超級高鐵發展趨勢及關鍵問題分析

湯友富

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

超級高鐵（Hyperloop，也叫超級回路）以“真空管道運輸”為理論核心，綜合運用高速磁浮和低真空管道，在地面上創造出低真空環境中能實現超高速運行的交通運輸體系。早在1904年，現代火箭之父羅伯特·戈達德（Robert Goddard）率先提出在波士頓至紐約之間建超級高鐵，其速度將達到約1 600 km／h。其后歐洲、美國的工程師也一直在推動該技術的發展。2013年，著名硅谷“鋼鐵俠”馬斯克（Elon Musk）提出超級高鐵（Hyperloop）的初始方案，并參與到加州高鐵項目的競爭，全球再次掀起熱潮，各國也都積極參與此類型項目研究，但都處于初步工程探索階段。本文介紹超級高鐵的研究現狀、發展趨勢，分析要解決的關鍵問題，為我國的超級高鐵發展提供參考。

2 研究現狀

在車輛系統中，列車的阻力和速度的平方成正比，氣動噪音與速度的八次方成正比。根據德國TransRapid（TR）系列車和日本新干線輪軌列車的實測數據表明：列車時速大于400 km后，空氣阻力所占總阻力比例將超過80%［1］，列車牽引驅動動力主要用于克服氣動阻力，導致時速超過400 km后能耗迅速增加，經濟性差［2］，在地表稠密大氣層中運行的最高交通工具，最高經濟速度不超過 400 km／h［3］。噪音的國家環保標準為線路距離軌道中心線30 m處噪音一般不超過 70 dB［4］，德國 ICE-V、法國TGV高速輪軌在速度400 km／h噪音達到100 dB。超級高鐵因綜合利用高速磁浮和低真空管道技術，消除了輪軌摩擦阻力，在地面創造出類似航空飛行的低真空環境，減小了列車運行空氣阻力與氣動噪音，從而進一步提高列車的行駛速度。超級高鐵的效果圖如圖1所示。

圖1 超級高鐵效果圖

經過研究，超級高鐵主要有以下幾個方面優勢：

（1）快速。采用低真空環境和無接觸的磁浮技術，使空氣阻力和輪軌阻力減少，在0.01標準大氣壓下可實現時速大于1 000 km。

（2）安全。單向運行消除了列車相撞的可能性；磁浮技術的分段供電保證每個供電區間內只有一輛車輛，避免了追尾的可能性；低真空無燃料和潤滑油不會發生火災；管道可保證列車不受外界氣候條件的影響；在高速磁浮的“抱軌”運行或U型結構確保安全的基礎上，增加了真空管道，不易脫軌，不受湍流影響，增加了安全冗余度。

（3）節能環保。磁浮技術使用清潔能源電力，低真空環境下運營能耗遠低于輪軌列車，據測算：比較接近常規鐵路的瑞士真空隧道高速列車，在0.1 atm下，單向運能估計為21.6萬人／年，單位能耗僅為普通鐵路的一半；在地面管道實現20～30 kPa所需能耗為飛機達到并保持萬米高空所需能耗的1／40［5］，低真空環境下列車可在管道內慣性運行，能耗遠低于公路、民航、鐵路。高速磁浮無接觸運行，噪音已遠遠低于同速度下輪軌，低真空管道形成隔音屏障，進一步降低了噪音污染。

