高铁的前世(超高铁的前世今生)

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文字|刘文元

2013年，在“钢铁侠”埃隆·马斯克的号召下，超高铁(一种在真实空管道中运行的交通工具)的概念广为人知，近年来迅速成为许多国家科研和社会讨论的热点。其实早在200年前就有人提出过类似的想法。

本文将简要梳理甄空管道运输的演变历史，一窥超高铁的前世今生。

01压差就是动力。

真正空技术的起源，在1643年托里切利实验的历史中有确切的记载:当一个密封的长管中充满水银，倒置在水银罐中时，可以发现大气与真正空之间的压差可以顶起760毫米的水银柱。应用true 空技术的第一个案例是1654年的马德堡半球实验:将两个半球组合成一个直径119 cm的球体，用true 空泵入内部气体空，然后两边8匹马拉不开。

马德堡半球

可以说，这两个著名的实验都利用了大气与真空[1]之间存在巨大压力差的原理，这也是这个压力差可以产生机械力的证明。后世也受到了货物运输的启发。

1999年，一位名叫乔治·梅赫斯特的英国机械工程师和发明家申请了一项由压缩空气体驱动的风扇泵的专利。第二年，他申请了使用压缩空气体驱动汽车的“风力驱动”发动机的专利。同时他提出了风动汽车的服务方案，建议在行驶路线上设置泵站，持续补充动力，可以理解为类似于电动车和充电桩的关系。

大气铁路

大气铁路

基于之前的想法，梅德赫斯特在1810年提出了真空邮政线路的想法，认为这种利用气压差在管道中传递信件和货物的方法比邮递员送货上门的方式更快、更高效。此外，他开始想象用更大的管道运输火车的可能性。

1812年，他首次发表了一篇关于大气铁路理论计算的文章，论证了在铁路轨道上方架设一条直径数米的管道，通过气压差快速运输货物和旅客的可行性、效果和优势。此外，他还构思了另一种形式的大气铁路，即在铁路轨道下铺设一根长管，其中装置与列车连接，装置在压力差下运动，从而带动列车运动。火车的动力源不是机车，而是车体下面的管子。

1827年9月，在他去世前不久，他出版了《新内陆运输系统》一书，该书非常重视气动推进。他认为，即使没有马或其他动物的力量，这种方法也能达到每小时96公里的速度。

大气利用气压使车体沿轨道运动，而不是以机车为动力。

但由于这样那样的原因，大气铁路并没有成功实施，这一想法逐渐被搁置。直到2018年，89岁的美国工程师马克斯·施莱格尔(Max Schleger)将这一切变成了现实:他在自己的葡萄园里开辟了一条赛道。轨道之间有一根直径30厘米的聚氯乙烯管，管外连接一台泵，从管内抽出空气体或将空气体注入管内。信息网络

马克斯·施莱格尔的大气铁路

在气压差的作用下，管道中的“推力车”会通过磁铁带动与之相连的列车运行。这种只有标准铁路系统六分之一大小的模型运行结果表明，它可以轻松克服传统列车无法跨越的陡坡，运行噪音更低，无需架空输电线路，泵也可以由可再生能源驱动。

马克思·施莱格尔用大气铁路模型演示:在管道一端向内吹气，列车模型会在气压的推动下行驶。

2.从旧理论到科幻小说再到新理论

梅赫斯特去世后的一个多世纪里，对甄空管道运输的理论研究逐渐深入和完善。此外，这种交通方式在新兴的科幻文学中也大放异彩。那些作品中的思想看似超前，实则落后于科学家的理论研究，有自己的理论原型。

1888年，儒勒·凡尔纳的儿子米歇尔·凡尔纳受大气铁路的启发，出版了超短篇小说《未来快车》。在小说中，我们想象了一条铺设在大西洋海底的钢铁管道，长度超过4800公里，直径约1.5米，重量超过1300万吨，连接欧洲和北美。管道由三层铁网包裹，外表面涂有树脂，保护管道不受海水活动影响。

在强大的气流作用下，管道内的列车速度高达每小时1800公里。从波士顿出发，你可以在两小时四十分钟内到达利物浦。这种系统的优点很明显:管道内表面经过精细打磨，可以抑制乘客的紧张情绪；根据不同的季节，气流可以调节和平衡管道内的温度；除了重力和损耗的问题，该系统的建设和运营成本很低，因此票价低得令人难以置信。

艺术家A. J .约翰逊为《未来快报》创作的插图

但大气铁路需要克服空空气阻力和轮轨摩擦，理论速度上限较低。此外，即使车辆能够达到高速，当时的气动噪声和振动也会变大，能耗也会大大增加。因此，随着科学的发展，理论研究逐渐走向摆脱摩擦和空空气阻力。

