从地底到太空——真空管道运输演进史

　　文/乔小帮主 

　　人类对提高出行速度的渴求从未休止，五花八门的交通工具也应运而生。在过去的几个世纪里，人类发明了热气球、火车、汽车，然后是飞机、超音速喷气式飞机，以及将宇航员送入太空的燃料动力火箭。2013年，在“钢铁侠”埃隆·马斯克的号召下，超级高铁的概念（一种在真空管道中运行的交通工具）广为人知，近几年迅速成为许多国家科研和社会讨论的热点。但其实，类似的设想早在两百年前就已经有人提出。今天，我们将对真空管道运输的演进历史进行梳理，一窥超级高铁的前世与今生。 

　　1  压力差即动力 

　　真空技术的发端，历史上有确切记载的就是1643年的托里拆利实验：在密封的长管中注满水银并倒置在水银槽里即可发现，大气与真空之间的压力差，能够顶起760毫米水银柱。而真空技术应用的第一个案例，则是1654年的马德堡半球实验：将两个半球合成为直径119厘米的球体，并用真空泵抽空内部气体，之后在两侧各用8匹马都无法拉开。 

　　可以说，这两个著名的实验都利用了大气与真空之间有巨大压力差的原理，同时也是这种压力差能够产生机械作用力的证明。后人也从中得到了输运物品的启发。 

　　1799年，一位名叫乔治·梅德赫斯特的英国机械工程师和发明家，申请了一项通过压缩空气获取动力的风机泵专利。次年，他又申请了利用压缩空气驱动汽车的“风驱”发动机专利；与此同时，他提出风驱汽车服务计划，并建议在行车路线上设置泵站为其持续补充动力。这可以理解为类似于电动汽车和充电桩之间的关系。 

　　基于此前的构想，梅德赫斯特于1810年提出真空邮递线的设想，并认为这种利用气压差在管道中传送信件和货品的方法，比邮递员挨家挨户运送要更加快捷、高效。进一步地，他开始想象用规模更大的管道运输列车的可能性。1812年，他首次发表了一篇关于大气铁路的理论计算文章，论证了在铁轨上方架设直径数米的管道，通过气压差来快速运送货物和乘客的可行性、效果和优势。此外，他还构想了另一种大气铁路的形式，即在铁轨下方铺设一根长管，管道内有器件与列车相连，器件在气压差的驱动下运动，从而带动列车行进，列车的动力源不是车头，而是车体下方的管道。在他去世前不久的1827年9月，梅德赫斯特出版了著作《新型内陆运输系统》，对气动推进推崇备至，认为这种方式即使没有马匹或其他动物提供动力，也能达到96千米的时速。 

　　然而，由于这样那样的原因，大气铁路并没有成功实施，这一设想也就逐渐被束之高阁。直到2018年，一位89岁的美国工程师马克斯·施力格把它变成现实：他在自家的葡萄园里架设了一条轨道，铁轨之间有一根直径30厘米的聚氯乙烯管，管道外连一台泵，用以抽出管中的空气或将空气注入管中。在气压差的作用下，管道内的“推力车”便带动与之通过磁铁相连的列车行驶起来。这套只有标准铁路系统六分之一大小的模型运行结果表明，它能够轻易克服传统列车无法逾越的陡峭坡度，而且运行噪音更小，不需要高架输电线路，泵也能用可再生能源驱动。 

　　2 从旧理论到科幻到新理论 

　　在梅德赫斯特去世后的一个多世纪里，真空管道运输的理论研究逐步走向深入和完善。而且，此种运输方式在当时刚刚兴起的科幻文学中也大放异彩。那些作品中的设想看似超前，但其实从时间线上看要滞后于科学家的理论研究，都有各自的理论原型。 

　　1888年，儒勒·凡尔纳的儿子米歇尔·凡尔纳受大气铁路的启发，发表了超短篇小说《未来快车》。小说中设想了一种铺设在大西洋海底的钢铁管道，长度超过4800千米，直径约1.5米，重量超过1300万吨，将欧洲和北美连接起来。管道被三层铁网包裹，外表面涂满树脂，以使其免受海水活动的侵害。在强大的气流吹动下，管道内列车的时速高达1800千米，从波士顿出发，2小时40分钟内就能抵达利物浦。这种系统的优点显而易见：管道的内表面经过精细抛光，有抑制乘客紧张不安情绪的作用；根据季节的不同，气流可以调节、均衡管道内的温度；抛开重力和损耗等问题，该系统的建造和运营费用低廉，所以票价也难以置信的低。 

　　不过，大气铁路需克服空气阻力以及车轮与铁轨间的摩擦力，不然速度就会受到限制。另外，即便车辆能够达到很高的速度，那时的气动噪声和气动振动也会变得很大，燃油消耗也随之大幅提高。因此，随着科学的发展，理论研究逐渐朝着摆脱摩擦力和空气阻力的方向前进。 