（4）高效。超級高鐵發車頻率高，最小發車間隔可做到40 s，不受雨雪天氣影響，可與鐵路、城市軌道交通、公路等換乘，形成綜合交通體系，高效地實現長距離客貨運輸。

目前，美國、瑞士和中國等多個國家都在積極探索超級高鐵系統的整體設計。美國ET3公司最早在1999年申請了真空管道的專利；美國特斯拉公司（Tesla）與太空探索技術公司（SpaceX）創始人埃隆·馬斯克提出的Hyperloop“超級高鐵”概念，同位于美國硅谷的Hyperloop One和Hyperloop Transportation Technologies（下面簡稱HTT）公司都加入研發隊伍。其中Hyperloop One公司在美國內華達沙漠搭建了500 m長的試驗線，并于2017年實現了310 km／h的最高時速，在迪拜建設的運營線路預計2021年開通；HTT公司正在法國圖盧茲建造試驗場，預計2019年對外開放；HTT公司正在運作的運營線路是從迪拜到阿聯酋首都阿布扎比，計劃2019年動工；2018年7月19日，HTT公司與中國貴州省銅仁市在貴陽市舉行了“真空管道超級高鐵研發產業園項目［6］”簽約儀式，這是HTT與中國簽署的第一份超級高鐵建設協議，是HTT公司的第12份協議和第3份商業協議，其中中鐵第五勘察設計院集團有限公司作為設計單位參與該項目［7］，并委派專人到德國、西班牙等國家考察，參加HTT公司的首輛超級高鐵首發式（見圖2）。瑞士［8］真空隧道高速列車，計劃在洛桑籌建一條試驗線，但因經費問題暫停。我國也一直積極探索，2014年6月，西南交通大學搭建成功國際首個真空管道高溫超導磁浮車試驗平臺“Super-Maglev”；2017年8月30日，中國航天科工集團公司在第三屆中國（國際）商業航天高峰論壇上宣布開展“高速飛行列車”研究，利用超導磁懸浮技術和真空管道，致力于實現超音速的“近地飛行”，初近遠期將按照最大運行速度1 000 km／h、2 000 km／h、4 000 km／h三步走戰略逐步實現［9］。

圖2 Hyperloop TT公司首輛車廂發布儀式

國內除西南交通大學、航天科工集團外，國防科技大學、北京交通大學、海軍工程大學等高校也展開了相關理論研究，2018年10月30日，由中國工程院主導的中國超高速磁浮技術發展戰略研究項目啟動會在深圳召開，標志著中國加速了超級高鐵的研發。國內在真空管道和高速磁浮理論方面基本成熟，但工程化應用方面仍以收集資料、考察、調研為主，計劃在2019年6月，中國工程院完成分析報告，目前尚無工程化應用的測試和試驗，離工程化尚有一定距離。

3 發展趨勢

3.1 與其他運輸方式的關系

目前運輸方式主要有水上運輸、公路運輸、鐵路運輸、航空運輸等四種方式。水上運輸出現最早，在速度方面低于其他運輸方式，在20世紀初飛機出現之前，人類跨越大洋主要靠水上運輸，目前向大型化發展；公路運輸的優點是靈活、方便、可從門到門，但其缺點是相對無序性和人為操作的相對不可靠性，導致交通事故較多，同時公路運輸也是石油資源的最大消費者，目前汽車保有量已經過多，交通擁堵嚴重，未來綜合交通體系中其占有比例將下降，部分任務將轉移到軌道交通和管道運輸中去；鐵路是適宜遠距離、大宗客貨運輸的陸上運輸手段，在相當長的時間內其影響力位居國民經濟各產業首位，旅游觀光客流運輸、大宗貨物運輸的任務需其承擔；航空運輸作為靈活性很高的運輸方式，在跨越海洋、高山等障礙物方面是其他運輸方式所不具備的，但同時其作為高油耗的運輸工具，未來其部分客運任務要向比其成本低速度更快的超級高鐵轉移［10］；超級高鐵作為高速磁浮和管道運輸的結合體，未來其他四種運輸方式的部分客、貨運量，可由其完成，而且其速度、效率更高，能耗、噪音、污染更小，安全性更高，將作為第五代運輸工具，帶來一次新的運輸革命。總之，超級高鐵作為一種比軌道交通更有序的軌道＋管道的運輸方式，將在綜合運輸體系中占據非常重要的位置和較大的比例。

3.2 在未來綜合交通體系中的地位

超級高鐵可認為是人造低真空環境中的高速磁浮運輸系統，可認為是鐵路運輸的高級階段，集合了鐵路運輸和管道運輸的優點，但其也存在局限性，靈活性比不上水上運輸、公路運輸、航空運輸，載重比不上水上運輸和鐵路運輸。其將競爭其他運輸方式的客運和貨運，但不可能完全取代其他任何一種運輸方式，將成為其他運輸方式的補充或功能的延伸，未來將承擔較大比例的客、貨運輸任務。

