全國版） - (技術大亨和他的HYPERLOOP

H yperloop的預計時速比波音737還快，儲存能將洛杉磯到舊金山的行程縮短至30分鐘以內。↑乘客們搭乘H yperloop的概念圖。→最具有創新精神的企業家馬斯克。↑管道的頂部安裝太陽能光電板，剩餘能量還可賣給電力公司。想象你坐在一個火車車廂大小的密封艙里，以每小時1126公里的速度在管道里飛馳，這不是為了刺激，而是為了城際交通。不久前，創辦支付寶（Paypal）、電動車T esla及太空運輸SpaceX的傳奇企業家埃隆·馬斯克（ElonM usk）公佈了他的最新"冒險"，一個名為H yperloop的陸地交通概念，如果這個概念果真實現，那麼從美國洛杉磯到舊金山643公里的距離只需要30分鐘就能抵達，比現在的飛機還要快一倍。利用氣體推動交通工具在真空管道內運行的設想早在150年前就曾出現。但是，管道內保持真空非常困難，存在氣體則又會影響飛行器的飛行速度。150年後，當人類在各方面科技取得飛躍發展之後，H yperloop大膽提出利用類似裝置運輸人和汽車，設計真空動力管道回路，管道里幾乎沒有空氣，裡面飛馳著一個個小"膠囊"似的座艙，座艙通過航空加速器獲得原始推力，進入密閉管道之後懸浮在氣墊上並通過電磁脈衝保持動力，過程會非常平穩，整個系統利用太陽能，環保而且運行成本很低。以前一些古老建築開發過類似系統運送文件和貨品，銀行里也有把現金存款"咻"一聲吸到工作人員手中的真空氣動管系統，但是這一次，系統龐大得多，速度要快得多，運輸的目標也不一樣了。考慮到要讓數千公里的管道一直保持真空狀態難度太高且危險。所以馬斯克與T esla和SpaceX工程師研究過後決定用現有的科技盡可能降低管道氣壓以及占地。H yperloop在大部分旅程中管道是並排的，回路的兩端密封，馬斯克形容永遠不會撞車，同時不受天氣狀況影響。管道建于相隔50到100米的高架結構上，以避免佔用過多土地。馬斯克形容，H yperloop會是繼火車、飛機、汽車及輪船之後的第五代交通工具，他在《H yperloop白皮書》導言里這樣說："陸地遠距離交通現在還沒有最優方案，唯一的選擇是在地上或者地下管道里高速滑動，管道必須維持一種特殊（真空或者低壓）環境。"在長達57頁白皮書中，馬斯克表示H yperloop初建將選擇在加州5號公路附近，這是貫穿加州南北最繁忙的高速公路，預計從原型設計到第一個乘客試運行需要7到10年，總成本在60億美元左右。設計中座艙每30秒就能出發一個，每個能容納28名乘客，他本人估計從舊金山到洛杉磯的票價在20美元左右。加州現在正在考慮興建高鐵，馬斯克此時公佈H yperloop明顯是挑戰高鐵，H yperloop號稱建設成本僅是高鐵的1/10，票價則更是便宜到不可思議。以前曾有人開玩笑說，馬斯克最喜歡做的事情就是"讓專家暈頭轉向"，這一次也不例外，H yperloop公佈之後，短時間內就引來專家們的"轟炸"。在一份書面聲明中，負責計劃和籌備高鐵的"加州高速鐵路管理局"主席丹·理查德（DanRichard）認為，馬斯克明顯低估了H yperloop將遇到的挑戰，他說："如果馬斯克先生決定要開發H yperloop技術，我們很樂意分享一些經驗，分享在加州興建龐大交通體系有哪些挑戰？要穿越地震帶，要把對農田、商業和社區的影響最小化，還要保護脆弱的環境和敏感物種。"馬斯克承認會有很多挑戰，成本是一方面，技術是一方面，加州中部谷地的群山和舊金山海灣也是困難，一些運輸專家則乾脆批評，H yperloop的想法過於天真，而且根本談不上革命性。懷疑集中在五個方面：第一，H yperloop宣稱的超高速是否現實？還是這只是在各方面條件達到最優的理想狀態，實際上H yperloop並不能真正以一貫的高速從舊金山市中心行駛到洛杉磯市中心，如果再考慮其它安全因素和旅行時間，那麼H yperloop的速度並不見得比當前的高鐵快。就好像人們在乘坐飛機旅行的時候，超音速飛機進入平流層後的速度的確非常快，但不是所有時候都這樣，再加上機場管制、氣流、天氣等因素，再算上旅客前往機場、登記、等待的時間，最後飛機旅行的時間不可能按照最快時速來規劃。