文/金茂菁 黃玲（科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心）

       超高速真空管道交通是采用磁懸浮列車(chē)技術(shù)，利用密閉管道，通過(guò)抽取空氣達(dá)到接近真空的低氣壓環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)全天候在無(wú)輪軌阻力、低空氣阻力、低噪聲模式下超高速（1000km/h及以上速度）運(yùn)行的新型軌道交通技術(shù)。本文對(duì)目前國(guó)際上超高速真空管道交通技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了梳理分析，并提出了我國(guó)的發(fā)展對(duì)策建議。
一、關(guān)于超高速真空管道交通
       1．定義與特點(diǎn)
       超高速真空管道交通，是采用磁懸浮列車(chē)技術(shù)，利用密閉管道，通過(guò)抽取空氣達(dá)到接近真空的低氣壓環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)全天候在無(wú)輪軌阻力、低空氣阻力、低噪聲模式下超高速運(yùn)行的新型軌道交通技術(shù)。
       制約輪軌高速發(fā)展的主要有輪軌阻力、空氣阻力以及噪聲三大因素。輪軌阻力及粘著力對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行安全起著決定性作用，但超高速輪軌關(guān)系與脫軌機(jī)理研究尚未突破；稠密大氣中氣動(dòng)阻力與速度的二次方成正比，德國(guó)磁懸浮列車(chē)和日本新干線(xiàn)輪軌列車(chē)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，時(shí)速超過(guò)400km時(shí)，空氣阻力所占列車(chē)牽引力的比例超過(guò)80%；氣動(dòng)噪音隨速度的七次或八次方劇增，旅客無(wú)法接受。因此，真空管道交通是未來(lái)綠色、節(jié)能、超高速軌道交通技術(shù)的重要發(fā)展方向。
       2．作用與意義
       民用領(lǐng)域，時(shí)速1000km的超高速軌道交通運(yùn)輸，可以替代未來(lái)石油能源緊缺時(shí)代的航空運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、洲際超長(zhǎng)距離大運(yùn)量客貨運(yùn)輸。
       軍事領(lǐng)域，管道超高速軌道電磁炮、軌道電磁彈射等技術(shù)在航母飛機(jī)彈射、導(dǎo)彈發(fā)射等方面具有廣闊應(yīng)用前景。
       航空航天領(lǐng)域，采用真空管道大功率、超高速軌道助推技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)火箭空中點(diǎn)火、快速重復(fù)發(fā)射，克服目前井下發(fā)射成本高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。
       因此，發(fā)展超高速真空管道軌道交通技術(shù)，對(duì)于引領(lǐng)未來(lái)超高速軌道交通技術(shù)發(fā)展、助力國(guó)防安全具有重大意義。
二、國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
       目前，國(guó)際上具有代表性的真空管道交通技術(shù)方案有三種：一是采用常導(dǎo)電磁懸浮的瑞士SWISSMETRO方案，二是采用氣動(dòng)/永磁懸浮和輪軌列車(chē)的美國(guó)Hyperloop系統(tǒng)計(jì)劃，三是采用高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的美國(guó)ET3和我國(guó)西南交通大學(xué)的方案。
       1. 美國(guó)
       1904年，現(xiàn)代火箭之父Robert Goddard在演講中提到，要在波斯頓和紐約之間建一條真空管道鐵路線(xiàn)，這是最早的關(guān)于真空管道交通的設(shè)想。20世紀(jì)60年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員提出建設(shè)真空管道磁浮線(xiàn)路的設(shè)想；1978年，蘭德公司的研究人員提出，由電磁懸浮車(chē)輛和地下一定真空度的管道組成地下交通——運(yùn)輸之星。
       1998年，美國(guó)公布21世紀(jì)交通公正法（Transportation Equity Act for the 21st Century，TEA-21），以法律形式規(guī)定要在美國(guó)發(fā)展磁懸浮交通技術(shù)，由聯(lián)邦鐵道部和交通部具體負(fù)責(zé)實(shí)施。
       1999年，美國(guó)佛羅里達(dá)機(jī)械工程師Daryl Oster獲得真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)明專(zhuān)利，并在美國(guó)佛羅里達(dá)州注冊(cè)成立了Et3.com公司。2003年以來(lái)，美國(guó)鐵路員工Brad Swartzwelte提出了“美國(guó)地鐵”的思路，即在美國(guó)建設(shè)真空管道磁懸浮地下鐵路系統(tǒng)，使城市到城市之間直線(xiàn)聯(lián)接，形成暢通無(wú)阻的地下交通網(wǎng)絡(luò)。
       2013年，特斯拉汽車(chē)首席執(zhí)行官艾倫?馬斯克提出超級(jí)膠囊高鐵（Hyperloop）的方案，并參與加州高鐵項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)；2015年2月，Hyperloop Transportation Technologies公司準(zhǔn)備在加州5號(hào)州際公路附近建設(shè)長(zhǎng)約8公里的Hyperloop超級(jí)高鐵試驗(yàn)線(xiàn)路，從2016年開(kāi)工，預(yù)計(jì)將于2019年完工。
