真空管道运输系统发展现状及展望

真空管道运输，对许多人来讲，或许是一种具有科幻色彩的未来交通方式.其实，早在1904年，现代火箭之父罗伯特•戈达德（Robert Goddard）就率先提出在波士顿至纽约之间建一条真空管道铁路线，在真空管道中，磁悬浮车运行速度将达到约1600 km/h[1-2].1934年德国人赫尔曼•肯佩尔（Herman Kemper）在其磁悬浮列车技术专利中阐述了采用管道抽真空法来实现目标速度为1000 km/h的设想[3].真空管道运输系统以其无轮轨接触、结构简单的优势快速获得了众多研究者的青睐，其研究工作一直在持续有效的推进中.20世纪60年代，美国麻省理工学院的研究人员提出建设真空管道磁浮线路的设想.根据他们的计算，磁悬浮列车在1.01325 kPa的真空管道中运行时，速度最高可达到22500 km/h[4].在欧洲，工程师鲁道夫•尼特（Rodolphe Nieth）等根据当地的地理环境，于1974年提出瑞士超高速地铁建设工程[5]，并进行了初步可行性研究.1978年，美国兰德公司的研究人员在研究报告中提议建设真空运输系统——“运输之星”，即由电磁悬浮车辆和一定真空度的地下管道组成的系统[6].但由于当时快速运输技术及经济性等问题尚未突破，真空管道技术研究都仅限于论证阶段，未能像火箭那样大力发展起来.

进入20世纪90年代，随着经济和技术的发展，现代社会对于速度的要求越来越高，开始需求一种能够超越飞机速度的地面超高速交通运输方式，因此真空管道运输模式开始受到关注.1999年，美国工程师达里尔•奥斯特（Daryl Oster）获得真空管道运输系统发明专利[7]，并在美国佛罗里达州注册成立了ET3公司.2013年，美国特斯拉公司与太空探索技术公司创始人埃隆•马斯克（Elon Musk）提出“超级高铁（Hyperloop）”的初始计划方案[8]，并参与加州高铁项目的竞争.全球再次掀起了一次真空管道交通热潮，各国也都积极参与此项目研究，但都处于初步工程探索阶段.

作为一种新型交通系统，真空管道运输系统具有快速、便捷、安全、环保、高效等优势.在地表稠密大气中运行的高速交通工具，最高经济速度不宜超过400 km/h[9]，而运用真空管道运输系统，可以有效弥补400～800 km/h之间（高铁和航空）的速度空白.它将作为第五类交通运输模式，与现有的公路运输、铁路运输、水运及空运形成有力互补，具有广阔的应用前景和市场价值.

1 真空管道运输系统的基本原理及优势

1.1 基本原理及组成

真空管道系统的基本原理是建立密闭管道，利用抽气设备降低管道内气压，创造出低介质密度的运行环境，以减小列车运行的空气阻力与气动噪音，从而进一步提高列车的行驶速度.

在车辆系统中，阻力是限制速度提升和影响稳定性的重要因素，列车总阻力为

式中：a为固有阻力；b为机械摩擦阻力系数；c为空气阻力系数；v为列车与空气的相对运动速度[10].

气动阻力经验计算式为

式中：C为空气阻力系数，表示受空气阻力的影响程度，主要与列车流线外形有关；ρ为空气密度，正常的干燥空气可取1.293 g/l； S 为物体迎风面积.

由式（1）、（2）可知，车辆系统总阻力大部分来源于机械摩擦阻力和空气阻力.车轨机械摩擦阻力可以利用磁悬浮列车技术得以消除.但空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比，与速度平方成正比，速度越大，空气阻力越大.德国磁悬浮列车TransRapid （TR）和日本新干线轮轨列车的实测数据均表明，速度超过400 km/h，空气阻力占总阻力的比例将超过80%，因此列车牵引驱动动力主要用于克服气动阻力，能耗增加，经济性差[11].同时，在稠密大气中运行的高速列车也将带来严重的气动噪声问题，气动噪音随速度的7次或8次方急增.另外，我国的《城市区域环境噪声标准》（GB3096——1993）明确指出：穿越城区的铁路主次干线两侧区域的背景噪声最大值不超过标准值70 dB.噪声问题成为制约轨道交通进一步发展的另一个重要因素，因此，要提高轨道交通的运行速度，突破400 km/h的最高经济速度，必须从改变运行环境介质的密度入手，即在地面上创造一个接近万米高空的低气压环境，因此，真空管道运输系统成为提高经济速度的必然选择.

