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技術(shù)，利用密閉管道，通過抽取空氣達到接近真空的低氣壓環(huán)境，從而實現(xiàn)列車全天候在無輪軌阻力、低空氣阻力、低噪聲模式下超高速(1000km/h及以上速度)運行的新型軌道交通技術(shù)。本文對目前國際上超高速真空管道交通技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進行了梳理分析，并提出了我國的發(fā)展對策建議。

　　一、關(guān)于超高速真空管道交通

　　1.定義與特點

　　超高速真空管道交通，是采用磁懸浮列車技術(shù)，利用密閉管道，通過抽取空氣達到接近真空的低氣壓環(huán)境，從而實現(xiàn)列車全天候在無輪軌阻力、低空氣阻力、低噪聲模式下超高速運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高速列車運行安全起著決定性作用，但超高速輪軌關(guān)系與脫軌機理研究尚未突破;稠密大氣中氣動阻力與速度的2次方成正比，德國磁懸浮列車和日本新干線輪軌列車的實測數(shù)據(jù)表明，時速超過400km時，空氣阻力所占列車牽引力的比例超過80%;氣動噪音隨速度的7次或8次方劇增，旅客無法接受。因此，真空管道交通是未來綠色、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，時速1000km的超高速軌道交通運輸，可以替代未來石油能源緊缺時代的航空運輸，實現(xiàn)長距離、洲際超長距離大運量客貨運輸。

　　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)，可實現(xiàn)火箭空中點火、快速重復(fù)發(fā)射，克服目前井下發(fā)射成本高、周期長等缺點。

　　因此，發(fā)展超高速真空管道軌道交通技術(shù)，對于引領(lǐng)未來超高速軌道交通技術(shù)發(fā)展、助力國防安全具有重大意義。

　　二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　目前，國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/永磁懸浮和輪軌列車的美國Hyperloop系統(tǒng)計劃，三是采用高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的美國ET3和我國西南交通大學(xué)的方案。

　　1. 美國

　　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，這是最早的關(guān)于真空管道交通的設(shè)想。20世紀60年代，美國麻省理工學(xué)院的研究人員提出建設(shè)真空管道磁浮線路的設(shè)想;1978年，蘭德公司的研究人員提出，由電磁懸浮車輛和地下一定真空度的管道組成地下交通——運輸之星。

　　1998年，美國公布21世紀交通公正法(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責(zé)實施。

　　1999年，美國佛羅里達機械工程師Daryl Oster獲得真空管道運輸系統(tǒng)發(fā)明專利，并在美國佛羅里達州注冊成立了Et3.com公司。2003年以來，美國鐵路員工Brad Swartzwelte提出了“美國地鐵”的思路，即在美國建設(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聯(lián)接，形成暢通無阻的地下交通網(wǎng)絡(luò)。

　　2013年，特斯拉汽車首席執(zhí)行官艾倫?馬斯克提出超級膠囊高鐵(Hyperloop)的方案，并參與加州高鐵項目的競爭;2015年2月，Hyperloop Transportation Technologies公司準備在加州5號州際公路附近建設(shè)長約8公里的Hyperloop超級高鐵試驗線路，從2016年開工，預(yù)計將于2019年完工。

　　2016年5月11日，美國超級高鐵公司Hyperloop one在內(nèi)華達州荒漠首次對Hyperloop管道運輸中的推進系統(tǒng)進行公開測試，實現(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)生了轟動效應(yīng)。

　　當(dāng)前，美國以其雄厚的經(jīng)濟實力和強大的科研能力，正積極發(fā)展超高速真空管道交通技術(shù)。以超級高鐵概念，成立的3家公司(Hyperloop One，Hyperloop Transportation Technologies和Space X)已經(jīng)開始從事相關(guān)研發(fā)工作。另有一家名為Arrivo的初創(chuàng)公司，最近也決定加入開發(fā)超級鐵路Hyperloop的競爭行列。

　　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目的建議;1981年，該建議得到洛桑理工學(xué)院專家們的支持，并進行了可行性研究。

　　1992年，瑞士成立了專門從事真空管道開發(fā)的Swissmetro SA公司;1995年，提出了真空管道由兩個直徑5米的隧道組成、車體運行采用電磁懸浮方式的技術(shù)方案;1997年瑞士地鐵申請建設(shè)日內(nèi)瓦到洛桑的試驗段，由于聯(lián)邦政府無法投入足夠資金，計劃暫時停止，目前的研究是盡快建立一條約15米的試驗線。