1904年，现代火箭技术之父罗伯特·H·哥达德提出了真空列车的设想，这是现代意义上第一个真正的空管道运输系统。当时，他是美国伍斯特理工学院的大一新生。他假设火车在真实空状态下在管道中滑动。为了通过非磁性手段加速和减速列车并防止摩擦，有必要在相对可移动的部件(如车轮和轨道)之间施加流体压力。方法是用喷嘴喷射高压高温液体，液体立即变成高压蒸汽，使车体悬浮在轨道上。

本质上，火车可以看作是在一层高压液膜上运行。1906年，戈达德在短篇小说《高速往返》中完善了这个想法。三年后，《科学美国人》以《快速交通的极限》为题发表了这部作品的综述。

戈达德真空列车专利示意图

戈达德的想法可以说是从大气铁路过渡到超高速铁路。与大气铁路相比，真空列车的管路处于真空状态，列车不再利用气压差提供动力。首次考虑降低空空气阻力，防止列车与轨道摩擦。与超高铁相比，VATCRAIN的形式与超高铁非常接近。但在悬浮和移动列车的手段上，大多数超高铁方案采用磁悬浮技术，VATCRAIN采用高压气体。

1955年，波兰科幻大师斯坦尼斯拉夫·莱姆出版了《麦哲伦星云》。这部小说取材于32世纪的共产主义乌托邦，人类已经完成了对整个太阳系的殖民，正在尝试在恒星间旅行。在小说中，莱姆描述了一列名为“Organowiec”的洲际真实空列车，它可以在透明的真实空管道中以每小时超过1666公里的速度行驶。这显然是受vactrain的影响。

雇佣兵的掩护

1962年，美国科幻作家麦克雷诺兹在《类比》中发表的短篇小说《雇佣兵》将真正的空管道运输置于至关重要的位置。

在小说中，和平已经实现。为了防止世界毁灭的可能，政府规定只有20世纪以前设计的武器才能用于战斗，所有的战斗都将通过电视转播来娱乐大众。大公司利用雇佣军解决商业纠纷。在运输行业，大陆气垫船公司处于垄断地位。新兴的甄空管道运输公司可以大大降低运输成本，为消费者带来更好的服务，从而打破垄断，但首先要与前者较量。

当然，不仅是武器，小说中的交通工具都是20世纪之前就存在的观念。气垫船的概念可以追溯到1716年，当时瑞典科学家伊曼纽尔·斯温登伯格在研究车辆的表面效应时提到了“悬浮”一词。到19世纪初，一些人意识到压缩的空气体可以降低航行阻力，提高速度。真空管道运输的概念可以追溯到1810年梅赫斯特的真空邮政线路的想法。因此，无论是小说中还是真实历史中，真正的空管道运输确实比气垫船更新。

如果说之前的研究主要局限于理论计算，那么到了20世纪70年代，真正空管道运输的爱好者罗伯特·m·索尔特开始考虑实际操作问题。当时，他设想了一个真正的空管道系统“Planetran”，它位于地下数百米的坚固岩层中，贯穿美国东北部的大都市，并在8个州设立了9个站。

当时日本新干线已经运营了近10年，全世界对磁悬浮列车的研究也如火如荼，但技术还不成熟。因此，他没有将磁悬浮技术应用到自己的想法中，而是提出使用钢制轮胎。列车通过电磁力加速，减速是通过挤压前方稀薄的空气体和相邻管道内列车的加速来实现的。可视为大气铁路和真空列车的融合版。

这个系统最值得称道的地方就是它惊人的节能能力。作为一个“高节能系统”，当列车减速时，大部分能量会在相邻管道中的车辆加速时返回系统使用。此外，普通列车运行过程中，空空气阻力占总阻力的70%以上，而真实空管道内腔的空空气阻力会大大降低，能耗自然也会相应降低，这样每位乘客消耗的能源成本不到1美元，全程平均时速可达4800公里，从美国东海岸出发。

索尔特认为，这一系统将有助于减少飞机和地面运输对大气造成的破坏，并具有巨大的环境和经济效益。因此，他称Planetran为美国的“下一个逻辑计划”。然而，其建设成本估计高达1万亿美元，因此该计划尚未被政府采纳。

3.超级高铁及时诞生。

随着磁悬浮技术的不断突破，Zhen 空管道列车的倡导者也意识到这可能是其成功的关键因素之一。1991年11月，杰拉尔德·奥尼尔提交了一份专利申请，提出了“磁力飞行”的想法:管道中的火车在单轨上运行，而不是传统的两条铁轨。轨道上装有永磁体，装有可变磁体的列车在电磁力的作用下悬浮在轨道上。他计算了一下，如果从管道中抽出气体，火车的速度可以达到每小时4000公里。

