真空管道高速列車項(xiàng)目首個(gè)試驗(yàn)鐵軌將于今年建成。
2013年，埃隆?馬斯克（Elon Musk）突發(fā)奇想：通過真空管道，利用一種分離艙在30分鐘內(nèi)以接近聲速的速度將乘客從洛杉磯運(yùn)送到舊金山。比競爭對手提出的高速列車技術(shù)（2小時(shí)40分鐘）快得多。
他將該計(jì)劃稱為超級高鐵（Hyperloop），并預(yù)計(jì)耗資60億美元建造，相比之下，高速列車預(yù)計(jì)耗資600億美元。由于Hyperloop技術(shù)全程無摩擦，可節(jié)約能源，因此運(yùn)行成本還會(huì)降低。
馬斯克后來退出了這一計(jì)劃，理由是他現(xiàn)有的創(chuàng)業(yè)公司特斯拉汽車和SpaceX已經(jīng)占據(jù)了他全部的時(shí)間。但為了鼓勵(lì)其他人實(shí)現(xiàn)他的提議，他安排SpaceX公司舉辦了一場開放式設(shè)計(jì)大賽，第一輪的設(shè)計(jì)競賽于2015年1月舉行。大賽吸引了超過1200個(gè)小組報(bào)名，大部分都是工程專業(yè)學(xué)生。但這場比賽絕不僅僅是一場科技展。現(xiàn)已涌現(xiàn)出兩家創(chuàng)業(yè)公司，分別為2013年成立的超級高鐵交通技術(shù)公司（HTT）和2015年成立的超級高鐵技術(shù)公司。
是的，這個(gè)想法是很瘋狂。但并沒有你想象的那么瘋狂，而且你以為其瘋狂的原因恰恰說明這個(gè)想法一點(diǎn)也不瘋狂。
我們不得不佩服埃隆。實(shí)際現(xiàn)款已籌集完畢，HTT公司位于加州的5英里（8公里）測試軌道也將于今年動(dòng)工。所有這一切都沒有任何關(guān)鍵性突破，卻讓這個(gè)老點(diǎn)子的前景煥發(fā)著明亮的光彩。1906年，未來派火箭專家羅伯特?H?戈達(dá)德（Robert H. Goddard）在大學(xué)期間就這一想法寫了一篇科幻小說（包含了他后來獲得專利的想法，見插圖“一個(gè)火箭人的夢想”）。唯一的新東西是馬斯克的熱忱，對于他的承諾，他說到做到了。
馬斯克提出的計(jì)劃比較溫和，制定的規(guī)劃與戈達(dá)德及其后繼者相比要保守得多，這也是他的聰明之處。例如，蘭德公司的分析師羅伯特?索爾特（Robert Salter）就曾設(shè)想在21分鐘內(nèi)讓密封艙從紐約抵達(dá)洛杉磯（見1984年本雜志的報(bào)道）。
在索爾特的這種激進(jìn)的提議中，乘客置身于紐約或日本的密封艙內(nèi)，密封艙懸浮在磁道上方以避免產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，沿線性感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（實(shí)質(zhì)就是平鋪開的電動(dòng)機(jī)）加速，然后在近乎絕對真空的環(huán)境中以較高的馬赫數(shù)無摩擦地穿行；還要巧妙地限制最高速度，以避免高速運(yùn)行下地球曲率所造成的失重感。最后，密封艙沿著作為發(fā)電機(jī)的另一個(gè)線性電動(dòng)機(jī)減速，以提取能量再利用。然后，你就已到達(dá)世界的另一端了！
與此相反，馬斯克的密封艙則在沒那么絕對的真空中以亞音速行進(jìn)，這種讓步可以利用空氣墊支撐密封艙（并仍利用電磁推進(jìn)）。這似乎是許多學(xué)生參賽隊(duì)在設(shè)計(jì)大賽中采用的一種策略，但HTT公司比較傾向于利用磁鐵。密封艙前端以電池供電的壓縮機(jī)輸出能量驅(qū)動(dòng)空氣墊，這也是該系統(tǒng)只能以亞音速運(yùn)行的另一個(gè)原因。
學(xué)生參賽隊(duì)和其他愛好者都應(yīng)該做的一件事是找到并糾正馬斯克粗略建議中的錯(cuò)誤。這是一種眾包方式，而且行之有效。例如，美國政府的臨時(shí)關(guān)門迫使NASA的一些研究人員尋找其他可研究的問題，于是他們著手解決Hyperloop的渦輪理念，認(rèn)為需要對它作出調(diào)整。
位于克利夫蘭的NASA格倫研究中心的航空航天工程師杰弗里?金（Jeffrey Chin）說，“壓縮機(jī)不能超過一定的速度”，除非擴(kuò)大渦輪相對于其有效載荷的入口截面積。“既然人不能縮小，那么就必須擴(kuò)充管道。”Hyperloop最新的規(guī)格要求管道寬度是分離艙的兩倍以上。
