NASA：《超級高鐵(Hyperloop)商業可行性研究報告》

該報告是由NASA發佈的《超級高鐵(Hyperloop)商業可行性研究報告》，旨在從商業潛力、環境影響、成本、安全問題以及監管和政策等方面對Hyperloop技術進行高層次評估。報告為NASA決策者提供背景資訊，以便就參與Hyperloop研究的未來方向做出決策。

報告詳細分析了Hyperloop作為一種新型超高速固定導軌城際交通系統的潛力，該系統使用膠囊狀車輛在密封的部分真空管道中以高達760英里/小時的速度運行。研究將Hyperloop與高速鐵路、磁懸浮和航空等現有交通模式進行了全面比較。

主要內容包括：客運和貨運的商業潛力評估；環境影響分析；基礎設施和營運成本估算；安全挑戰識別；以及政策和監管問題探討。研究發現Hyperloop技術具有變革交通行業的潛力，但同時面臨諸多技術、經濟和監管挑戰，如成本估算可能過於樂觀、安全系統需要創新解決方案等。

報告最後提出了技術研發重點、合作機會和研究建議，為NASA如何參與並支援這一創新交通技術的發展提供了指導。

報告前言

Hyperloop是SpaceX和Tesla的Elon Musk在2013年8月的白皮書中概念性描述的一種新型超高速城際交通模式。它由兩個(或更多)建在高架支柱上的非常長的管道組成，這些管道部分抽出了空氣，創造了部分真空。線性感應電機推動在低摩擦空氣軸承上行駛的小型客運或貨運膠囊在管道內以超高速運行。部分真空顯著降低了空氣動力學阻力，這通常是限制車輛速度的關鍵因素。沿著導軌的太陽能電池板陣列將提供所需的大部分或全部電力，據稱每乘客英里的總體能耗非常低。提案包括28名乘客的艙、也可載運最多3輛車的客艙，以及可容納標準40英呎長集裝箱的貨艙。

本報告對Hyperloop進行了高層次評估，涉及其商業潛力、環境影響、成本、安全問題和監管問題，並確定其商業和/或營運可行性的障礙。該研究旨在為NASA決策者提供適當的背景，以便就NASA參與Hyperloop研究的未來方向做出決策。

Musk先生將這個概念描述為一個"開源平台"，將他的概念白皮書提供給他人完善設計。SpaceX已宣佈計畫在其加利福尼亞霍桑總部建造一英里長的測試軌道。它也是2016年1月在德克薩斯A&M舉行的Hyperloop艙設計大賽的贊助商之一。在設計大賽上，美國交通部長Anthony Foxx稱Hyperloop是一個"非常紮實的想法"，值得進一步的測試，並且聯邦政府有"責任"支援這個想法。

Hyperloop Technologies, Inc.(HT)是一家由風險投資資助的公司，目前正在招聘工程師和開發者。該公司最近將自己重新命名為"Hyperloop-One"，但本報告將繼續稱該實體為"HT"。他們的初始重點似乎是貨運，總部位於洛杉磯，並在內華達州拉斯維加斯郊外建立了一個開放式測試平台。2016年5月，HT展示了其直線電機技術的一部分，將一個小型平台推上一條短軌道，每小時達到約115英里的速度。這次演示沒有展示真空管道或懸浮技術。HT表示其已籌集超過1億美元資金。

Hyperloop Transportation Technologies(HTT)是"由眾包貢獻驅動、公民科學家發展的"，包括"來自SpaceX、Paypal、Google等公司的成員"。HTT已宣佈計畫在2016年內在加利福尼亞中部建造一個5英里長的Hyperloop系統，並表示公司已籌集了1000萬美元資金。

調查發現

商業潛力-客運

Hyperloop技術被吹捧為比現有客運形式速度更快，並能以低於高速鐵路(HSR)的成本提供服務。

Hyperloop在洛杉磯和舊金山之間的旅行時間預計為35分鐘(Musk，2013)。假設終點站位於城市郊區，這相當於線路約350英里的平均速度為600英里/小時。最大速度可達760英里/小時。