3.3 未來發展趨勢

超級高鐵因為其快速、安全、節能環保、高效的優勢，未來發展趨勢主要有幾個方面：

（1）陸地長距離客運運輸，用于洲際、國家之間、國內距離較遠的城市之間，部分替代未來石油能源緊缺的航空運輸；

（2）以海底隧道的方式，連接陸地與海島之間長距離客運運輸；

（3）替代部分管道運輸的功能，實現急需物資的物流運輸；

（4）國家戰備、國防需要的運輸；

（5）技術發展成熟后可促進超高速軌道電磁炮、電磁彈射、導彈發射、航空航天領域技術發展。

4 關鍵問題分析

結合貴州銅仁項目，超級高鐵的關鍵問題主要有以下幾個方面：

（1）高速磁浮在低真空環境下的懸浮導向系統、驅動系統［11］的可靠性。根據調研，懸浮導向系統可分為以下幾類：

①常導電磁吸力主動控制型，以德國TR系、上海高速磁浮示范運營線為代表；

②低溫超導電動斥力被動自穩型，以日本低溫超導山梨試驗線為代表；

③高溫超導塊材釘扎效應被動自穩型，以西南交通大學的高溫超導為代表；

④永磁電動斥力被動自穩型，以美國Hyperloop項目試驗線為代表。

以上幾種懸浮導向系統，在高速磁浮的運用上理論基本成熟，運用在超級高鐵上都是可行的，目前要考慮工程化應用，需要對以上幾個系統綜合深入比選，在試驗線路上進行全尺寸模型試驗，進行相關的驗證測試，因此，銅仁超級高鐵試驗線的建設需盡快提上日程。

（2）牽引系統采用直線電機的可靠性。根據調研，牽引直線電機主要有幾種類型：

①長初級常導同步電機，以德國TR系、上海高速磁浮示范運營線為代表；

②長初級超導同步電機，以日本低溫超導山梨試驗線為代表；

③長初級感應電機，美國Hyperloop One公司為代表；

④長初級永磁同步電機，以美國Magne Motion公司的M3＋為代表。

以上幾種類型的直線電機，是與車輛采用常導還是超導、永磁相配套，需結合車輛綜合考慮，同樣需要進行相關的測試驗證工作。

（3）防災救援問題。在低真空管道中發生緊急情況，人員逃生、防災救援疏散問題需考慮設置救援天窗、疏散平臺等設施，防災救援系統需深入研究，進行相關測試工作。

（4）低真空管道和密封技術的成熟性。目前真空技術發展較快，已廣泛應用于冶煉、石油化工、電工、電子等領域，使用鋼管或復合材料的管道和機械真空泵為核心的真空機組能滿足要求。真空泵的種類很多，當前的主流方向是使用旋轉式的羅茨真空泵。參照和諧號列車和飛機，超級高鐵車輛、進出低真空環境的上下客門窗可采用橡膠等材料進行密封，技術均已成熟可靠。可參照利用完成從低真空到大氣環境的過渡。

（5）經濟性問題。經過測算，超級高鐵在國內造價地上高架線約3億元／km，建設造價相對高鐵要高，HTT宣稱使用永磁電動技術［12］造價約為1.7億元／km，但對方未公開具體數據來源，無法核實。采用適宜的磁浮技術來降低建設成本，解決好經濟性問題，有利于超級高鐵的快速發展。

由以上分析可知，下一步應完善相關理論，加快試驗線的審批建設工作，以實現對超級高鐵車輛懸浮導向系統、牽引供電系統、運控系統、低真空系統等的測試驗證以及改進工作，降低系統造價，確保技術成熟度，以加快超級高鐵的商業化運營進程。

5 結束語

超級高鐵以其快速、安全、節能環保、高效的優勢，國內外已展開大量的研究，理論已基本成熟，正在工程化應用的探索過程中。建議在完善基礎理論和完成實驗室試驗的前提下，加快試驗線的審批和建設，通過試驗測試確定最佳的工程化應用方案，再進行運營示范線，最后達到商業運營。黨的十九大明確提出了建設“科技強國、交通強國”的宏偉目標，吹響了交通強國建設的號角，為未來交通建設奠定了總基調，我國應把握先機，統籌資源力量，在該領域搶占世界超高速交通的制高點，引領全球未來的交通革命，打造高鐵之外的另外一張世界名片。