時速4000公裡"飛鐵"比子彈還快 但人體能承受嗎?

2020-12-18 東方網

原標題:比子彈還快的中國「飛鐵」要來了!但時速4000公裡,人體能承受嗎?

  

  近日,中國航天科工集團正在論證研製的「最高時速4000公裡」高速飛行列車在網絡上「刷屏」,被網友稱為「飛鐵」,也引發了對「北京到上海半小時」的未來憧憬。畢竟,相比京滬高鐵最高時速350公裡,「高速飛行列車」要快出10倍。

  據航天科工透露,「高速飛行列車」的原理是利用超導磁懸浮技術和真空管道,實現超音速的「近地飛行」。

  時速4000公裡,意味著車中乘客的速度,是地面音速的3倍、步槍子彈出膛速度的1.5倍。面對這個數字,許多人最關注的還是舒適性和安全性的問題。對人體來說,「飛」得比子彈還快究竟意味著什麼呢?

  以磁懸浮的加速度,要從北京一路加速到上海

  首先,對於「坐地日行八萬裡」的我們來說,速度本身並不是關鍵,關鍵在於加速度。

  要通俗地理解加速度給人帶來的感受,可以參考超級跑車全力啟動的過程。一輛能夠做到3秒內突破百公裡時速的超級跑車,其最快加速度可以超過1g(重力加速度,約為9.8m/s2 ),這時,駕駛者會有一個強烈的「推背感」,感覺人像是被緊緊地釘在座椅上,這個力的大小,相當於一個人壓在自己的身上。

  中國工程院院士、空軍航空醫學研究所航空醫學工程研究中心主任俞夢孫曾介紹,戰機飛行員一般需要承受高達9g的加速度,但飛行員可能會出現黑視或暈厥的現象。

  「神舟」十一號航天員陳冬也曾向公眾描述過訓練時體驗4g加速度時的感受:身體像被三個自己牢牢按死,眼淚直流,十分狼狽。

  但這種加速持續時間只是數秒或幾十秒,是瞬間的事。對於一般的交通運輸工具來說,設計者要權衡加速度、加速時間和加速路程,儘量保證乘客的舒適性。

  8月31日,航天科工三院三部「高速飛行列車」技術總負責人毛凱回應媒體稱:「列車進入高速運行狀態前有個緩慢的加速過程,加速度比飛機啟動要小」。

  在「緩慢加速」的情況下,加速時間和加速距離都會相應增加。波音787客機啟動的加速度約為0.25g,以0.25g加速到時速4000公裡,加速時間約為450秒,即7.5分鐘,加速距離約為250公裡。

  而上海磁懸浮列車目前的啟動加速度約為0.06g,以這個速度加速到時速4000公裡,加速時間約為1890秒,即31.5分鐘,加速距離約為1050公裡。

  北京至上海的直線距離為1084公裡。也就是說,如果以磁懸浮列車的加速度,乘客從北京出發,開始一路加速,到上海差不多剛剛達到最高時速。

  而如果在北京和上海的中點設置一站,以波音787客機的加速度,「高速飛行列車」從加速到最高時速,再馬上減速至停止,正好是一站的距離。

  如此壓縮列車的平穩運行時間,不利於乘客的舒適度。因此,如果要實現時速4000公裡的「高速飛行列車」,兩站之間的距離必須非常遠。

  線路要又「直」又「平」:如何轉彎、過橋

  如此,「高速飛行列車」又面臨第二個挑戰:彎道和橋梁。

  長達數千公裡的行駛距離,肯定要跨越不同的海拔以及複雜變化的地形,比如山脈、高原、盆地、平原、丘陵、河流甚至海洋。這就需要轉彎以迴避線路上的險阻。但在向心加速度相同的情況下,列車運行速度和能承受的最小曲線半徑(編註:非專業場合稱之為轉彎半徑)成平方關係。也就是說,「高速飛行列車」比高鐵的速度快了10倍,那它在實際運行中需要的最小曲線半徑可能要以百倍計算。

