埃隆·馬斯克的“超回路”音速列車

方陵生/編譯

埃隆·馬斯克的“超回路”音速列車

方陵生/編譯

在城市中運(yùn)行的超回路音速列車系統(tǒng)

●建立從洛杉磯到舊金山的真空列車線路之前，必須先在8公里的軌道上試車成功。

2013年，埃隆·馬斯克（Elon Musk）有了一個新的構(gòu)想，讓懸浮艙中的乘客以接近音速通過一個真空管道，只需要30分鐘就能從洛杉磯抵達(dá)舊金山，比目前高速列車所需的2小時40分鐘要快得多。

這個他稱為“超回路”（Hyperloop）的真空管道的建造將花費(fèi)60億美元，而音速火車的制造還將花費(fèi)600億美元。由于高速火車的懸浮艙在真空管道中運(yùn)行時不產(chǎn)生摩擦，不但節(jié)約能源，運(yùn)營成本也將更低。

馬斯克開始通過他創(chuàng)建的特斯拉汽車公司（Tesla Motors）和商業(yè)航天公司（SpaceX）來實(shí)現(xiàn)這個想法，但他同時也鼓勵其他人來幫助完善和完成這個設(shè)想。SpaceX公司在他的授意下組織了一次公開競賽，第一輪設(shè)計(jì)比賽定在2015年12月。這場競賽吸引了1 200多個團(tuán)隊(duì)參加，主要是工程系的學(xué)生。除了充分展示科學(xué)想象力的設(shè)計(jì)競賽之外，還出現(xiàn)了兩個開發(fā)Hyperloop技術(shù)的新創(chuàng)公司：成立于2013年的Hyperloop交通技術(shù)公司（HTT）和2015年成立的Hyperloop技術(shù)公司。

無論是音速列車，還是真空管道鐵路線，這想法聽起來都很瘋狂，但事實(shí)上它沒有你想象的那么瘋狂，而且它的“瘋狂”更不是你所想象的那些理由。

1970年代，瑞士高鐵（Swissmetro）就提出了時速500公里管道系統(tǒng)列車的設(shè)想，2009年因缺乏資金項(xiàng)目被擱置。如今要由埃隆來完成這個設(shè)想了，缺少的資金已募集到了。2016年，多年的沉寂將被打破，HTT在加州開始建造5英里（8公里）的測試真空管道，但目前這個久遠(yuǎn)的理想還未獲得關(guān)鍵性的突破。早在1906年，未來火箭專家羅伯特·H·戈達(dá)德（Robert H.Goddard）在他為大學(xué)生們寫的一篇科幻小說中就提出了管道列車的想法。（之后他還將這個設(shè)想變成了他的專利申請。）如今埃隆以他對音速列車的熱情，正準(zhǔn)備將一個了不起的承諾化為現(xiàn)實(shí)。

馬斯克的方案

馬斯克將他的計(jì)劃定位于一個并不那么激進(jìn)的方案（這也是他的策略之一），他的計(jì)劃草案并不像戈達(dá)德和他的后繼者羅伯特·索爾特（Robert Salter）描繪的那么振奮人心。索爾特是蘭德公司的一位分析師，在他的想象中，從紐約發(fā)車的懸浮艙將在21分鐘內(nèi)抵達(dá)洛杉磯。（他的這個設(shè)想曾在1984年的《自然》雜志中進(jìn)行了描述。）

相比之下，馬斯克的方案沒有那么激進(jìn)，他設(shè)想中的懸浮艙將以電磁為動力，以亞音速在真空管道的氣墊上行駛。雖然仍是以電磁為推動力，但下面有一層氣墊承載著懸浮艙。這也是許多學(xué)生團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)比賽中提出的方案，雖然HTT仍然傾向于電磁動力。氣墊將由在懸浮艙前面的電池驅(qū)動壓縮機(jī)提供動力，這也是該系統(tǒng)只能以亞音速前進(jìn)的一個原因。

學(xué)生團(tuán)隊(duì)和其他愛好者要做的是發(fā)現(xiàn)和糾正馬斯克初步構(gòu)想中的錯誤，這種眾包方式通常非常有效。例如，美國宇航局的一些研究人員幫助改進(jìn)了Hyperloop的渦輪機(jī)。

“壓縮機(jī)不能超過一定的速度?！背窍鄬τ谟行лd荷，加大渦輪機(jī)的橫截面面積。美國宇航局克利夫蘭格倫研究中心航空工程師杰弗里·欽恩（Jeffrey Chin）說道，“既然你無法將人的體積縮小，你能做的就是擴(kuò)大管徑?！笔聦?shí)也是如此，根據(jù)Hyperloop的最新技術(shù)指標(biāo)要求，真空管道的直徑應(yīng)達(dá)到懸浮艙的兩倍以上。

