真空高铁专题展望调研投资分析报告Word格式文档下载.docx

1、Hyperloop的设计与特点 17座舱 17管道 19推进系统 21供能方式 22安全性 23低成本 23图表目录图表1：Hyperloop Alpha设计草案 4图表2：西南交通大学真空管道交通相关研究进展回顾 5图表3：西南交通大学真空管道磁悬浮实验场景 5图表4：“海底真空高铁”概念图 6图表5：图表6：“海底真空高铁”构想的驱动技术示意图 7图表7：“海底真空高铁”构想的磁悬浮技术示意图 8图表8：“海底真空高铁”构想真空形成示意图 8图表9：“海底真空高铁”构想的充气过程示意图 9图表10：“海底真空高铁”构想的巡航示意图 10图表11：多种交通工具与“海底真空高铁”构想的特征对比

2、 10图表12：“海底真空高铁”构想下的渤海地区交通运输格局 11图表13：“海底真空高铁”构想下的东亚地区交通运输格局 11图表14：“海底真空高铁”构想下的安全性示意图 12图表15：“海底真空高铁”构想下的成本对比 13图表16：Hyperloop假想的洛杉矶和旧金山路线图 14图表17：不同交通工具单乘客能耗比较 15图表18：Hyperloop原理推论 16图表19：世界最快20条高铁 16图表20：“乘客胶囊” 17图表21：座舱概念设计 18图表22：流线性设计 18图表23：座舱进站开启概念图 19图表24：车体运行时座舱概念图 19图表25：Hyperloop管道设计 20图

3、表26：承重模拟 21图表27：Hyperloop通往洛杉矶的时速表 22图表28：直线电机 22图表29：Hyperloop供能方式 23图表30：Hyperloop Cargo概念图 24图表31：Hyperloop成本估计 24“海底真空高铁”概念引发广泛热议一场技术讨论将“海底真空高铁”概念带入公众视线 世界各国科学家发展真空管道运输的设想由来已久。早在1904年美国学者罗伯特戴维就已经提出“真空管道运输”的设想。20世纪80年代，美国机械工程师达里尔奥斯特开始思考“真空管道运输”的可行性，并于1999年为这一概念申请了专利。20世纪末，时任中国科学院院长的路甬祥院士就提出了建设中国悬

4、浮隧道阿基米德桥的构想。2004年西南交大沈志云院士在关于真空管道超高速交通的思考中提出设想，将我国真空管道超高速交通的发展战略和技术方案发展战略定位于每小时6001000公里超高速地面交通。2010年奥斯特成立了致力于开发真空运输项目的公司ET3。2013年，现实版“钢铁侠”马斯克丰富了“真空运输”这一概念，提出了“超级高铁”的理念，在SpaceX网站上发布了题为Hyperloop Alpha的白皮书，并将超级高铁称作未来的“第五种交通出行方式”。Hyperloop Alpha设计草案 十余年来西南交通大学对真空管道交通系统进行了持续的研究。2016年1月，由西南交大超导与新能源研究开发中心

5、赵勇教授率领的研发团队对“第二代高速真空管道高温超导侧浮系统”的工程原型进行了第一阶段测试，团队不仅成功将管道真空的极限压强降到了1335帕（正常大气压力的1.3%），还测试出常压下磁浮实验车最高平均速度达到了每小时82.5km。截止到2016年5月，这一系统的实验进展良好，常压下最高平均时速已经提升到100km左右，随着真空技术的改进，速度将得到大幅提升，赵勇教授表示远景设想中这样的列车时速将达6001000km，足以取代飞机。西南交通大学真空管道交通相关研究进展回顾西南交通大学真空管道磁悬浮实验场景 “跨海旅游真空巴士”构想的技术研讨再次引发了对“真空高铁”的关注。据多家媒体报道，22日，

6、跨海旅游真空巴士技术研讨会正式在舟山来开帷幕。中国工程院院士顾国彪、中国科学院院士孙钧、中国工程院院士乐嘉陵和众多专家来到舟山普陀就建设世界首条海底真空悬浮隧道这一构想进行了技术研讨。海底真空旅游飞行巴士，也即跨海悬浮隧道真空列车，采用水下桥隧技术，依靠浮力支撑隧道约90%重量，采用真空管道及磁悬浮列车技术，可减少管道内90%的空气阻力，大幅提高列车运行速度，大幅减少空气噪声。理论上，真空管列车的运行速度可以达到2000km/h，但实际实现起来面临着诸多目前难以逾越的困难。因此，会议期间专家提出可先期分别建设时速600多公里超高速和时速80公里的中高速列车，作为试验线进行探索。“海底真空高铁”

