高速飞行列车”的原理是利用超导磁悬浮技术和真空管道

 

近日，中国航天科工集团正在论证研制的“最高时速4000公里”高速飞行列车在网络上“刷屏”，被网友称为“飞铁”，也引发了对“北京到上海半小时”的未来憧憬。毕竟，相比京沪高铁最高时速350公里，“高速飞行列车”要快出10倍。

据航天科工透露，“高速飞行列车”的原理是利用超导磁悬浮技术和真空管道，实现超音速的“近地飞行”。

时速4000公里，意味着车中乘客的速度，是地面音速的3倍、步qiang zi dan 出膛速度的1.5倍。面对这个数字，许多人最关注的还是舒适性和安全性的问题。对人体来说，“飞”得比zi dan 还快究竟意味着什么呢？

站点要“远”：以磁悬浮的加速度，要从北京一路加速到上海

首先，对于“坐地日行八万里”的我们来说，速度本身并不是关键，关键在于加速度。

要通俗地理解加速度给人带来的感受，可以参考超级跑车全力启动的过程。一辆能够做到3秒内突破百公里时速的超级跑车，其最快加速度可以超过1g（重力加速度，约为9.8m/s⊃2; ），这时，驾驶者会有一个强烈的“推背感”，感觉人像是被紧紧地钉在座椅上，这个力的大小，相当于一个人压在自己的身上。

中国工程院院士、空军航空医学研究所航空医学工程研究中心主任俞梦孙曾介绍，战机飞行员一般需要承受高达9g的加速度，但飞行员可能会出现黑视或晕厥的现象。

“神舟”十一号航天员陈冬也曾向公众描述过训练时体验4g加速度时的感受：身体像被三个自己牢牢按死，眼泪直流，十分狼狈。

但这种加速持续时间只是数秒或几十秒，是瞬间的事。对于一般的交通运输工具来说，设计者要权衡加速度、加速时间和加速路程，尽量保证乘客的舒适性。

8月31日，航天科工三院三部“高速飞行列车”技术总负责人毛凯回应媒体称：“列车进入高速运行状态前有个缓慢的加速过程，加速度比飞机启动要小”。

在“缓慢加速”的情况下，加速时间和加速距离都会相应增加。波音787客机启动的加速度约为0.25g，以0.25g加速到时速4000公里，加速时间约为450秒，即7.5分钟，加速距离约为250公里。

而上海磁悬浮列车目前的启动加速度约为0.06g，以这个速度加速到时速4000公里，加速时间约为1890秒，即31.5分钟，加速距离约为1050公里。

北京至上海的直线距离为1084公里。也就是说，如果以磁悬浮列车的加速度，乘客从北京出发，开始一路加速，到上海差不多刚刚达到最高时速。

而如果在北京和上海的中点设置一站，以波音787客机的加速度，“高速飞行列车”从加速到最高时速，再马上减速至停止，正好是一站的距离。

如此压缩列车的平稳运行时间，不利于乘客的舒适度。因此，如果要实现时速4000公里的“高速飞行列车”，两站之间的距离必须非常远。

线路要又“直”又“平”：如何转弯、过桥

如此，“高速飞行列车”又面临第二个挑战：弯道和桥梁。

长达数千公里的行驶距离，肯定要跨越不同的海拔以及复杂变化的地形，比如山脉、高原、盆地、平原、丘陵、河流甚至海洋。这就需要转弯以回避线路上的险阻。但在向心加速度相同的情况下，列车运行速度和能承受的最小曲线半径（编注：非专业场合称之为转弯半径）成平方关系。也就是说，“高速飞行列车”比高铁的速度快了10倍，那它在实际运行中需要的最小曲线半径可能要以百倍计算。

可查资料显示，最高时速350公里的京沪线上的最小曲线半径7公里左右。这意味着，乘客要达到高铁的舒适程度，最高时速4000公里“飞铁”的最小曲线半径得是900公里左右。900公里左右的最小曲线半径，基本已经不具备在地面上的转弯能力。怎么理解这个概念呢？只有从太空中，才能发现这条地面上的“直线”是“弯”的。

为了在工程上可行，“飞铁”就得缩小最小曲线半径。这就涉及到乘客舒适度的问题。简单来说，列车启动时的加速度带给人“推背感”，而转弯时的向心加速度会带给人“甩飞感”。

假设最高时速4000公里的“飞铁”在转弯时将速度降至最高时速的25%即1000公里，最小曲线半径与高铁一致也是7公里，那么乘客在转弯时就会承受1.24个g的向心加速度。这相当于在横向或者斜向上，给乘客身体上再施加一个多人的重量，这会带来很强的压迫感。打个比方，相当于每次转弯，都是激烈的过山车体验。

与轨道的弯道问题相似的，是轨道桥梁问题。在时速4000公里下，轻微的曲率都可能造成一定程度的失重。这就意味着，“高速飞行列车”的真空管道不仅要在水平方向上减少拐弯程度，也要在垂直方向上减少坡度变化，否则，列车的安全性和舒适性难以保障。

此外，在安全性方面，成倍提高的速度也会要求成倍的制动和预警能力。因为最高时速是4000公里，紧急制动距离会很长。可做比较的是，轿车在紧急制动，即一脚刹车踩到底的情况下，加速度是-1g左右，在时速100公里的情况下制动距离需要39米。时速4000公里，如果加速度也是-1g，紧急制动距离需要63公里。这意味着，得确保前方线路63公里之内都没有任故障，否则后果不堪设想。

此外，“飞铁”紧急制动时间得用113秒，可做参考的是，百公里时速的轿车紧急制动是3秒不到。在这个过程中，乘客会极度不适，有飞出去的感觉。事实上，在轿车制动中，如果不系安全带，人已经飞出车外了。

总而言之，最高时速4000公里的列车，一方面需要站点设置得尽量“远”，一方面又需要线路设计得尽量又“直”又“平”，这给工程建设提出了极大挑战。毕竟，按前文推导，“高速飞行列车”覆盖距离需要以千公里计算，而中国疆域的东西距离为5200公里，南北距离为5500公里，其间地势地形变化多端，十分复杂。

尚未有研制时间表？

时速4000公里是航天科工为“高速飞行列车”规划的最后一步，在近期内，航天科工会首先突破时速1000公里这个“小目标”。但对于“北京到上海半小时”这个美好的憧憬，他们尚未给出具体时间表。

8月30日，在武汉举办的第三届中国（国际）商业航天高峰论坛上，毛凯告诉媒体，中国航天科工集团，将按三步走方案研发高速飞行列车——
第一步，2020年前完成关键技术突破；2023年前完成全系统演示验证，同步形成时速600公里载人能力，研制出最大运行时速1000公里的列车，建设区域性城市飞行列车交通网；

第二步，2027年前，研制出最高时速2000公里的列车，建设国家超级城市群飞行列车交通网；

第三步，研制出最高时速4000公里的列车，建设“一带一路”飞行列车交通网。

8月31日，毛凯对媒体表示，目前该项目的研制节点和涉及技术路径还处于保密的阶段，不方便透露研制时间表，但是已经有了方案，目前已经在研究论证。同时航天科工已经建立了一支“高速飞行列车”的研发团队。

毛凯进一步表示，希望能给研发人员一个宽容和安静的氛围，让他们一步一步去把这个科研项目完成：“希望大家拭目以待，等下一步消息吧。”