导读ID：RailWorld

　　超级高铁（Hyperloop）可行性分析

　　2019Hyperloop大赛·原型小车速度纪录：463 km/h

　　2018历史资料：2分钟视频看懂HTT全球首个超级高铁乘客舱是怎么建造的

　　高速运输需求估算

　　如果客运量、旅行速度和需求价格弹性为已知，则可以使用模拟模型，根据较大机场之间定期航班或高速铁路线路的客运量、旅行时间和旅行成本，确定速度为500~1 500 km/h的长途运输系统的潜在客运需求量。由于航空运输公司和铁路运输公司出于竞争的考虑未发布相关数据，而且目前没有该细分市场相关的较新科学研究结果，因此只能基于官方统计的少量定期航班客运数据以及对于Hyperloop可能份额的假设，做出对Hyperloop系统客运需求的粗略估计。

　　2016年，美国国内定期航班客运总量为7.2亿人次（占公共客运总量的77.3%），平均旅行里程为1 476 km/人次。对于较大机场之间（如洛杉矶机场—旧金山机场）的航线，没有关于定期航班和乘客数量的具体官方信息。马斯克将洛杉矶机场—旧金山机场航线的年客运量定为600万人次，并以此推出Hyperloop可在运输高峰时段占有70%的市场份额。当然，这是基于Hyperloop线路票价极低的假设（马斯克假设洛杉矶—旧金山长达563 km的Hyperloop线路票价仅为20美元），这种期望非常不切实际。

　　而2016年，德国国内定期航班客运总量仅为2 370万人次（占公共运输总量的8.4%），平均旅行里程为439 km/人次，而国际航班客运量远远高于美国。德国主要机场之间，以及与主要国际机场（如伦敦、巴黎等）之间的距离一般在400~1 000 km，定期航班客运量为每年每个方向100万~200万人次。由此可推断，这些机场之间的最大客运量约为每天每个方向10 000 人次。如果德国2个较大机场之间有Hyperloop线路，估计Hyperloop占有的市场份额不可能高于目前的航空客运量。这意味着，即使不考虑票价水平及其与飞机票、火车票价格的差异这些影响因素，距离超过400 km的2个较大城市之间的Hyperloop线路在中期的最大预期客运量约为每天每个方向2000人次。 

　　高速运输替代技术对比

　　现有的中距离高速公共交通系统有飞机和高速列车。虽然商用飞机的最大速度可达900 km/h，但由于飞机起飞、着陆以及在机场候机、登机、下机所耗费的时间，即使严格按照飞行计划，定期航班在距离为400~1 000 km机场之间的平均速度也只有400~500 km/h。

　　高速列车的平均速度在很大程度上取决于车站之间的距离、中间站的停车时间、线路占用率和行车时刻表同步情况，通常为150~250 km/h。法国高速列车在测试运行阶段的最高速度可达到575 km/h；然而，在投入运营后，由于线路的建设标准限制，其最大运行速度仅为250~350 km/h。日本磁悬浮列车SC Maglev在测试运行时的最大速度可达603 km/h。在日本东京—名古屋286 km长的磁悬浮中央新干线线路上（目前在建设中，预计2027年投入使用），列车的设计最大和平均运行速度分别为500 km/h和429 km/h。德国开发的磁悬浮列车Transrapid设计速度与日本的SC Maglev大致相同，但出于节能的考虑，其在上海30 km的机场支线上的实际运行速度仅为300 km/h。

　　表1 现有500~1 500 km中距离高速运输系统的运行性能指标对比

　　马斯克最初提出的Hyperloop列车概念为：列车由宽1.35 m、高1.1 m的数个胶囊组成，总长度15~20 m，可容纳 28 人，乘客可从列车两侧的垂直折叠车门进入胶囊，到达座位（更准确地说是半躺位），见下图。

　　Hyperloop胶囊

　　美国超级高铁公司（Hyperloop Transportation Technologies）于2018年10月首次展示其原型车，车长30 m，高度比1.1 m更高，有28~40个座位，见下图。 

　　Hyperloop原型车

　　但马斯克所做的Hyperloop在运输高峰时段发车间隔为30 s、平峰时段为2 min的设想并不现实，经不起严格的安全评估。考虑到列车在气闸前和气闸内制动过程的复杂性，以及每次停车前后打开/关闭真空管中双气闸室、列车缓慢通过每个气闸并有中间停顿、每个气闸制造真空、列车驶进站台、密封车门打开/关闭、乘客上下车、乘客系上/松开安全带扣和安全检查等一系列操作所耗费的时间，列车发车间隔至少应为5 min，才能保证车站及真空管道中线路的通过能力。 

