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        從地底到太空,超級高鐵的前世與今生

        2020-3-28 09:23| 發布者: Insigne| 查看: 160| 評論: 0|來自: 劉文元

        摘要: 對真空管道運輸的演進歷史進行簡要梳理,一窺超級高鐵的前世與今生。

        2013年,在“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克的號召下,超級高鐵的概念(一種在真空管道中運行的交通工具)廣為人知,近幾年迅速成為許多國家科研和社會討論的熱點。但其實,類似的設想早在兩百年前就已經有人提出。

        本文將對真空管道運輸的演進歷史進行簡要梳理,一窺超級高鐵的前世與今生。

        01 壓力差即動力

        真空技術的發端,歷史上有確切記載的就是1643年的托里拆利實驗:在密封的長管中注滿水銀并倒置在水銀槽里即可發現,大氣與真空之間的壓力差,能夠頂起760毫米水銀柱。而真空技術應用的第一個案例,則是1654年的馬德堡半球實驗:將兩個半球合成為直徑119厘米的球體,并用真空泵抽空內部氣體,之后在兩側各用8匹馬都無法拉開。

        從地底到太空,超級高鐵的前世與今生

        馬德堡半球實驗

        可以說,這兩個著名的實驗都利用了大氣與真空[1]之間有巨大壓力差的原理,同時也是這種壓力差能夠產生機械作用力的證明。后人也從中得到了輸運物品的啟發。

        1799年,一位名叫喬治·梅德赫斯特的英國機械工程師和發明家,申請了一項通過壓縮空氣獲取動力的風機泵專利。次年,他又申請了利用壓縮空氣驅動汽車的“風驅”發動機專利,與此同時,他提出風驅汽車服務計劃,并建議在行車路線上設置泵站為其持續補充動力,可以理解為類似于電動汽車和充電樁之間的關系。

        從地底到太空,超級高鐵的前世與今生

        大氣鐵路

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        大氣鐵路

        基于此前的構想,梅德赫斯特于1810年提出真空郵遞線的設想,并認為這種利用氣壓差在管道中傳送信件和貨品的方法,比郵遞員挨家挨戶運送要更加快捷、高效。進一步地,他開始想象用規模更大的管道運輸列車的可能性。

        1812年,他首次發表了一篇關于大氣鐵路的理論計算文章,論證了在鐵軌上方架設直徑數米的管道,通過氣壓差來快速運送貨物和乘客的可行性、效果和優勢。此外,他還構想了另一種大氣鐵路的形式,即在鐵軌下方鋪設一根長管,管道內有器件與列車相連,器件在氣壓差的驅動下運動,從而帶動列車行進,列車的動力源不是車頭,而是車體下方的管道。

        在他去世前不久的1827年9月,出版了著作《新型內陸運輸系統》,對氣動推進推崇備至,認為這種方式即使沒有馬匹或其他動物提供動力,也能達到96公里的時速。

        從地底到太空,超級高鐵的前世與今生

        大氣鐵路利用氣壓使車體沿軌道前進,而非用車頭作為動力。

        然而,由于這樣那樣的原因,大氣鐵路并沒有成功實施,這一設想也就逐漸被束之高閣。直到2018年,一位89歲的美國工程師馬克斯·施力格把它變成現實:他在自家的葡萄園里架設了一條軌道,鐵軌之間有一根直徑30厘米的聚氯乙烯管,管道外連一臺泵,用以抽出管中的空氣或將空氣注入管中。

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        馬克斯·施力格的大氣鐵路

        在氣壓差的作用下,管道內的“推力車”便帶動與之通過磁鐵相連的列車行駛起來。這套只有標準鐵路系統六分之一大小的模型運行結果表明,它能夠輕易克服傳統列車無法逾越的陡峭坡度,而且運行噪音更小,不需要高架輸電線路,泵也能用可再生能源驅動。

        從地底到太空,超級高鐵的前世與今生

        馬克思·施力格用大氣鐵路的模型進行演示:在管道一端向內吹氣,列車模型就會在氣壓推動下行進。

        2、從舊理論到科幻到新理論

        在梅德赫斯特去世后的一個多世紀里,真空管道運輸的理論研究逐步走向深入和完善。而且,此種運輸方式在剛剛興起的科幻文學中也大放異彩。那些作品中的設想看似超前,但其實從時間線上看,要滯后于科學家的理論研究,都有各自的理論原型。

        1888年,儒勒·凡爾納的兒子米歇爾·凡爾納受大氣鐵路的啟發,發表了超短篇小說《未來快車》。小說中設想了一種鋪設在大西洋海底的鋼鐵管道,長度超過4800公里,直徑約1.5米,重量超過1300萬噸,將歐洲和北美連接起來。管道被三層鐵網包裹,外表面涂滿樹脂,以使其免受海水活動的侵害。

        在強大的氣流吹動下,管道內列車的時速高達1800公里,從波士頓出發,兩小時四十分鐘內就能抵達利物浦。這種系統的優點顯而易見:管道的內表面經過精細拋光,有抑制乘客緊張不安情緒的作用;根據季節的不同,氣流可以調節、均衡管道內的溫度;拋開重力和損耗等問題,該系統的建造和運營費用低廉,所以票價也難以置信地低。

        從地底到太空,超級高鐵的前世與今生

        藝術家A. J. Johnson為《未來快車》繪的插圖

        不過,大氣鐵路需克服空氣阻力,以及車輪與鐵軌間的摩擦力,理論速度天花板較低。另外,即便車輛能夠達到很高的速度,那時的氣動噪聲和氣動振動也會變得很大,能量消耗也隨之大幅提高。因此,隨著科學的發展,理論研究逐漸朝著擺脫摩擦力和空氣阻力的方向前進。

        1904年,現代火箭技術之父羅伯特·H.戈達德提出vactrain的設想,這是首個現代意義上的真空管道運輸系統。其時,他還是美國伍斯特理工學院的大一新生。他設想列車在保持真空狀態的管道中滑動,為了通過非磁性手段使列車加速、減速,以及防止摩擦,需要在相對可移動部件,比如車輪與車軌之間施加流體壓力,方法是用噴嘴噴出高壓高溫液體,液體被噴出后立刻就會變成高壓蒸汽,從而使車體懸浮于軌道上。


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