埃隆·马斯克的“超回路”音速列车

方陵生/编译

埃隆·马斯克的“超回路”音速列车

方陵生/编译

在城市中运行的超回路音速列车系统

●建立从洛杉矶到旧金山的真空列车线路之前，必须先在8公里的轨道上试车成功。

2013年，埃隆·马斯克（Elon Musk）有了一个新的构想，让悬浮舱中的乘客以接近音速通过一个真空管道，只需要30分钟就能从洛杉矶抵达旧金山，比目前高速列车所需的2小时40分钟要快得多。

这个他称为“超回路”（Hyperloop）的真空管道的建造将花费60亿美元，而音速火车的制造还将花费600亿美元。由于高速火车的悬浮舱在真空管道中运行时不产生摩擦，不但节约能源，运营成本也将更低。

马斯克开始通过他创建的特斯拉汽车公司（Tesla Motors）和商业航天公司（SpaceX）来实现这个想法，但他同时也鼓励其他人来帮助完善和完成这个设想。SpaceX公司在他的授意下组织了一次公开竞赛，第一轮设计比赛定在2015年12月。这场竞赛吸引了1 200多个团队参加，主要是工程系的学生。除了充分展示科学想象力的设计竞赛之外，还出现了两个开发Hyperloop技术的新创公司：成立于2013年的Hyperloop交通技术公司（HTT）和2015年成立的Hyperloop技术公司。

无论是音速列车，还是真空管道铁路线，这想法听起来都很疯狂，但事实上它没有你想象的那么疯狂，而且它的“疯狂”更不是你所想象的那些理由。

1970年代，瑞士高铁（Swissmetro）就提出了时速500公里管道系统列车的设想，2009年因缺乏资金项目被搁置。如今要由埃隆来完成这个设想了，缺少的资金已募集到了。2016年，多年的沉寂将被打破，HTT在加州开始建造5英里（8公里）的测试真空管道，但目前这个久远的理想还未获得关键性的突破。早在1906年，未来火箭专家罗伯特·H·戈达德（Robert H.Goddard）在他为大学生们写的一篇科幻小说中就提出了管道列车的想法。（之后他还将这个设想变成了他的专利申请。）如今埃隆以他对音速列车的热情，正准备将一个了不起的承诺化为现实。

马斯克的方案

马斯克将他的计划定位于一个并不那么激进的方案（这也是他的策略之一），他的计划草案并不像戈达德和他的后继者罗伯特·索尔特（Robert Salter）描绘的那么振奋人心。索尔特是兰德公司的一位分析师，在他的想象中，从纽约发车的悬浮舱将在21分钟内抵达洛杉矶。（他的这个设想曾在1984年的《自然》杂志中进行了描述。）

相比之下，马斯克的方案没有那么激进，他设想中的悬浮舱将以电磁为动力，以亚音速在真空管道的气垫上行驶。虽然仍是以电磁为推动力，但下面有一层气垫承载着悬浮舱。这也是许多学生团队在设计比赛中提出的方案，虽然HTT仍然倾向于电磁动力。气垫将由在悬浮舱前面的电池驱动压缩机提供动力，这也是该系统只能以亚音速前进的一个原因。

学生团队和其他爱好者要做的是发现和纠正马斯克初步构想中的错误，这种众包方式通常非常有效。例如，美国宇航局的一些研究人员帮助改进了Hyperloop的涡轮机。

“压缩机不能超过一定的速度。”除非相对于有效载荷，加大涡轮机的横截面面积。美国宇航局克利夫兰格伦研究中心航空工程师杰弗里·钦恩（Jeffrey Chin）说道，“既然你无法将人的体积缩小，你能做的就是扩大管径。”事实也是如此，根据Hyperloop的最新技术指标要求，真空管道的直径应达到悬浮舱的两倍以上。

即使只达到每小时1 200多公里（相当于每小时760英里）的速度，Hyperloop仍将远快于现有的大型客机，而且它像火车一样，可直接连接城市中心，其实际速度也更快。但它也像火车一样，不能随意去任何地方，所以其技术上最有效率的旅程是介于短途与长途之间的中等距离，例如相距560公里的洛杉矶到旧金山。

马斯克拥有宾夕法尼亚大学的物理学学位，他的设想非常符合科学原理，维持一个几乎无摩擦的表面是可以做到的，无论是与空气的摩擦，还是与磁铁的摩擦，有过气垫船体验的人可以确认这一点，将来体验磁悬浮的人也能验证这一点。

加州大学建筑学院学生建造的Hyperloop悬浮舱模型

音速列车试车的问题与障碍

1985年，麻省理工学院的科学家们做了一个用电磁力击发乒乓球通过真空管的实验，实际上只需要部分真空就行。HTT的真空管道压力低于100帕斯卡，只有大气压的千分之一。与HTT有合作关系的欧瑞康莱宝真空设备公司的业务发展主管卡尔·布劳克梅耶（Carl Brockmeyer）认为，要做到这一点并不困难。

“我想说这很容易，但最恰当的说法是很容易获得成功，技术上并没有很大的难度。”布劳克梅耶说道，“我无权透露我们将要用多少设备，这不仅取决于保持真空的需要，同时也需要一个冗余系统。也许我们会安装一个额外的泵，以便在需要换泵时，仍然能够保持全速运行。”

为解决所有这些问题和其他问题，HTT计划于2016年在洛杉矶和旧金山中间一个叫做码头谷的地方开始建设一条5英里的试车管道。顺便提一下，码头谷也是准备打造太阳能城市的地方，马斯克现在也在制造家用太阳能设备的电池储存设备，因此这个地点选择是很合适的。