　　表1中列出了现有500~1 500 km中距离高速运输系统的运行性能指标，从中可以看出，各种系统在可达到的开行频次方面没有明显的差别。然而，在500~1 500 km这个距离范围内，hyperloop的运输速度远高于目前的飞机、高速列车和磁悬浮列车；此外，Hyperloop的车辆和线路客运量仅为每小时每个方向30人次和340人次，仅达到其他运输系统的3%~5%。

　　牵引、安全间隔防护、

　　运行管理和电力供应分析

　　Hyperloop列车由直线电动机驱动，直线电动机安装在站点之前和之后的一定距离处，以及真空管中每隔110 km处，用于加速或制动。列车上安装的高功率空气压缩机和鼓风机会从车头处吸入空气（此时，管道中大部分空气已被抽走，气压很低，约为100 P或海平面气压的1/1 000），并在列车下方形成气垫，从而将列车抬升起来，以提高其运行速度。

　　与双管单向运行相比，Hyperloop在单管双向运行状态下的运输能力将受到极大限制。但将早期的Hyperloop真空单管扩建或延伸为有不同中间站和终点站的真空双管线路网络非常困难，因为真空管道的扩展和分支从物理和结构方面看难以实现。Hyperloop列车若要越行中间站，只能选择在真空管双气闸室区域外的多个车道、道岔和集中装置的节点处，这会消耗大量时间和成本。而且进路的办理和解锁、气闸的打开和关闭、管道的真空抽吸，以及列车编组、驶入和驶出站点和在线路末端停放等所有操作所花费的时间都不应忽视。拥有超过2个重要站点的Hyperloop线路要实现直接、快速的连接，必须要有附加线路和复杂的节点结构（包括集中装置）。

　　Hyperloop列车运行控制可由自动运行控制系统来完成，其功能为：使列车在极高车速下、在圆曲线和缓和曲线处与真空管壁保持安全的垂直和横向间距，确定列车的可靠位置，计算从主信号机到危险点的最短允许距离，以及监控列车的纵向制动曲线。但即使在正常情况下，同时对1个真空管道中多列车的允许加速度、最大速度、减速度和从主信号机到危险点的最短允许距离进行可靠的连续控制，并对电力供应系统、管中温度和气压进行监控，也是一项颇具技术性的挑战。而且，对于紧急情况下的技术故障，线路侧牵引系统、沿线变电站和压缩机的供电故障，以及列车自动运行控制系统的功能故障，目前还没有确定的控制处理方法。

　　Hyperloop也不能保证其开发人员所声称的、相对于飞机和铁路的更高安全性。因为车辆在紧急制动时需保持极高的连续减速度，这一点目前很难实现。在进行列车间隔控制时，即使使用最先进的信号系统，也必须遵守绝对制动距离限制，以使车辆在危险点前及时停车。若在线路支线或站点前实施以相对制动距离为基础的列车间隔控制，则可能导致不允许的越行。如果Hyperloop从最大速度（1 220 km/h）到停车的行车制动减速度可达到1.0 m/s2，则其绝对最小制动距离为58 km。鉴于距离约100 km的2列行驶列车之间的线路上可能没有安装直线电动机，故上述假设很难实现。因此，将直线电动机牵引系统集成到真空管道结构中的设计可能难以保证每个管道区段的安全。此外，Hyperloop线路中间区段也没有安全的轨距固定装置，该装置可在电力供应突然中断或气压升高的情况下，防止真空管内发生危险的湍流，并防止车体与真空管内壁之间发生接触。

　　直线电动机变电站所用电能、为车载蓄电池（为车辆照明系统、通风系统、空气压缩机、通信系统和控制系统供电）充电的电能，以及Hyperloop真空管道内外的运行控制、运行监视和紧急照明系统所使用的电能，将由安装在真空管道上的太阳能电池生产。马斯克设想，太阳能电池（在日照充足的美国加利福尼亚州）所生产的电能（57 MW/年）将远远超过洛杉矶—旧金山Hyperloop路线的预估平均电能需求（21 MW/年）。在电流需求高峰时段，变电站中的蓄电池会辅助供电，这些蓄电池负责为直线电动机供电，并在平峰时段存储多余的电能。只有在晚上或天气恶劣的情况下，真空管道上的太阳能电池不能生产或只能生产少量电能时，才需要通过变电站从区域公共电网中取电。然而，马斯克提供的太阳能发电功率数据和牵引能量需求值不是在对电能生产和消耗系统（包括真空泵）进行整体考虑后计算出的结果。马斯克用于对比的不同交通系统（汽车、摩托车、飞机、铁路和hyperloop）在洛杉矶—旧金山单向旅行中所消耗的电能数据也显得不可信，原因在于：汽车、摩托车、飞机、铁路4种系统的数据之间无太大区别，但与Hyperloop数据之间差异非常大。

