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真空交通管道能有效解决交通拥堵问题
发布时间:2017年10月16日    点击次数:    作者:石英仪器
  我们国家有着非常丰富的交通运输网络,能够连接到我国的各个地方,为人们的出行带来的极大的方便,但是随着都市人口的增加,车辆也在不断的增多,交通拥堵问题日益严峻,如何解决这一问题呢?真空交通管道可能是一种行之有效的方法。

  今天,交通运输可谓十分发达和高度现代化。飞机翱翔于蓝天,一天之内可到达地球上任何角落;高铁列车以每小时300km 以上速度驰骋于中华大地,大多数省会城市到首都北京之间的旅行可在8 小时内完成;高速公路四通八达,城市环路、放射路如蛛网般密布,汽车文明给人们带来出行的方便与高效率。另外,人们还寄希望于超音速飞机和磁悬浮列车创造更高的速度。

  无论如何,与高度发达的信息技术相比,交通速度已经滞后。从人类对高速度旅行的追求历程、速度梦之传递以及现时代的旅行需求来看,即使是超音速飞机和磁悬浮列车,人们对其速度将不会完全满意,还将期待更高速度。这就是梦想,梦想在推动人类科技发展过程中功不可没。速度梦,仍将是中国梦和世界梦的重要内容。更应该看到,今天的交通运输文明伴随着严峻的现实困惑,它正消耗着大量资源,破坏着环境,制造着污染,威胁着生命安全。交通运输已经是石化燃料最大的消费行业,在碳排放和温室气体排放总量中占很大比重;汽车是全球最大的伤亡制造者,全世界每年超过50 万人在汽车车祸中丧生。

  因此,我们必须寻找出路,用科学智慧探索交通困境解决之道。技术分析与科学研究表明,真空管道高速磁浮交通具有独特的优良性能,可望从根本上解决交通运输所面临的一系列问题。

  高速铁路由于受到轮轨关系制约和高速时大气阻力限制,运营速度不宜超过400 km/h。磁悬浮列车虽然消除了机械摩擦,但空气阻力随速度平方而提高,即Fa——v2。日本山梨试验线超导磁悬浮车最高试验速度达到590 km/h,但到这一速度时由于克服空气阻力所消耗的巨大能耗已经使该车不具备现实运营的经济可行性。同时,气动噪声和气动振动也接近车辆机械性能极限,因此速度不能再提高。而真空管道交通把磁悬浮列车置于真空或低压管道中,降低或消除了空气阻力限制,速度可达到很高。

  在对流层中飞行的飞机受到空气阻力限制,速度不超过1000 km/h,对于在较高高度和较稀薄大气层中飞行的超音速飞机,速度虽然可以达到2000 km/h 以上或者更高,但那时的气动噪声和气动振动很高,燃油消耗很高,因此不适合作为大规模运输手段推广应用,法国“协和”号超音速飞机在2003 年10 月退出市场即是明证。

  因此,只有真空管道交通,突破了以上汽车、火车和飞机的各种制约因素,速度可以达到极高。初期速度600——1000 km/h,百分之一大气压的低压环境即能满足气动阻力很小的要求;第二阶段1000——3000 km/h,千分之一大气压的低压环境即可;第三阶段3000——6000 km/h,管道中真空度在万分之一大气压水平即可,这时全球旅行基本上都可以在3 小时内完成;第四阶段6000——10000 km/h,所需真空度要求低于万分之一大气压,那时,往全球任何地方的旅行都可在2 小时内完成;第五阶段,研制速度超过10000 km/h 的真空管道交通技术,创造人类地面旅行的最高速度,实现地面的太空旅行。显然,只有真空管道交通,才是人类实现地面超高速旅行的唯一有效途径。

  真空管道交通能量消耗最小

  加速度一定时,由于汽车会频繁加速、减速,如按真空管道交通最短旅行里程1000 km 考虑,在此距离内真空管道交通只需要一次加速,而汽车旅行1000 km 现实情况下至少需要100 次以上加速,旅行距离越长,汽车的加速次数越多,而真空管道交通通常只需要一次加速过程,因此,用于加速的能量消耗,真空管道交通将小于汽车的1/100。由于没有滚动摩擦阻力和气动阻力,在速度大于200 km/h 时,真空管道交通磁浮车辆维持匀速行驶的能耗将小于汽车对应能耗的1/100。考虑到真空管道交通在初次运行时要抽真空,这一过程需要消耗能量,但真空环境是可以长期保持的,抽真空能耗是一次性的,那么认为真空管道交通总能耗低于汽车总能耗的1/50 是具有可信度的。

  飞机飞行过程和真空管道磁浮车辆匀速运行时都只受到空气阻力Fa 作用,Fa= CdAρv22,能耗Q 正比于Fa,而Fa 正比于空气密度ρ,于是Q 正比于ρ,记为Q——ρ。在空气阻力系数Cd、迎风面积A 和运行速度v 一定的情况下,能耗只跟空气密度ρ 成正比。根据已有的研究结论,真空管道交通管道内真空度应该高于1/100atm (atm 为大气压单位,1/100atm 即1/100 大气压), 即小于1013Pa。因此真空管道交通磁浮车辆运行能耗将小于飞机飞行能耗的1/100。

  由于同时消除了机械阻力和空气阻力,真空管道交通中车辆运行所需能耗极低,能量主要消耗在车辆加速和减速阶段,同时为克服残留的气动阻力也消耗一小部分能量。在综合效果最优化的情况下,真空管道交通单位当量能耗将远远小于火车、汽车和飞机。

