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第 5 期 2020 年 10 月 8 日，维珍集团旗下的维珍超级高铁公司对外宣称：他们已经在参与竞标的美国的 17 个州中选择了西弗吉尼亚州作为合作伙伴，将在西弗吉尼亚州建立一个大型超级高铁实验中心[1]。这个新的超级高铁实验中心将会建设一条将近 10 公里长的真空管道，目的是试验最新的超级高铁系统。他们计划在 2030 年以前，让这家实验中心能够投入运营。   维珍集团的老板理查德·布兰森在祝贺信中说：“今天是维珍超级高铁公司最令人兴奋的日子之一。这里将是一个起点，这里不仅是西弗吉尼亚，也是整个美国和全世界超级高铁的起点。我们距离伟大梦想的实现又近了一步。”  看到这条新闻，我不由地感慨：这位理查德·布兰森老爷子对未来科技真的是无限的痴迷。在咱们节目的第一季就曾经提到过，同样是维珍集团旗下的维珍银河公司，承诺 2020 年首次商业飞行的太空船 2 号，已经推迟到明年了，结果他又出来为新的超级高铁实验中心剪彩来了。 这家维珍超级高铁公司，是维珍集团在 2017 年收购的公司。这家公司在拉斯维加斯北部的沙漠里已经造了一条 500 米长的真空管道。在2018年的一次试验中，一节测试车厢在电磁力的驱动下，跑出了 387 公里的时速。  听到这个速度，你可能会不以为然，因为我们的高铁正常运营的速度就能达到 350 公里了，387 公里听起来一点儿都不快呀。但是，你别忘了，这 387 公里的时速，是在 500 米长的试验管道中实现的。这么短的距离，要加速，还要安全地停下来。这就让超级高铁的最高速受到了严重的限制。维珍超级高铁公司的技术人员解释说：根据计算，如果管道能再延长 2 公里，车厢就能被加速到超过 1000 公里/时，还能安全地停下来[2]。  4000 公里这个数字，关注超级高铁技术的听众听起来都会很熟悉。2017 年 8 月 30 日，在武汉举办的第 3 届中国国际商业航天高峰论坛上，中国航天科工集团就曾经公布了一条相当劲爆的消息，这条消息说：中国航天科工要开始投入“高速飞行列车”的商用化研究了。当时宣布的“高速飞行列车”的理论速度，也是 4000公里/小时。 3 年过去了，现在我国的超级高铁，发展得怎么样了呢？就在 2020 年 10 月 21 日，科技部的一次新闻发布会上，高新技术司司长秦勇介绍说：我国的时速 600 公里高速磁悬浮样车已经完成了系统联调[3]。  当然，有人认为，我们现在的高铁，连 400 公里的时速都没到，速度提高 10 倍，这怎么可能呢？我看到有些键盘侠会把它比作大跃进、放卫星。但是如果新闻中换个说法，这样报道：未来我国的民航客机，将会在没有空气阻力的真空管道中飞行，从而能将飞行速度提高 3 - 4 倍。如果听到这样的新闻，或许就不会有人再把这个看作是大跃进了吧。 其实，超级高铁只是因为外形上更接近轨道交通，速度又快，才获得了“超级高铁”的名字。如果从原理上讲，超级高铁对标的交通工具，应该是飞机。我们完全可以换个说法：超级高铁就是一种外形像火车，在真空管道中高速飞行的超音速飞机。 可能与你的直觉不太一样，利用真空管道进行高速运输的概念，并不是什么新东西。这个概念从提出到现在，已经有一个多世纪的时间了。 1909 年，现代火箭技术的奠基人，美国工程师罗伯特·戈达德在一篇名为《快速交通的极限》的科学社论中首次提出了腾空列车的概念[4]。  