用航空旅行比較，洛杉磯和舊金山間直飛約需80分鐘，其中包括起飛和降落時間。磁懸浮列車以每小時300英里的速度需要約80分鐘，而高速鐵路(180-220英里/小時)則需要約150分鐘。Hyperloop相比磁懸浮和航空可節省約45分鐘。然而，與高速鐵路相比，Hyperloop可節省將近兩小時行程時間。

舊金山至洛杉磯的航空旅行、磁懸浮列車和Hyperloop站點可能都位於主要城市的郊區，因此乘客需要額外的時間乘坐當地交通工具才能到達最終目的地。相比之下，高速鐵路站點通常位於市中心，這在進出站時間上提供了節省。

Hyperloop膠囊的速度超過每小時700英里，比美國任何交通工具都要快。然而，這種速度可能會導致乘客舒適度問題。Hyperloop的管道路線需要精心設計，以確保在轉彎或下坡時乘客不會承受不舒適的G力。常規磁懸浮列車的最高速度約為300英里/小時，高速鐵路的速度約為180-220英里/小時。Hyperloop客艙計畫容納28名乘客。相比之下，日本的L0磁懸浮列車最多可容納1000名乘客，日本新幹線E5列車可容納731名乘客。每小時頻率相同的情況下，Hyperloop的客運能力將遠低於磁懸浮或高速鐵路系統。

Hyperloop支持者指出，由於系統封閉在管道中，它將不會因天氣原因延誤。然而，磁懸浮系統也能很好地應對天氣，因為列車懸浮在軌道上方，可以在冰雪中運行(日立，2015)。標準高速鐵路受天氣影響較大，但現代高速鐵路系統設計可最大限度減少這些延誤。飛機當然最容易受到天氣影響，但也許最重要的是，如果某個航空公司的飛機延誤，可能有其他航空公司的替代航班可用。如果Hyperloop系統停止運行，乘客可能沒有替代方案。

對於舊金山至洛杉磯的單程票價，Musk的白皮書預計為20美元(Musk，2013)，但這一數字遭到了廣泛批評，被認為嚴重低估(Levy，2015)，在多次調整後，白皮書修訂版上調了票價。如今，單程飛機票平均約為120美元，高速鐵路票價預計為86美元(CAHSR，2016a)。

Hyperloop將被設計為"點到點"服務，這意味著它只能在兩個特定位置之間運行，沒有中間停靠。這種方法將系統吞吐量最大化，但如果行程中有多個目的地，便利性會降低。Hyperloop艙計畫每兩分鐘出發一次，高峰期每30秒出發一次。（Musk，2013）

在最初的白皮書中，Musk提出將汽車作為乘客交通的替代方案，估計Hyperloop在洛杉磯至舊金山之間可能會帶走1%的騎車者。然而，這似乎不太可能成為商業可行的理由建設如此昂貴的系統。航空市場規模更大，但實際的市場分額受到Hyperloop有限座位容量的限制。目前，有多達64個每日航班在洛杉磯和舊金山之間營運，每架載客約160人，總容量約為10,240名乘客。計畫中的Hyperloop系統每天可容約8,000名乘客，如果Hyperloop要替代航空出行，就需要額外的管道。

高速鐵路在美國尚未被驗證是商業上可行的，目前需要大量政府補貼。然而，霍克角走廊的東北走廊服務、法國的TGV和日本的新幹線都盈利。原則上，如果基礎設施成本大大降低，Hyperloop可能會比高速鐵路更有經濟性。Musk估計LA到SF的Hyperloop基礎設施成本為60億美元，而加州高鐵預計為650億美元(CAHSR，2016a)。但2016年加州高鐵最新的商業計畫將成本估算降低至約640億美元(CAHSR，2016b)。此外，加州高鐵將服務於包括薩克拉門托在內的許多其他社區，並將沿著路線建立23個新站點。

商業潛力-貨運

早期關於Hyperloop的討論主要集中在其客運潛力上，但最近的討論更多關注貨運。HT表示其願景是建立一個"最終的物聯網"，將人員、貨物和資訊連接起來。這種向貨運的轉變可能反映了一個認識，即在貨物上驗證技術比在乘客上驗證風險更低。