　　3. 日本

　　近年，日本的超高速真空管道交通技術(shù)取得了突破性進展。2015年4月21日，山梨磁懸浮試驗線“L0系”列車實現(xiàn)603km/h載人運行最高速度，該記錄至今仍為地面軌道交通工具的世界紀錄。

　　東京至大阪設(shè)計時速505km/h的低溫超導(dǎo)磁懸浮工程已經(jīng)開工建設(shè)，計劃在2027年投入運營。

　　4. 其它方面

　　1994年，時任美國國家宇航局(NASA)高級概念研究所主管的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)運載火箭的第一級，在沿山體修建的真空管道中使用電磁推進裝置，從而省去了大量的化學(xué)能推進劑。

　　類同于MagLifter線路結(jié)構(gòu)，美國Prof. James Powell等人提出的StarTram星際列車方案，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，磁流體動力泵和氣體動力噴射器等，從而實現(xiàn)低成本、可重復(fù)發(fā)射。

　　綜上可見，美國、日本在超高速真空管道交通技術(shù)的工程化研究方面已走在國際前列，并就“超級高鐵”概念開展多項國際合作，并在國家、軍事和民用等多層面投入。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　早在20世紀70年代，我國就對美國科學(xué)家提出的真空管道運輸系統(tǒng)設(shè)想作過報道;1988年，鐵道工程專家郝瀛教授在其《中國鐵路建設(shè)》一書中，把真空管道運輸系統(tǒng)視為未來鐵路發(fā)展的一種模式作了介紹。

　　2004年1月，西南交通大學(xué)在國際上首次提出時速600km及以上載人超高速真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮列車技術(shù)方案，并通過了包括14位院士在內(nèi)的50余位專家的論證;2004年12月，四川院士咨詢中心首次院士論壇再次研討了真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮車重大技術(shù)和應(yīng)用前景。與會院士和專家一致建議，應(yīng)大力支持具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高溫超導(dǎo)磁懸浮車技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化;何祚庥院士也提交了書面意見，認為在石油能源高度緊張的情況下，開展超高速磁懸浮列車技術(shù)研究，更具特殊意義，在管道真空度問題上也不會存在原則性技術(shù)困難。

　　我國雖然研究起步較晚，但發(fā)展迅速。2014年6月，西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室研制成功世界首條真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮車環(huán)形試驗線“Super-Maglev”，并計劃于2017年底建成430km/h真空管道高速比例模型試驗線，進一步開展真空管道系統(tǒng)、高速高溫超導(dǎo)磁懸浮列車等工程化關(guān)鍵技術(shù)的研究。

　　2014年7月，IEEE Spectrum(美國電氣電子工程師學(xué)會旗艦出版物)以“The Big Picture News”的形式報道了我國高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)在真空管道中的最新研究成果。英國BBC、德法ARTE、瑞士SRF電視欄目也專題報道，引發(fā)了國際對高溫超導(dǎo)磁懸浮列車技術(shù)，以及真空管道交通的發(fā)展趨勢，及其對社會和商業(yè)影響的深入探討。

　　四、我國進一步發(fā)展重點與對策建議

　　我國高速鐵路系統(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)略的深入實施，面對日本505km/h超導(dǎo)磁懸浮交通工程，和美國“超級高鐵”等更高速度軌道交通技術(shù)的挑戰(zhàn)，以及我國國防安全所面臨的嚴峻考驗，我們認為，應(yīng)在國家層面大力支持充分發(fā)揮我國原創(chuàng)技術(shù)優(yōu)勢，加快開展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，引領(lǐng)未來真空管道超高速軌道交通技術(shù)發(fā)展，助力國防安全。

　　超高速真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮交通技術(shù)涉及交通運輸、土木、機械、電氣、材料、通信與信息、控制、力學(xué)等十多個學(xué)科，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為了有效推動該項技術(shù)的發(fā)展，我們建議：

　　一是，在科學(xué)研究方面，應(yīng)進一步加強真空管道車-軌-管-氣-熱耦合作用機理和試驗研究;加強高效抽真空新原理與技術(shù)、車體的強度及輕量化設(shè)計、超高速真空管道運行安全技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā);突破大推力高速直線電機設(shè)計與制造、超高速通信信號等關(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線，開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，可通過國家重點研發(fā)計劃、地方政府重點科技項目、產(chǎn)學(xué)研合作項目、顛覆性創(chuàng)新類項目，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)家團隊。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領(lǐng)域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云