H yperloop在洛杉磯的Sylm ar設立了終點站，但《白皮書》沒有闡述將如何穿越整個舊金山灣區，加上終點站的安全和交通等因素，因而整個H yperloop的旅途時長不會快于高鐵所需的2小時40分鐘太多。第二，馬斯克大幅低估了H yperloop的成本，沒有考慮舊金山灣區的地下隧道或橋樑軌道的鋪設成本，有人說H yperloop的實際建設成本至少在600億美元。第三，H yperloop的舒適度備受懷疑，在超速行駛下乘客可能失重，盡管馬斯克堅持在座艙里乘客絲毫不會感覺到速度，倒是加速、轉彎和急剎車的時候會不會令人頭暈、惡心呢？還沒有人知道會是什麼感覺。最大的劣勢在於H yperloop的運載能力，H yperloop每小時只能搭載3360名乘客，而高鐵每小時能夠運送1.2萬名乘客。最後是運營成本，高鐵的運作和維護成本顯而易見，H yperloop宣稱利用太陽能，運營成本比高鐵低得多，因而票價會很便宜，但反對者表示這些說法嚴重缺乏根據。就算有如此多"疑點"，都不妨礙H yperloop引起公�強烈關注，畢竟馬斯克有著非凡的成功經驗。在他著手創建"支付寶"的時候，還沒有人相信網上能安全交易，更不要說報出自己的信用卡號；在豪華電動汽車T esla下線的時候，多數城市的停車場還不曾配備充電設備；在SpaceX的商用火箭起飛時，很多美國太空發射任務原本指望俄羅斯人；在人們暢想未來都市群之間的城際交通時，H yperloop馬上成為G oogle上最熱門的搜索，在計劃公佈那天T w itter上每3秒就有一次相關轉發。終於，媒體關於H yperloop的混亂爭論告一段落，專家們可以冷靜分析一下其可行性。雖然政治是最後決定H yperloop能否實現的最重要因素，但是有必要提前分析在現有技術和工程上，能不能做到。形象地描述H yperloop就是子彈從槍膛里射出。座艙就好像子彈，因為在低壓的狀態下，而且每個座艙下面都有空氣懸浮層，因此能把摩擦力最小化。很多懷疑者最擔心的是以前沒有類似設計，於是缺乏安全感。但是所有新發明在某種程度上都是站在巨人的肩膀上。H yperloop與已存在的小型真空運輸系統有很多重疊之處，尤其是與美mini storage著名物理學家、液體火箭的發明者羅伯特·哈金斯·戈達德（R obertGoddard）早期的實驗有太多相似之處。羅伯特教授有一篇關於在真空管道中運輸物體的物理論文，一直沒有公開，直到他1945年死後很久才被發現，並獲得美國專利（羅伯特教授一共獲得214項美國專利，其中只有84項是身前獲得，其餘的都是死後獲得的）。在論文里羅伯特教授描述了所有H yperloop的主要特徵，提出如何使用特殊裝置降低座艙周圍的氣流阻塞，他提議使用電子馬達作為原始推動力量，也提議座艙下面使用懸浮氣墊減少摩擦。看看H y perloop的硬件，主要就是管道和座艙。H yperloop的設計報告提供了一些硬件數據。座艙寬1.35米，高1.1米，兩個座位並排，乘客坐下後有點像經濟艙航空模式，頭稍微靠後，腳伸前，舒適度也和飛機經濟艙差不多，體積不太大的行李放在座位下面。每個座艙能坐28個乘客，但是很奇怪，在白皮書里沒有給出座艙的長度。研究者根據推進器的長度加上乘客的數量，估計一個座艙長度在25米到30米之間，這很像協和式飛機縮小版的機艙。座艙在管道里飛馳，最大的障礙就是空氣摩擦力，H yperloop計劃可能降低氣壓，即減少管道里的空氣以減少摩擦力，此時座艙的速度會比在正常空氣環境下快得多。但是這樣是不夠的，只要有空氣，座艙就會切割空氣橫斷面，當座艙速度快到一定程度的時候，氣流的速度比不上座艙的速度，此時就會出現氣流積在座艙前方，也就是氣流阻塞。一旦氣流開始阻塞就不會停止，最後整個管道里的有限空氣都會堆積在座艙前方，此時產生的摩擦力是巨大的。氣流阻塞出現在座艙前方氣壓是後面氣壓兩倍的時候，也就是座艙速度達到每小時800公里左右的時候，之後座艙速度越快，氣流的摩擦力會加速增加。為了避免這種情況，馬斯克的團隊設計了一種新裝置，在座艙前方安裝空氣壓縮機，將前方的空氣抽走，通過座艙兩側的兩條小管道引到座艙後方。這樣能減少座艙周邊的空氣，使其按照預定高速前進。空氣壓縮機能每秒抽走500克氣流，產生的高溫會把氣體加熱到585攝氏度，電機需要436馬力的強度。