　　1904年，现代火箭技术之父罗伯特·H.戈达德提出vactrain的设想，这是首个现代意义上的真空管道运输系统。其时，他还是美国伍斯特理工学院的大一新生。他设想列车在保持真空状态的管道中滑动，为了通过非磁性手段使列车加速、减速，以及防止摩擦，需要在相对可移动部件——比如车轮与车轨之间施加流体压力，方法是用喷嘴喷出高压高温液体，液体被喷出后立刻就会变成高压蒸汽，从而使车体悬浮于轨道上。实质上，列车可以看成是在一层高压液膜上行驶。1906年，戈达德在短篇小说《高速往返》中完善了这一设想。三年后，《科学美国人》以《快速交通的极限》为题发表了该作品的概述。 

　　戈达德的设想可以说是大气铁路向超级高铁的过渡。与大气铁路相比，Vactrain的管道处于真空状态，列车不再利用气压差提供动力，并且首次考虑到降低空气阻力，杜绝列车与轨道间产生摩擦。与超级高铁相比，Vactrain的形式已经与之非常接近，只不过在使列车悬浮和行进的手段方面，绝大多数超级高铁方案均采用磁悬浮技术，vactrain利用的是高压气体。 

　　1955年，波兰科幻大师斯坦尼斯拉夫·莱姆出版了《麦哲伦星云》。这部小说以32世纪的共产主义乌托邦为背景，人类已经完成整个太阳系的殖民，正在尝试星际旅行。在小说中，莱姆描写了一种名为Organowiec的洲际真空列车，这种列车在透明的真空管道中能够以超过1666千米的时速行驶。这显然受到了Vactrain的影响。 

　　1962年，美国科幻作家麦克·雷诺兹发表在《类比》上的短篇《雇佣兵》，更是将真空管道运输提到至关重要的位置。在小说中，和平已经实现，为防止出现世界毁灭的可能，政府规定战斗仅能使用20世纪以前设计的武器，并且所有的战斗都会进行电视转播以娱乐大众。各大公司利用雇佣兵部队解决商业纠纷。在运输行业，大陆气垫船公司处于垄断地位。而新近兴起的真空管道运输公司则能大幅降低运输成本，并给消费者带来更好的服务，从而打破垄断，但首先，它不得不与前者进行战争。当然，不仅是武器，就连小说中的交通工具也都是20世纪之前就存在的设想。气垫船的概念最早可以追溯到1716年，瑞典科学家伊曼纽尔·斯维登伯格在研究交通工具表面效应时提到的“悬浮”一词。到了19世纪初，有人认识到将压缩空气打入船底，可以减少航行阻力，提高航速。真空管道运输的概念可以追溯到1810年梅德赫斯特的真空邮递线构想。因此，无论是小说中，还是在真实的历史上，真空管道运输的确都比气垫船更新一些。 

　　如果说以前的研究主要限于理论计算方面，那么到20世纪70年代，真空管道运输的拥趸罗伯特·M.萨尔特则开始考虑实际的运营问题。其时，他设想了一种位于地下数百米的坚固岩层中的真空管道系统Planetran，贯穿美国东北部的各大都市，并在8个州设立9座车站。 

　　当时，日本新干线已经运营了近10年，磁悬浮列车的研究也正在世界各国如火如荼地开展，但技术终归不甚成熟。所以，他并未将磁悬浮技术应用于自己的设想，而是提议使用钢铁轮胎。列车利用电磁力加速，减速则依靠挤压前方稀薄的空气，以及相邻管道内列车的加速来实现。它可以看作大气铁路与Vactrain的融合版本。 

　　该系统最值得称道的，当属其惊人的节能能力。作为“高能量守恒系统”，列车在减速时，会将大部分能量返回系统，以供相邻管道内的车辆加速时使用。此外，普通列车行驶过程中，空气阻力所占总阻力的比例超过70%，而真空管道内腔的空气阻力则会极大地降低，能耗自然随之降低，使得每位乘客消耗的能源成本还不足1美元，而且整段路程的平均时速能达到4800千米，从美国东海岸到西海岸只需21分钟。 

　　萨尔特认为，这套系统将有助于减少飞机和地面交通工具对大气造成的破坏，有巨大的环境和经济效益。因此，他称Planetran是美国“合乎逻辑的下一步计划”。然而其建造成本预计高达1万亿美元，所以该计划并未被政府采纳。 

　　3 超级高铁应时而生 

　　随着磁悬浮技术不断取得突破性成果，真空管道列车的倡导者们也意识到，这可能是其能否成功的关键因素之一。1991年11月，杰拉德·K.奥尼尔提交了一项专利申请，提出“磁飞行”的设想：位于管道内的列车是在单轨上行驶，而非传统的两条铁轨。在轨道上装有永磁体，装配可变磁体的列车在电磁力的作用下悬浮于轨道上。他推算，如果将空气从管道内抽出，那么列车的时速就能达到4000千米。 

