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我们应该如何看待马斯克心心念念的“超循环”技术
2019-10-23 21:53

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每到假期,出行就成了困扰“现充”的一大难题(肥宅有快乐水和外卖就够了)。手速稍有不怠,可能就需要加价求助黄牛,或者购买昂贵的全价机票了。

如果有一种交通运输方式,可以让你以1000公里每小时的速度稳平快地抵达目的地,是不是就能解决运力的问题呢?没错,说的就是“科学狂人”马斯克曾经心心念念、大搞特搞的“超循环”技术。具体来说,就是使用巨大的真空管,降低摩擦阻力,从而高速地移动人和货物。

不过,最近搞事的不是马斯克,而是政府官员。

上个月,加拿大运输部就发布了一个招标公告,由政府出资请研究机构评估所谓的“超循环”技术(hyperloop)。

一旦该技术落成,从加拿大东岸到西岸,横跨整个北美洲只需要三个小时,比飞机还要快。

(超循环测试设施)

加拿大政府表示,超循环概念和技术发展的非常迅速,但公布出来的工程细节、安全要求、乘客乘坐质量以及资金和运营成本等信息却非常有限。

因此他们花钱主要是想搞清楚两个问题:

一是该技术对乘客和附近社区是否可行且安全;

二是与成熟的高铁技术相比,它的成本如何?

为此,超循环技术创业公司Transpod的联合创始人SebastianGendron评价政府对超循环技术应用的态度“过于害羞”……不过,就和高铁技术刚刚兴起时一样,更多的人对这类新技术保持谨慎。比如倡导建立“加拿大版高铁”的保罗兰根,就认为加拿大交通部用公款研究超循环技术是搞错了重点,因为这就是“科幻小说”——

“为什么不去使用已经被证明是安全的、存在了半个世纪的技术呢?让超循环技术存在在动画片中就好。”

对此,加拿大交通部的回应是“宁可杀错,不可放过”,它们只是试图在一项可能改变运输业游戏规则的技术上保持领先罢了。

我们无力现在就解决这种“部级困惑”,否则早就去找加拿大交通部领顾问费用了好吗?!不过,我们试图让吃瓜群众们用几分钟的时间,对这项未来的技术同样保持敏锐的嗅觉。

到底是抱团炒作,还是运输业的“未来之光”,今天我们就来扒开“超循环”的神秘外衣。

拳打高铁,脚踢飞机:“超循环”技术及其现状

“超循环”概念的历史,可以追溯到1799年。英国一位名叫乔治麦赫斯特的工程师获得了一项通过空气在密闭管道中运送乘客和货物的专利。到了19世纪,伦敦还真的造出了一个气动铁路隧道。直径有6.7米,由蒸汽机提供动力,并且成功运营了一年多。

此后,尽管有众多国家和城市试图深入这项技术,比如瑞士就曾在2000年代初计划在低压环境下运行这种“磁悬浮”列车。中国也曾计划在2010年推出时速1000公里的真空磁悬浮列车,但最终都没取得什么成果。

真正开始广为人知并有所突破,要数2012年马斯克在博客上发布的一个脑洞。他大量借鉴了18世纪工程师罗伯特·戴维的“真空管道运输”理念,计划打造一种密封的管道,一个吊舱可以在这个系统中高速自由运行,空气阻力几乎可以不计。

(Elon Musk 的设计草稿)

Musk和SpaceX很快在次年2013年8月发布了第一个“超循环”运输概念Hyperloop Alpha,并计划在接下来的时间投入60亿美元,在洛杉矶到旧金山湾区之间,按照5号州际公路的轨迹,打造一个这样的“第五类运输路线”。乘客只需花费35分钟,就可以去到560公里以外的地方。

但事情的进展并没有想象中顺利,截止到2018年,SpaceX公司也只在洛杉矶下方打造了一个大约2英里长(约3公里)长的实验性隧道,让特斯拉X汽车按照预定轨道行驶。仅这就消耗了1000万美元。

但是马斯克的“带货能力”太强,很快学界和产业界“一拍即合”,不少人觉得这是个好主意,很快涌现出了不少搞“超循环管道列车”的创业公司。其中最为知名的是Hyperloop Transportation Technologies(HTT)和 Hyperloop One。