整個系統從壓縮到冷凝的技術要求目前在市場上已經存在，只要把現有技術配合H yperloop的設計即可。在單程旅程中，一個座艙需要攜帶400公斤水作為冷凝液，水箱可以安裝在座艙頂部，並不像想象中那麼大。總而言之，減少氣流阻塞的創新設計不僅是可能的，而且是可行的，只是座艙需要採用接近完美的流線型設計，幫助空氣順利從側管進出。要達到每小時1000公里以上的高速並在需要的時候控制速度，得靠線性電子馬達加速器和減速器，馬斯克的團隊按照路線在特定位置安裝加速器和減速器，座艙在洛杉磯到舊金山之間會按照3個速度運行，靠近終點的時候速度是最低的，每小時480公里，在山區地帶速度可以達到每小時890公里，在最平滑的地段速度可以達到最高的每小時1200公里，根據設計在這個速度上座艙只經過一個比較平滑的轉彎，其餘幾乎都是直線。難度最大的是加速器要在4公里距離內把座艙從480公里的時速推到1200公里的時速，這對加速器的要求非常高。而從機械的角度看，減速器要簡單得多。剎車採用了能量循環技術，類似今天的電動汽車，但是效率要比電動汽車高很多。設計中減速時85%的能量都會被保存，留給下次加速的時候使用。也就是說一旦從起點站出發後、獲得最初推動力，之後需要加速的能量基本上是減速時產生的。馬斯克的設計中H yperloop用太陽能發電，在每個座艙頂部都安裝很多太陽能電池板，所有車站也安裝了太陽能電池板。按照計算，整個系統產生的太陽能只有不到一半被使用，多餘的能量出售給電力公司，這一部分的收入預計在每年2500萬美元左右，這一點也幫助降低系統的運作成本。總體來說，H yperloop的管道部分也是可操作的，盡管從機械角度看管道非常巨大且漫長，但是在技術上是非常"標準"的。接下來的部分是座艙的下方空氣懸浮層，懸浮層能讓座艙進行無摩擦運動。一般人知道這個技術是通過空氣曲棍球，這種遊戲中小球在"氣流"上快速運動。現在的高鐵流行使用磁懸浮技術，可是這個技術不僅非常昂貴而且難以控制。相比之下空氣懸浮的使用壽命長、自然穩定性更高、低損耗，並且費用低很多。對於H yperloop系統而言，空氣懸浮明顯是更好的選擇，因為座艙本身已經攜帶空氣壓縮機，從側管流出的空氣可以補充空氣懸浮層的需要，這幾乎是再自然不過的選擇。每個座艙下面有28個空氣墊支撐，每個氣墊長1.5米，寬0 .9米，厚度在0 .5毫米到1.5毫米之間，完全按照座艙底部的形狀和管道的形狀設計，通過懸掛系統固定在座艙底部。在模型測試的時候，當座艙以每小時1220公里的速度前進的時候，下面的氣墊和管道之間的摩擦力只有140牛頓，相當于多攜帶13公斤的重量，這對座艙速度的影響幾乎可以忽略不計。最後就是路線的選擇，具體路線的選擇肯定會引起很多政治和經濟爭論，白皮書中將路線初步分成幾段，每一段的速度是不一樣的，限制速度的主要因素是最小拐彎半徑。最小拐彎半徑越大，速度越快，降低速度主要是為了克服乘客因此產生的離心加速感，但是具體乘坐H yperloop會不會有坐過山車的感覺，還沒人能回答這個問題。第一段是在加州北部山谷到Castaic之間，因為有很多急轉彎，所以速度限定在每小時480公里之內，之後在管道內的急轉彎明顯減少，此時速度可以上升到每小時550公里，經過山區後管道極為平直，此時座艙的速度能達到最高。在理解了H yperloop的機械和技術原理之後就能清楚，馬斯克預計的整體造價的確有點偏低。首先他預計每個座艙的造價在135萬美元左右，但如果用極為類似的協和式飛機內艙來比較，H yperloop座艙的單個造價至少是1350萬美元。當然H yperloop座艙不用承受高空氣壓，也沒有機翼機尾和渦引擎，但是造價還是要比預計高很多。很多人質疑管道的鋪設成本沒有考慮到橋樑和隧道，這一點可以參考高鐵的建設成本，所有高鐵要支付的軌道成本，H yperloop也要支付，兩者沒有本質上的區別。如果用高鐵和H yperloop進行成本比較的話，高鐵絕對沒有明顯優勢。反對者多數認為H yperloop基於錯誤的機械分析，是不現實的設想，其實H yperloop的真正建成可能比馬斯克預計的還要快。原作：B rian D odson（物理學家兼火箭工程師）原載：w w w .gizm ag.com編譯：濰self storage