目前，各国研究小组正在对真空管道系统的设计进行不断设计和改良，该系统大致可分为4个核心部分：车辆、管道、驱动装置和辅助设备.

1.1.1 车辆形式

车辆是真空管道系统的核心部分，关系到整个系统的性能好坏.悬浮车无轮轨接触摩擦，较传统轮轨列车，运行阻力小，更加适用于未来真空管道系统.本节将重点介绍4类车辆悬浮制式：常导磁悬浮、低温超导磁悬浮、高温超导磁悬浮和气动悬浮.

以上海浦东磁悬浮列车、德国TR系列为代表的常导高速磁悬浮列车，采用电磁悬浮技术（electromagnetic suspension，EMS）.轨道为“T”型结构，列车两侧底部包住“T”型轨道，安装在列车底部的车载电磁铁与导轨底面的铁芯产生吸引力，从而使列车悬浮起来，并通过控制悬浮励磁电流产生所需要的电磁场，保证稳定的悬浮间隙，其悬浮气隙8 mm左右[12].导向磁体位于列车两侧，与轨道铁芯产生导向力，使列车与轨道之间保持一定的侧向间隙.对常导磁悬浮技术的研究最早，技术最为成熟，列车通过长定子直线电机驱动，通过长定子线圈产生的行波磁场与车载线圈作用，从而驱动列车前进，最高速度可达500 km/h以上，目前已经投入商业使用.2003年1月4日上海磁悬浮列车正式开始商业运营，是世界第1条商业运营的磁悬浮专线，如图1所示.

图1 上海常导磁悬浮列车
Fig.1 EMS train in Shanghai

日本长期专注于低温超导磁悬浮研究，以山梨线为代表，其核心技术为电动悬浮（electrodynamic suspension，EDS）.如图2所示，安装超导磁体的列车利用线性电机驱动在“U”型轨道中运行.车载超导线圈由铌钛合金制成，通过液氦制冷机将其冷却至-269℃，可实现持续传输大电流，进而产生强磁场.“U”型轨道两侧安装了两组线圈，内侧线圈提供悬浮和导向，外侧线圈提供推进力.内侧线圈呈“8”字型垂直铺设，当列车达到一定速度后，超导磁体与“8”字型线圈产生的感应磁场相互作用，产生“上拉下推”的力，实现车辆的悬浮.除此之外，两侧“8”字型线圈通过轨道底部的电缆相连，利用车辆左右偏移时两侧线圈磁通不等，产生“近端排斥，远端吸引”的回复力，进而保证车辆自稳定导向.外侧线圈作为三相电动机定子沿轨道侧壁铺设，由轨道供电系统提供设定频率的三相电源，产生平行轨道的行波磁场[13]，从而实现列车牵引和制动.

山梨试验线于2013年完成建设，并将L0系列车系统投入试运行.2015年进行了高速载人运行试验，速度达到603 km/h，刷新了世界铁路最高时速记录.低温超导磁悬浮列车具有速度快、悬浮气隙大、运输量大等优点，但需使用工作在液氦温区（4.2 K）的低温超导线材，其运行成本较高，系统复杂.

图2 日本低温超导EDS列车
Fig.2 Low-temperature superconducting electrodynamic suspension train in Japan

而利用了第二类非理想超导体特性的高温超导磁悬浮列车，使用高温超导体YBaCuO，工作在液氮温区（77 K），除去了复杂的制冷系统，缩减了造价.且由于磁通钉扎特性，当车载超导体通过液氮冷却进入混合态后，超导体钉扎中心将捕获永磁轨道上方的磁通线，形成捕获磁场，提供稳定的导向力和悬浮力.安装在轨道间的电机初级绕组，在通电流后形成变化的行波磁场，与安装在车上的次级感应板相互作用产生电磁力，提供磁悬浮车所需的驱动力和制动力[14].因此，高温超导磁悬浮系统具有无源自稳定、控制简单等特点，许多国家都投入到此项的研究中.

