超级高铁：高速铁路的未来初现雏形

铁路的重要性

我们或许会认为现代社会以内燃机、飞机以及更近的电动机为主导。但工业时代建立在另一项技术之上：铁路。

通过创建一种低成本的内陆货物运输方式，铁路和火车极大地提高了生产力。

时至今日，每个工业经济体都依赖火车来维持沿海地区（由海上贸易支撑）以外的制造业。火车对于运输原材料和大宗工业产品（例如矿石、钢铁、汽车等）尤为重要。

在某些情况下，它可能采取极端形式，例如 这条 704 公里（437 英里）长的铁路线连接了毛里塔尼亚撒哈拉中部的铁矿开采中心，并有一条 3 公里长的火车，搭载200-300节货车，一次性运送总计25,000+吨物资。

来源: CNN

火车的一个主要优势是，它是迄今为止陆上最节能的运输方式，这也是为什么火车是运输数百万吨货物的首选方式。

来源: Boring Company – 2013 年 Hyperloop 白皮书

火车对各行各业仍然至关重要，但在大多数国家，火车在个人交通方面却处于次要地位。火车比飞机慢，灵活性也比汽车和高速公路差。这意味着，除了地铁和一些大都市的通勤列车外，火车通常不被视为城市间旅客运输的一种方式。

现有的常规人类交通方式主要有四种：铁路、公路、水路和航空。

这些运输方式往往相对较慢（例如公路和水路）、昂贵（例如空运），或者相对较慢且昂贵的组合（例如铁路）

伊隆麝香

当然，这可能会有所不同，因为欧洲在某种程度上，尤其是中国，已经对高速列车网络进行了大规模投资。

来源: Reddit

然而，目前的高铁技术仍然使其速度比大多数航空旅行慢 3 倍，因此只适用于交通繁忙的地区、相对较短的距离以及愿意花更多时间旅行的乘客。

对火车和铁路的彻底重新思考可能会改变这种现状，最初是以目前的形式提出的 伊隆·马斯克在 2013 年发布的白皮书中，并赋予它现在的名称“Hyperloop”。

（您可以在我们之前的文章中阅读有关火车技术以及超级高铁以外的其他未来潜在技术的更详细的概述，“磁悬浮、超级高铁和火车的未来。“）

超高速挑战

在低速和高达200-300公里/小时（125-185英里/小时）的速度下，列车的主要问题是足够安全舒适地保持在轨道上。这个问题在过去的一个世纪里已经得到解决，如今已成为一项众所周知的技术，即使它需要最先进的高速列车制造和维护。

当以更高的速度行驶时，一些其他问题开始引起麻烦。

轨道摩擦和磁悬浮作为解决方案

第一个问题是与轨道的摩擦。这已经是“普通”高速列车面临的一个问题了。解决这个问题的方法是让列车不与轨道直接接触，而是悬浮在轨道上方。

这就是磁悬浮技术的原理，利用连续的磁铁推动列车向上和向前。

来源: 能源部

这不是一个没有挑战的解决方案，因为这需要超导磁体，而超导磁体需要在极低的温度下冷却。

虽然成本高昂，但切实可行。目前已有数条商业磁悬浮线路投入运营，包括中国的上海磁悬浮列车、北京S1磁悬浮列车和长沙磁悬浮列车，以及日本的Linimo磁悬浮列车。韩国仁川机场磁悬浮列车已于2023年关闭。

超高速下的空气阻力屏障

第二个问题是空气阻力。随着速度的增加，空气阻力会呈指数级增长，这迫使高速列车和磁悬浮列车必须采用尽可能符合空气动力学的外形。

空气阻力造成的另一个问题是，如果火车的速度达到 1,000 公里/小时（620 英里/小时），就会产生音爆，这对周围的人和建筑物以及铁路基础设施本身都是非常不利的。

这就是为什么人们认为高速磁悬浮技术的上限在 600 公里/小时（372 英里/小时）范围内， 这是中国最新磁悬浮列车设计的目标.