1922 年，德国工程师，磁悬浮技术的先驱者赫尔曼·坎贝尔提出了磁悬浮列车的概念。他还同时提出，如果能让磁悬浮列车在真空管道中运行，将会实现无与伦比的列车运行效率。这就是公认最早的超级高铁模型。 由于技术与工艺条件的限制，直到上个世纪的 60 年代，磁悬浮技术开始逐渐有了发展，但是真空管道技术却依然没有实质性进展。 2013 年，埃隆·马斯克重新提起了一个名叫 Hyperloop 的概念，超级高铁才重新进入了我们的视野。马斯克从特斯拉和 SpaceX 中抽调了一组工程师，花费了大约 8 个月的时间，建立了 Hyperloop 超级高铁的概念模型。在概念模型的基础上，他们还把包括成本分析在内的全套系统设计，公开发表在他们的官方博客上，希望有更多有识之士能够加入到超级高铁的开发中来。 熟悉马斯克的听众一定知道，马斯克最喜欢的，就是把第一性原理挂在嘴边。他认为，人类所有的交通工具，包括汽车、火车和飞机在内，都已经达到了当前的速度极限。这个极限存在的原因，就是空气阻力。所以，只有让交通工具在真空管道中运行，才是未来长距离交通的唯一方向。 马斯克说的没错。交通工具受到的空气阻力，是与它们速度的平方成正比。交通工具的速度，是线性增长的。但是，为了提高速度而花费的能源，却是指数级增长。超音速飞机之所以会退出历史舞台，就是因为乘客并不愿意用指数增长的票价，为节约下来的少量时间买单。 如果某种交通工具，能在空气中跑到 4000 公里的时速，换算一下就是大约 1100米/秒。这就相当于一个静止的物体，迎面吹来了 1100米/秒的强风。12 级强台风的风速是大约每秒 30 米，超级高铁所面临的的空气冲击，相当于 12 级强台风的 30 多倍。空气会在交通工具的头部被压缩成一堵空气墙，速度越快，空气墙就越致密。高速交通工具耗费的所有能量，都是为了破开这堵空气墙而已。 现在，除了本文开头提到的维珍超级高铁公司，还有美国的 HTT 公司，加拿大的 TransPod 公司、印度的 DGW 公司，中国的航天科工集团，荷兰的 Hardt 公司等很多家公司，都在致力于超级高铁的技术研发。虽然这些公司使用的技术和方案都不同，但是它们要解决的问题却是一致的——如何让超级高铁计划在经济上完全可行。 如果把各种交通工具的能源消耗平均分配到每个人身上，那么在绿皮火车、高铁、公共汽车、民航客机和小轿车之中，绿皮火车的每公里能耗是最低的，大约是 400 焦耳左右。如果把绿皮火车消耗的能量看作是 1 个单位，那么高铁的能耗是 1.42，公共汽车的能耗和高铁差不多，是 1.45，民航客机的能耗则要高得多，达到了绿皮火车的 7.44 倍，而小轿车的能耗比飞机还要高，达到了绿皮火车的 8.2 倍。 这里很值得你记住的一组数据是，高铁的能耗是绿皮火车的 1.42 倍。这 42% 的能源消耗差异，正是高铁高速行驶的过程中，需要推开更多压缩空气的原因。 超级高铁以磁悬浮的方式运行在真空管道之中。从理论上来说，它既没有空气阻力，也没有轮子与铁轨产生的摩擦力。只要加速到合适的速度，超级高铁就能一直不停地在管道中靠惯性滑行，完全不需要消耗能源。但是，这只是理想的状态而已。在实际情况下，我们只能尽量降低真空管道中的气压，并不能创造出绝对的真空。据测算，在几千米长的管道内部，保持十分之一的大气压，就已经很不容易了。所以，在管道中运行的超级高铁，其实还存在空气阻力。