超级高铁发展趋势及关键问题分析

汤友富

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

超级高铁（Hyperloop，也叫超级回路）以“真空管道运输”为理论核心，综合运用高速磁浮和低真空管道，在地面上创造出低真空环境中能实现超高速运行的交通运输体系。早在1904年，现代火箭之父罗伯特·戈达德（Robert Goddard）率先提出在波士顿至纽约之间建超级高铁，其速度将达到约1 600 km／h。其后欧洲、美国的工程师也一直在推动该技术的发展。2013年，著名硅谷“钢铁侠”马斯克（Elon Musk）提出超级高铁（Hyperloop）的初始方案，并参与到加州高铁项目的竞争，全球再次掀起热潮，各国也都积极参与此类型项目研究，但都处于初步工程探索阶段。本文介绍超级高铁的研究现状、发展趋势，分析要解决的关键问题，为我国的超级高铁发展提供参考。

2 研究现状

在车辆系统中，列车的阻力和速度的平方成正比，气动噪音与速度的八次方成正比。根据德国TransRapid（TR）系列车和日本新干线轮轨列车的实测数据表明：列车时速大于400 km后，空气阻力所占总阻力比例将超过80%［1］，列车牵引驱动动力主要用于克服气动阻力，导致时速超过400 km后能耗迅速增加，经济性差［2］，在地表稠密大气层中运行的最高交通工具，最高经济速度不超过 400 km／h［3］。噪音的国家环保标准为线路距离轨道中心线30 m处噪音一般不超过 70 dB［4］，德国 ICE-V、法国TGV高速轮轨在速度400 km／h噪音达到100 dB。超级高铁因综合利用高速磁浮和低真空管道技术，消除了轮轨摩擦阻力，在地面创造出类似航空飞行的低真空环境，减小了列车运行空气阻力与气动噪音，从而进一步提高列车的行驶速度。超级高铁的效果图如图1所示。

图1 超级高铁效果图

经过研究，超级高铁主要有以下几个方面优势：

（1）快速。采用低真空环境和无接触的磁浮技术，使空气阻力和轮轨阻力减少，在0.01标准大气压下可实现时速大于1 000 km。

（2）安全。单向运行消除了列车相撞的可能性；磁浮技术的分段供电保证每个供电区间内只有一辆车辆，避免了追尾的可能性；低真空无燃料和润滑油不会发生火灾；管道可保证列车不受外界气候条件的影响；在高速磁浮的“抱轨”运行或U型结构确保安全的基础上，增加了真空管道，不易脱轨，不受湍流影响，增加了安全冗余度。

（3）节能环保。磁浮技术使用清洁能源电力，低真空环境下运营能耗远低于轮轨列车，据测算：比较接近常规铁路的瑞士真空隧道高速列车，在0.1 atm下，单向运能估计为21.6万人／年，单位能耗仅为普通铁路的一半；在地面管道实现20～30 kPa所需能耗为飞机达到并保持万米高空所需能耗的1／40［5］，低真空环境下列车可在管道内惯性运行，能耗远低于公路、民航、铁路。高速磁浮无接触运行，噪音已远远低于同速度下轮轨，低真空管道形成隔音屏障，进一步降低了噪音污染。