最终，虽然更符合空气动力学的外形会有所帮助，但空气阻力将永远限制传统铁路运输的速度。

这就是为什么 Hyperloop 概念的核心是解决空气阻力问题，就像磁悬浮解决轨道摩擦问题一样：消除这个问题。

滑动滚动→

Hyperloop 的初始概念

超级高铁的理念是将磁悬浮列车放入真空管道内，管道内的空气几乎完全被抽走。

这将完全消除空气阻力，使速度达到1000公里/小时。如此高的速度，从洛杉矶到旧金山仅需30分钟。

从理论上讲，采用类似 Hyperloop 的设计可以实现更高的旅行速度，速度最高可达 4,000 公里/小时（2,500 英里/小时）。

主要优势

支持 Hyperloop 的最有力论据是，尽管速度相当，但乘坐和使用 Hyperloop 的可能性却更大，更像火车，而不是飞机。

这意味着对行李的限制会大大减少，机场的安检和登机程序也会变得繁琐，通常耗时与旅行本身一样多，尤其是对于短途和中程航班而言。

因此，虽然超级高铁近期不会与巴黎-北京航班竞争，但它们可能会在较短的距离上提供更快的旅行。

加剧这一影响的是，超级高铁站有可能建在更靠近市中心的地方。虽然超级高铁列车/太空舱 能够 当列车以1,000公里/小时的速度行驶时，它们的速度也会降低。因此，它们也减少了旅客从遥远的机场到大都市中心的通勤需求，进一步缩短了总行程时间。

安全性可能是另一个争论点。Hyperloop 的安全问题尚待观察（见下文），但它可能比航空旅行安全得多。

最后，尽管目前仍存在很大不确定性，但基础设施成本或许可以通过低于航空旅行的运营成本来弥补。使用当地电网或太阳能也有助于减少此类旅行的碳排放，在未来征收碳税的情况下，这可能会对机票总价产生重要影响。