我国是最早开始研究高温超导磁悬浮技术的国家之一，2000年12月31日，西南交通大学王家素老师团队成功研制世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车——“世纪号”[15]，如图3所示.此后德国、巴西、俄罗斯和意大利等国陆续研制出了高温超导磁悬浮实验车[16-19].

图3 中国高温超导磁悬浮列车“世纪号”
Fig.3 High temperature superconducting maglev vehicle“Century”in China

相比上述磁悬浮技术，气动悬浮车早在20世纪60年代就开始研究.由压缩机向车辆底部提供大流量高密度的压缩空气，在车底形成气垫，车辆依靠气垫支撑而实现悬浮运行[20].图4为气动悬浮车效果图，气动悬浮系统原理简单但难以控制，存在稳定性和噪声问题.物理学家詹姆士•鲍威尔（James Powell）表示：“整套系统非常脆弱，哪怕一点失败，都可能引发灾难”.法国、英国和美国研发一段时间后，多数停止了研制.

图4 气动悬浮车效果
Fig.4 Schematic of aerodynamic levitation vehicle

上述4种悬浮方式都具有各自的优势，具体特性如表1所示[21].

1.1.2 管道结构

管道是整个系统的载体，对安全性、密封性、可靠性起着至关重要的作用.真空管道是封闭的系统，不受外界因素影响，同时也不会对周围环境产生污染，占地面积小，有着多种多样的类型.根据材料不同可分为：钢管、钢筋混凝土管、高强度非金属材料管等；根据位置不同可分为：高架桥式、地下隧道式、地面式等；根据形状不同可分为：并排双向式、垂直双向式、多管道组合式等；根据用途不同可分为：长途客运、物流运输、旅游观光等.管道要求密封性好，抗压性强，且便于安装和维修，并且与当地的地理环境以及现有线路兼容.

表1 几种悬浮技术的对比
Tab.1 Comparison of several suspension technologies

1.1.3 驱动系统

驱动系统多采用直线电机，省去了中间运动变换传动机构，反应速度快，同时满足悬浮车非接触工作方式的要求.直线驱动电机有多种类型：按其结构特点可分为长定子直线电机和短定子直线电机；按其电机型式可分为直线感应电机和直线同步电机.

目前磁悬浮车试验线中主要采用长定子直线同步电机和短定子直线感应电机.长定子直线同步电机的初级绕组铺设在导轨上，次级设置在车底部，推动力大，效率高，但电机控制系统复杂，系统造价高，较适合于高速磁悬浮列车.德国TR和日本低温超导磁悬浮列车均采用长定子直线同步电机.短定子直线感应电机是指初级线圈安装在车辆上，次级部分则安装在导轨上，即次级感应板沿列车前进方向铺设在导轨之间，利用车辆上初级绕组的磁场与导轨铝板中感应电流之间的电磁作用驱动列车行驶.其效率低，推力小，且定子在车上，车辆上装有电源，增加了车重，同时还需要通过导电轨向车辆输送电流；其优点在于电机控制系统简单，系统造价低等，适用于低速列车，如日本HSST常导磁悬浮车和长沙中低速磁悬浮车.针对真空管道运输系统，牵引电机类型的选取主要取决于运行速度和负载特性.

1.1.4 辅助设备

真空管道交通系统还需要一系列的辅助设备，大部分可以参照现有技术并加以改良，例如，车舱的密封设施和生命维持系统可以参考飞机的设计；车站的设计和运营模式可参照地铁的运作方式；供电和通信系统可以借鉴高铁的供电网并加以改良等.虽然真空管道运输系统是一种新型运输方式，但与其相关的共性技术已经十分成熟并且已经广泛投入到了商业使用中，可以直接改进，从而应用在真空管道运输系统中.

1.2 优 势

（1） 快速.低压环境使列车的气动阻力减小，车辆行驶速度将进一步提高，在10.1325 kPa下真空管道系统中的车辆速度可以达到600～800 km/h，从纽约到洛杉矶将只需要45 min.

（2） 便捷.列车运行在单独的密闭管道中，不会发生延迟与停止；当列车停靠在设计的过渡舱内时，气压恢复正常，旅客可随意搭乘；此外，管道交通运行过程可参考地铁“快速起停、快速乘降”的原则[22].