       2016年5月11日，美國(guó)超級(jí)高鐵公司Hyperloop one在內(nèi)華達(dá)州荒漠首次對(duì)Hyperloop管道運(yùn)輸中的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行公開(kāi)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了1秒加速到96km/h，這使得超高速真空管道交通技術(shù)概念在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生了轟動(dòng)效應(yīng)。
       當(dāng)前，美國(guó)以其雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和強(qiáng)大的科研能力，正積極發(fā)展超高速真空管道交通技術(shù)。以超級(jí)高鐵概念，成立的3家公司（Hyperloop One，Hyperloop Transportation Technologies和Space X）已經(jīng)開(kāi)始從事相關(guān)研發(fā)工作。另有一家名為Arrivo的初創(chuàng)公司，最近也決定加入開(kāi)發(fā)超級(jí)鐵路Hyperloop的競(jìng)爭(zhēng)行列。
       2. 瑞士
       瑞士工程師Nieth，于1974年提出在瑞士建設(shè)真空隧道超高速地鐵工程項(xiàng)目的建議；1981年，該建議得到洛桑理工學(xué)院專(zhuān)家們的支持，并進(jìn)行了可行性研究。
       1992年，瑞士成立了專(zhuān)門(mén)從事真空管道開(kāi)發(fā)的Swissmetro SA公司；1995年，提出了真空管道由兩個(gè)直徑5米的隧道組成、車(chē)體運(yùn)行采用電磁懸浮方式的技術(shù)方案；1997年瑞士地鐵申請(qǐng)建設(shè)日內(nèi)瓦到洛桑的試驗(yàn)段，由于聯(lián)邦政府無(wú)法投入足夠資金，計(jì)劃暫時(shí)停止，目前的研究是盡快建立一條約15米的試驗(yàn)線(xiàn)。
       3. 日本
       近年，日本的超高速真空管道交通技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。2015年4月21日，山梨磁懸浮試驗(yàn)線(xiàn)“L0系”列車(chē)實(shí)現(xiàn)603km/h載人運(yùn)行最高速度，該記錄至今仍為地面軌道交通工具的世界紀(jì)錄。
       東京至大阪設(shè)計(jì)時(shí)速505km/h的低溫超導(dǎo)磁懸浮工程已經(jīng)開(kāi)工建設(shè)，計(jì)劃在2027年投入運(yùn)營(yíng)。
       4. 其它方面
       1994年，時(shí)任美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）高級(jí)概念研究所主管的John Mankins提出了“MagLifter”系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由推進(jìn)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和供給系統(tǒng)4部分組成，相當(dāng)于代替了傳統(tǒng)運(yùn)載火箭的第一級(jí)，在沿山體修建的真空管道中使用電磁推進(jìn)裝置，從而省去了大量的化學(xué)能推進(jìn)劑。
       類(lèi)同于MagLifter線(xiàn)路結(jié)構(gòu)，美國(guó)Prof. James Powell等人提出的StarTram星際列車(chē)方案，也是一種將真空管道技術(shù)應(yīng)用于航空航天的設(shè)想，分為Gen-1載物航天系統(tǒng)和Gen-2載人航天系統(tǒng)。StarTram方案擬采用低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，重點(diǎn)考慮了多種真空管道發(fā)射出口方案，包括可伸縮隔板，50mm厚的沖破式塑料薄膜，磁流體動(dòng)力泵和氣體動(dòng)力噴射器等，從而實(shí)現(xiàn)低成本、可重復(fù)發(fā)射。
       綜上可見(jiàn)，以美國(guó)、日本在超高速真空管道交通技術(shù)的工程化研究已走在國(guó)際前列，并就“超級(jí)高鐵”概念開(kāi)展多項(xiàng)國(guó)際合作，并在國(guó)家、軍事和民用等多層面投入。
三、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與水平
       早在20世紀(jì)70年代，我國(guó)就對(duì)美國(guó)科學(xué)家提出的真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)想作過(guò)報(bào)道；1988年，鐵道工程專(zhuān)家郝瀛教授在其《中國(guó)鐵路建設(shè)》一書(shū)中，把真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)視為未來(lái)鐵路發(fā)展的一種模式作了介紹。
       2004年1月，西南交通大學(xué)在國(guó)際上首次提出時(shí)速600km及以上載人超高速真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)技術(shù)方案，并通過(guò)了包括14位院士在內(nèi)的50余位專(zhuān)家的論證；2004年12月，四川院士咨詢(xún)中心首次院士論壇再次研討了真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮車(chē)重大技術(shù)和應(yīng)用前景。與會(huì)院士和專(zhuān)家一致建議，應(yīng)大力支持具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，高溫超導(dǎo)磁懸浮車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；何祚庥院士也提交了書(shū)面意見(jiàn)，認(rèn)為在石油能源高度緊張的情況下，開(kāi)展超高速磁懸浮列車(chē)技術(shù)研究，更具特殊意義，在管道真空度問(wèn)題上也不會(huì)存在原則性技術(shù)困難。