所以，每隔几公里，我们就需要给超级高铁设置一组用于加速的电磁加速器装置，把超级高铁因为空气阻力损失的速度补回来。这当然是需要耗电的。 另外，为了确保管道里能够维持接近真空的状态，我们需要每隔一段就安装一组真空泵，一刻不停地把管道内本来已经非常稀薄的空气抽出来。这些持续工作的真空泵，当然也需要供电。 还有，虽然 10% 的大气压已经很小了，但由于超级高铁的速度太快，这就导致车头前方依然会形成阻力极大的高密度空气墙。为了把空气墙破坏掉，工程师们想出了一个绝妙的办法。他们把一种类似于飞机引擎的涡轮风扇安装在了车头的位置，这样的做法并不是为了给超级高铁提供动力，而是通过吸气这个动作，打碎前方的空气墙，降低整个超级高铁的空气阻力。这台涡轮风扇，当然也是需要消耗能源的。 根据埃隆·马斯克的设计方案，他认为在整个超级高铁的管道顶部，铺满太阳能电池板，就能解决整个超级高铁系统的供电问题。然而，他的这一假设似乎并没有经过测算。真空管道的气密性、真空水平都有可能会影响整个系统的最终能耗水平。 超级高铁在能耗上到底能不能依靠太阳能自给自足，现在还没有绝对的定论。但是，我们可以确定的是：即便超级高铁的能源消耗并不能自给自足，但与对标的飞机比起来，也已经是超级节能的了。所以，真正阻碍超级高铁发展的，并不是它的能耗，而是它高昂的造价。 现在，一个大型国际机场的造价，大约在 500 - 1000 亿人民币之间，而且，建设机场的费用与飞机航线的长度无关。更有利的是，机场数量和航线数量不是简单的加 1 关系，而是一种类似于阶乘的关系。比如，我们已经拥有了 10 座机场，那么，当第 11 座机场落成的时候，就相当于立即新增了 10 条新航线。机场的数量越多，每新建一个新机场获得的航线增量就会越大，潜在的经济效益当然就越大。毕竟，只有机场需要建设，而空中的航线则是免费的。 但是，如果我们想要用超级高铁来连通两个城市，就需要为每一条线路新修一条真空管道。即便我们有办法降低真空管道的建设成本，让超级高铁的线路比修机场还便宜，但我们也无法实现飞机航线那种数量级增加的规模效应。 除了这个根本问题以外，超级高铁想要正式商用，还会遇到一系列的技术问题。每个问题背后，都需要大量的技术创新和突破。我在这里随便给你说几样，你来体会体会超级高铁的制造难度吧。 未来科技 体验馆 难点一 普通的高铁车站，到站之后都会通过调度系统进行变轨，一个大车站就像是一个专门停放高铁列车的停车场，如果管理得当就可以停放很多辆列车。但是磁悬浮结构的超级高铁，会紧紧地抱住下面的轨道，这种特殊的轨道结构就没有办法用现有的办法进行变轨。如果修建一条线路，上面只能跑一列超级高铁，那是相当不划算的。 难点二 超级高铁的速度快，就意味着它的转弯半径非常大。即使真空管道发生非常轻微的变形，都有可能造成灾难性的后果。那么，在建造超级高铁的时候，我们就必须考虑到如果由于地面沉降或者类似问题，导致管道发生形变，我们该如何修复管道呢？ 难点三 超级高铁对标的交通工具是飞机。虽然超级高铁是在地面上跑，但是由于真空管道是完全封闭的，超级高铁列车一旦出现故障，就会与飞机故障一样难以应付。 就拿最简单的停电事故来说吧，停电对于普通高铁来说，造成的后果就是减速直到停车。而超级高铁是利用电磁力制动的，当超级高铁全速运行时，停电会直接造成超级高铁无法制动，最终造成灾难性的后果。 超级高铁一旦出现安全问题，危险程度可能并不亚于飞机。只有提前消除掉所有安全隐患，超级高铁才算是有了真正的商用价值。