即使只達(dá)到每小時1 200多公里（相當(dāng)于每小時760英里）的速度，Hyperloop仍將遠(yuǎn)快于現(xiàn)有的大型客機(jī)，而且它像火車一樣，可直接連接城市中心，其實(shí)際速度也更快。但它也像火車一樣，不能隨意去任何地方，所以其技術(shù)上最有效率的旅程是介于短途與長途之間的中等距離，例如相距560公里的洛杉磯到舊金山。

馬斯克擁有賓夕法尼亞大學(xué)的物理學(xué)學(xué)位，他的設(shè)想非常符合科學(xué)原理，維持一個幾乎無摩擦的表面是可以做到的，無論是與空氣的摩擦，還是與磁鐵的摩擦，有過氣墊船體驗(yàn)的人可以確認(rèn)這一點(diǎn)，將來體驗(yàn)磁懸浮的人也能驗(yàn)證這一點(diǎn)。

加州大學(xué)建筑學(xué)院學(xué)生建造的Hyperloop懸浮艙模型

音速列車試車的問題與障礙

1985年，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們做了一個用電磁力擊發(fā)乒乓球通過真空管的實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上只需要部分真空就行。HTT的真空管道壓力低于100帕斯卡，只有大氣壓的千分之一。與HTT有合作關(guān)系的歐瑞康萊寶真空設(shè)備公司的業(yè)務(wù)發(fā)展主管卡爾·布勞克梅耶（Carl Brockmeyer）認(rèn)為，要做到這一點(diǎn)并不困難。

“我想說這很容易，但最恰當(dāng)?shù)恼f法是很容易獲得成功，技術(shù)上并沒有很大的難度?！辈紕诳嗣芬f道，“我無權(quán)透露我們將要用多少設(shè)備，這不僅取決于保持真空的需要，同時也需要一個冗余系統(tǒng)。也許我們會安裝一個額外的泵，以便在需要換泵時，仍然能夠保持全速運(yùn)行?！?/p>

為解決所有這些問題和其他問題，HTT計(jì)劃于2016年在洛杉磯和舊金山中間一個叫做碼頭谷的地方開始建設(shè)一條5英里的試車管道。順便提一下，碼頭谷也是準(zhǔn)備打造太陽能城市的地方，馬斯克現(xiàn)在也在制造家用太陽能設(shè)備的電池儲存設(shè)備，因此這個地點(diǎn)選擇是很合適的。

會話是學(xué)習(xí)英語的重要手段，是學(xué)生進(jìn)行語言訓(xùn)練的好形式，新課標(biāo)中英語會話占有相當(dāng)大的比例，在英語課堂上，筆者讓學(xué)生練習(xí)對話常用的形式有Pair work和Group work，這樣在同桌之間、小組之間及師生之間都能得到充分的對話練習(xí)，而通過這樣的練習(xí)，學(xué)生敢于說、樂于說，積極參與，盡情表現(xiàn)，在輕松愉快的氛圍中，學(xué)生的口語得到了很大的提高。

測試中其他需要解決的問題還包括：緊急情況下如何疏散乘客？如果前面的懸浮艙突然停下，緊跟其后的懸浮艙會受到什么樣的影響？減速階段如何避免連環(huán)相撞？重新啟動系統(tǒng)時要全部加壓還是部分加壓？以高清屏幕代替舷窗幫助抵御幽閉恐懼癥，以及失重帶來的過山車般的感覺，乘客對于這類壓力的承受能力有多大？

HTT也正面臨這類問題以及其他空氣動力學(xué)問題，加州大學(xué)洛杉磯分校教授、該項(xiàng)目首席建筑師克雷格·霍奇茨（Craig Hodgetts）教授說道。他的設(shè)計(jì)與馬斯克最初的設(shè)想有著很大的不同，他說這也是為什么HTT不參加SpaceX公司設(shè)計(jì)比賽的一個原因。

“在藝術(shù)家的素描中，馬斯克設(shè)想的懸浮艙是頭部傾斜，類似于高鐵列車的設(shè)計(jì)?！被羝娲恼f道，“如果不考慮在管道中運(yùn)行的因素，這是一個恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，但如果是在管道中行駛，理想的懸浮艙形狀應(yīng)該是對稱的。所以我們認(rèn)為，管道中運(yùn)行的懸浮艙應(yīng)該有很大的不同?！?/p>

火箭人的夢想：現(xiàn)代火箭之父羅伯特·H·戈達(dá)德于1906年首次提出與Hyperloop相類似的管道運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)想，并在之后將這個設(shè)想變成了他的專利申請，圖為專利申請?jiān)O(shè)計(jì)圖

他說，由于HTT是暫停懸浮艙的磁動力設(shè)計(jì)，而不是要采取氣動方案，它將需要一個比最初設(shè)想方案更小的渦輪壓縮機(jī)，這意味著懸浮艙可配備更輕的電池和冷卻系統(tǒng)。給懸浮列車減重的結(jié)果應(yīng)該可以減少給乘客帶來的身心沖擊（包括嘔吐等不良反應(yīng)）。但對于乘客將如何應(yīng)對加速度的研究仍在繼續(xù)進(jìn)行之中。