（4）高效。超级高铁发车频率高，最小发车间隔可做到40 s，不受雨雪天气影响，可与铁路、城市轨道交通、公路等换乘，形成综合交通体系，高效地实现长距离客货运输。

目前，美国、瑞士和中国等多个国家都在积极探索超级高铁系统的整体设计。美国ET3公司最早在1999年申请了真空管道的专利；美国特斯拉公司（Tesla）与太空探索技术公司（SpaceX）创始人埃隆·马斯克提出的Hyperloop“超级高铁”概念，同位于美国硅谷的Hyperloop One和Hyperloop Transportation Technologies（下面简称HTT）公司都加入研发队伍。其中Hyperloop One公司在美国内华达沙漠搭建了500 m长的试验线，并于2017年实现了310 km／h的最高时速，在迪拜建设的运营线路预计2021年开通；HTT公司正在法国图卢兹建造试验场，预计2019年对外开放；HTT公司正在运作的运营线路是从迪拜到阿联酋首都阿布扎比，计划2019年动工；2018年7月19日，HTT公司与中国贵州省铜仁市在贵阳市举行了“真空管道超级高铁研发产业园项目［6］”签约仪式，这是HTT与中国签署的第一份超级高铁建设协议，是HTT公司的第12份协议和第3份商业协议，其中中铁第五勘察设计院集团有限公司作为设计单位参与该项目［7］，并委派专人到德国、西班牙等国家考察，参加HTT公司的首辆超级高铁首发式（见图2）。瑞士［8］真空隧道高速列车，计划在洛桑筹建一条试验线，但因经费问题暂停。我国也一直积极探索，2014年6月，西南交通大学搭建成功国际首个真空管道高温超导磁浮车试验平台“Super-Maglev”；2017年8月30日，中国航天科工集团公司在第三届中国（国际）商业航天高峰论坛上宣布开展“高速飞行列车”研究，利用超导磁悬浮技术和真空管道，致力于实现超音速的“近地飞行”，初近远期将按照最大运行速度1 000 km／h、2 000 km／h、4 000 km／h三步走战略逐步实现［9］。

图2 Hyperloop TT公司首辆车厢发布仪式

国内除西南交通大学、航天科工集团外，国防科技大学、北京交通大学、海军工程大学等高校也展开了相关理论研究，2018年10月30日，由中国工程院主导的中国超高速磁浮技术发展战略研究项目启动会在深圳召开，标志着中国加速了超级高铁的研发。国内在真空管道和高速磁浮理论方面基本成熟，但工程化应用方面仍以收集资料、考察、调研为主，计划在2019年6月，中国工程院完成分析报告，目前尚无工程化应用的测试和试验，离工程化尚有一定距离。

3 发展趋势

3.1 与其他运输方式的关系

目前运输方式主要有水上运输、公路运输、铁路运输、航空运输等四种方式。水上运输出现最早，在速度方面低于其他运输方式，在20世纪初飞机出现之前，人类跨越大洋主要靠水上运输，目前向大型化发展；公路运输的优点是灵活、方便、可从门到门，但其缺点是相对无序性和人为操作的相对不可靠性，导致交通事故较多，同时公路运输也是石油资源的最大消费者，目前汽车保有量已经过多，交通拥堵严重，未来综合交通体系中其占有比例将下降，部分任务将转移到轨道交通和管道运输中去；铁路是适宜远距离、大宗客货运输的陆上运输手段，在相当长的时间内其影响力位居国民经济各产业首位，旅游观光客流运输、大宗货物运输的任务需其承担；航空运输作为灵活性很高的运输方式，在跨越海洋、高山等障碍物方面是其他运输方式所不具备的，但同时其作为高油耗的运输工具，未来其部分客运任务要向比其成本低速度更快的超级高铁转移［10］；超级高铁作为高速磁浮和管道运输的结合体，未来其他四种运输方式的部分客、货运量，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，将作为第五代运输工具，带来一次新的运输革命。总之，超级高铁作为一种比轨道交通更有序的轨道＋管道的运输方式，将在综合运输体系中占据非常重要的位置和较大的比例。

3.2 在未来综合交通体系中的地位

超级高铁可认为是人造低真空环境中的高速磁浮运输系统，可认为是铁路运输的高级阶段，集合了铁路运输和管道运输的优点，但其也存在局限性，灵活性比不上水上运输、公路运输、航空运输，载重比不上水上运输和铁路运输。其将竞争其他运输方式的客运和货运，但不可能完全取代其他任何一种运输方式，将成为其他运输方式的补充或功能的延伸，未来将承担较大比例的客、货运输任务。

