이 글은 진공관 운송의 진화 역사를 간략하게 정리하여 초고속 철도의 전생을 엿볼 것이다.
진공기술의 기원은 토리탈리 실험사 1643 에 정확한 기록이 있다. 밀폐된 장관을 수은으로 가득 채우고 수은통에 부어 대기압과 진공 사이의 압력차가 760mm 의 수은주를 메울 수 있다는 것을 알 수 있다. 진공기술 응용의 첫 번째 사례는 1654 년 마드부르크 반구 실험이다. 두 반구를 지름이 1 19 cm 인 구체로 합성하고 진공 펌프로 내부 가스를 뽑아낸 다음 한 변당 8 필의 말이 열리지 않는다.
마그데부르크 할부쿠엔
이 두 유명한 실험은 모두 대기와 진공 사이에 엄청난 압력차가 있다는 원리 [1] 를 이용했으며, 이런 압력차가 기계력을 생산할 수 있다는 증거라고 할 수 있다. 후세도 화물 운송에 영감을 받았다.
1799 년 조지 메허스트라는 영국 기계 엔지니어와 발명가가 압축 공기를 동력으로 하는 팬 펌프 특허를 신청했다. 이듬해 그는 압축 공기를 이용해 자동차를 구동하는' 풍력구동' 엔진에 대한 특허를 신청했다. 이와 함께 그는 풍동차의 서비스 방안을 제시하며 주행 노선에 펌프장을 설치해 전기를 지속적으로 보충할 것을 건의하며 전기차와 충전말뚝과 비슷한 관계로 이해할 수 있다.
대기철도
대기철도
앞서 생각한 바에 따르면, 메드허스트는 18 10 에서 공기압차를 이용하여 관내에서 편지와 화물을 운송하는 방법이 우체부의 집배원보다 빠르고 효율적이라고 생각하는 진공우편로를 제안했다. 더 나아가, 그는 더 큰 파이프로 기차를 운송할 가능성을 상상하기 시작했다.
18 12 년, 그는 처음으로' 대기철도 이론 계산' 이라는 글을 발표하여 철도 트랙 위에 직경 수 미터의 파이프를 설치하고 기압차를 통해 화물과 여행객을 빠르게 운송할 수 있는 타당성, 효과, 우세를 논증했다. 그에 더해, 그는 또 다른 형태의 대기 철도, 즉 레일 아래에 긴 관을 놓는 것을 구상했다. 파이프에는 기차를 연결하는 장치가 있고, 장치는 압력차의 작용으로 움직이며, 따라서 기차 운동을 이끌고 있다. 기차의 동력원은 차의 앞부분이 아니라 차체 아래의 파이프이다.
그가 죽기 얼마 전, 1827 년 9 월, 그는' 신내륙 운송 시스템' 이라는 책을 출간해 공압추진을 높이 평가했다. 이 방법은 말이나 다른 동물이 동력을 제공하지 않아도 시속 96 킬로미터에 달할 수 있다고 생각한다.
대기철도는 기압을 이용하여 차체를 궤도를 따라 움직이게 하는 것이지, 차의 앞부분을 동력으로 이용하는 것이 아니다.
그러나 이런 이유로 대기철도는 성공적으로 시행되지 않았고, 이 생각도 점차 보류되고 있다. 20 18 년까지 89 세의 미국 엔지니어인 맥스 슐레거 (Max Schleger) 가 그것을 현실로 만들었습니다. 그는 포도원에 직경 30cm 의 PVC 관을 설치하고, 파이프 밖에 펌프를 설치했습니다.
막스 슈리그의 대기철도
기압차의 작용으로 파이프 안의' 추력차' 는 자석을 통해 연결된 기차를 몰고 운행한다. 표준 철도 시스템의 1/6 크기만 있는 이 모델의 운행 결과는 기존 기차가 극복할 수 없는 가파른 비탈길을 쉽게 극복하고, 운행 소음이 적고, 오버 헤드 송전선이 없고, 펌프도 재생에너지로 구동될 수 있음을 보여준다.
마르크스 슈리그 (Marx Schliger) 는 대기철도 모델로 기차 모델이 파이프 한쪽 끝에서 안쪽으로 바람을 불 때 기압에 의해 구동된다는 것을 증명했다.
메드허스트가 사망한 지 한 세기 이상, 진공관 운송에 대한 이론적 연구가 점차 심화되고 완벽해졌다. 그리고 이런 교통방식은 신흥 공상 과학 문학에서도 빛을 발한다. 그 저작들 중의 사상은 앞서가는 것처럼 보이지만, 실제로는 타임라인에서 과학자의 이론 연구에 뒤처져 있으며, 모두 자신의 이론적 원형을 가지고 있다.