  可查資料顯示,最高時速350公裡的京滬線上的最小曲線半徑7公裡左右。這意味著,乘客要達到高鐵的舒適程度,最高時速4000公裡「飛鐵」的最小曲線半徑得是900公裡左右。900公裡左右的最小曲線半徑,基本已經不具備在地面上的轉彎能力。怎麼理解這個概念呢?只有從太空中,才能發現這條地面上的「直線」是「彎」的。

  為了在工程上可行,「飛鐵」就得縮小最小曲線半徑。這就涉及到乘客舒適度的問題。簡單來說,列車啟動時的加速度帶給人「推背感」,而轉彎時的向心加速度會帶給人「甩飛感」。

  假設最高時速4000公裡的「飛鐵」在轉彎時將速度降至最高時速的25%即1000公裡,最小曲線半徑與高鐵一致也是7公裡,那麼乘客在轉彎時就會承受1.24個g的向心加速度。這相當於在橫向或者斜向上,給乘客身體上再施加一個多人的重量,這會帶來很強的壓迫感。打個比方,相當於每次轉彎,都是激烈的過山車體驗。

  與軌道的彎道問題相似的,是軌道橋梁問題。在時速4000公裡下,輕微的曲率都可能造成一定程度的失重。這就意味著,「高速飛行列車」的真空管道不僅要在水平方向上減少拐彎程度,也要在垂直方向上減少坡度變化,否則,列車的安全性和舒適性難以保障。

  此外,在安全性方面,成倍提高的速度也會要求成倍的制動和預警能力。因為最高時速是4000公裡,緊急制動距離會很長。可做比較的是,轎車在緊急制動,即一腳剎車踩到底的情況下,加速度是-1g左右,在時速100公裡的情況下制動距離需要39米。時速4000公裡,如果加速度也是-1g,緊急制動距離需要63公裡。這意味著,得確保前方線路63公裡之內都沒有任故障,否則後果不堪設想。

  此外,「飛鐵」緊急制動時間得用113秒,可做參考的是,百公裡時速的轎車緊急制動是3秒不到。在這個過程中,乘客會極度不適,有飛出去的感覺。事實上,在轎車制動中,如果不系安全帶,人已經飛出車外了。

  總而言之,最高時速4000公裡的列車,一方面需要站點設置得儘量「遠」,一方面又需要線路設計得儘量又「直」又「平」,這給工程建設提出了極大挑戰。畢竟,按前文推導,「高速飛行列車」覆蓋距離需要以千公裡計算,而中國疆域的東西距離為5200公裡,南北距離為5500公裡,其間地勢地形變化多端,十分複雜。

  尚未有研製時間表?

  時速4000公裡是航天科工為「高速飛行列車」規劃的最後一步,在近期內,航天科工會首先突破時速1000公裡這個「小目標」。但對於「北京到上海半小時」這個美好的憧憬,他們尚未給出具體時間表。

  8月30日,在武漢舉辦的第三屆中國(國際)商業航天高峰論壇上,毛凱告訴媒體,中國航天科工集團,將按三步走方案研發高速飛行列車——

  第一步,2020年前完成關鍵技術突破;2023年前完成全系統演示驗證,同步形成時速600公裡載人能力,研製出最大運行時速1000公裡的列車,建設區域性城市飛行列車交通網;

  第二步,2027年前,研製出最高時速2000公裡的列車,建設國家超級城市群飛行列車交通網;

  第三步,研製出最高時速4000公裡的列車,建設「一帶一路」飛行列車交通網。

  8月31日,毛凱對媒體表示,目前該項目的研製節點和涉及技術路徑還處於保密的階段,不方便透露研製時間表,但是已經有了方案,目前已經在研究論證。同時航天科工已經建立了一支「高速飛行列車」的研發團隊。

  毛凱進一步表示,希望能給研發人員一個寬容和安靜的氛圍,讓他們一步一步去把這個科研項目完成:「希望大家拭目以待,等下一步消息吧。」

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