来源: 愿景

技术限制

真空工程挑战

虽然超级高铁的概念原理简单，但实际实施起来却相当复杂。它涉及一系列工程设计，最终还要考虑材料或设计方案的选择。

最大的问题在于所需真空的产生和处理。最初的白皮书设想的真空度为0.015 psi（100 Pa），约为火星压力的1/6，或地球压力的1/1000。

随着压力的降低，工业真空泵的效率呈指数下降，因此降低管压带来的进一步好处将被增加的泵送复杂性所抵消。

这种程度的真空也需要安全处理，因为不受控制的再加压可能会导致灾难性的事故。

还需要适当的气闸和对接系统来连接到正常加压的火车站。

能源供应

低压环境需要持续的能源供应。初步设计设想在超级高铁轨道上安装一系列太阳能电池板，并与电池结合，为其提供能源，实现“自供电”。

总体而言，与达到相同速度的同等替代方案——飞机相比，能耗不应该是一个主要问题。

然而，这可能会降低超级高铁的经济效益，而且，即使不考虑基础设施成本，保持磁铁超导和管道真空所需的高能耗也可能使这种运输方式比普通火车线路昂贵得多。

近真空环境下的材料挑战

真空造成的另一个问题是，许多材料在极低的气压下开始表现不同。

值得注意的是，混凝土中的传统钢筋在近真空条件下可能会弯曲或开裂，而当内部气压接近于零时，标准混凝土可能会破碎。

最有可能需要新的材料，其中一些已在测试中（见下文）。

振动和乘坐舒适度问题

Hyperloop 的初步测试显示，另一个潜在的故障点是速度超过 600 公里/小时后会出现强烈振动。

如果不加以处理，这些振动会让乘客的身体感到无法忍受，甚至无法承受，并且还可能在正常使用中损坏 Hyperloop 组件。

乘客安全和应急方案

以如此速度行驶，首要考虑的当然是安全问题。任何全速碰撞都可能瞬间致命，导致所有乘客死亡，甚至可能危及事故现场周围的人。

这可能会迫使 Hyperloop 建在地下或高于地面的高度，以避免交通事故、交叉口等。

轨道路径也必须几乎完全笔直且水平，因为在这样的速度下转弯会非常困难。这可能会限制这一想法在山区的实施。

同样，需要及时检测到地震或其他自然灾害，以便运输中的 Hyperloop 车辆快速断电。

另一个担忧是如何应对机上的任何紧急情况。与飞机类似，很可能需要快速前往最近的医疗站提供所需的医疗救助。

如果车辆最终因某种原因在中途搁浅或卡住，轨道设计中还必须纳入快速再加压系统和乘客的定期疏散点。

初步试验

由于埃隆·马斯克的知名度，这个想法立即吸引了一批狂热追随者，并由 Hyperloop One（前身为 Virgin Hyperloop）进行开发。然而， 该公司于 2023 年正式关闭，钱用完了。

这一挫折导致许多人过早地宣称这一概念已死，称其为（双关语）一场白日梦。这为时过早，因为其他类似超级高铁的计划正在向前推进。

欧洲和美国

荷兰一家活跃的 Hyperloop 公司 哈特超级高铁该公司宣布已于2024年XNUMX月成功测试了其超级高铁车辆。这仅仅是车辆行驶和真空状态维持的证明，但这只是第一步。随后 2024年XNUMX月成功进行线路切换试验.

此 意大利HyperloopTT 2023年推出原型舱，并与意大利航空航天业巨头莱昂纳多和WeBuild（意大利最大的工程承包商）签署合资协议 查阅 威尼斯-梅斯特雷和帕多瓦 “超级转移”这条测试线路将使意大利和 HyperloopTT 领先于全球大多数竞争对手。

总体而言，该公司更专注于货运，最近 可行性研究 549 公里（341 英里）的路线连接 巴西人 桑托斯港至圣保罗，延伸穿过坎皮纳斯和普雷图河畔圣若泽等主要城市。

该双向系统每天可运输 5,600 个标准箱，速度为 600 公里/小时（370 英里/小时），将运输时间从数小时或数天缩短至仅仅几分钟。

西方国家另一家在此领域较为活跃的公司是 马斯克的无聊公司，其最后一次超级高铁测试将于 2022 年进行。不过，目前该公司似乎更专注于更简单的“循环”，即在指定目的地之间高速运输汽车。

“The Loop 是迈向 Hyperloop 的垫脚石。The Loop 用于城市内部的交通。

Hyperloop 用于城市之间的交通，其速度将远远超过 150 英里/小时。”

伊隆麝香

印度

TuTr Hyperloop 是印度理工学院马德拉斯分校的一家初创公司，该公司正在开发自己的 Hyperloop 设计，以连接新孟买的贾瓦哈拉尔尼赫鲁港务局 (JNPT) 和帕尔加尔区拟建的瓦德哈凡港。

这项雄心勃勃的项目将使印度在高铁领域处于领先地位，而印度迄今为止在高铁领域严重落后。 之前的努力普遍被认为失败了.

中国

超级高铁最近在高铁爱好者中国取得了最大的进展。

在2024的8月， 磁悬浮列车最近在山西省一条长 2 公里（1.2 英里）的低真空管道上完成了测试由中国航天科工集团公司（CASIC）执行。

更名为 T-Flight 的 Hyperloop 目前时速已达到 387 英里，并计划达到预期的 621 英里/小时。

来源: South China Morning Post

2025年中期，多家新闻媒体透露，中国工程师也正在迅速解决初始设计概念中的技术问题。

其中一个解决方法是使用 人工智能引导的悬挂系统 和激光制导传感器 抵御最严重的震动即使轨道出现微小缺陷，例如线圈不均匀或桥梁变形，也可能导致磁悬浮车厢内出现严重湍流。

中国航天科工集团公司的科学家表示，他们的悬挂系统将垂直振动减少了 45.6%，舒适度得分低于斯珀林指数阈值 2.5（斯珀林指数是评估轨道车辆乘坐舒适度和质量的标准）。