HTT在2016年获得了美国高科技控股集团Angelo Investments1500万美元的投资,并在当年推出了他们的列车概念。如今,HTT已经拥有了800多名工程师和研究人员,2018年2月,还与德国利莫奇市签订了协议,来推动超循环技术的发展。

而Hyperloop One成立于2014年,成功筹集了超过1.6亿美金,其中就包括英国最大的私营企业维珍集团创始人的“重大投资”。2016年,更名为“维珍超环1号”的这家公司进行了第一次超循环技术的现场实验,证明该公司的技术方案能够在一秒钟内将雪橇从0英里时速加速到110英里。去年,又完成了500米的测试线(DevLoop)里完成了加减速,时速达到380公里。2018年,他们还拿下了印度政府孟买-浦那“超循环列车”的合约。

其他选手还有印度的DGWHyperloop、荷兰的Hardt Global Mobility、西班牙的Zeleros、波兰Hyper Poland(被公认是欧洲移动行业最好的初创公司之一)……

超循环技术已经吸引了不少“最强大脑”和金主爸爸们投身其中,学界的注意力也不容轻视。

2015年,SpaceX宣布赞助一项关于超循环系统吊舱的设计竞赛——Hyperloop pod competition,仅用了一个月就收到了来自700多个小组提交的初步设计方案。其中,麻省理工学院的方案被评为优胜者,华盛顿大学小组获得了安全子系统奖,德尔夫特大学则荣获POD创新奖,紧随其后的则是威斯康星大学麦迪逊分校, 弗吉尼亚理工大学,以及加州大学欧文分校。

当然啦,既然是全球技术竞速,那么中国自然也必须有姓名。早在2017年,中国航天科技集团(China Aerosspace Science And Industry Corp)就宣布,在武汉启动对超循环运输系统的研究和开发工作。

2018年,西南交通大学牵引动力国家重点实验室启动的“多态耦合轨道交通动模试验平台”,也将开启对时速1500公里真空管道高温超导磁悬浮直道试验。

总而言之,专家和创业机构们众口一词,这项工作将让超音速“近地飞行”成为可能,30年后,人类的交通出行可能会和火箭一样快!

不管你信不信,反正我有点想信了。

看起来很美:揭秘未来技术背后的阴影

那么,听起来神乎其神的“超循环”运输洗系统究竟是怎么实现的呢?

就现状来看,基本就是一个中心,两种模式。

一个中心,指的是实现方式。

目前,Space X Hyperloop One和HTT采用的是架空管道的设计。也即是说,将这个运输系统建立在地面上,类似于高铁和轻轨那样。

这样做的好处是,能够避免地面活动或地质沉降对管道带来影响,另一方面也可以避免土地征用问题,降低建造成本,还能够让管道保持直线,降低转弯离心力可能造成的隐患。

(HTT计划在2020年迪拜世博会前,在迪拜阿布扎比开通的线路)

两种模式,则指的是设计理念。

马斯克最早主张使用“超循环”技术,就是因为商用的常温超导磁悬浮方案,不仅贵,而且速度相比“超循环”也不够理想。

因此,他的打算是,将线性电机铺设在轨道上,为列车持续补充都动力。而列车的车鼻会有一个电动压缩机风,在列车运行时会不断将高压空气由车鼻传送到车尾,这样随着运行中空气阻力逐渐累积,就会在车底制造一股气垫,列车就能被托在管道中间啦。

但HTT则采用的是被动磁悬浮技术。只需在轨道中安装无动力线圈环路,将永磁铁植入到列车车厢中,列车达到一定速度车厢就会自动浮起来,创造出悬浮效果。

(被动磁悬浮技术原理示意图)

基本上目前主流的“超循环”系统模型就是这“一个中心,两种模式”基础上建构起来的。由此,我们不难发现一些极容易被反对者诟病的问题:

