperloop理念，并将其与其他铁路运输方式进行比较，以更加理性和批判地看待这一新型运输系统。

磁悬浮列车可被视为Hyperloop的前身。与传统的铁路运输方式相比，磁悬浮列车的主要优点是运行更安静，行驶速度更高，加速能力更强，以及设施基本无磨损。

20世纪下半叶，德国的西门子公司（Siemens AG）和蒂森克虏伯公司（ThyssenKrupp）合作研发了磁悬浮列车Transrapid，其设计最高运行速度达500 km/h。尽管其技术应用已达到成熟阶段，并在埃姆斯兰（Emsland）约30 km长的试验线路上进行了密集的运行测试，但仅在上海建造了一条商用线路。该线路（即上海磁悬浮列车示范运营线）长30 km，于2006年开通运营，测试行车时的最高速度达到501 km/h，但实际最高运营速度仅为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，在这之后，中国和德国转而不断加大对于高速铁路的投资。日本目前正在为其磁悬浮列车JR-Maglev 建造一条新生产线。

上海磁悬浮列车示范运营线

磁悬浮列车能否在其他国家得到应用和推广还有待观察。大多数专家认为，如果能够解决经济性问题，磁悬浮列车将在客运领域具有较大的竞争力 。

在马斯克首次提出Hyperloop理念之前，就已经存在对类似系统的设想和研究。早在20世纪初，就有人提出了在真空隧道中运行列车的想法。2013年8月，马斯克在Hyperloop Alpha白皮书中正式首次提出Hyperloop理念。

之前的类似理念主张制造一个真空或者近似真空的列车运行环境，从而大幅减小空气阻力，实现列车的高速运行。然而，白皮书中认为，这种状态极难维持，管道上微小的裂缝或泄漏点就会导致整个系统停止运转。因此，马斯克的Hyperloop 是一个在低真空环境中（而不是在真空或近似真空状态下）运行的系统，其管道内的气压为100 Pa，约为海平面气压的1/1000，这将使管道内的空气阻力与海平面处相比减小约1000倍。为使气压保持在此水平，必须在限制空气泄漏量的前提下，用空气泵抽吸管道中的空气。

胶囊示意图

Hyperloop的管道中始终残存着一定量的空气。当胶囊（即列车）在狭窄管道中行驶时，空气只能在胶囊与管道内壁之间的空隙中流动。因此，当胶囊的运行速度足够高时，胶囊周围的空气流速会达到声速，从而发生阻塞效应，导致空气阻力不降反升。从理论上讲，可以通过将管道直径增大为胶囊直径数倍的方式避免发生阻塞效应。但出于成本的考虑，该方案不可行。为此，马斯克提出可通过在胶囊上安装高功率空气压缩机的方式解决上述问题。空气压缩机和鼓风机会从车头处吸入空气，并在胶囊下方形成气垫，将胶囊抬升起来，从而减小摩擦力，提高胶囊的运行速度。但Hyperloop不同于磁悬浮列车，原因在于胶囊的悬浮状态不是通过磁场实现的。马斯克认为，利用磁场实现悬浮的成本远远高于其提出的气垫解决方案。

白皮书中的胶囊设计草图

马斯克指出，胶囊的加速和制动由线性电机控制，可以实现全线的高加速度。此外，空气压缩机也能够在胶囊达到旅行速度后提供所需的推动力。Hyperloop胶囊的最高运行速度可达到1223 km/h，略低于声速1236 km/h，但其理论速度甚至还可以更高。因此，不能完全排除其在较长距离上实现超声速的可能性。然而，与达到此速度的Hyperloop相比，飞机运输的成本明显更低。

Hyperloop的一大优点在于其采用的高架结构。Hyperloop运输管道由钢材料制成，内径为2.23 m或3.30 m，具体取决于所用胶囊大小，其各部分是预制的，可直接安装在线路上。支撑管道的钢筋混凝土支柱平均高度为6 m，支柱间的间隔距离为30 m。这种高架结构可减少Hyperloop基础设施安装所需的空间，减小需要购买的土地面积。对于正在规划中的洛杉矶—旧金山线路，由于除小半径曲线处及城市中的区段外，其大部分是沿着加利福尼亚州5号州际公路修建的，因此需要购买的土地更少。该线路计划平行建造2条管道，上下行线路分别使用1条。

Hyperloop运输管道

整个Hyperloop系统所用的电能全部由安装在管道外侧的太阳能电池板提供。据马斯克称，其生产的电能甚至还有富余量，可馈入普通电网，或者存储在适当的能量存储装置中，以保证系统在日光不好的白天和夜间正常运行。

马斯克将他的Hyperloop理念免费分享给所有关注者。随后便诞生了许多致力于将这一理念付诸实践的公司，其中最著名的有美国的Hyperloop Transportation Technologies（Hyperloop TT）、Virgin Hyperloop One、SpaceX，加拿大的TransPod，以及荷兰的Hardt Hyperloop。这些公司都开发了各自的Hyperloop系统。与马斯克的Hyperloop理念不同的是，最大的2家公司Hyperloop TT和Virgin Hyperloop One采用的是电磁悬浮系统。其中的一些公司已经建造了测试线路，并计划在未来10年内将其产品投入商业运营。