即使速度剛剛超過1200公里/小時(shí)（760英里/小時(shí)），Hyperloop仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)快過現(xiàn)有的客機(jī)，在有效速度方面就快得更多了，因?yàn)榫拖窕疖囈粯樱?/span>Hyperloop連接的是各個(gè)城市的中心。但也像火車一樣，Hyperloop不是任何地方都能到達(dá)，因此技術(shù)上的最佳方案是中等距離的旅程，如從洛杉磯到舊金山的560公里。
馬斯克擁有賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)學(xué)位，他的科學(xué)原理基本上是正確的。的確可以利用空氣墊（氣墊船就是證明）或磁鐵（磁懸浮列車就是證明）保持表面幾乎不產(chǎn)生摩擦。土木工程師可以鋪設(shè)一條很直的軌道。線性加速器可以發(fā)揮作用。
只需要形成部分真空即可。HTT公司所探討的管內(nèi)壓力低于100帕斯卡，是大氣壓力的千分之一。總部設(shè)在德國科隆、正與HTT公司合作的歐瑞康萊寶真空公司（Oerlikon Leybold Vacuum）的業(yè)務(wù)發(fā)展部主管卡爾?布洛克梅耶（Carl Brockmeyer）堅(jiān)持認(rèn)為這項(xiàng)任務(wù)并不艱巨。
布洛克梅耶說：“我很想說這很容易，但還是只說‘這可以實(shí)現(xiàn)’為好，技術(shù)難度不會(huì)很大。我們可能建議使用活塞泵。”他繼續(xù)說，“我無權(quán)告訴你我們要用多少設(shè)備，但這不僅取決于保持真空所需的裝置……我們還需要一個(gè)冗余系統(tǒng)。也許我們會(huì)安裝一個(gè)額外的活塞泵，以防需要交換活塞泵或兩個(gè)活塞泵無須同時(shí)全速運(yùn)行的情況出現(xiàn)。”
為了回答這些以及其他問題，HTT公司計(jì)劃在今年晚些時(shí)候開始在洛杉磯和舊金山之間的加州碼頭谷建造5英里的測試軌道。順便一提，這里也是建立太陽能供電城市的推薦選址，所以更加便利，因?yàn)轳R斯克目前也在為太陽能熱量采集室制造儲能電池，并且他所設(shè)定的規(guī)格要求利用安裝在管道上的太陽能電池板為Hyperloop供電。
這次設(shè)備試驗(yàn)還要回答其他一些問題：緊急情況下如何疏散乘客？如果前方的密封艙突然停下，跟在后面的密封艙會(huì)怎樣？在減速階段如何避免連環(huán)相撞？對全部或部分系統(tǒng)重新加壓后需要立即重啟系統(tǒng)嗎？為避免幽閉恐懼癥，用高清晰屏幕代替舷窗，而重力又會(huì)讓人想起過山車，在這種情況下乘客如何承受壓力？
至少關(guān)于最后一個(gè)問題，一些觀察家的言辭十分犀利。斯德哥爾摩的數(shù)學(xué)家阿龍?萊維（Alon Levy）愛在博客上發(fā)表關(guān)于交通問題的評述，他說：“那不是交通，而是嘔吐之旅。”
該項(xiàng)目的總設(shè)計(jì)師、加州大學(xué)洛杉磯分校教授克雷格?霍杰茲（Craig Hodgetts）說，HTT公司不僅面臨上述問題，還有其他空氣動(dòng)力學(xué)問題。其不斷演變的設(shè)計(jì)已與馬斯克最初的設(shè)想大相徑庭，據(jù)他說，這也是HTT公司不會(huì)參加SpaceX公司大賽的其中一個(gè)原因。
霍杰茲說：“馬斯克的建議書所附的草圖顯示，這種密封艙有與高鐵列車類似的傾斜車頭。這種外形適合于非管道列車，而在管道內(nèi)，理想的形狀是完全對稱形。因此我們對密封艙在管道內(nèi)的位置作了很大改動(dòng)。”
他說，因?yàn)?/span>HTT公司的密封艙是磁懸浮，而非氣懸浮，所以需要的正面壓縮機(jī)渦輪比最初設(shè)想的更小。這意味著密封艙可以使用更輕的電池和冷卻系統(tǒng)。減輕的重量會(huì)最大限度地減少抖振（和乘客的嘔吐感）。但對于乘客如何適應(yīng)加速，仍有很多工作需要做。
霍杰茲推斷：“我感覺碼頭谷的設(shè)施會(huì)有微調(diào)。我們的一些研究表明，全速情況下，在轉(zhuǎn)彎半徑為15英里時(shí)會(huì)產(chǎn)生1.5個(gè)重力加速度，這確實(shí)不低。這是路線鋪設(shè)的一大決定因素。看起來為便于操縱而降低密封艙速度（無論降到多少）并不實(shí)際，所以必須對速度、路線和感覺進(jìn)行精密的分析。”