另一个修复 正在改变真空管所用的材料。中国铁路工程咨询集团（CREC）团队开发了一种采用环氧涂层钢筋和波纹钢伸缩缝密封的钢筋混凝土管设计。

这种新颖的组合融合了钢的抗拉强度和混凝土的抗压耐久性，确保管道在从零度以下的冬季到 45°C (113°F) 的夏季的恶劣条件下保持气密。

管道内部采用低碳钢网格，可减少现有磁悬浮设计中存在的涡流（电流循环回路），尤其是当速度超过 1,000 公里/小时时。

为了抵消真空的影响，他们还使用了玄武岩纤维混凝土和玻璃纤维增​​强材料，并进行了预真空养护。

最重要的是，预制管段的成本预计比传统全钢管道降低 60%，并且更容易扩展。

然而，长距离热膨胀以及快速可靠的应急响应设计等问题仍在研究中。

超级高铁的未来

经济可行性

考虑到超级高铁系统最终设计的不确定性，以及实际性能和维护要求，很难确定其潜在的经济可行性。目前可以讨论以下几个方面：

• 超级高铁系统的安装路线必须满足以下几个关键要求：
  • 点对点交通，途中停靠站点不多，甚至没有站点。
  • 交通负荷大，要确保最大限度利用要建设的昂贵基础设施。
  • 站点之间的相对直线，包括高度和总体方向。

此外，Hyperloop 轨道与其他现有铁路不兼容，要求 Hyperloop 车站靠近足够重要的兴趣点（市中心、机场、港口等）或其他高速火车站附近。

这些限制，加上所需的先进技术和比普通高速列车更复杂的基础设施，可能会限制哪些路线能够盈利。

最有可能的是，只有目前由航空公司大规模服务的城际交通才有资格使用超级高铁。

矛盾的是，更昂贵、更复杂的超级高铁可能比简单的磁悬浮列车拥有更有前景的经济前景，而磁悬浮列车则处于一个尴尬的境地：速度太慢，无法在长途航线上与飞机竞争，但成本又太高，无法与传统高速铁路竞争，这个问题迄今为止严重限制了它们的部署。

作为一个电力驱动系统，超级高铁的成本也将与电价挂钩。相比航空旅行，它更容易实现脱碳，因此在征收碳税时可能会获得一定折扣。

潜在的超级高铁站点

由于经济需求，超级高铁并非要取代汽车和火车交通，而是要取代价格更昂贵的飞机出行，因此超级高铁很可能首先在易于建设且人口密集的地区实施，或者至少在彼此距离较近的大型城市中心之间实施。符合这些标准的潜在地区包括：

• 美国西海岸和东海岸。
• 西北欧平原（从法国/荷兰到波兰）
• 俄罗斯西部，特别是圣彼得堡-莫斯科-喀山轴心。
• 中国东海岸。
• 印度的主要人口中心
• 中东，特别是科威特-卡塔尔-阿联酋-迪拜线。
• 巴西的海岸线。

未来，超级高铁的概念甚至可能在月球上得到应用。然而，矛盾的是，太空比地球更容易建造超级高铁，尤其是在月球这样没有空气的地方，那里的真空环境无需人工创造，而是自然存在。

这绝对不是立即就能实现的，但它可能是中国实现地球卫星工业化的长期计划的一部分， 以及将 Hyperloop 重新设计为大众驱动器.

哪些技术可以帮助超级高铁？

当然，更多的研究、原型设计和投资将是 Hyperloop 系统在现实生活中运行的关键。

相关技术的独立进步也可能使 Hyperloop 更加可行。

一种可能性是 更好的超导材料，特别是高温（或理想情况下是室温）超导体通过降低超导磁体系统的复杂性，他们可以使磁悬浮列车更便宜、更易于维护、运行能耗更低。

更好的隧道技术也会有所帮助，因为 Hyperloop 要么完全被埋在地下，要么需要比传统高速铁路更多的隧道，因为它无法以任何锐角转弯。

正如使用人工智能减少振动所示，人工智能还可以在许多方面做出重大贡献：开发更好的材料、自动驾驶列车、预测性维护、连接性、自动列车控制和数字信号以及实时更新。

投资列车相关技术

尽管与航空航天或电动汽车相比，高速列车、磁悬浮列车以及未来的超级高铁受到的关注度要低得多，但它们仍处于彻底改变人类交通方式和经济的前沿。

迄今为止，中国一直处于领先地位，但世界其他国家也注意到了这一点，并希望大规模扩大其铁路运力。

如果你对选择与火车相关的公司不感兴趣，你也可以研究以下 ETF： SmartETFs 智能交通与科技ETF（MOTO）, iShares 美国运输 ETF (IYT) 或 SPDR标普运输ETF（XTN），这将提供更加多样化的投资机会，以利用具有战略重要性的运输和铁路行业。

