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2018年全球真空行业“海底真空高铁”概念及技术讨论(图)


        世界各国科学家发展真空管道运输的设想由来已久。早在 1904 年美国学者罗伯特·戴维就已经提出“真空管道运输”的设想。20 世纪 80 年代,美国机械工程师达里尔·奥斯特开始思考“真空管道运输”的可行性,并于 1999 年为这一概念申请了专利。20 世纪末,时任中国科学院院长的路甬祥院士就提出了建设中国悬浮隧道阿基米德桥的构想。2004 年西南交大沈志云院士在《关于真空管道超高速交通的思考》中提出设想,将我国真空管道超高速交通的发展战略和技术方案发展战略定位于每小时 600~1000公里超高速地面交通。2010 年奥斯特成立了致力于开发真空运输项目的公司 ET3。2013 年,现实版“钢铁侠”马斯克丰富了“真空运输”这一概念,提出了“超级高铁”的理念,在 SpaceX 网站上发布了题为《Hyperloop Alpha》的白皮书,并将超级高铁称作未来的“第五种交通出行方式”。 
        
图表:Hyperloop Alpha 设计草案
 
        资料来源:观研天下整理

        十余年来西南交通大学对真空管道交通系统进行了持续的研究。2016 年 1 月,由西南交大超导与新能源研究开发中心赵勇教授率领的研发团队对“第二代高速真空管道高温超导侧浮系统”的工程原型进行了第一阶段测试,团队不仅成功将管道真空的极限压强降到了 1335 帕(正常大气压力的 1.3%),还测试出常压下磁浮实验车最高平均速度达到了每小时 82.5km。截止到 2016 年 5 月,这一系统的实验进展良好,常压下最高平均时速已经提升到 100km 左右,随着真空技术的改进,速度将得到大幅提升,赵勇教授表示远景设想中这样的列车时速将达 600~1000km,足以取代飞机。 
        
图表:西南交通大学真空管道交通相关研究进展回顾
 
        资料来源:观研天下整理

图表:西南交通大学真空管道磁悬浮实验场景
 
        资料来源:观研天下整理

        “跨海旅游真空巴士”构想的技术研讨曾引发了对“真空高铁”的关注。2017 年 4 月 22 日,跨海旅游真空巴士技术研讨会正式在舟山来开帷幕。中国工程院院士顾国彪、中国科学院院士孙钧、中国工程院院士乐嘉陵和众多专家来到舟山普陀就建设世界首条海底真空悬浮隧道这一构想进行了技术研讨。海底真空旅游飞行巴士,也即跨海悬浮隧道真空列车,采用水下桥隧技术,依靠浮力支撑隧道约 90%重量,采用真空管道及磁悬浮列车技术,可减少管道内 90%的空气阻力,大幅提高列车运行速度,大幅减少空气噪声。理论上,真空管列车的运行速度可以达到 2000km/h,但实际实现起来面临着诸多目前难以逾越的困难。

        因此,会议期间专家提出可先期分别建设时速 600 多公里超高速和时速 80 公里的中高速列车,作为试验线进行探索。 
        
图表:“海底真空高铁”概念图
 
        资料来源:观研天下整理

图表:“海底真空高铁”概念图
 
        资料来源:观研天下整理

        真空管道运输技术的原理,是在地面或地下建一个密闭的管道,用真空泵抽成真空或部分真空后运行车辆(不一定是磁浮列车),由于行车阻力大大减小,可有效降低能耗,同时气动噪声也可大大降低,符合环保要求。 
        
        真空管道交通主要包含三项关键技术:水下桥隧技术、磁悬浮技术和真空技术。 
         
        在目前我国桥隧技术水平下,完成海底隧道的建设工程并无过大难点。如果不是采用建在海底下面的岩石层里的“海底隧道”,而是选择在海底的海水里“悬浮”,事先在陆地预制完成,然后再沉管安装到海底(海水里),每公里管道有若干根“桥墩”支撑,则无需大规模海底施工作业,建设难度以及破坏程度远小于掘进到海底岩石层,建设成本也会降低。
        
        参考观研天下发布《2018年中国真空干燥设备行业分析报告-市场深度分析与发展趋势预测
        
        同时,我国磁悬浮技术也拥有了世界水平的研发能力。对于真空技术,在目前的技术条件下并不需要将隧道中实现完全真空,只要保证部分真空下时速达到 600km/h,仍然比高铁具明显的速度优势。 
         
        在“跨海旅游真空巴士”的构想中,车辆计划设计制造 I 型和 II 型车,其中 I 型车以轮轨列车为主,II 型车主要是磁悬浮列车,可乘坐 50~60 人或 10 吨货物,采用阶段式驱动方案,在起点及终点的驱动段采用高速磁悬浮的长定子电机驱动技术,实现高效大功率额驱动力用于加减速,该方案的实施将大大降低建设及运行成本。 
        
图表:“海底真空高铁”构想的驱动技术示意图
 
        资料来源:观研天下整理

图表:“海底真空高铁”构想的磁悬浮技术示意图
 
        资料来源:观研天下整理

        在构想的运行方式上,首先需要在水下 30~50 米建成的密闭管道被抽成真空,乘客或载重货物进入胶囊状车辆后,在管道中运行。出发前,车厢被送入“隔离舱”,密封起来抽成真空,然后将车厢从“隔离舱”送入真空管道。出发后,列车在海水里的管道中穿行。当列车抵达目的地后,车厢被送入“隔离舱”进行充气。充气完成后,隔离舱的密封圈打开,乘客就可有秩序地下车。 
        
图表:“海底真空高铁”构想真空形成示意图
 
        资料来源:观研天下整理

图表:“海底真空高铁”构想的充气过程示意图
 
        资料来源:观研天下整理

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