7、概念图水下桥隧技术、磁悬浮技术、真空技术 真空管道运输技术的原理，是在地面或地下建一个密闭的管道，用真空泵抽成真空或部分真空后运行车辆（不一定是磁浮列车），由于行车阻力大大减小，可有效降低能耗，同时气动噪声也可大大降低，符合环保要求。 真空管道交通主要包含三项关键技术：水下桥隧技术、磁悬浮技术和真空技术。在目前我国桥隧技术水平下，完成海底隧道的建设工程并无过大难点。如果不是采用建在海底下面的岩石层里的“海底隧道”，而是选择在海底的海水里“悬浮”，事先在陆地预制完成，然后再沉管安装到海底（海水里），每公里管道有若干根“桥墩”支撑，则无需大规模海底施工作业，建设难度以及破坏程度远小于掘进到海底岩石

8、层，建设成本也会降低。 同时，我国磁悬浮技术也拥有了世界水平的研发能力。对于真空技术，在目前的技术条件下并不需要将隧道中实现完全真空，只要保证部分真空下时速达到600km/h，仍然比高铁具明显的速度优势。 在“跨海旅游真空巴士”的构想中，车辆计划设计制造I型和II型车，其中I型车以轮轨列车为主，II型车主要是磁悬浮列车，可乘坐5060人或10吨货物，采用阶段式驱动方案，在起点及终点的驱动段采用高速磁悬浮的长定子电机驱动技术，实现高效大功率额驱动力用于加减速，该方案的实施将大大降低建设及运行成本。“海底真空高铁”构想的驱动技术示意图“海底真空高铁”构想的磁悬浮技术示意图 在构想的运行方式上，首先

9、需要在水下3050米建成的密闭管道被抽成真空，乘客或载重货物进入胶囊状车辆后，在管道中运行。出发前，车厢被送入“隔离舱”，密封起来抽成真空，然后将车厢从“隔离舱”送入真空管道。出发后，列车在海水里的管道中穿行。当列车抵达目的地后，车厢被送入“隔离舱”进行充气。充气完成后，隔离舱的密封圈打开，乘客就可有秩序地下车。“海底真空高铁”构想真空形成示意图“海底真空高铁”构想的充气过程示意图更快速、更安全、更环保、低能耗更快速 由于采用真空磁悬浮技术，运行过程中无机械摩擦阻力，速度可超过1000 km/h，理想时速能达到1200 km/h。该技术如果取得突破进展，有望改变人类出行方式及交通理念，或成为人

10、类交通史上的重要变革。例如我国环渤海地区大连到烟台直线距离仅有100多公里，但受海域阻隔船运需要6个小时左右才能抵达，如果绕行渤海湾长达1000多公里，耗费10个小时以上，空运受天气和运输量限制较多。如果未来“海底真空高铁”构想未来能够走向应用，贯通辽东半岛和山东半岛后以理论时速类推从大连到烟台仅需12分钟，环渤海高铁将真正实现闭环，与京津冀一体化融为一体，对中国北部、东北亚经济会有显著促进和提高的作用。与之类似的沿海地区，大连到天津仅需27分钟，福州到台北仅需13分钟，厦门到高雄仅需20分钟，上海至北京仅需30分钟，而上海到日本东京全程1850公里，也只需2小时。“海底真空高铁”构想的巡航示

11、意图多种交通工具与“海底真空高铁”构想的特征对比“海底真空高铁”构想下的渤海地区交通运输格局“海底真空高铁”构想下的东亚地区交通运输格局更安全 相对于轮船、水面桥梁或者是地下盾构隧道，采用悬浮隧道技术能够最好地实现对天气免疫，由于乘客和货物是在密闭常压的胶囊状车厢中，而胶囊又是在30米以上深度的海底管道中运行，因此可以抵御各类海况及天气影响，受台风及地震影响更为间接，实现全天候的安全行驶。更环保 由于所有管道均在地面预制完成，无需大规模海底施工作业，不会对海底及周围环境产生破坏，也降低了施工和运行产生的噪音影响，在减少能耗、降低噪音的前提下更加符合绿色出行的概念。低能耗 在真空环境下运行，空气

12、阻力极小，与高铁同等速度下可节省70%的能源消耗。研究表明，在1%大气压下，维持真空一年所需成本消耗相当于常压下4天的能耗，总运行成本有望为高铁的十分之一。“海底真空高铁”构想下的安全性示意图“海底真空高铁”构想下的成本对比前路漫漫尚待求索，“海底真空高铁”仍面临诸多挑战 现有技术尚不成熟和建设成本过高是“海底真空高铁”构想无法实现的最大障碍。1922年德国工程师赫尔曼肯培尔在提出磁浮列车概念时，同时也提出了真空管道的设想，至今磁浮列车虽做了大量研究，却一直未能真正进入运输市场。“海底真空高铁”构想同磁浮列车一样，技术不成熟、成本过高，与其他运输方式不兼容等问题仍然突出，其高成本还远远不止于造