（3） 安全.单向车道消除了列车相撞的可能性；借助管壁对外界的阻隔，行驶在其中的车辆将不受气候条件影响，更不会因天气因素而中断，保证列车安全准点可靠运行.同时，参考飞机设计理论，车内应配备一定的生命维持系统，在突发事件发生后，保证乘客生命安全.

（4） 环保.不论是磁悬浮还是气悬浮，都是可再生的清洁能源，只要使用较少电力，便可持续较长时间.管道内抽成真空，形成自然的隔音屏障，极大降低了对外界环境的噪声污染.

（5） 高效.由于管道中是低气压环境，理论上说，当管道内气压足够低，列车在管道中运行的空气阻力可以忽略不计，列车在管道中甚至可以惯性运行，不需要连续推进供电，且维持真空的成本也很便宜.以罗茨真空泵为例，其抽气速度为4320 m3/h，输出功率为11 kW，抽空1 km长、100 m2截面积的管道，只需耗254 kW•h电能，约合153元，维持低压环境的耗能约为抽空的1/10.各种运输系统标煤能耗及成本对比如表2所示[22-23]，在不考虑驱动能耗的前提下，相比于其它交通运输方式，真空运输系统更加高效经济.

表2 各种运输系统能耗及成本对比
Tab.2 Comparison of consumption and cost among several transport systems

2 真空管道运输系统发展现状

目前，美国、瑞士和中国等多个国家都在积极探索真空管道运输系统的总体设计.其中，美国的ET3公司在1999年申请了真空管道的专利，并在全球范围内诚邀合伙人；此外，由埃隆•马斯克提出的Hyperloop，目前被多家公司所看好；至于瑞士超高速地铁，该项目准备在洛桑筹建一条试验线.我国也一直积极探索.2014年6月，西南交通大学成功搭建国际首个真空管道高温超导磁浮车实验平台“Super-Maglev”.2017年8月30日，在第三届中国（国际）商业航天高峰论坛上，中国航天科工集团公司宣布开展“高速飞行列车”研究，拟通过商业化、市场化模式，将超声速飞行技术与轨道交通技术相结合，研制新一代交通工具，利用超导磁悬浮技术和真空管道，致力于实现超音速的“近地飞行”.

2.1 ET3公司研究进展

ET3公司较早详细地提出真空管道运输概念.1999年，美国工程师达里尔·奥斯特申请并获得真空管道运输（ETT）系统发明专利（专利号5950543），注册成立了ET3公司，提出在纽约和洛杉矶之间修建一条4600 km长的线路，最高时速为6500 km/h，预计每公里成本125万美元，每辆车27万美元.

ET3公司在专利中全面地介绍了系统各个部分，包括管道、车辆、真空设备、加速装置、刹车系统、减振装置、管道定位器、道岔装置、自动控制、检测与维护装置、施工方法、安全系统等.随着多方的参与合作，ET3的研究进一步细化发展.

（1） 车辆形式：采用磁悬浮技术，车辆是胶囊状分散式，截面直径1.3 m，长4.8 m，车辆质量183 kg，可搭载6人.小车采用高强度轻质材料，尽量减小截面积和重量.

（2） 管道结构：运输线路由运行方向不同的两根管道组成，管道横截面为圆形结构，内径为1.5～2.0 m，管道内气压为10.1325 kPa，相当于海拔高度16 km.管道由防腐蚀耐高压且密封性好的材料制成，可选择有混凝土、陶瓷、钢铁、铝、玻璃纤维和塑料，及其它更合适的材料.管道可地上，也可地下布置，根据实际需要进行安装.

（3） 驱动系统：采用直线电机驱动，初级定子安装在管道中，动子安装在车辆上.真空管道为近真空条件，胶囊车内嵌到其中，在站点处通过气塞使之驶离站点.再利用直线电机将运输舱加速至预定速度，后半程便开始自动漂移.

（4） 应急设备及其它：采取较为成熟的航空密封技术，管道沿线每隔一定距离设置一个真空泵站以维持管道内的真空度，且设有备用逃生舱.