如果說人體工程學(xué)問題可以解決，而且只要有足夠的備份系統(tǒng)，安全挑戰(zhàn)也可以解決，那么目前真正的問題當(dāng)然是資金。
霍杰茲稱，建設(shè)管道本身其實(shí)并不難：“它比千英尺高的摩天大樓低好幾層。要知道，在1000英尺處有不可預(yù)測的風(fēng)力，可能還會(huì)遭遇地震力、混凝土收縮等情況。”
其他專家卻沒那么樂觀。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究高速空氣動(dòng)力學(xué)的博士后里昂?范思通（Leon Vanstone）說：“這是前無古人的一項(xiàng)巨大工程，按照他（霍杰茲）的預(yù)期，成本會(huì)非常離譜，不知道是否能達(dá)到預(yù)期效果。”
“如果在高速運(yùn)行下停車，管道內(nèi)非常小的偏移也可能會(huì)導(dǎo)致抖振。”范思通補(bǔ)充說，“即使列車不偏移，地面也會(huì)震動(dòng)，尤其是在加州。聲音會(huì)很大，非常吵。”
這些問題可能并不是本月公開賽的主要問題。比賽比的是設(shè)計(jì)，而不是試運(yùn)行，因此迄今為止，報(bào)名的參賽隊(duì)尚能靠大學(xué)撥款、免費(fèi)建模軟件以及公司偶爾提供的贈(zèng)品維持。有學(xué)生對IEEE Spectrum說，他們的研究經(jīng)費(fèi)短期內(nèi)可能不到10萬美元。如果必須進(jìn)行實(shí)際試運(yùn)行，那么就需要有更多的資金才能有競爭力。
美國華盛頓大學(xué)參賽隊(duì)隊(duì)長、機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生大衛(wèi)?科文（David Coven）說：“我們將為今冬的比賽設(shè)計(jì)和建造一個(gè)測試模型。模型不是實(shí)際大小，而是差不多3英寸×4英寸×14英尺，像一級方程式賽車那么大。我們還會(huì)建造一條1英里長的測試管道。”
后期可能會(huì)有更重要的人物加入比賽。NASA的金暗示他和他的同事們可能也想嘗試一下。他已經(jīng)在考慮由設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到測試階段的問題變化情況了。他說：“如果要轉(zhuǎn)到更大的系統(tǒng)，重點(diǎn)在于細(xì)節(jié)。”
未來，法律和政治障礙甚至可能超越經(jīng)濟(jì)問題。紐約市的地鐵系統(tǒng)本應(yīng)于今年年底開通第二大道線的第一段。以下是相關(guān)數(shù)字：3.2公里（2英里），45億美元，9年。若從破土動(dòng)工時(shí)算起，這就是修建這條線路所需的時(shí)間（如果從該線路提出首次之日算起，則為97年）。
誠然，曼哈頓的地下布滿了管道、電纜，也許還有土行孫，但這里的主要障礙不是金屬和污垢，而是更難對付的——政治和律師。對Hyperloop而言亦是如此。馬斯克稱，可以通過沿現(xiàn)有電力線修建線路，以較低的價(jià)格獲得路權(quán)。所以還要看運(yùn)氣。
但是如果有一天公職人員被要求批準(zhǔn)某個(gè)Hyperloop項(xiàng)目并提供資金，Hyperloop“快活的惡作劇者”將面臨以己之矛攻己之盾的尷尬局面。除非他們?nèi)サ揭粋€(gè)可以依靠政治領(lǐng)導(dǎo)實(shí)現(xiàn)設(shè)想的國家。
也許這就是HTT公司首席執(zhí)行官和創(chuàng)始人迪爾克?阿爾伯恩（Dirk Ahlborn）2015年夏末到訪亞洲的原因。Spectrum在2015年9月下旬聯(lián)絡(luò)到他時(shí)，他并沒有透露究竟到過哪里，但他確實(shí)透露了將要去哪里。
阿爾伯恩說：“我可以肯定地說，首條完整長度的軌道將會(huì)出現(xiàn)在亞洲、中東或非洲。他們面臨著更大的問題且沒有現(xiàn)成的基礎(chǔ)設(shè)施，所以急需進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。對他們來說，我們這樣的系統(tǒng)比高鐵更有吸引力。”
作者：Philip E. Ross