“我認(rèn)為設(shè)備在碼頭谷安裝時還會有一些小的調(diào)整。”霍奇茨最后說道，“我們的一些研究表明，全速運(yùn)動時，在15英里的轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)，產(chǎn)生的1.5倍重力加速度是相當(dāng)大的，這是制定線路時要考慮的一個重要決定因素，對于音速列車的速度、路線，以及乘客的感覺都必須進(jìn)行非常復(fù)雜的綜合分析?！?/p>

假如人體工程學(xué)的問題可以解決，有足夠的支持系統(tǒng)和安全保障，真正的大問題當(dāng)然是資金問題。

設(shè)計(jì)藍(lán)圖化為現(xiàn)實(shí)之路

霍奇茨認(rèn)為，真空管道本身的建設(shè)并不是一個太困難的問題，“這比建造1 000英尺高的摩天大樓的難度要低得多，前者還要考慮不可預(yù)測的風(fēng)的力量、可能的地震力等?！?/p>

另外一些專家則不那么樂觀?！斑@是一個從沒有人做過的巨大項(xiàng)目，他（霍奇茨）也承諾這實(shí)在是個花錢的東西，但它行不行得通卻沒有人知道?！钡每怂_斯大學(xué)奧斯汀分校研究高速空氣動力學(xué)的博士后里昂·范斯通（Leon Vanstone）說道。

“如果高速行駛時突然降速，在管道中哪怕是非常小的偏差也會對乘客造成沖擊?！狈端雇ㄑa(bǔ)充說道，“即使是沿直線行駛，高速行駛時地形變化的影響，特別是在加州，產(chǎn)生的轟鳴聲和嘈雜聲也會是非常大的?！?/p>

這些問題可能不會成為公開競賽中的主要問題，但競賽涉及的是設(shè)計(jì)方案，而不是試車運(yùn)行，因此至今為止報(bào)名參加的團(tuán)隊(duì)都能夠從大學(xué)里弄到經(jīng)費(fèi)，或從一些企業(yè)獲得免費(fèi)的建模軟件和一些奇特的禮品。一些學(xué)生說道，他們的研究經(jīng)費(fèi)可能低于100 000美元，只能提供短期研究，實(shí)際開始運(yùn)行試驗(yàn)還需要更多的資金來參與競爭。

“我們將設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個測試模型，參加今年冬天的競賽?！睅ьI(lǐng)華盛頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)的機(jī)械工程學(xué)生戴維·科維恩（David Coven）說道，“不會是全尺寸模型，更可能像一級方程式賽車那樣的3×4×14英尺的模型，同時我們也會建一個一英里長的測試管道?！?/p>

可能還會有更大的“魚”在之后的競爭階段參加進(jìn)來。NASA的欽恩暗示道，他和他的同事可能也想試試身手。他已經(jīng)考慮如何從設(shè)計(jì)階段進(jìn)入測試階段的問題了。“關(guān)鍵是進(jìn)入一個更大系統(tǒng)時的種種細(xì)節(jié)問題?！彼f。

而法律和政治上的障礙甚至可能令經(jīng)濟(jì)上的一些問題相形見絀。紐約市的地下系統(tǒng)預(yù)計(jì)于2016年底開始建設(shè)第二大道地下線路的第一段。相關(guān)數(shù)據(jù)為：長度3.2公里，投資45億美元，所需時間為9年。這是從破土動工的日子算起，實(shí)際建設(shè)需要的時間。但如果從最先提出建設(shè)這條線路的日子算起，那就是97年。

誠然，曼哈頓的地下充斥著各種管道、電纜，但主要障礙不是地下的金屬和各種臟東西，而是更骯臟的東西：政治和律師。Hyperloop同樣也會遇到這些障礙。但馬斯克認(rèn)為，正確的方案是沿著現(xiàn)有的輸電線路建立，這樣的話也許運(yùn)氣會好些。但當(dāng)要求政府官員批準(zhǔn)Hyperloop計(jì)劃并為項(xiàng)目買單的時候，Hyperloop也許還將面臨更多的考驗(yàn)。

HTT的CEO和創(chuàng)始人迪克·艾爾伯恩（Dirk Ahlborn）說道，“我可以肯定地說，第一條完整的Hyperloop系統(tǒng)將出現(xiàn)在亞洲、中東、印度和非洲。他們?nèi)狈ΜF(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，因此有真正的需要，相對于目前的高速鐵路技術(shù)，我們提出的這樣一個真空管道系統(tǒng)對他們更有吸引力?！?/p>

[資料來源：IEEE Spectrum][責(zé)任編輯：彥隱]