第一:乘坐体验难以保障。

如果单纯运送货物,经济效应可能很难达到让人满意的效果;但如果运送人类,像大佬们期待的那样成为通勤标配,就要考虑到乘客的体验因素了。“超循环”管道不同于隧道,是一个狭窄、没有任何窗户的密封舱,很容易让人感到压抑。而且,超过飞机的行驶速度也会让空气因压缩而产生振动和碰撞,所以噪音很大。据体验过马斯克测试管道的人称,颠簸情况还是时有发生。至少目前看来,“超循环”作为第五类运输方式,恐怕需要远超于其他交通设备的普及时间来让乘客们撤下心防。

第二:安全风险尚不明确。

不同于其他成熟的交通运输方式,在面对风险时都有了流程基本健全的应急方式,“超循环”技术应该如何处理设备故障、事故,进行紧急疏散等等,这些实际问题和后勤保障都是未知数。

而且,即使管道最初是光滑的,地面设施也可能随着地震活动而移动。在高速环境下,即使偏离直线的微小偏差也会增加相当大的抖振。而一旦发生停电等,这种系统的脆弱性也可能沦为恐怖分子的诱人目标。这些不可抗力因素都会影响到项目的实施。

2000年初瑞士就试图推进低压环境下的磁悬浮列车(“超循环”的雏形),但因为瑞士圣加仑、苏黎世、巴塞尔和日内瓦等城市对这项技术的可行性研究得出了不同结论,导致“空中飞车”从未建成。

第三:成本太大,经济上不可行。

尽管真空管道运输的超循环技术是为了对抗昂贵的磁悬浮技术而火起来的,但它本身依然带着前辈的“原罪”,那就是贵。

两院院士、机车车辆动力学专家沈志云指出,超循环运输系统想要达到时速6500,在技术上不存在太大问题。但其实现成本太高:“这么长的隧道,还需要抽气,地铁修一公里需要八个亿。真空管道一公里十个亿也下不来。”

因此,目前交通运输工具最重要的四点:安全、实用、经济、可靠,“超循环”是一条都达不到。

所以说,道路漫长,完全没有必要像部分媒体那样,还没搞懂“超循环”技术厂商到底想搞什么事,就开始为这项缥缈的技术鼓与呼。

超级玩具还是超级噱头:“超循环”的前景究竟在哪儿?

相比于人工智能这样可以快速进入应用领域的前沿技术,人们对于“超循环”技术的关注和期待,或许并不来自于其现状和发展进程。而是作为一个窗口,成为影响其他关键领域的“最强辅助”。

比如说材料学的突破。回看HTT在2015年发布的计划,没有一个是实现了的。但是,这家公司为了打造出能够在真空中承受高压强的轿厢,开发出了一种新型复合材料Vibranium,这种材料比铝轻,但比钢的强度提高了10倍。而且还可以嵌入传感器,将材料的实时状态无线传输给地面。在智能铁轨、车路协同、智慧城市的建设等方面都很有想象空间。

再比如促进磁悬浮的发展。目前高铁已经是大气环境中火车发展的最高境界,升级空间到此为止。而磁悬浮每小时400-500公里,多年来一直处于技术瓶颈阶段,有专家吐槽“它的起点就是它的终点”。与之相比,超循环技术理论上能达到2万公里,研究人员在技术细节上的探索,很可能又一次推动地面运输的速度革命,把磁悬浮列车带到新的发展维度中。

而且,研究如何保证真空环境中的气压稳定,防止电极破坏导致运输系统瘫痪,构建适宜人类乘坐的大气环境,让车厢内外变得舒适,也是非常有价值的。目前,该项目就被部署到了以色列的火星模拟基地,也许,未来人类的星际交通,就要靠“超循环”来负责了。

(科学家设想的火星交通设施,神似“超循环”系统)

总结一下,超循环技术虽然目前的应用进度条只加载了极小的一部分,但人们已经能从不明觉厉的种种线索之中,短平快地get到它的特殊价值。

尽管细节不甚清晰,但轮廓却铁钩银画。或许马斯克、HTT等的初期探索提供了种种的笑料与槽点,但正如哲学家丹尼尔·丹尼特所说,科学的本质就是在众目睽睽之下犯错。

正是这无数的不合理,成就了科学的尊严与浪漫,也埋藏着不可估量的宝藏。

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