座舱
假设 Hyperloop 发车间隔为 2 分钟,高峰期最快可以 30 秒一班。那么为了满足高峰时段每小时 840 人的运载负荷,一个“乘客胶囊”需要至少安排 28 个座位。目前在高峰时段可能需要配置 40 个座舱,同一时间有 6 个在终点站供乘客上下车。
Hyperloop 的动力主要用于克服强大的空气阻力。在高速行进过程中,阻力主要来源于两方面,一是空气阻力,二是轮对的摩擦力。在真空环境下,列车悬浮在地面上,就可以克服轮对阻力,因此 Hyperloop 的动力主要用于克服强大的空气阻力。由空气动力学理论,空气阻力与速度平方成正比,所以输入动力与速度的三次方成正比。
气垫解决悬浮问题。目前解决轮对摩擦的方法是磁悬浮,然后磁悬浮成本实在太高,世界上商用磁悬浮线路寥寥无几。车辆头部安装有发动机和风扇叶片,中部是座舱,尾部是蓄电池。Hyperloop 通过在列车头部安装一个压缩风扇,吸进空气,然后从列车底部排出,形成几毫米厚的气垫使列车悬浮。
列车前进的动力是由头部压缩风扇产生。座舱前部设有电动涡轮压缩机风扇,可将前部所受的高压空气送入滑板和客舱,减缓整个车辆前部所受空气阻力的同时,滑板中的磁体和电磁脉冲可让座舱获得最初的推动力。这种 Hyperloop 系统内座舱的电力实际来自外部每70 英里放置的电动机,可使其保持运行在亚音速状态。
车门设计类似超跑双侧向上开启,时尚酷炫。
管道
为实现良好的能源经济性同时保证期望的运行速度,Hyperloop 的管道尺寸经过精确的优化。高效的工业真空实现能力大幅降低了空气阻力。
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》
抽真空解决空气阻力问题。类似于飞机爬升到高空飞行以降低空气阻力,但是真空成本很高,同时想要维持真空也很困难,因为随时可能发生漏气。Hyperloop 通过将管道抽真空到 100Pa 左右,降低管道内空气压力的方式降低空气密度以减少摩擦消耗,其压力只有火星大气压的 1/6,也相当于飞机在 15 万英尺高空飞行时的气压。
管道由钢铁构成,每 30 米由一个支架支撑,结构非常牢固,能够有一定抗震作用。同时管道表面覆盖太阳能电池板用来给整个系统供电。整个超级列车系统工作时的功率有 21MW,表面覆盖的太阳能电池板可以提供 57MW 的电能,已经足以支撑系统工作。
为了避免高速转弯带来的不适感,路线选择上还是要尽量保持直线。设想中首试于加利福尼亚的 Hyperloop 将建在桥塔之上与现有洛杉矶至旧金山的州际公路保持平行,这样即可令环境的影响降到最低,即便需要穿越私人用地,这种管型系统对原有建筑的影响也非常之小,征地需求也较低,在抵御地震等自然灾害方面也会比地面交通轨道更有优势。
推进系统
超级列车在整个行驶过程中包括三个过程:加速——匀速高速行驶——减速到站。
Hyperloop 的推进系统主要有以下基本要求:
启动阶段能在相对低速的情况下将座舱从 0 静止加速到 480km/h,这需要较大的启动加速度;
即使在穿越两个城市之间山脉等障碍区域时依然能够保持相对稳定的运行速度;
在直线加速区域能够以 1g(9.8m/s^2)的加速度将运行速度从 480km/h 加速到1220km/h;
行程末期能够将时速重新降为 480km/h。
超级列车头部的风扇足以提供列车保持 1220 公里/小时速度的力,至于加速和减速过程的力则由管道壁上的直线电动机来完成,出发时对列车不断加速,快到站时不断减速。
供能方式
太阳能是 Hyperloop 最适合的动力源。车内的电池主要是制造自身气垫之用,在隧道内,约每 110 公里就会有一个外部线性电动机为列车补充动力。管道上铺满太阳能板,将太阳能转化成电力使到整个系统自给自足,甚至可能还有剩余。整个超级列车系统工作时的功率有 21MW,而表面覆盖的太阳能电池板可以提供 57MW 的电能。
安全性
Hyperloop 的设计比一般的交通方式更为安全。因为它运行在隧道里,不受天气影响,推进系统内置于管道中,不会出现人为操作失误。如果发生严重事故,在封闭的舱内乘客可能会缺氧,为防范这一问题,Hyperloop 会提供氧气罩。
胶囊会有紧急刹车装置和发动机驱动的车轮,一旦出现大规模胶囊减压,其它胶囊就会自动紧急刹车,同时整个 Hyperloop 管道会迅速开始再增压。之后胶囊会用发动机驱动车轮运行到安全地带。所有的胶囊都会装备储备空气,足够保证最坏情况下的乘客安全。
低成本
马斯克估计客用 Hyperloop 建设大约要耗费 60 亿美元,而客货两用版的 Hyperloop 要耗费 75 亿美元左右。考虑到洛杉矶到旧金山 600 公里的距离,综合造价仅为 0.1 亿美元/公里。
据 Hyperloop 构想估计,耗资最大的部分在高架塔的建设费用,约 25.5 亿美元,施工许可与土地这方面要支出 10 亿美元,管道建设 6.5 亿美元。与加州高铁近 700 亿美元的预计造价相比,Hyperloop 的低成本优势十分明显。
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