3.3 未来发展趋势

超级高铁因为其快速、安全、节能环保、高效的优势，未来发展趋势主要有几个方面：

（1）陆地长距离客运运输，用于洲际、国家之间、国内距离较远的城市之间，部分替代未来石油能源紧缺的航空运输；

（2）以海底隧道的方式，连接陆地与海岛之间长距离客运运输；

（3）替代部分管道运输的功能，实现急需物资的物流运输；

（4）国家战备、国防需要的运输；

（5）技术发展成熟后可促进超高速轨道电磁炮、电磁弹射、导弹发射、航空航天领域技术发展。

4 关键问题分析

结合贵州铜仁项目，超级高铁的关键问题主要有以下几个方面：

（1）高速磁浮在低真空环境下的悬浮导向系统、驱动系统［11］的可靠性。根据调研，悬浮导向系统可分为以下几类：

①常导电磁吸力主动控制型，以德国TR系、上海高速磁浮示范运营线为代表；

②低温超导电动斥力被动自稳型，以日本低温超导山梨试验线为代表；

③高温超导块材钉扎效应被动自稳型，以西南交通大学的高温超导为代表；

④永磁电动斥力被动自稳型，以美国Hyperloop项目试验线为代表。

以上几种悬浮导向系统，在高速磁浮的运用上理论基本成熟，运用在超级高铁上都是可行的，目前要考虑工程化应用，需要对以上几个系统综合深入比选，在试验线路上进行全尺寸模型试验，进行相关的验证测试，因此，铜仁超级高铁试验线的建设需尽快提上日程。

（2）牵引系统采用直线电机的可靠性。根据调研，牵引直线电机主要有几种类型：

①长初级常导同步电机，以德国TR系、上海高速磁浮示范运营线为代表；

②长初级超导同步电机，以日本低温超导山梨试验线为代表；

③长初级感应电机，美国Hyperloop One公司为代表；

④长初级永磁同步电机，以美国Magne Motion公司的M3＋为代表。

以上几种类型的直线电机，是与车辆采用常导还是超导、永磁相配套，需结合车辆综合考虑，同样需要进行相关的测试验证工作。

（3）防灾救援问题。在低真空管道中发生紧急情况，人员逃生、防灾救援疏散问题需考虑设置救援天窗、疏散平台等设施，防灾救援系统需深入研究，进行相关测试工作。

（4）低真空管道和密封技术的成熟性。目前真空技术发展较快，已广泛应用于冶炼、石油化工、电工、电子等领域，使用钢管或复合材料的管道和机械真空泵为核心的真空机组能满足要求。真空泵的种类很多，当前的主流方向是使用旋转式的罗茨真空泵。参照和谐号列车和飞机，超级高铁车辆、进出低真空环境的上下客门窗可采用橡胶等材料进行密封，技术均已成熟可靠。可参照利用完成从低真空到大气环境的过渡。

（5）经济性问题。经过测算，超级高铁在国内造价地上高架线约3亿元／km，建设造价相对高铁要高，HTT宣称使用永磁电动技术［12］造价约为1.7亿元／km，但对方未公开具体数据来源，无法核实。采用适宜的磁浮技术来降低建设成本，解决好经济性问题，有利于超级高铁的快速发展。

由以上分析可知，下一步应完善相关理论，加快试验线的审批建设工作，以实现对超级高铁车辆悬浮导向系统、牵引供电系统、运控系统、低真空系统等的测试验证以及改进工作，降低系统造价，确保技术成熟度，以加快超级高铁的商业化运营进程。

5 结束语

超级高铁以其快速、安全、节能环保、高效的优势，国内外已展开大量的研究，理论已基本成熟，正在工程化应用的探索过程中。建议在完善基础理论和完成实验室试验的前提下，加快试验线的审批和建设，通过试验测试确定最佳的工程化应用方案，再进行运营示范线，最后达到商业运营。党的十九大明确提出了建设“科技强国、交通强国”的宏伟目标，吹响了交通强国建设的号角，为未来交通建设奠定了总基调，我国应把握先机，统筹资源力量，在该领域抢占世界超高速交通的制高点，引领全球未来的交通革命，打造高铁之外的另外一张世界名片。