结语

自埃隆·马斯克 (Elon Musk) 于 2013 年提出 Hyperloop 这个想法以来，它一直受到热烈讨论，但同时也经历了不少失败。

这一概念的消亡已多次被宣告，但似乎有些言之过早。事实上，许多更为严肃的倡议如今正在推进，最大的技术障碍正在慢慢得到解决。

超级高铁的经济可行性仍是一个悬而未决的问题，目前尚无实际应用案例。但考虑到它将直接与机场和航空公司竞争，它的未来或许会比乍一看更光明，因为那时它可能会被误解为仅仅是“快速列车”。

超导解决方案的领导者

美国超导体公司

AMSC 是一家为电网、船舶和风能提供能源解决方案的公司。一般来说，系统耗电量越大或体积越大，就越需要超导技术来避免过热。

尽管名为 AMSC，但它不仅提供超导系统，还提供风力涡轮机的齿轮传动系统等，并可能成为国内磁悬浮部件的重要合作伙伴。

该公司正受益于多重增长动力，包括电气化和数字化趋势（包括人工智能数据中心），以及美国制造业产能回流和英语国家海军为应对日益增长的地缘政治风险而进行现代化改造的需求。

来源: 美国超导体公司

在电源领域，AMSC 的订单稳步增长。推动这一增长的因素包括半导体工厂希望免受电网波动的影响，帮助电网应对可再生能源的间歇性，以及工业场所的电力供应和控制。

在风力涡轮机领域，AMSC 主要涉足电气控制系统 (ECS)。从历史上看，电气控制系统是该公司 2MW 风力涡轮机业务的强项，但该业务已逐渐衰落。AMSC 的目标是借助新的 3MW 涡轮机设计实现反弹，重点关注印度市场。

来源: 美国超导体公司

AMSC 为军舰提供“AMSC 高温超导磁水雷对抗系统”，该系统可改变舰船的磁场特征，保护舰船免受水雷攻击。该系统已售给美国、加拿大和英国海军，迄今为止订单总额达 75 万美元。

总体而言，AMSC 在利用超导技术在目前可行的利基应用方面表现最佳，同时可能已准备好在未来部署进一步的先进技术。投资者还应注意，该股过去经历过剧烈波动，因此应相应地评估风险。

投资交通运输

西门子股份公司 (SIE.德国)

西门子是工业领域的一家实力雄厚的公司，业务涉及电子、重工业、基础设施、移动和医疗保健等领域。

来源: Siemens

该公司在物联网领域的活动遍及多个领域，包括自动化（占数字产业总量的 62%）和智能基础设施。

医疗保健活动更多地侧重于成像、分析和机器人技术，而移动领域主要涉及火车和铁路基础设施。

该公司从全球人口下降和“全球本地化”（或接近最终市场的工业产能“回流”）中看到了自动化领域的巨大机遇。 电网中可再生能源的不断增加也增加了对能够处理这些间歇性和可变电源的“智能电网”的需求。

在其活跃的利基市场中，西门子是一个非常强大的竞争对手，在工厂自动化、铁路自动化、电网自动化和垂直工业软件（包括 1 名网络安全专家）领域排名第一。

来源: Siemens

西门子股票的定位是受益于电气化、回流、物联网、自动化、铁路以及整个工业流程技术水平的提高。

作为铁路设备制造业的领先者，它将直接受益于该领域的投资，同时也间接受益于再工业化趋势​​。

凭借其广泛的技术，它将走在智能铁路建设的前沿，并利用其在其他已经更加数字化的行业中积累的自动化和物联网经验。