会话是学习英语的重要手段，是学生进行语言训练的好形式，新课标中英语会话占有相当大的比例，在英语课堂上，笔者让学生练习对话常用的形式有Pair work和Group work，这样在同桌之间、小组之间及师生之间都能得到充分的对话练习，而通过这样的练习，学生敢于说、乐于说，积极参与，尽情表现，在轻松愉快的氛围中，学生的口语得到了很大的提高。

测试中其他需要解决的问题还包括：紧急情况下如何疏散乘客？如果前面的悬浮舱突然停下，紧跟其后的悬浮舱会受到什么样的影响？减速阶段如何避免连环相撞？重新启动系统时要全部加压还是部分加压？以高清屏幕代替舷窗帮助抵御幽闭恐惧症，以及失重带来的过山车般的感觉，乘客对于这类压力的承受能力有多大？

HTT也正面临这类问题以及其他空气动力学问题，加州大学洛杉矶分校教授、该项目首席建筑师克雷格·霍奇茨（Craig Hodgetts）教授说道。他的设计与马斯克最初的设想有着很大的不同，他说这也是为什么HTT不参加SpaceX公司设计比赛的一个原因。

“在艺术家的素描中，马斯克设想的悬浮舱是头部倾斜，类似于高铁列车的设计。”霍奇茨说道，“如果不考虑在管道中运行的因素，这是一个恰当的设计，但如果是在管道中行驶，理想的悬浮舱形状应该是对称的。所以我们认为，管道中运行的悬浮舱应该有很大的不同。”

火箭人的梦想：现代火箭之父罗伯特·H·戈达德于1906年首次提出与Hyperloop相类似的管道运输系统设想，并在之后将这个设想变成了他的专利申请，图为专利申请设计图

他说，由于HTT是暂停悬浮舱的磁动力设计，而不是要采取气动方案，它将需要一个比最初设想方案更小的涡轮压缩机，这意味着悬浮舱可配备更轻的电池和冷却系统。给悬浮列车减重的结果应该可以减少给乘客带来的身心冲击（包括呕吐等不良反应）。但对于乘客将如何应对加速度的研究仍在继续进行之中。

“我认为设备在码头谷安装时还会有一些小的调整。”霍奇茨最后说道，“我们的一些研究表明，全速运动时，在15英里的转弯半径内，产生的1.5倍重力加速度是相当大的，这是制定线路时要考虑的一个重要决定因素，对于音速列车的速度、路线，以及乘客的感觉都必须进行非常复杂的综合分析。”

假如人体工程学的问题可以解决，有足够的支持系统和安全保障，真正的大问题当然是资金问题。

设计蓝图化为现实之路

霍奇茨认为，真空管道本身的建设并不是一个太困难的问题，“这比建造1 000英尺高的摩天大楼的难度要低得多，前者还要考虑不可预测的风的力量、可能的地震力等。”

另外一些专家则不那么乐观。“这是一个从没有人做过的巨大项目，他（霍奇茨）也承诺这实在是个花钱的东西，但它行不行得通却没有人知道。”得克萨斯大学奥斯汀分校研究高速空气动力学的博士后里昂·范斯通（Leon Vanstone）说道。

“如果高速行驶时突然降速，在管道中哪怕是非常小的偏差也会对乘客造成冲击。”范斯通补充说道，“即使是沿直线行驶，高速行驶时地形变化的影响，特别是在加州，产生的轰鸣声和嘈杂声也会是非常大的。”

这些问题可能不会成为公开竞赛中的主要问题，但竞赛涉及的是设计方案，而不是试车运行，因此至今为止报名参加的团队都能够从大学里弄到经费，或从一些企业获得免费的建模软件和一些奇特的礼品。一些学生说道，他们的研究经费可能低于100 000美元，只能提供短期研究，实际开始运行试验还需要更多的资金来参与竞争。

“我们将设计和构建一个测试模型，参加今年冬天的竞赛。”带领华盛顿大学团队的机械工程学生戴维·科维恩（David Coven）说道，“不会是全尺寸模型，更可能像一级方程式赛车那样的3×4×14英尺的模型，同时我们也会建一个一英里长的测试管道。”

可能还会有更大的“鱼”在之后的竞争阶段参加进来。NASA的钦恩暗示道，他和他的同事可能也想试试身手。他已经考虑如何从设计阶段进入测试阶段的问题了。“关键是进入一个更大系统时的种种细节问题。”他说。

而法律和政治上的障碍甚至可能令经济上的一些问题相形见绌。纽约市的地下系统预计于2016年底开始建设第二大道地下线路的第一段。相关数据为：长度3.2公里，投资45亿美元，所需时间为9年。这是从破土动工的日子算起，实际建设需要的时间。但如果从最先提出建设这条线路的日子算起，那就是97年。

诚然，曼哈顿的地下充斥着各种管道、电缆，但主要障碍不是地下的金属和各种脏东西，而是更肮脏的东西：政治和律师。Hyperloop同样也会遇到这些障碍。但马斯克认为，正确的方案是沿着现有的输电线路建立，这样的话也许运气会好些。但当要求政府官员批准Hyperloop计划并为项目买单的时候，Hyperloop也许还将面临更多的考验。

HTT的CEO和创始人迪克·艾尔伯恩（Dirk Ahlborn）说道，“我可以肯定地说，第一条完整的Hyperloop系统将出现在亚洲、中东、印度和非洲。他们缺乏现有的基础设施，因此有真正的需要，相对于目前的高速铁路技术，我们提出的这样一个真空管道系统对他们更有吸引力。”

[资料来源：IEEE Spectrum][责任编辑：彦隐]