目前，美國有五種主要的貨運模式：公路、鐵路、水路、管道和航空。公路佔總噸位的70%和總噸英里的40%；鐵路佔16%的噸位和28%的噸英里。按價值計算，航空佔貨運的不到0.1%，但代表著40%的貨運價值。Hyperloop關注的可能是當前的航空貨運市場。

如下圖所示，不同形式的貨運有著極其不同的成本結構。航空貨運比卡車貴得多，而卡車又比鐵路或水路貴。然而，所有這些模式都在不同市場中共存，部分原因是速度差異。鐵路和水路以低成本提供了較慢的服務；而航空則提供快速但昂貴的服務。

對於貨物來說，Hyperloop的超快速度使得給定管道尺寸下的吞吐量提高，這可能是其最吸引人的特點。

HT最近的演示重點關注將Hyperloop管道放置在水下，以避免為通行權獲取土地的成本。HT的首席執行官Rob Lloyd提出了使用Hyperloop促進離岸港口設施的想法（Lloyd，2016）。許多港口的容量都很有限，將集裝箱從船舶解除安裝到Hyperloop管道，然後通過離岸平台上的裝置將它們運到內陸分類和分配，可以為港口設施提供急需的擴展。

環境影響

各種Hyperloop支持者強調Hyperloop將完全由太陽能技術提供動力的想法。雖然航空旅行肯定不是這樣，但磁懸浮和高速鐵路也是電力驅動的，如果需要，也可以由太陽能提供動力。目前尚不清楚營運Hyperloop需要多少能源，但HT的演示表示，大多數路線每乘客英里的能源效率將比航空旅行高兩到三倍。磁懸浮和高速鐵路也比航空旅行更節能。

由於使用太陽能發電、在密封管道中、在行進軌道系統上，Hyperloop幾乎不會產生二氧化碳排放。磁懸浮和高速鐵路也是零排放的交通方式，它們的全生命周期排放取決於發電方式。航空旅行則會產生大量的碳排放。

Hyperloop預計噪音水平較低，儘管我們還不清楚確切情況。L0系列磁懸浮列車在行駛中發出約83分貝的噪音，相當於城市交通的噪音水平（Central，2014）。高速鐵路列車通常產生約90分貝的噪音，而飛機起飛產生約100分貝的噪音（Wiki，2016）。

成本

Hyperloop支持者聲稱其技術將比高速鐵路成本低得多。Musk的白皮書將洛杉磯至舊金山的Hyperloop基礎設施成本估計為60億美元，而加州高速鐵路預計成本為650億美元。

然而，Hyperloop的成本估算因多種原因受到質疑。首先，Musk的白皮書依靠現有的高速公路通行權（ROW）作為Hyperloop管道的通道。加州交通部指出這是不可能的，因為高速公路已經沒有足夠的額外容量，而且在某些地方寬度不足。此外，在城市區域，高速公路通行權兩側已經建滿了建築物，沒有擴展的空間。在通行權不可用的地方，Hyperloop將面臨與高速鐵路相同的土地徵用和補償問題。

Musk的估算是基於每英里1700萬美元的成本，包括管道、支柱、太陽能電池板、直線電機、真空泵站和建設成本。然而，現有的地面交通系統都表明，實際成本可能會高出數倍。加州高速鐵路預計每英里成本約為1億美元。韓國GTX磁懸浮火車每英里成本約為1.51億美元，中國上海磁懸浮列車每英里成本為1.14億美元，日本L0磁懸浮列車規劃的東京至大阪路線每英里成本為2.2億美元。航空運輸對地面基礎設施的需求較少，但仍需要大型機場和空中交通管制系統。

支柱的成本也可能被低估了。白皮書估計，每個混凝土支柱的成本僅為15萬美元，包括地下基礎設施。然而，典型的高速公路立交橋整體建築成本約為1000萬美元。Hyperloop支柱將會更複雜，因為它們必須將管道保持在完美的垂直和水平位置，以保持每小時700英里速度下的安全性。

真空泵的成本也可能被低估。白皮書假設每個泵站的成本為100萬美元，每英里管道路徑使用一個泵站，但沒有考慮管道如何應對高度變化。Hyperloop管道必須進行密封設計，包括膨脹接頭，這會增加成本。