　　定线、建筑和空间整合分析

　　Hyperloop的速度极高，因此其线路的竖曲线半径必须非常平缓（速度480 km/h时为30 km，速度1 200 km/h时为200 km），纵向坡度改变时需要较长的坡道，而且水平曲线半径必须非常大（速度480 km/h时为7 km，速度1 200 km/h时为45 km，理想的外轨超高约为400 mm），以保证与铁路同样舒适的乘车体验。若水平曲线半径较小，则列车高速驶过曲线时，乘客、车辆和驱动磁铁固定装置会承受非常高的侧向加速度（>2 m/s2）。要对与车辆重量和速度相关的外轨超高，驱动磁铁、支撑磁铁和导向磁铁之间的气隙，以及Hyperloop列车与真空管内壁之间的气隙进行自动控制和安全监测，极其困难。

　　此外，在厚约3 cm的巨大钢制管道中制造和保持真空是巨大的技术挑战。如何对各个管段之间的伸缩缝（如焊缝、电缆管路开口、气压隔板和紧急门等）进行密封，并使之能够承受温度变化造成的材料应力，是保持管内真空的关键问题。然而，在2个Hyperloop管道之间实现密封连接，目前在技术上不可行。

　　此外，在欧洲人口稠密地区，将Hyperloop真空管道整合到现有城市建筑中会造成社会和环境问题，因为高大的管道会对附近居民区产生光学遮挡效应，民众难以接受。线路的规划、建设和维护，都需要民众的参与和法律基础上的政治决策，为此，规划和建设方必须提供需求、环境兼容性、经济性和公共安全相关的证明。鉴于目前无法预测最高速度可达1 220 km/h的Hyperloop在建设和运行中将面临的安全风险，因此无法预见Hyperloop能否在欧洲取得建筑和运营许可证。

Hyperloop终点站效果图

　　经济性分析

　　Hyperloop线路的经济性取决于其成本与收入。Hyperloop线路的成本包括：①融资、土地购置、通行权、基础设施建设（包括供电、安全和通信设施在内），以及车辆研发、测试和采购成本；②规划和运营（人员、能源、管理、车间、备件、租赁等）成本；③合同、特许权、保险。其收入包括票务收入和诸如广告、技术使用费等其他收入。

　　Hyperloop基础设施的建设成本主要取决于真空管和站点的数量、线路长度、地下和地上线路占比，以及所使用的供电、运行控制和安全系统。将上海Transrapid磁悬浮铁路的建设费用（4 000万欧元/km）作为参考，预计阿布扎比—迪拜的93 km Hyperloop线路将耗资48亿美元，即5 200万美元/km。马斯克预计的洛杉矶—旧金山Hyperloop线路将花费54亿美元（1 000万美元/km）非常不现实，实际花费可能增加5~10倍。

　　马斯克预估的每列Hyperloop列车150万美元的成本也可能太低。如果不考虑Hyperloop胶囊为实现高达9.81 m/s2的加速度及1 200 km/h的速度需耗费更高成本这一事实，假设Hyperloop车辆购置成本与Transrapid相当，则其平摊到每个座位的成本至少为170 000欧元。根据马斯克的预估，洛杉矶—旧金山线路每天将开行40列列车，可推算Hyperloop线路每小时每个方向的最大客流量为336人次。而且，马斯克设想，Hyperloop的全部电能需求可以通过太阳能电池满足，无需使用化石燃料，这是推测出的结论。目前尚无法对Hyperloop的运行和维护成本进行确切估算。因此，马斯克期望通过洛杉矶—旧金山线路仅20美元/趟的票价覆盖其投资、运营和维护成本，是难以实现的。

　　结 论

　　（1）Hyperloop与现有其他高速运输系统的最大区别是Hyperloop车辆的容量非常小，运输能力相对较低。而且Hyperloop投资成本巨大，严重降低其经济性。未来对Hyperloop的运输需求将取决于其在旅行时间增益、票价、旅行舒适性、技术可靠性和安全性方面相对于其他运输系统是否具有综合性优势。 

　　（2）Hyperloop极高的加速度和制动减速度会给未经训练的旅客带来不好的乘坐体验。研发人员应针对车辆加速和减速过程的优化（以免产生令人不适的颠簸）、低真空管道中的能量需求和车辆的安全运行控制这3方面进行更深入的研究。

　　（3）鉴于政治和法律方面的考虑，在欧洲的人口稠密地区以及大城市附近征购私人地产，建造具有极大曲线半径的Hyperloop地上路线几乎不可能。

　　（4）Hyperloop高速运输系统能否节省化石能源，降低噪音，减少空气污染，目前仍然存疑，需要进行更深入的研究。

　　//  参考文献  //

　　[1] Ingo A. Hansen. Hochgeschwindigkeitsverkehr in Vakuumröhren：Ist Hyperloop machbar?[J] Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（11）：22-29.

　　[2] 超级高铁（Hyperloop）可行性分析[J]. 现代城市轨道交通，2020（5）：114-118.

　　现代城轨小编：Gisela

　　素材来源：《现代城市轨道交通》杂志