       我國(guó)雖然研究起步較晚，但發(fā)展迅速。2014年6月，西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制成功世界首條真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮車(chē)環(huán)形試驗(yàn)線(xiàn)“Super-Maglev”（見(jiàn)圖1），并計(jì)劃于2017年底建成430km/h真空管道高速比例模型試驗(yàn)線(xiàn)（見(jiàn)圖2），進(jìn)一步開(kāi)展真空管道系統(tǒng)、高速高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)等工程化關(guān)鍵技術(shù)的研究。
        2014年7月，IEEE Spectrum（美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)旗艦出版物）以“The Big Picture News”的形式報(bào)道了我國(guó)高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)在真空管道中的最新研究成果。英國(guó)BBC、德法ARTE、瑞士SRF電視欄目也專(zhuān)題報(bào)道，引發(fā)了國(guó)際對(duì)高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)技術(shù)，以及真空管道交通的發(fā)展趨勢(shì)，及其對(duì)社會(huì)和商業(yè)影響的深入探討。
四、我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)與對(duì)策建議
       我國(guó)高速鐵路系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)引領(lǐng)世界，但隨著“一帶一路”、高鐵“走出去”戰(zhàn)略的深入實(shí)施，面對(duì)日本505km/h超導(dǎo)磁懸浮交通工程，和美國(guó)“超級(jí)高鐵”等更高速度軌道交通技術(shù)的挑戰(zhàn)，以及我國(guó)國(guó)防安全所面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)，我們認(rèn)為，應(yīng)在國(guó)家層面大力支持，充分發(fā)揮我國(guó)原創(chuàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加快開(kāi)展1000km/h及以上真空管道超高速軌道交通關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范，搶占制高點(diǎn)，引領(lǐng)未來(lái)真空管道超高速軌道交通技術(shù)發(fā)展，助力國(guó)防安全。
       超高速真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮交通技術(shù)涉及交通運(yùn)輸、土木、機(jī)械、電氣、材料、通信與信息、控制、力學(xué)等十多個(gè)學(xué)科，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為了有效推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，我們建議：
       一是，在科學(xué)研究方面，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)真空管道車(chē)-軌-管-氣-熱耦合作用機(jī)理和試驗(yàn)研究；加強(qiáng)高效抽真空新原理與技術(shù)、車(chē)體的強(qiáng)度及輕量化設(shè)計(jì)、超高速真空管道運(yùn)行安全技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)；突破大推力高速直線(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)與制造、超高速通信信號(hào)等關(guān)鍵技術(shù)；最終建設(shè)20公里左右的真空管道磁懸浮試驗(yàn)線(xiàn)，開(kāi)展全尺寸模型的工程化和商業(yè)化研究。
       二是，在政策引導(dǎo)方面，可通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、地方政府重點(diǎn)科技項(xiàng)目、產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目、顛覆性創(chuàng)新類(lèi)項(xiàng)目，分別布局超高速真空管道交通技術(shù)的有關(guān)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，以及產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目。
       三是，支持建設(shè)超高速真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮交通技術(shù)創(chuàng)新基地，凝聚和培養(yǎng)多學(xué)科交叉的世界一流科學(xué)家團(tuán)隊(duì)。
注：
本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號(hào)：ZLY2015072）研究成果之一。

本文特約編輯：姜念云