“超级环”在实验中真的比飞机还快？
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制作：龙魂
监制：中国科学院计算机网络信息中心
  日前，Hyperloop One公司表示他们可能将在迪拜建立世界上第一个搭载乘客的超级高铁名为Hyperloop。建成后，Hyperloop的运行速度将比普通高铁快3-4倍，甚至比民航客机还要快上1倍。预计从美国西海岸到达东海岸的最短时间将从原本的近6小时缩短到45分钟。
  在去年5月，美国公司Hyperloop One的超级高铁推进系统首次户外测试成功。该消息传来后，不仅得到美国媒体的热烈追捧，中国的很多媒体对此赞美之词难以言表。那么，“超级环”在实验中真的比飞机还快？
  比飞机还快？真实时速只有187公里
  由于国内外媒体争相报道，而且报道的数据局部还有出入，更要命的是，某些媒体所报道的数据根本经不起推敲。笔者对国内外媒体的报道做一个分析。
  据据CNBC美国当地时间5月11日报道，美国创业公司Hyperloop One的超级高铁推进系统首次户外测试成功，3米长的实验“滑车”在铺设好的轨道上运行了2秒钟，最终速度达到400英里每小时后（约合640公里/小时），撞击到91米外的沙堆减速停车。
  根据国内搜狐等网络媒体报道，在测试轨道中，测试推进系统以2.5倍重力的推力加速，最终速度达到400英里/小时，约合640公里/小时，撞击到91米外的沙堆减速停车。据了解，测试车辆的发动机和测试轨道类似于两块互斥的磁铁，在约1500磅（680千克）的测试车辆开始启动之后，多块磁铁被激活，给车辆加速。其0-96公里加速仅1.1秒，最高时速约合640公里。
  据《财富》网络版报道，在北拉斯维加斯进行的公开试验中，超级高铁Hyperloop One的推进系统成功地在轨道上把一辆滑车加速到116英里(187公里)的时速，然后撞到了一个沙堆上。对于该公司打造未来运输系统的努力来说，这是一个重要的里程碑。整个试验过程持续了不到2秒钟，未来超级高铁最高时速将达750英里（约合1200公里）
  想必网友们都发现了，CNBC、搜狐与《财富》网络版的报道有很大出入，CNBC、搜狐称时速达到了640公里左右，而《财富》网络版称时速仅为187公里，那么到底谁的报道真实可靠呢？
  笔者用高中物理知识做论证。由于马斯克的“超级环”测试并非在真空环境下，而是在只有标准气压一半的管道里，因此空气阻力是必然存在的，即便退一步说，为了计算的方便，笔者不计算空气阻力。
  根据媒体的报道，加速度为2.5g。
  那么，根据V=at的公式，V=25m/s^2*1.1s=27.5m/s
  也就是说1.1s时速度为27.5m/s，换算一下也就是约99km/h。因实验滑车撞击到91米外的沙堆减速停车，加上视频中，实验滑车撞到沙堆后依旧滑行了很长一段距离，至少从视频上看，笔者认为撞击沙堆之后的滑行距离，不会比加速距离短多少，所以位移肯定小于91米，笔者感觉，加速距离应该不足60米，另外实验滑车自身还有3米的长度。那么，我们再退一步说，以91米为最大位移，而且将实验滑车视为一个质点，忽视实验滑车长达3米的实际情况。
  那么，根据公式S=1/2at^2，91=0.5*25*t^2，t=2.7s，
  也就是说，即便位移为91米，最大加速时间也只有2.7s，再将该数据代入v=at。
  可以得出，v=at=67.5m/s=243.0km/h，也就是说，即便是91米长的轨道上，最大时速也只有243公里，640公里时速的报道根据现在的物理学知识，是根本不可能达到的。而《财富》网络版称时速仅为187公里，相比之下更加可信。
  那么，为何真实速速是187公里，而非243公里呢？这里面除了之前提到的空气阻力的因素外，还有之前提到的，实验滑车撞到沙堆后依旧滑行了不短的一段距离。
  将v=187km/h=52m/s代入公式v=at，可以得到t=2.08s。
  再将t=2.08s，代入公式S=1/2at^2，S=54m。
  也就是说，在撞击沙堆之前，实验滑车滑行了54米，从视频上看，这个数据是相对接近实际情况的。
  中国高铁比超级环实验中的速度更快
  根据之前的计算，笔者给网友们还原一下整个实验：
  美国当地时间5月11日，美国创业公司Hyperloop One做了一次“超级环”实验，3米长的实验滑车在2.5倍重力的推力加速，经过2.08秒的加速后，实验滑车行驶了54米，时速达到187公里，撞击到了沙堆，之后又滑行了37米后，实验滑车车速降至零，并停留在离出发位置91米外。而且笔者的这个推测，经过1.1秒加速，实验滑车时速为99公里，和Hyperloop One给出的1.1秒加速到96公里的数据相差无几，其中3公里时速的误差，很可能是笔者没有计算空气阻力而导致的。
  而媒体所报道的640公里时速，很可能是媒体误读所导致的，据笔者了解，640公里时速“超级环”所希望将来能够在几秒钟内能到达的极限速度，而非现实已经取得的成绩。因此，一些媒体吹捧一个仅仅滑行了几十米，而且最高时速还处于纸面状态的“超级环”压倒中国已经在全国铺开上万公里的做法非常不科学。
  即便将来是否能够达到640公里时速，“超级环”在速度上也未必能赢过高铁。