而与它对标的民航，早就是世界上最安全的交通工具了，民航经过多年的摸索和发展，已经完美地解决了所有类似的问题。 那么，超级高铁真的就没有逆袭的机会了吗？当然不是。 从 2008 年天津到北京的城际高铁开通到现在，仅仅过去了 12 年的时间，高铁就已经对民航造成了强烈的冲击。 有调查显示[5]，在小于 500 公里的行程中，高铁出行以绝对性的优势碾压了民航；500 - 1000 公里的行程中，高铁与民航势均力敌，这个区间的打折机票价格常常会比高铁更低；1000 公里以上的行程，现在依然是民航的优势比较大。 所以你看，虽然超级高铁的建造费用比较高，但线路一旦开通，就能以自己的运营成本优势直接碾压对标的民航线路，获得市场优势。能够为出行提供便利，还能实现盈利，是超级高铁发展的经济基础。 从技术层面看，可以把超级高铁看做是运行在真空管道里的磁悬浮列车。所以超级高铁面临的很多问题，都是磁悬浮列车同样存在的问题。 磁悬浮技术最大的问题是，再多的实验室研究，都取代不了从工程项目中取得的实际经验。不过好消息是，经过了十几年的技术储备之后，我国已经在建设中低速磁悬浮线路上，找到了市场突破口。 中低速磁悬浮线路对标的交通方案不是飞机，而是城市里的地铁和轻轨。我国还有很多开始准备建设地铁的城市。如果中低速磁悬浮铁路在造价上能够低于地铁，维护成本和能源消耗上也能够低于地铁和轻轨，那就有可能抢占这个巨大的市场。 以正在运营的长沙磁浮为例，它在运行时的能耗就比同等状况下的城市轻轨低 10% 左右。运营成本比轻轨和地铁更低，是中低速磁悬浮列车最重要的指标。我国的磁悬浮技术，正在这类大量建设的地铁和轻轨项目中快速地积累经验。 所以，目前的情况来看，磁悬浮技术在世界范围内都属于一种前景不错，但出于经济因素考量被边缘化的技术。而以磁悬浮技术作为重要基础的超级高铁，自然也变得步履维艰。那么，是否存在一个技术奇点，能实现超级高铁技术的快速发展呢？ 超级高铁对标的交通工具是民航客机，而且要对标 1000 公里以上的热门航班线路，才在经济上有收益。这样，除了不断在短线磁悬浮项目上积累经验降低建造成本外，还要进一步降低使用能耗，让超级高铁在长期看来有经济优势。 现在看来，最有希望成为技术奇点的技术，就是常温超导材料的发现。 超导，是温度降低到某个点时，某些物质突然呈现出的电阻消失的现象。处于超导状态的物质，无论外部磁场如何发生变化，物质内部的磁感应强度都一定为零。我们把这个特性，叫做超导体的抗磁性。由于超导线圈没有电阻，所以可以承载几乎无限大的电流。然后我们再利用超导体的抗磁性产生的斥力，就可以使磁悬浮列车脱离地面。因为本文不是介绍超导材料的专题，所以我这里讲得很简略，或许不熟悉超导材料的听众会有点看不明白，不要紧，你只要知道：超导材料可以使磁悬浮变得很简单，这样一来，建造磁悬浮列车的难度就转嫁到了制造超导材料上了。 使用超导线圈与普通线圈最大的差别是：超导线圈是没有电力损耗的，这就极大节约了能源。另外，极少的耗电量让我们可以设计出完全不同的磁悬浮轨道方案。我们可以用多个地面线圈来引导磁悬浮列车，实现自由的并轨操作，从而实现与高铁方案相当的车辆调度和管理能力。 目前我们能制造的超导材料，都必须维持非常低的温度，维持这种低温本身就需要非常高昂的成本。所以，超导材料的制造难度在于如何提高超导材料的温度。 就在我写作本文的期间，2020 年 10 月14 日，著名的《自然》杂志的官网上发了一篇引起全世界轰动的新闻[6]：美国罗彻斯特大学的科学家发现了可以工作在 15 摄氏度的常温超导材料。