65438 년부터 0888 년까지 쥘 베른의 아들 미셸 베른은 대기 철도에서 영감을 받아 초단이야기' 미래의 급행열차' 를 발표했다. 소설은 대서양 해저에 깔려 있는 강철관으로 길이가 4800 여 킬로미터, 지름이 약10.5 미터, 무게가10.3 만 톤을 넘어 유럽과 북미를 연결하는 것을 상상했다. 파이프는 3 층 철망으로 둘러싸여 있고, 외부 표면에는 수지가 칠해져 해수 활동을 방지한다.
강한 기류의 추진으로 열차는 파이프에서 시속1800km 의 속도로 운행된다. 보스턴에서 출발하면 2 시간 40 분 안에 리버풀에 도착할 수 있다. 이 시스템의 장점은 분명합니다. 파이프 내부 표면이 미세하게 연마되어 승객의 긴장을 억제할 수 있습니다. 계절에 따라 공기 흐름은 파이프 내부의 온도를 조절하고 균형을 맞출 수 있습니다. 중력과 손실 문제는 제쳐두고 시스템 건설과 운영 비용이 낮아 운임이 놀라울 정도로 낮다.
예술가 A.J. 존슨이' 미래익스프레스' 를 위해 한 것입니다.
대기철도는 공기 저항과 바퀴 레일 마찰을 극복해야 하며 이론적 속도 상한선은 낮다. 또 차량이 높은 속도에 도달해도 공압소음과 진동이 커져 에너지 소비가 크게 늘어난다. 따라서 과학이 발전함에 따라 이론 연구도 마찰력과 공기 저항에서 벗어나는 방향으로 점차 발전하고 있다.
1904 년, 현대 로켓 기술의 아버지인 로버트 H 고다드는 진공열차 (vactrain) 의 비전을 제시했는데, 이것은 최초의 현대적 의미의 진공관 운송 시스템이다. 그 당시 그는 우스터 공과대학의 신입생이었다. 그는 기차가 진공관에서 활주하는 것을 상상했다. 비자성 수단을 통해 열차를 가속하고 감속시키고 마찰을 막기 위해서는 바퀴와 레일과 같은 상대적으로 움직일 수 있는 부품 사이에 유체 압력을 가해야 합니다. 방법은 노즐로 고압 고온 액체를 뿜어내고 분출 직후 고압 증기로 변해 차체를 궤도에 띄우는 것이다.
본질적으로 기차는 고압 액막에서 운행하는 것으로 볼 수 있다. 1906 년 고다드는 단편 소설' 고속 왕복' 에서 이런 생각을 보완했다. 3 년 후' 과학미국인' 은' 빠른 교통의 한계' 라는 제목으로 이 일의 총괄을 발표했다.
고다드의 진공 열차 특허의 도식.
고다드의 구상은 대기철도에서 초고속 철도로의 전환이라고 할 수 있다. 대기 철도에 비해 진공 열차의 파이프는 진공 상태에 있으며 열차는 더 이상 압력차를 이용하여 동력을 공급하지 않는다. 처음으로 공기 저항을 줄여 열차와 궤도의 마찰을 방지하는 것을 고려하였다. Vactrain 의 형태는 초고속 철도에 비해 매우 가깝지만, 공중부양과 이동열차의 수단으로 볼 때 대부분의 초고속 철도 방안은 자기부양기술을 채택하고, vactrain 은 고압 가스를 사용한다.
1955 년 폴란드 공상 과학 마스터인 스타니슬라프 라임이' 마젤란 구름' 을 출판했다. 이 소설은 32 세기의 * * * 자본주의 유토피아를 배경으로 인류가 이미 태양계 전체를 식민지화하여 성간 여행을 시도하고 있다. 레임은 소설에서' Organowiec' 이라는 대륙간 진공열차를 묘사했다. 투명한 진공관에서 1, 666km 를 넘는 시속으로 주행할 수 있다. 이것은 분명히 vactrain 의 영향을 받았다.
용병의 엄호
1962 년 미국 공상 과학 작가 마이크 레이놀즈는 그의 단편 소설' 용병' 을 발표했고, 그중에서도 진공관 수송까지 중요한 위치에 두었다.
소설에서 평화는 이미 실현되었다. 세계 파멸의 가능성을 막기 위해 정부는 전투에서 20 세기 이전에 설계된 무기만 사용할 수 있도록 규정하고 있으며, 모든 전투는 대중을 즐겁게 하기 위해 방송될 예정이다. 각 대기업은 용병을 이용하여 상업 분쟁을 해결한다. 운송업에서 대륙 호버크래프트는 독점적인 위치에 있다. 새로 등장한 진공관 운송회사는 운송 비용을 크게 절감하고 소비자에게 더 나은 서비스를 제공하여 독점을 깨뜨릴 수 있지만, 우선 전자와 전쟁을 벌여야 한다.