  实际上中国高铁在2014年试验车速就达到了605公里/小时，—中国南车制造的CIT500型的试验速度达到了605公里/小时，一举击败法国高速列车TGV创造的574.8公里/小时的世界记录。另外，根据网络曝光的照片显示，中国高铁最高试验车速为707公里，诚然，这个数据没有得到官方承认。日常的高铁和动车之所以将时速锁定在200—300公里，一方面是安全性还有待检验，而且我们的领导考虑到为人民负责任的态度，在这方面非常保守。另一方面是因为经济的原因——空气阻力的大小与速度的平方成正比，过高的速度会导致空气阻力大幅增加，进而导致能量被大量耗费在应对空气阻力上，非常不经济。
  “超级环”在当前技术水平下，并不适合商业化
  就“超级环”项目来说，在技术上仅仅是完成一次小学生式的作业，即便将来能够实现当初马斯克的构想，建设成本也会非常高。
  相对于轮轨，磁悬浮的造价更为高昂，一是要用专用轨道，而且必须全部以桥带路。二是需要封闭式的轨道，而且只能跑专线。三是电缆铺设信号系统的建设和维护都比正常的轨道交通高。
  举例来说，就造价而言，当年的京沪磁悬浮报价是4000亿人民币，而高铁报价约1300亿，虽然实际造价达2200亿，但比起磁悬浮4000亿人民币的报价而言（如果实际建造的话，造价可能会高于4000亿），依旧具有成本优势。
  在运营成本方面，高铁的成本要大幅低于磁悬浮列车，由于京沪磁悬浮仅仅存在图纸上，就只能以建成的上海磁悬浮实验线为例。上海磁悬浮实验线全程29.8公里，即使在票价高达数十元且次次满载，也很难收回运行成本，据估算，若要收回成本票价应该为240元左右。而从温州到上海，若乘高铁二等座，票价也不过226元。
  同时，标准大气压一半的气压管道建设其成本会高的不可思议。欧洲强子对撞机的工程主体部分是一个地下100米深处长27公里，直径15米的环形真空管子，即使不算相关仪器，光是这个真空管子的工程及工程人员费用，就花了30亿欧元。
  线路规划是个大问题——民用客机高速飞行中要尽量避免转弯，因为在飞行速度较高的情况下转弯会导致乘客极度不舒适。飞机可以在天上直线飞，但在地面上，受到各种条件之约，“超级环”要想始终保持直线行驶，路线设计就必须非常讲究（中国高铁目前的300公里时速下，转弯半径高达7千米，就是为了避免高速下转弯带来的一系列不良后果），并且在运行中也必须经常减速，而且加速度还必须控制住普通人能够承受的范围内——过高的加速度会使人难以承受，总不能要求乘客各个都有飞行员的抗载荷能力（人体长时间能接受4-5m/s^2的加速度就很不错了）。加上到站减速，发车加速的因素，运行速度根本就上不去，整套系统未必会比中国先进运行的高铁系统更具有性价比。
  此外，马斯克的“超级环”还存在运载客人过少的问题——马斯克曾宣称，每个客舱预计可载6至8人，可单独运行或互相连结组成列车，每隔30秒便可开出一班，单程票价约为20美元。如此小的运输量，不要说中国春运，即便是日常情况下，“超级环”也根本无法满足需求，注定只能是富人的游戏。在如此少的客流量平摊票价的情况下，马斯克所谓20美元的票价完全就是给投资人画个大饼。
  诚然，随着技术的进步，很多过去存在的问题会被不断解决。但至少在当前情况下，要实现“超级环”从旧金山到洛杉矶只要30分钟，并在2019年实现货运，2021年实现客运，而且商业化运营中票价维持在20美元的难度非常大。
  真空管超高速磁悬浮列车上中国更先进
  其实，中国在真空管道交通方面也一直在研究，而且技术成果颇为亮眼——西南交通大学的牵引动力国家重点实验室超导技术研究所在2013年2月就已实现高温超导磁悬浮环形轨道，并在载人的情况下以50公里时速运行。在2014年5月，西南交通大学现已搭建全球首个真空管超高速磁悬浮列车原型测试平台，成为世界上首个真空管道运输（ETT）系统，列车理论时速达到2900公里。诚然，受制于轨道长度有限，实际上2900公里的时速目前还仅仅是理论上。
  事实上，中国的真空管道交通也是着眼于未来超远距离投送的客观需求，而非取代现有高铁体系的存在。而且即便是着眼于未来，马斯克的“超级环”在技术上也无法与中国的真空管道交通相提并论——中国采用的是高温超导磁悬浮技术，而根据外媒的报道，“超级环”虽然用了磁铁，但并非真正的磁悬浮，因为磁悬浮并非仅仅通过磁力让列车悬浮于轨道，还包括驱动列车高速前进。
  
  而按照马斯克的构想图，列车前面安装了压气机，而且是用电力驱动的，它的功能是将列车前方的空气抽到后面去，并产生类似于喷气式发动机带来的推力效果——这种列车本质上是“气动悬浮”，而非真正的磁悬浮，更非中国已经实现的高温超导磁悬浮。在真空管道方面，由于现在的高铁，空气阻力占到总阻力的一半，在时速达到数千公里之时，83%的能量会被消耗在对抗空气阻力上，而“超级环”的管道环境为标准大气压的一半，在超远距离运输场景下，根本无法于中国真空管道交通技术相媲美。
  总之，相对于中国现行的高铁和正在研发的真空管道交通相比，就实用性和性价比，“超级环”不如高铁；就技术尖端性而言，“超级环”不如中国正在研发的真空管道交通，而且中国真空管道交通的研发进度和技术成熟度还领先于“超级环”。
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