超级高铁（Hyperloop）可行性分析

1 研究背景

超级高铁（Hyperloop）是一种以真空管道运输为理论核心的交通系统，具有超高速、高安全性、低能耗、噪声小、污染小等特点。自从美国特斯拉公司首席执行官埃隆 · 马斯克（Elon Musk）在2013年提出Hyperloop理念后，许多研究机构、商业公司对此进行了深入的研究和探讨。美国加利福尼亚州和法国Hyperloop测试线路的规划和建设、迪拜和中国Hyperloop商用线路的规划，以及西班牙Hyperloop原型车的展示，都使人们对真空管道中高速运输系统的可行性和性能产生了极高的期望。Hyperloop相关论文的主要研究方向有车辆的设计和优化、运输系统性能评定，以及环境影响和成本评估。

其实，世界上最早的真空管道運输理念是瑞士于1974年提出的Swissmetro理念，即低真空管道中的磁悬浮铁路。但2009年，瑞士联邦议会以项目缺乏资金支持为由，拒绝了日内瓦—洛桑试点线路（35亿瑞士法郎）的许可证申请，这一理念也随之成了空想。此外，苏黎世联邦理工学院的运输科学家在欧洲市场研究中也发现了Swissmetro项目失败的另一原因：即使在非常乐观的假设下，其预期收入也不能覆盖路线与车辆的投资和维护成本。

实现（低）真空管道中高速运输的关键在于，开发一种用于地面、地下或水中的全新长途运输系统。它一方面可在旅行时间和舒适性方面与飞机媲美，但比飞机的能源消耗更低，对环境的污染更少;另一方面能够以低于高速铁路的投资、运营和维护成本确保充足的运输能力。为此，需要解决的基本技术、经济、社会和环境问题如下：

（1）从中期或长期来看，长距离高速交通会有怎样的运输需求和运输能力;

（2）引入速度为500～1 200 km/h的新客运系统有哪些技术障碍;

（3）像Hyperloop这样的高速运输系统会对空间/土地使用、能源、气候、环境和安全产生什么影响;

（4）Hyperloop的预期开发、基础设施投资、运营和维护成本是否可以明显低于飞机、高速铁路或磁悬浮铁路，并由收入覆盖;

（5）对于（低）真空管道中新型高速运输系统的研发，其主要技术、经济和社会挑战是什么。

2 可行性分析

2.1 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，美国国内定期航班的客运总量为7.2亿人次（占公共客运总量的77.3%），平均旅行里程为1476km/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563km的Hyperloop线路票价仅为20 美元），这种期望看似不切实际。

而2016年，德国国内定期航班客运总量仅为2370 万人次（占公共运输总量的8.4%），平均旅行里程为439km/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400～1000km，定期航班客运量为每年每个方向100万～200万人次。由此推断，这些机场之间的最大客运量约为每天每个方向10000 人次。上文提到的Swissmetro磁悬浮铁路苏黎世—日内瓦段的预计客运量为4000人次/天。

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2 000人次。

2.2 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、下机所需耗费的时间，即使严格按照飞行计划，定期航班在距离为400～1000km机场之间的平均速度也只有400～500km/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。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150～250km/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429km/h。德国开发的磁悬浮列车Transrapid的设计速度与日本的SC Maglev大致相同，但出于节能的考虑，其在上海30km的机场支线上的实际运行速度仅为300km/h。瑞士Swissmetro磁悬浮列车在低真空管道中的最高设计速度为500～700km/ h，在线路上的平均设计速度约为320km/ h。与德国Transrapid列车相比，瑞士Swissmetro列车较窄（3.2m）、较短（78 m），座位较少（200～350个），设计发车间隔为3min。然而，苏黎世联邦理工学院的运输科学家经过市场研究对后者提出了质疑，由于列车停站前后的一系列操作，如打开/关闭气闸、在车辆与站台之间抽吸/泵送空气、关闭/打开车门，以及安全检查，会使乘客上车/下车所需的时间大大延长。因此，Swissmetro列车的最小发车间隔应为5～6 min（表1）。

2.4 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480km/h时为30km，速度1200km/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。

对于候车室、乘客进出口、车辆蓄电池更换处以及车辆停车线的设计和空间整合要比图3中复杂得多。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1 200 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。

2.5 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）成本，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。其收入包括票務收入和诸如广告、技术使用费等其他收入。与其他高速运输系统相比，Hyperloop的旅行时间增益、舒适性、可靠性、安全性和票价设计会对其市场份额、旅客数量和旅客旅行距离产生影响。

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93 km的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（1000万美元/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，可推算出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，无须使用化石燃料，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。

3 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。其座位数少，单管双向运营，对安全和环保的要求严格，这些因素可能是提高其运输能力的最大障碍。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，在欧洲人口稠密的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，降低噪声，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 Vakuumr?hren：Ist Hyperloop machbar？[J] Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（11）：22-29.

苏靖棋 编译

收稿日期 2020-02-23