达里尔•奥斯特选用开放式的经营模式，希望与多方共同研究，合作发展[24-25].2003年，达里尔•奥斯特先生访问西南交通大学，在深入了解高温超导磁悬车自稳定和控制简单等优势后，认为高温超导磁悬浮车是目前最适合ET3系统的车型.图5给出了ET3公司关于真空管道运输系统的设计效果图.

2.2 瑞士地铁公司研究进展

Swissmetro——瑞士超高速地铁工程最初由瑞士工程师尼特先生在1974年提出.经过初步可行性研究，该项目得到了瑞士政府的支持，并于1992年成立了瑞士地铁公司（Swissmetro AG）.瑞士Swissmetro系统主要作为城市之间的公共旅客运输工具，其最高设计速度为500 km/h，将日内瓦到苏黎世3 h的车程缩短为57 min.

图5 ET3公司设计效果
Fig.5 Schematic designed by ET3 company

瑞士是多山地的国家，线路采取地下隧道，并抽成部分真空，车辆选用技术成熟的德国TR系列，各部分具体设计如下：

（1） 车辆形式：列车由中间车和头车、尾车组成，车头直径约为3.5 m，整列车全长为200 m，载人数为800人，载重高达100 t，采用德国TR电磁悬浮方式.

（2） 管道结构：采取双向并列式，根据当地地理环境在地下开挖隧道，深度约在60～300 m之间.管道半径为5 m，用厚度约为25 cm的钢筋混凝土管片对管道进行密封安装，且隧道中还设有防水的衬里.两隧道间隔25 m，由过渡走廊相连接，且真空泵等抽气装置安放在这里.隧道内保持10.1325 kPa.

（3） 驱动系统：采用直线同步电机，空气间隙为20 mm，具体设计了两种方案：直线电机定子安装在隧道的内壁上，动子在列车上；或定子安装在车辆上，而动子安装在隧道内壁，同时采用无接触供电技术对车辆进行供电.

（4） 应急设备及其它：采用航空密封技术，车站分为地上地下两部分，地面车站用于检票和候车，乘客通过电梯进入地下车站，自动密封门保证乘客上下车时管道内处于正常气压.

瑞士超高速地铁工程预计全部完成需要15 a的时间，花费约为50亿瑞士法郎[26].瑞士地铁公司原定计划在日内瓦与洛桑间建立一条试验段，但由于经费问题搁浅.图6给出了瑞士地铁列车的A、B两种设计方案[27].

图6 Swissmetro列车设计图
Fig.6 Swissmetro trains design scheme

2.3 美国Hyperloop研究进展

2013年，埃隆•马斯克在长达57页的白皮书提出了高速运输系统概念——Hyperloop[8]，即在洛杉矶与旧金山之间修建一条长达560 km的线路，根据地理环境，分为洛杉矶山脉南部和北部、加州5号高速公路及旧金山海岸4部分，系统将气动悬浮车与真空管道运输相结合，预计最高速度将达到1220 km/h，也就是说从洛杉矶到旧金山只需35 min.

马斯克设想的Hyperloop系统主要分为胶囊车辆、真空管道、驱动系统、供电系统4个部分，具体设计如下[8]：

（1） 车辆设计：分为载客型和混载型（乘客和货物），采用铝制胶囊式车身，车头安装气体压缩装置，将管道内的气体吸入车内，车底共装有28个空气轴承，将高压气体向管壁喷射形成气垫，使车辆悬浮，悬浮高度为0.5～1.3 mm.

（2） 真空管道：采用平行双向管道，建立高架桥，每隔30 m设有支柱.两种类型的管道直径分别为2.2 m和3.3 m，阻塞比分别36%和47%，管壁厚度约为23 mm，采用高性能钢铁，中间连接处采用高强度玻璃纤维.管道内气压为100 Pa.

（3） 驱动系统：采用长定子直线电机作为驱动，初级安装在管道底部，次级装于车底.车身内配置有蓄电池组，对车内设备供电，在停靠站点时进行充电.管道顶部铺设有光伏太阳能板.

（4） 应急设备及其它：紧急逃生出口、备用蓄电池、悬停辅助轮、紧急制动和类似于航天舱的密封技术，为Hyperloop的安全可靠运行提供保证[9].