刚看到这条新闻的时候，我的小心脏跳得扑扑的，如果是真的，那可就是科学史上的大事件了。不过随后我就了解到，这种超导材料是在 250 万个大气压下实现了常温超导。好吧，维持这种高气压和维持超低温，很难说哪个成本更低。不过，这条新闻还是让科学界的很多人感到兴奋，至少它提供了寻找常温超导材料的一种新可能。 那么，我们不妨可以来设想一下，假如超导材料的技术奇点被突破了，我们会迎来一个怎样的新交通时代。毫无疑问，超级高铁的造价将大幅度地降低。 与高铁八横八纵的格局不同，超级高铁的建造并不是网状的，它们更接近于飞机，必须采用点对点的方式一条一条地建设。一旦两个城市之间修建了超级高铁，就好像在两个城市之间建造了一个任意门。原本几千公里的距离，立即进入到便利的 1 小时生活圈。 脑洞 我猜想：将来我们修建超级高铁的真空管道时，一定不会只修建一根管道，我们会一次架桥就直接铺设双向 16 根真空管道，供超级高铁使用。这样的管道组就像时速 4000 公里永不堵车的高速公路。原有高速公路的超低运输效率，直接就会得到上百倍的效率提升。 我可以大胆地估计：当超级高铁的时速超过 800 公里时，民航的热点航线就会自然消亡。第一个消亡的当然是京沪航线。我们可以用类似于乘坐地铁的方式来乘坐超级高铁，再也不用受天气的限制在候机大厅里焦虑地等待了。跳上超级高铁，抓着扶手站 30 分钟到 1 小时，就从上海到北京了。 当超级高铁的时速超过 1600 公里时，距离小于 1000 公里的城市，就互相进入了对方的 1 小时生活圈。生活在一个城市，而工作在另外一个城市，将会是一种常见的生活模式。 当超级高铁的时速达到 2400 公里时，距离 1500 公里内的城市，将会互相进入对方的 1 小时生活圈。环渤海经济带与长三角经济带互相连通，成为一个牢固的新经济体。 当超级高铁的时速达到 3200 公里时，距离 2200 公里以内的城市，将会互相进入对方的 1 小时生活圈。南京到成都，上海到昆明的时间都将被压缩到 1 小时之内。一个大型国际展览会可以同时在两个相距 2500 公里的城市举办，你上午看完了主会场的开幕式，下午还可以到分会场去听演讲。 当超级高铁的时速达到 4000 公里时，全国所有的省会城市都可以与北京的 1 小时生活圈相互连通，人们的生活方式将被彻底地改变。超级高铁修到哪里，城市之间的连接就延伸到哪里，这是一股能够带来城市系统化合并的巨大力量。 到了那一天，你如果跟人说我这次坐飞机出差，等于就告诉别人，你要么出国，要么就是去国内的某个偏远小城市。 如果说，互联网、人工智能和虚拟现实是让这个世界数字化、虚拟化的力量，那么超级高铁就是一股让世界物理化和实体化的力量。不过，比起虚拟世界的爆发式增长来说，超级高铁的发展依赖于工程项目的实施，这肯定是一个相对漫长的过程。饭要一口一口吃，超级高铁肯定也要一条一条地修。 我相信在我们的有生之年，都能坐上时速 4000 公里的超级高铁。说实话，我很不喜欢坐飞机，好吧，其实是因为我坐不起头等舱，曾经坐过二、三次头等舱，抛开恼人的安检和候机不谈，坐在那张可以伸缩的大沙发上还是挺舒服的，就是能不能不要那么贵啊…… 好啦，超级高铁的话题暂且写到这里，在本文的最后，我又要公布今天的知识彩蛋了。 |
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