물론 무기뿐만 아니라 소설 속의 교통수단도 모두 20 세기 이전에 있었던 생각이다. 호버크라프트의 개념은 17 16 년으로 거슬러 올라갈 수 있으며, 스웨덴 과학자 Emmanuel Sviden Berg 는 차량의 표면 효과를 연구할 때' 공중부양' 을 언급했다 19 세기 초까지 배의 바닥으로 압축 공기를 펌프하면 항행 저항을 줄이고 속도를 높일 수 있다는 인식이 있었다. 진공관 운송의 개념은 18 10 년 메드허스트의 진공우편선에 대한 구상으로 거슬러 올라갈 수 있다. 그래서 소설이든 현실역사에서든 진공관 수송은 확실히 호버크래프트보다 더 새롭다. (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 소설명언)
이전 연구가 주로 이론 계산에 국한되었다면 1970 년대까지 진공관 수송의 팬인 로버트 M 솔터 (Robert M. Salter) 가 실제 운영 문제를 고려하기 시작했다. 당시 그는 미국 북동부의 주요 도시를 관통하고 8 개 주에 9 개 사이트를 설립한 지하 수백 미터의 견고한 암층에 위치한 진공관 시스템' 플래닛' 을 구상했다.
당시 일본의 신칸센은 이미 거의 10 년 동안 운영되어 세계 곳곳에서 자기부상열차 연구가 한창이었지만 기술은 아직 성숙하지 않았다. 그래서 그는 자기부상기술을 자신의 생각에 적용하는 대신 강철 타이어 사용을 제안했다. 열차는 전자기력을 통해 가속되고, 감속은 전방의 희박한 공기를 압착하여 인접한 파이프 안에서 열차가 가속되게 하는 것이다. 대기철도와 진공열차의 융합판으로 볼 수 있다.
이 시스템의 가장 칭찬할 만한 것은 그것의 놀라운 에너지 절약 능력이다. 에너지 효율이 높은 시스템으로서 열차가 감속될 때 대부분의 에너지를 시스템에 반환하여 인접한 파이프의 차량이 가속될 때 사용합니다. 또한 일반 열차 운행 중 공기 저항이 전체 저항의 70% 이상을 차지하지만 진공관 내강의 공기 저항이 크게 줄어 에너지 소비량이 자연스럽게 낮아져 승객당 소비된 에너지 비용이 1 달러 미만이고 전체 평균 시속 4800 킬로미터에 달하며 미국 동해안에서 서해안까지 2/Kloc-만 있으면 된다
솔트는 이 시스템이 비행기와 지상 차량에 의한 대기층 파괴를 줄이는 데 도움이 될 것이며 엄청난 환경과 경제적 이득이 될 것이라고 생각한다. 그래서 그는 Planetran 을 미국을' 논리적인 다음 단계' 라고 불렀다. 그러나 건설 비용은 KLOC-0 조 달러에 이를 것으로 예상되기 때문에 이 계획은 정부에 의해 채택되지 않았다.
자기부상기술의 돌파로 진공관 열차의 창도자들은 이것이 성공의 관건 중 하나일 수 있다는 것을 깨달았다. 199 1 년 1 1 월, 제라드 k 오닐 (Gerard K O 'Neill); 궤도에는 영구 자석이 설치되어 있고, 가변 자석이 장착된 열차는 전자기력의 작용으로 궤도에 떠 있다. 그는 파이프에서 공기를 빼면 기차의 속도가 시속 4000 킬로미터에 달할 수 있다고 계산했다.
2 1 세기, 진공을 얻는 기술은 이미 성숙했고, 고속 자기부상열차는 이미 중국, 상하이, 야마나시에 투입되었다. 슈퍼 고속철도는 이미 모든 것이 다 갖추어져 있는 것 같다. 20 13 년, 캘리포니아 북부의 고속철도 프로젝트가 더디게 진행되고 있는 것을 느꼈고, 테슬라와 우주탐사기술사의 설립자인 엘론 머스크 (elon musk) 는 57 페이지의 백서를 발표해 로스앤젤레스와 샌프란시스코 사이에 560 킬로미터 길이의 hyperloop 을 건설하겠다는 생각을 제시했다.
이 시스템에서 운송실은 1220 km/h 의 속도로 진공관에서 작동하며, 공중부양실의 에너지는 태양열이나 기타 재생 에너지원에서 나온다. 흥미롭게도, 머스크 (WHO) 는 고다드 (Godard) 가 제안한 공압 매달림 방법과 비슷한 방법을 구상했다. 슈퍼고속철도는 전인 과학자의 이론적 구상에서 거의 완전히 탈태된 것을 볼 수 있다.