13、价，虽然在未来远景构想中“海底真空高铁”具有低能耗优势，但在目前技术水平下，要维持极低压的管道本身反而需要持续的高能耗投入，再加上真空管道和特殊的上下客站台，其高昂的造价和维护成本，将使任何商业投资望而却步。 虽然目前不具备商业价值，但真空管道技术仍然具有科研价值。轨道交通专家、西南交大教授沈志云院士认为真空管道技术的实现并不容易，但该技术有一定科研价值和发展前景。 真空管道列车只是“现阶段”没有商业价值而已，其根本问题在于建设和维持系统处于工作状态的能耗惊人，随着能源的不断发展，该技术或将具备商业化的可能。考虑到几十年后的近未来，人类将可能在月面甚至火星上建设前哨站乃至于大型基地，无论是月面

14、还是火星表面，气压相比地球上都几乎可以忽略，开发一种高效率高运力的磁悬浮交通系统显然也是相当必要的。 作为一种大胆的技术构想，“海底真空高铁”对于人类探索下一代交通运输技术有着积极的作用，为轨交技术的远景发展提供了一种思路，但对于当今以高铁为代表的轨道交通成熟技术体系来说，“海底真空高铁”这一概念并不会构成实际的影响。Hyperloop，“钢铁侠”倡导下的“黑科技”马克隆的奇思妙想 当我们说到“真空高铁”这一概念时，大家一定会想起依托“钢铁侠”Elon Musk创意而生的初创企业：Hyperloop One。2013年8月12日，为表达对“造价位居世界前列、速度却排在倒数位置”的加州高铁项目获

15、批的失望，马斯克提出一种连接洛杉矶地区和旧金山湾区的一种名为“Hyperloop”的新型交通概念。 Hyperloop假想的亚音速浮空列车系统建议一个局部真空的管度系统承载胶囊型列车，以大大降低空气阻力。路线由西尔马（洛杉矶北部的一个区）起，连接到海沃德（旧金山以东）。乘客理论上能在30分钟内跨越约350英里（560公里）的距离，这甚至比商用飞机的速度更快。Hyperloop假想的洛杉矶和旧金山路线图 连接旧金山和洛杉矶的交通路线是美国西部最繁忙的要道。目前这两个人口集中区域主流的交通方式存在诸多弊端： 公路交通便宜、速度慢、环境污染一般； 航空交通昂贵、速度快、环境污染严重； 轨道交通昂贵、

16、速度慢、环境友好。 Hyperloop可自行利用太阳能发电，实际上需要能源不多，因此还能提供额外电力。理想的交通工具应该同时具备廉价、快速同时环境友好。我们通过比较几种不同交通工具的单乘客能耗，结果显示Hyperloop以绝对优势胜出，只有TESLA公司的Model S能够望其项背。不同交通工具单乘客能耗比较 按照设想，工程人员将在地面上搭建作用类似铁路轨道的固定真空管道，在管道中安置“胶囊”座舱。据研发团队介绍，“胶囊”座舱形状近似太空舱，单体重 183公斤，比一辆汽车还轻，长约4.87米，能容纳4到6名乘客，或367公斤货物。 “胶囊”列车“漂浮”在处于真空的管道中，由弹射装置像发射炮弹一

17、样启动座舱，无间断地驶往目的地。由于运行空间真空，没有摩擦力，“胶囊”车厢运行速度最高可能达到每小时6500公里。这样算下来，从美国纽约到洛杉矶只要5分钟，纽约到北京只需2小时，环球旅行只需要6个小时。Hyperloop原理推论 马斯克预计Hyperloop建成后时速可达1220km/h，与音速相当。我们知道中国的高铁速度领先全球，但是和Hyperloop一比就明显落于下风了。世界最快20条高铁Hyperloop的设计与特点座舱 假设Hyperloop发车间隔为2分钟，高峰期最快可以30秒一班。那么为了满足高峰时段每小时840人的运载负荷，一个“乘客胶囊”需要至少安排28个座位。目前在高峰时段

18、可能需要配置40个座舱，同一时间有6个在终点站供乘客上下车。 Hyperloop的动力主要用于克服强大的空气阻力。在高速行进过程中，阻力主要来源于两方面，一是空气阻力，二是轮对的摩擦力。在真空环境下，列车悬浮在地面上，就可以克服轮对阻力，因此Hyperloop的动力主要用于克服强大的空气阻力。由空气动力学理论，空气阻力与速度平方成正比，所以输入动力与速度的三次方成正比。“乘客胶囊” 气垫解决悬浮问题。目前解决轮对摩擦的方法是磁悬浮，然后磁悬浮成本实在太高，世界上商用磁悬浮线路寥寥无几。车辆头部安装有发动机和风扇叶片，中部是座舱，尾部是蓄电池。Hyperloop通过在列车头部安装一个压缩风扇，吸