碳纖維管道的成本可能也是一個問題。Musk白皮書估計管道的成本為每磅約3美元，但航空航天級碳纖維材料的成本往往高得多。碳纖維的成本差異可能導致項目總成本增加數十億美元。

同樣值得懷疑的是，每個膠囊的成本估計也只有130萬美元。相比之下，現代輕軌車輛的成本約為350萬美元，磁懸浮車輛的成本更高。鑑於膠囊需要以每小時700英里的速度在真空中安全行駛，這個估計可能過於樂觀。

此外，白皮書沒有考慮任何終端站的成本，也就是乘客上下車和膠囊裝卸的地方。這些終端站需要有充足的乘客等候區、安檢區域以及充電和維護設施。

除了資本成本外，系統的營運和維護（O&M）成本在商業上也至關重要。Musk的白皮書將年度營運成本估計為2100萬美元，包括人員成本、能源成本和膠囊折舊。但這可能低估了系統所需的人員數量，尤其是考慮到系統的高科技性質。安全維護和監控人員、站點工作人員、清潔人員、客戶服務代表以及管理和技術人員的成本可能遠高於預期。

安全問題

一種全新的交通模式不僅需要解決已知的現有模式的安全問題，還需要預測特定於它的任何安全問題。已經確定了以下問題，開發Hyperloop技術的公司肯定意識到這些問題。所提出的解決方案需要經過仔細測試和審查。

• 管道完整性：管道建設如何應對緊急情況，如快速減壓或大規模洩漏、膠囊故障或地震等自然災害？部分真空管道的完整性至關重要，任何中斷都可能導致空氣湧入，影響所有正在行駛的膠囊。
• 膠囊減壓：Hyperloop膠囊減壓時會發生什麼？乘客是否會被告知安全程序，類似於飛機上的安全簡報？
• 被困膠囊：如果膠囊在管道中被困，會發生什麼？緊急出口在那裡？乘客如何撤離到安全地帶？
• 減速率：膠囊在緊急停止時能以多快的速度減速而不損壞系統？膠囊如何在緊急制動過程中分散能量並保護乘客？
• 氣流動力學：如果膠囊以700英里/小時的速度遇到更高或甚至正常密度的空氣，它會如何反應？它能被設計成在保護乘客的同時存活下來嗎？如果遇到高密度空氣，膠囊會以多快的速度減速？
• 超音速問題：即使在如此稀薄的大氣環境中，膠囊過度阻力的問題能否被克服？膠囊周圍超音速空氣的潛力如何？
• 管道破裂：如果管道發生大規模破裂，空氣是否會以高速填充管道？額外的速度和湍流是否會增加對膠囊的危險？在主要膠囊破裂的情況下，氧氣面罩是否有效？
• 電源冗餘：如果該地區斷電，系統將繼續運行多長時間？是否有備用電源？
• 消防安全：是否可能在膠囊內提供消防滅火系統？在封閉的膠囊和管道環境中，火災可能特別危險。
• 材料選擇：什麼材料和管道建設方法提供了安全、成本和整體功能的理想組合(例如，鋼、碳纖維、凱夫拉爾)?

總結

Hyperloop代表了一種具有變革潛力的新型交通技術。它承諾以低於高速鐵路的成本提供比航空或磁懸浮更快的陸上交通。然而，該系統的商業和技術可行性仍有許多未解決的問題。

從商業角度來看，Hyperloop可能在特定市場上提供有吸引力的服務，但目前的成本估算可能過於樂觀。該系統的真正成本可能比最初估計的要高得多，這可能會使其相對於競爭對手的成本優勢減少。

從技術角度來看，Hyperloop面臨著重大挑戰，特別是在確保系統安全、可靠和舒適方面。部分真空管道的維護、在突發事件中的緊急響應以及管理超高速膠囊等問題都需要創新解決方案。

總的來說，Hyperloop是一種有前景的技術，值得進一步研究和開發。NASA憑藉其在先進交通技術、空氣動力學和系統安全方面的專業知識，可以為這一開發提供寶貴支援。通過戰略性地參與Hyperloop的發展，NASA可以幫助推動這一潛在的革命性交通模式的進步，同時也獲得可能適用於其航空航天任務的新見解和技術。 (歐米伽未來研究所2025)