在马斯克提出了Hyperloop概念之后，相继有多家美国公司进入Hyperloop研发队伍当中.比较著名的有Hyperloop one公司和HTT （Hyperloop transportation technologies）公司.Hyperloop one公司在美国内华达沙漠搭建了500 m长的真空管道试验线.不同于马斯克最初的气动悬浮方式，Hyperloop one公司采用了电动悬浮方式.Hyperloop one车辆概念图和全尺寸原型车XP-1如图7所示.此外，HTT公司原计划在美国加州建造的5英里试验线搁浅后，转而计划在法国图卢兹建造试验场.2015年SpaceX在位于洛杉矶的1.6 km真空管道磁悬浮比赛赛道上举办了首届SpaceX Hyperloop Pod Competition，吸引了众多队伍参赛.2018年7月，来自德国的WARR Hyperloop团队在第三届竞赛中获得冠军，竞赛车最高时速达到467 km/h，此为目前ETT系统的最高速度记录.表3给出了ET3、Swissmetro和Hyperloop系统参数.

图7 Hyperloop one公司车辆
Fig.7 Vehicle designed by Hyperloop one company

表3 ET3、Swissmetro和Hyperloop系统参数对照
Tab.3 Parameters comparison among ET3，Swissmetro and Hyperloop system

2.4 国内研究进展

相比国外研究小组，国内对真空管道运输的研究起步较晚.在20世纪70年代，我国媒体就对美国科学家提出的真空管道运输系统设想作过报道.1988年，老一代铁道工程专家郝瀛教授在他的《中国铁路建设概论》一书中，介绍了真空管道运输系统，并称其可能在21世纪成为现实[4].2000年，王家素等成功研制世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车[15].2004年1月西南交通大学组织召开了“超高速高温超导磁悬浮车系统”方案论证会，提出时速大于600 km的载人超高速真空管道高温超导磁悬浮车系统方案，经专家论证得以通过.同年12月四川（成都）院士咨询中心首次院士论坛上，在场院士和专家建议大力支持我国首创的高温超导磁悬浮车技术的开发及产业化.2009年，刘本林、赵勇出版了《速车系统概论》一书，对真空管道运输系统的优势与存在的缺点进行了系统的论述[28].2011年，西南交通大学超导中心研制成功真空管道高温超导侧浮模型试验系统，环形轨道直径3 m，管道最低气压2000 Pa，线性电机驱动.2016年，第二代真空管道高温超导侧浮试验系统升级建成，时速可达150 km/h[29].

2013年，西南交通大学牵引动力国家重点实验室完成国内首条载人高温超导磁悬浮车环形实验线建设[30]，2014年6月，搭建完成并调试成功了国际首个集牵引、通讯、降压测试为一体的真空管道高温超导磁悬浮车实验平台“Super-Maglev”[31]，开展了一系列真空管道高温超导磁悬浮车动力学和气动性能研究[32]，如图8所示.表4列出了该平台的关键性能参数.

图8 真空管道高温超导磁悬浮车实验平台Super-Maglev
Fig.8 Experimental facility named Super-Maglev for evacuated tube transport with high temperature superconducting maglev vehicle

表4 Super-Maglev具体参数
Tab.4 Super-Maglev parameters

此外，关于真空管道运输模式下气动特性方面的仿真研究，涵盖气动阻力、气动生热及热压耦合等问题，西南交通大学张继业教授团队[33]和青岛科技大学李庆领教授团队[34]均有所涉及.总的来说，国内关于真空管道运输系统的研究和探索也越来越完善，参与的科研团队和研究机构也在逐步增多.

3 关键问题

目前真空管道运输系统处在探索和验证阶段，距工程化应用还有一定距离，因此，许多关键问题仍有待研究解决.

（1） 超高速运行条件下的车轨作用

对于我国原创的高温超导磁悬浮车技术而言，已开展的实验研究主要集中在低速范围（300 km/h以下）[35]，更高速度（超过600 km/h）下超导磁悬浮车悬浮与导向稳定性的研究还需要实验数据支撑.传统高速列车车轨作用机理是车辆系统动力学的核心，因此，研究车载高温超导体与运动外场之间的作用关系，探讨超导体在高速运动场中的悬浮力、导向力，磁阻力与高温超导材料物性之间的关系以及振动失稳发生的临界条件，成为真空管道超导磁浮系统未来发展首要面临解决的问题.