关于Hyperloop 理念能否实现的问题，目前存在质疑之声，质疑的焦点集中在其具体实施方案和盈利能力上，具体如下。

（1）专家们认为胶囊的应用及其加速是一项从未付诸过实践的技术，需要经过大量的试验验证才能成熟。

（2）系统的实际能量需求不明确。降低管道内气压并放弃制造真空或近似真空环境是明智的决定，也是将能量需求保持在最低水平的有效措施。但即使采取了这种措施，管道上安装的太阳能电池板所产生的电能仍无法像马斯克设想的那样完全满足该系统的能量需求。

（3）尽管白皮书中考虑到系统的地震安全性，但专家们仍然对于其紧急制动系统的有效性提出了质疑。据马斯克称，该系统在检测到首轮地震波时会立即触发紧急制动。然而，即使在以极高的减速力实施紧急制动的情况下，Hyperloop胶囊也需要至少15 s的紧急停车时间，并向前行进至少2 km。在强烈地震中，这个时间显然太长。

（4）由于空气压缩机的作用，胶囊和管道中会产生和积累大量热量，这些积聚的废热会带来其他问题。

（5）专家们认为马斯克对乘客和行李重量相关的列车净载重预估过低。

（6）马斯克关于旅行时间的预估也遭到质疑，因为他未将必要的安全检查时间纳入其中，而且由于洛杉矶—旧金山线路的起点和终点具体在何处尚未确定，因此其实际旅行时间也难以精确计算。

（7）马斯克预估的0.5g加速度过高。尽管加速度g力仅持续几秒钟，但其产生的载荷与飞机起飞时相当。此外，Hyperloop加速需要超过5 min的时间，许多乘客可能因此感到不适。

（8）目前，各Hyperloop公司在其管道上没有设置或者仅设置极少的紧急出口，也没有完备的安全和应急理念和措施。对以上2方面进行完善都将显著增加Hyperloop系统的总成本，从而降低其经济性。

（9）目前，尚无有关Hyperloop技术的法律或法规。在美国和欧盟，进行相关的立法可能要花费数年时间，从而延迟Hyperloop线路的建设时间。

（10）Hyperloop公司发布的成本估算明显偏低。根据专家的估算，Hyperloop总成本应高于高速铁路的成本。

本节将Hyperloop的运输能力与高速铁路和磁悬浮列车进行了比较（表1）。对于Hyperloop，将考虑发车间隔分别为2 min和5 min时的载客量；5 min的发车间隔用于Hyperloop的初期运营阶段，以留出足够的缓冲时间。对于高速铁路，考虑到基于现有的列车防护系统，采取较短的发车间隔不现实，因此设定发车间隔为5 min。如果将来这一领域有进一步的发展，则发车间隔可能缩短。因此，表中还列出了发车间隔为3 min时的预估载客量。对于磁悬浮列车，由于其技术条件允许，将其发车间隔设定为更短的2 min。此外，设定每列高铁列车的载客量为900人，每列磁悬浮列车的载客量为500人。

由表1可知，若使用设置28个座位的胶囊（型号1），Hyperloop每个方向每小时可运输乘客336人次；若将发车间隔缩短为2 min（其操作可行性尚未得到证实），可运输840人次。而高速铁路列车和磁悬浮列车每个方向每小时的客运量都超过了10000人次。即便使用设置40个座位的大型胶囊（型号2），Hyperloop的客运量与高速铁路列车和磁悬浮列车相比仍然差距巨大。由此可见，Hyperloop明显偏低的运输能力是其主要缺点。此外，Hyperloop的上述缺点还造成了严重的经济问题，即严重限制其车票销售收入。

专家还指出，Hyperloop简言之就是一种管道中运行的磁悬浮列车，虽然其可能实现更高的运行速度，但两者十分相似。而以Transrapid为代表的磁悬浮列车，尽管技术已经成熟，但最终仍未实现推广。Hyperloop也面临相似的问题，即其运行速度优势是否足以推动其推广应用。

总而言之，Hyperloop项目的可实现性在很大程度上取决于其运输能力、技术竞争力、建设和运营成本，以及总体盈利能力。

Hyperloop理念在早期实施阶段，应将重点放在可能的点对点连接上，因为这相对容易实现。

Hyperloop在欧洲（尤其是西欧和中欧）的应用可能性比较小，因为那里已经有非常密集的铁路网络，尤其在德国、法国、西班牙和意大利有极为发达的高速铁路交通系统，建造Hyperloop意义不大。此外，Hyperloop的成本高、运输能力低下等问题也是其硬伤。

迪拜至阿布扎比Hyperloop 线路

Hyperloop在某些地区也具有实现可能性。例如，阿拉伯联合酋长国正在规划建设一条从迪拜至阿布扎比、长约150 km的Hyperloop线路，该项目还得到了该国政府的大力支持。这条线路可能成为世界首条建成的Hyperloop线路。其实施将提供有关Hyperloop实际成本的信息，研究者可以此为依据评估其盈利能力，若评估结果为正向，则可作为项目推广的催化剂；但若为负向，则大多数Hyperloop项目将中止。

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