19、进空气，然后从列车底部排出，形成几毫米厚的气垫使列车悬浮。 列车前进的动力是由头部压缩风扇产生。座舱前部设有电动涡轮压缩机风扇，可将前部所受的高压空气送入滑板和客舱，减缓整个车辆前部所受空气阻力的同时，滑板中的磁体和电磁脉冲可让座舱获得最初的推动力。这种Hyperloop系统内座舱的电力实际来自外部每70英里放置的电动机，可使其保持运行在亚音速状态。据测算，列车达到1130公里/时仅需要320N的推力。座舱概念设计流线性设计 车门设计类似超跑双侧向上开启，时尚酷炫。座舱进站开启概念图车体运行时座舱概念图管道 为实现良好的能源经济性同时保证期望的运行速度，Hyperloop的管道尺寸经过精确的优

20、化。高效的工业真空实现能力大幅降低了空气阻力。 抽真空解决空气阻力问题。类似于飞机爬升到高空飞行以降低空气阻力，但是真空成本很高，同时想要维持真空也很困难，因为随时可能发生漏气。Hyperloop通过将管道抽真空到100Pa左右，降低管道内空气压力的方式降低空气密度以减少摩擦消耗，其压力只有火星大气压的1/6，也相当于飞机在15万英尺高空飞行时的气压。管道由钢铁构成，每30米由一个支架支撑，结构非常牢固，能够有一定抗震作用。同时管道表面覆盖太阳能电池板用来给整个系统供电。整个超级列车系统工作时的功率有21MW，而表面覆盖的太阳能电池板可以提供57MW的电能，完全够用。为了避免高速转弯带来的不适

21、感，路线选择上还是要尽量保持直线。设想中首试于加利福尼亚的Hyperloop将建在桥塔之上与现有洛杉矶至旧金山的州际公路保持平行，这样即可令环境的影响降到最低，即便需要穿越私人用地，这种管型系统对原有建筑的影响也非常之小，征地需求也较低，在抵御地震等自然灾害方面也会比地面交通轨道更有优势。Hyperloop管道设计承重模拟推进系统 超级列车在整个行驶过程中包括三个过程：加速匀速高速行驶减速到站。 Hyperloop的推进系统主要有以下基本要求： 启动阶段能在相对低速的情况下将座舱从0静止加速到480km/h，这需要较大的启动加速度； 即使在穿越两个城市之间山脉等障碍区域时依然能够保持相对稳定的

22、运行速度； 在直线加速区域能够以 1g（9.8m/s2）的加速度将运行速度从 480km/h 加速到1220km/h； 行程末期能够将时速重新降为480km/h。超级列车头部的风扇足以提供列车保持1220公里/小时速度的力，至于加速和减速过程力则由管道壁上的直线电动机来完成，出发时对列车不断加速，快到站时不断减速。Hyperloop通往洛杉矶的时速表直线电机供能方式 太阳能是Hyperloop最适合的动力源。车内的电池主要是制造自身气垫之用，在隧道内，约每 110 公里就会有一个外部线性电动机为列车补充动力。管道上铺满太阳能板，将太阳能转化成电力使到整个系统自给自足，甚至可能还有剩余。Hype

23、rloop供能方式安全性 Hyperloop的设计比一般的交通方式更为安全。因为它运行在隧道里，不受天气影响，推进系统内置于管道中，不会出现人为操作失误。如果发生严重事故，在封闭的舱内乘客可能会缺氧，为防范这一问题，Hyperloop会提供氧气罩。 胶囊会有紧急刹车装置和发动机驱动的车轮，一旦出现大规模胶囊减压，其它胶囊就会自动紧急刹车，同时整个Hyperloop管道会迅速开始再增压。之后胶囊会用发动机驱动车轮运行到安全地带。所有的胶囊都会装备储备空气，足够保证最坏情况下的乘客安全。低成本 马斯克估计客用Hyperloop建设大约要耗费60亿美元，而客货两用版的Hyperloop要耗费75亿美元左右。考虑到洛杉矶到旧金山600公里的距离，综合造价仅为0.1亿美元/公里，这个价格甚至比中国国内高铁造价都低。Hyperloop Cargo概念图 耗资最大的部分在高架塔的建设费用，约25.5亿美元，施工许可与土地这方面要支出10亿美元，管道建设6.5亿美元。与加州高铁近700亿美元的预计造价相比，Hyperloop的低成本优势十分明显。Hyperloop成本估计