  真空管道交通的一项特有能耗是,对管道内抽真空和维持真空需要消耗电力。抽真空时的动力消耗水平大致为,按泵站间隔2km,有效抽速1000L/s,管道直径4m,运营真空度百分之一大气压,则需抽气时间约1928 分钟。因为抽气时间跟管道容积成正比,当管道内直径为2m 时,则需抽气时间约为482 分钟。如果每天、每周花费这么长时间抽真空一次,真空管道交通则不具备小能耗优势。实际上,现有的技术水平已经能够做到长期的真空保持,载人宇宙飞船在高于10-7Pa的真空环境中运行,飞船壳体的气密性能够长期保证。我们日常使用的暖水瓶、保温杯的真空度大致在100——1Pa 水平,与真空管道交通所需的真空度相当,而暖水瓶、保温杯在不损坏的情况下,保温效果,即真空度,可以得到长期保证。因此,现有技术能够保证真空管道交通的真空环境长期保持。这意味着真空管道系统抽真空的单位能耗很小。

  人造卫星、宇宙飞船,在无驱动动力和不消耗能量的情况下,可以飞行几十年,这得益于它所运行的无阻力环境。类似地,真空管道交通车辆在无阻力环境中运行,其能耗将极其小。因此,交通运输和旅行并不一定要消耗大量能源,只要转变思想和技术路线,完全可能找到极低能耗的运行方式。真空管道交通将以最低的能量消耗,实现超高速的地面运输与旅行。从这种意义上来看,真空——亦可视为一种能源,而且是一种完全清洁和低成本的自然能源宝库,只要应用得当,可为人类节省大量石化能源。

  真空管道交通将使运载工具实现极低排放、极低污染

  载运工具废气排放量P 与能耗成正比,即P——Q。根据上述分析,真空管道交通单位能源消耗将小于飞机能耗的1/100,小于汽车单位能耗的1/50,那么,真空管道交通的有害气体排放将分别小于飞机能耗的1/100、小于汽车能耗的1/50。真空管道交通中行驶的磁悬浮车辆采用直线电机驱动,只消耗少量电力,不消耗任何石化燃料,因此实际上不会像汽车、飞机、内燃机车那样排放二氧化碳(CO2)、其他碳氧化物(CO)、氮氧化物(NO)、碳氢化合物(HC)和微粒物(PT)等。除了在抽真空过程中向大气中排放来自管道中的残余气体外,运行过程中不会向管道外排放任何物质,所以,真空管道交通是一种接近零排放、零污染的清洁运输方式。

  由于具有高速、低成本、较高安全性和低碳排放等特性,真空管道交通在未来可望替代50%以上由汽车、火车和飞机所完成的客货运周转量,这意味着随着真空管道交通的应用与普及,可减少由交通运输活动所产生的碳排放之一半,一个低碳排放社会和没有雾霾的天空因真空管道交通而可期待。

  除了因燃料燃烧产生废气,火车、汽车中的驾乘人员还会向车外抛洒废弃物,造成沿线环境污染,而真空管道列车在完全封闭的管道中行驶,不存在对沿线的抛洒污染;车辆是密封空间,不会向管道内排放废物。火车、飞机,以及部分长途大巴,因旅行时间长,上面都设有厕所,导致车上或机内环境恶化、产生异味。真空管道交通的基本设计理念是,3 小时内到达全球任何地方,在初期速度较低时,只开行“短途列车”(距离小于2000 km), 当第二阶段速度超过2000 km/h时,开行“中长距离列车”(距离2000——5000 km),速度超过6000 km/h 后,再开行“长距离洲际列车”(距离大于5000 km)。因此真空管道车辆中可不设卫生间,车内厕便污染问题则不存在。

  真空管道交通具有良好的安全性

  飞机在空中飞行,具有很多不安全因素。由于没有约束性保护,一旦失事,直接从高空堕落地面,往往都是机毁人亡,乘员幸存概率很低;而真空管道交通是一种地面旅行工具,不存在堕落风险。飞机在起飞、降落和飞行过程中对气候因素十分脆弱,大雾天和遇到大雨雪都无法起降,在飞行过程中还受到雷击、电击可能;而真空管道交通不受任何天气条件影响,不会因刮风、下雨和有雾而受到丝毫影响,行驶在管道内的车辆任何时候都不会遇到雷击、电击。飞机容易成为犯罪分子和恐怖活动劫持的目标,因为飞机容易劫持,而且劫持后容易实现犯罪目的,可以控制和开往他们所想去的任意地方;真空管道交通车辆在固定线路上自动控制行驶,对恐怖分子来说无劫持的必要和价值,实际上也不可能像飞机那样被劫持。用要素分析法可以看到,飞机是很不安全的载运工具,而以旅客周转量为基础的飞机失事统计结果显示,飞机是最安全的交通工具,这是因为飞机所体现的是“在最严格的安全保障下的安全”。问题很清楚,如果没有严格的安全措施,飞机本质上最不安全。飞鸟可以撞击飞机、撞击高铁,绝无可能撞击在密闭管道中行驶的真空管道交通车辆,行驶中的真空管道车辆不会受到任何来自外部物体的冲击。汽车由人驾驶,没有固定的轨道,其随意性和无约束性使得汽车成为伤亡事故最严重的交通工具;真空管道交通车辆自动控制运行,不仅有轨道约束,还有管道形成全方位约束和保护,因此要素安全性比汽车高得多。

  机械失灵和机械故障皆因振动而引起,除了线路不平顺引起的颠簸振动,汽车、火车和飞机最主要的还是气动振动。在太空真空环境中飞行的人造卫星、宇宙飞船,由于不存在气动振动,所以几乎从来不发生机械故障,因此可以安全飞行几十年。真空管道交通车辆运行时不受气动振动影响或者这种影响很小,远远小于施加在汽车、火车和飞机之上的气动振动,因此,发生故障的概率将远小于汽车、火车和飞机。
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