　　时间进入21世纪，获得真空的技术已经成熟，高速磁悬浮列车也先后在中国上海、日本山梨等地投入使用。看起来，超级高铁万事俱备了。2013年，有感于北加州高速铁路工程缓慢，特斯拉及SpaceX公司创始人埃隆·马斯克公布了长达57页的白皮书，提出在洛杉矶与旧金山之间修建560千米超级高铁（hyperloop）的想法。在这套系统中，运输舱在真空管道内以1220千米的时速运行，使舱体悬浮的能量来自太阳能或其他可再生能源。有趣的是，马斯克设想的是类似于戈达德提出的气动悬浮方式。可以看出，超级高铁几乎完全脱胎于以前科学家的理论构想。 

　　此后，又有多家公司和科研机构相继进入超级高铁的研发阵营当中，其中就包括中国航天科工、西南交通大学牵引动力国家重点实验室、北京交通大学、西京学院等国内机构。不过，它们均采用磁悬浮的方式。在大家最关心的最高时速上，有的机构也给出了6500千米的数据。至于能否达到，现在尚属未知。 

　　诚然，超级高铁看似非常贴近人类当前的科技水平，但实际上仍有许多关键问题有待研究解决—— 

　　高速列车车轨的作用机理是车辆系统动力学的核心，但目前高温超导磁悬浮车的实验研究，主要集中在准静态或低速范围，实验数据难以支撑更高速度（超过600千米/小时）下磁悬浮车悬浮与导向稳定性的研究。 

　　真空管道内稀薄空气产生的气动阻力，是列车运行的主要阻力。对于此种低压高速气流，现有的仿真很难准确模拟。 

　　一方面，保持直径数米、长度上百千米的管道内长时间的真空度，对管道的结构和密封性要求极高；另一方面，快速抽除如此大空间内的空气，并且精准维持其中的真空度，对真空设备也提出更高挑战。 

　　在低气压环境下，地面上起重要作用的对流传热方式几乎不起作用，传导和辐射将成为主要散热方式。研究低气压下列车表面的升温特性以及电气设备的散热机理，保证系统内的热平衡，是不容忽视的课题。 

　　首先，真空环境下的无线电信号传播尚待研究；其次，管道内为真空状态，且密封效果好，不易被外界破坏，如果出现突发事故，如何快速救援，也是一个值得思考和亟待解决的问题。 

　　正是因为以上及更多未被提及的问题，超级高铁还停留在模型试验阶段，远未达到载人测试的地步。好在理论上完全可行，再加上全世界攻关的科学家较之以前也更多，所以成为现实还是有希望的。 

　　4 飞向太空 

　　值得一提的是，在研究真空管道列车的过程中，科学家们也曾畅想用这种手段加速飞行器的可能。因为传统火箭如果增大载荷，就要将体积造得更大，也要塞进更多的化学推进剂。而真空管道运输不仅速度快，还节约能源，倘若用来加速飞行器，那么飞行器的体积就可以更小，或是载荷得以提高。 

　　2001年，六十年代超导磁悬浮（现代磁悬浮列车的基础技术）的发明者之一、美国布鲁克海文国家实验室研究员詹姆斯·鲍威尔，提出了野心勃勃的星际列车（StarTram）计划，即磁悬浮太空发射系统。 

　　顾名思义，该系统需将磁悬浮太空船置入一条伸向天空的弯曲的真空管道内。第一代系统的管道长度130千米，出口高度3至7千米。最佳地点是智利的安第斯山脉或新墨西哥州南部的白沙导弹靶场。加速后，太空船能以14300至31500千米的时速冲出管道，逃离地球大气层。这已经非常接近第二宇宙速度。 

　　星际列车每隔1小时发射一次，每次发射可携带超过70吨重的货物。从每公斤发射成本来说，该系统仅需20至50美元。要知道，就连SpaceX也只敢说从原来的4600至20000美元降至1400美元。从建设费用上来说，第一代系统需要200至400亿美元，远低于航天飞机30年周期中花掉的1960亿美元，与美国2018年的6430亿美元军费开支相比更是微不足道。 

　　研究团队规划，第一代星际列车主要运送卫星等货物，将于本世纪20年代完成。第二代系统管道的长度为1000至1500千米，出口高度22千米，每年运送一百万名太空游客，每张船票只需5000美元，计划于本世纪30年代建造完成。 

　　当然，星际列车不仅要面临超级高铁既有的问题，还增加了很多难度超大的工程难题，比如，管道的架设、飞行器在管道中的悬浮控制等等。不过，星际列车甫一提出，就得到了桑迪亚国家实验室在可行性方面的验证，目前也有相关的理论研究和模型试验。如果星际列车能够成真，它或许能将人类带入一个全新的航天时代。

    刊登于《科幻世界》2020年2期

本文来自： 科幻世界