이후 여러 회사와 과학연구기관이 중국 항공우주기술, 서남교통대학 견인동력국가중점연구소, 북교대, 서경학원 등 국내 기관을 포함해 슈퍼고속철도 R&D 진영에 잇따라 진출했다. 하지만 모두 자기부상으로 되어 있습니다. 여러분이 가장 염려하는 최고 속도에서도 6,500km 의 데이터를 제공하는 기관이 있습니다. 실현될 수 있을지는 아직 미지수이다.
물론, 초고속 철도는 인류의 현재 기술 수준에 매우 근접해 있는 것 같지만, 실제로 연구하고 해결해야 할 중요한 문제들이 많이 있습니다.
위와 더 이상 언급되지 않은 문제들 때문에 슈퍼고속철도는 아직 모형 실험 단계에 있어 유인 실험의 지경에 이르지 못했다. 다행히도 이론적으로는 완전히 실현 가능하며, 전 세계 공관한 과학자들도 이전보다 많아졌으며, 여전히 현실이 될 희망이 있다. (윌리엄 셰익스피어, 윈스턴, 과학명언)
흥미롭게도, 진공관 열차를 연구하는 과정에서 과학자들은 이런 방식으로 항공기를 가속화할 가능성을 구상한 적이 있다. 전통 로켓이 하중을 늘리면 더 크게 해야 하고 요새가 더 많은 화학 추진제를 만들어야 하기 때문이다. 진공 파이프 라인 운송은 빠를뿐만 아니라 에너지 효율적입니다. 만약 비행기를 가속시키는 데 사용된다면, 비행기의 부피는 더 작거나 하중을 높일 수 있다.
200 1 1960 년대 초전도 자기부양 (현대자기부상열차의 기초기술) 발명가 중 한 명인 미국 브룩하이벤국립연구소 연구원 제임스 파웰 (James Powell) 이 야심찬 스타트램 (StarTram) 계획을 제안했다.
이름에서 알 수 있듯이, 이 시스템은 자기 부상 우주선을 하늘로 뻗어나가는 구부러진 진공관에 넣어야 한다. 1 세대 시스템 파이프 길이는 130 km 이고 출구 높이는 3~7 km 입니다. 가장 좋은 곳은 칠레의 안데스 산맥이나 뉴멕시코 주 남부의 백사 미사일 사격장이다. 우주선이 가속된 후 파이프를 뚫고 14300~3 1500 km/h 의 속도로 지구 대기를 탈출할 수 있어 이미 제 2 우주의 속도에 매우 가깝다.
스타열차는 1 시간마다 한 번씩 발사할 때마다 70 여 톤의 화물을 운반할 수 있다. 킬로그램당 발사 비용으로 볼 때, 이 시스템은 20~50 달러밖에 들지 않는다. 우주탐사기술회사조차도 원래 4600 ~ 20,000 달러에서 1400 달러로 떨어졌다고 감히 말할 수 있습니다. 건설비용으로 볼 때 1 세대 시스템은 200 ~ 400 억 달러가 필요하며 우주왕복선 30 년 주기에 지출된 6543.8+096 억 달러보다 훨씬 낮으며 미국 2065.438+08 년 6430 억 달러보다 훨씬 낮습니다.
연구팀은 1 세대 성간 열차가 주로 위성 등 화물을 운송할 예정이며, 이번 세기 20 년대에 완성될 예정이다. 2 세대 시스템 파이프 길이 1 000 ~ 1, 500km, 출구 높이 22km. 그것은 매년 백만 명의 우주관광객을 운송하는데, 한 장당 5,000 달러밖에 들지 않는다. 1930 년대에 완공될 예정이다.
물론, 스타 열차는 초고속 철도의 기존 문제 외에도 파이프 라인 설치, 파이프 라인의 항공기 서스펜션 제어 등과 같은 많은 엔지니어링 문제를 추가했습니다. 그러나 별열차가 제출되자마자 샌디아 국립연구소에 의해 실현가능성 측면에서 검증을 받았다. 현재 관련 이론 연구 및 모델 테스트도 있습니다. 만약 성간 열차가 실현될 수 있다면, 인류를 새로운 우주 시대로 인도할 수 있을 것이다.
[1] 절대 진공은 인간의 기술적 수단으로 얻을 수 없는 것이다. 학계에서 정의한 진공은 상대적으로 대기압보다 낮으면 진공이라고 할 수 있으며, 한 대기압 (약 105Pa) 부터 허무절대 진공 (0Pa) 까지 넓은 범위를 포괄한다.
[2] 가스 희박도 측정.
이 문장 은 2020 년 2 기' 공상 과학 세계' 잡지에 처음 발표됐다. 원제는' 지하에서 우주까지-진공관 수송 진화사' 였다.