进入21世纪，获取真空的技术已经成熟，中国上海和日本山梨都已经投入使用高速磁悬浮列车。似乎超级高铁的一切都准备好了。2013年，感受到北加州高速铁路项目的缓慢发展，特斯拉和SpaceX创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)发表了一份长达57页的白皮书，提出了在洛杉矶和旧金山之间建设一条560公里的超级环线的想法。

在该系统中，运输舱以每小时1220公里的速度在real 空管道中运行，因此舱的悬浮能量来自太阳能或其他可再生能源。有趣的是，马斯克设想了一种类似戈达德的气动悬挂方法。可见，超级高铁几乎完全脱胎于前人科学家的理论思想。

此后，包括中国航天科技集团、西南交通大学牵引动力国家重点实验室、北京交通大学、西京大学等国内机构在内的多家公司和科研院所相继进入超高铁R&D阵营。然而，它们都使用磁悬浮。以大家最关心的最高速度，一些机构也给出了6500公里的数据。至于能否实现，还不得而知。

诚然，超级高铁看似非常接近人类目前的科技水平，但实际上还有很多关键问题需要研究和解决——

超高速运行下的车轨作用:高速列车的车轨作用机理是车辆系统动力学的核心。然而，目前高温超导磁浮车辆的实验研究主要集中在准静态或低速范围内，实验数据很难支持磁浮车辆在较高速度(600 km/h以上)时的悬浮和导向稳定性研究。

空空气动力学问题:空管道内稀薄气体引起的空气动力学阻力是中列车运行的主要阻力。对于这种低压高速气流，现有的模拟很难准确模拟。

管道的可靠密封和高效泵送空问题:一方面，在直径几米、长度几百公里的管道中保持长期的真实空度，对管道的结构和密封要求极高。另一方面，在如此大的空房间内快速准确地抽出空气体并保持其中的真实空度，也对真实空设备提出了更高的挑战。

散热:在低压环境下，地面起重要作用的对流传热几乎不起作用，传导和辐射将成为主要的散热方式。研究低气压下列车表面的加热特性和电气设备的散热机理，以保证系统内的热平衡，是一个不可忽视的课题。

封闭管道中的通信和救援:首先，真实空环境中的无线电信号传播还有待研究。其次管道处于真空状态，密封效果好，不容易被外界破坏。如果出现紧急情况，如何快速救援也是一个值得思考和亟待解决的问题。

正是因为以上以及更多没有提到的问题，目前超级高铁还处于模型试验阶段，远远没有达到载人试验的水平。好在理论上完全可行，全世界攻关的科学家也比以前多，所以还是有希望成为现实的。

4.飞往泰泰空

值得一提的是，在研究真正的空管道列车的过程中，科学家们也设想过用这种手段加速飞行器的可能性。因为如果传统火箭增加载荷，就要把体积做大，往里面放更多的化学推进剂。真正的空管道运输不仅速度快，而且节能。如果用来加速飞机，飞机的体积可以更小，或者可以增加载荷。

2001年，超导磁悬浮(现代磁悬浮列车的基础技术)的发明者之一、美国布鲁克海文国家实验室研究员詹姆斯·鲍威尔(James Powell)提出了雄心勃勃的星际列车(StarTram)项目，即磁悬浮空间空发射系统。

顾名思义，这个系统需要把磁悬浮飞船空变成一个弯曲的真实空延伸到天空的管道空。第一代系统管道长度130公里，出口高度3~7公里。最好的位置是智利的安第斯山脉或新墨西哥州南部的白沙导弹靶场。加速后，Tai 空船可以以每小时14300 ~ 31500公里的速度冲出管道，逃离地球大气层。这非常接近第二宇宙的速度。

星际列车每小时发射一次，每次发射可运载70多吨货物。从每公斤的发射成本来看，这个系统只需要20~50美元。要知道，连SpaceX也只能说从4600 ~ 2万美元降到了1400美元。在建造成本方面，第一代系统需要200 ~ 400亿美元，远低于航天飞机30年周期花费的1960亿美元，与2018年美国6430亿美元的军费相比，甚至微不足道。

根据研究小组的计划，第一代星际列车将主要运载卫星等货物，并将于20世纪20年代完成。第二代系统管道长度1000 ~ 1500公里，出口高度22公里。它每年从泰国运送一百万游客。每张票只要5000美元。计划建于20世纪30年代。

当然，行星际列车不仅要面对超高铁存在的问题，还增加了很多工程难题，比如管道架设、管道内飞机的悬挂控制等等。然而星际列车一提出，就在可行性方面得到了桑迪亚国家实验室的验证。目前，也有相关的理论研究和模型试验。如果星际列车能够实现，可能会把人类带入一个新的太空时代。

[1]绝对的真理空是人类技术无法获得的。真理的学术定义空是一种相对状态，低于大气压时可称为真理空，覆盖范围很广，从一个大气压(约105Pa)到虚无的绝对真理空(0Pa)。

[2]气体稀薄的测量。