（2） 高速直线电气牵引理论与方法

真空管道运输系统在悬浮且高速的条件下运行，牵引电机需具备线性驱动、高效率、高可靠性、牵引力平稳、电机法向力小等特点.传统直线感应电机控制虽然相对简单，但效率低且随速度升高和气隙加大快速降低，难以适应真空管道交通对高速度的追求.同时，可以考虑将速度定位与反馈制动发电等多方面因素引入其中，甚至考虑使用超导直线电机，都是未来可以研究的方向.因此，研究更优异性能的直线电机的理论与方法，将会对真空管道运输产生极大的推动作用.

（3） 空气动力学问题

在真空管道系统中，列车快速运行时，管道内稀薄的空气与列车发生相对运动，产生的气动阻力是列车运行的主要阻力.影响列车气动阻力的因素较多，如列车运行速度、阻塞比、管道内气压、列车外形、管道截面形状等.虽然传统轮轨列车过隧道的气动特性具有一定的借鉴意义，但对于此种低压高速气流，现有的仿真也难以准确模拟.针对此种低压稀薄空气动力学问题，实验测定稀薄空气物理参数，探究高速运动条件下稀薄气动力学作用特性，对真空管道运输模式的发展具有重要意义.

（4） 管道可靠密封与高效抽真空问题

要保持管道内大空间、长时间的真空度，一方面对管道本身结构有要求，要求其密封效果良好，可靠性高且使用寿命较长；另一方面，针对大、长管道，需要性能更好的真空设备，抽气速率快，持续时间长.传统的真空设备（如机械泵与罗茨泵组合的真空设备）适合初级抽真空，无法精准维持管道内真空度，基于高压射流卷吸作用的射流式真空发生器则是一个值得探索的方向.此外，如何精确调控管道内的真空度，采用何种新方法对管道气压进行分级调控，也是一个值得探索的课题.另外，抽气设备的安装位置也需要设计优化，以降低抽气成本.

（5） 散热问题

低气压条件下，真空管道系统的散热问题也是一个关键问题.一方面，即使是在低气压下，由于气体分子与列车表面碰撞与摩擦，会给列车表面带来一定的温升效应；另一方面，车辆系统内电气设备的热积聚会造成电器设备的损坏.在低气压环境下，地面上起重要作用的对流传热方式几乎不起作用，传导和辐射将成为主要的散热方式.因此，研究低气压下列车表面的温升特性以及电气设备的散热机理，保证车辆系统内的热平衡，是真空管道运输系统中的关键问题.

（6） 封闭管道内通信与救援问题

真空管道一方面带来了隔离、降噪、降阻等好处，但也对时速1000 km/h的列车通信和车内乘员的安全救援问题带来了挑战.管道内的1000 km/h列车通信技术将是一个崭新的课题.通信技术理应保证较低的误码率，克服多普勒频偏问题，对接近真空环境下的无线信号传播而言，采用天线覆盖方式还是漏缆覆盖方式仍值得探究.另一方面，由于管道内气压降低，接近真空，且密封效果较好，不易被外界破坏，如果出现突发事故，如何实现可靠的解救措施和救援方案，成为工程应用前不得不思考和解决的问题.

4 结束语

本文系统阐述了真空管道运输系统发展历史、技术特征、研究现状和趋势.探讨了当前真空管道运输系统亟需解决的关键问题.主要结论总结如下：

（1） 随着人们节能环保意识的增强，以及现代社会对高效物流运输的需求，使得对新型交通工具的开发更为迫切.材料工艺、航天工业、计算机自动控制、高速铁路通讯技术的日趋成熟，都为建设真空管道交通运输系统奠定了基础.

（2） 目前，真空管道系统尚处于探索和验证阶段，美国率先进行此项建设研发工作，推进速度很快.我国也较早瞄准该领域，以西南交大为代表的高校和单位开展了大量基础研究工作.同时，越来越多的国内外企业和研究机构开始重视真空管道交通运输系统的研发，机遇与挑战并存，众多科学问题和关键技术需要研究.

（3） 作为一种新型交通系统，真空管道运输系统具有快速、便捷、安全、环保、高效等优势.它的发展与完善，将对现有地面高速交通起延伸和补充作用，开创交通运输的新纪元.