真空管道用于长途客运的方法

1.一种使真空管道交通系统适用于距离较远的两个区域中多个城市之间的点对点无停顿高速客运的方法，其特征为真空管道车辆在客运过程中采用有速乘客交换方式运行，即出发区域中各城市在每趟客运车次中通过气闸舱发出一辆车或一个车组进入真空管道，该一辆车或一个车组包括本趟车次前往目的地区域各个城市的乘客，随后，出发区各城市发出的车或车组在运行过程中依靠调整速度差值实现对接后连通，交换乘客后，各车辆封闭并分离，分别前往目的地区域中的各城市，并通过气闸舱脱离真空管道，完成一趟乘客运送任务。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征为在每趟车次中，出发区域中距离目的地区域最远的城市最早通过气闸舱发车，距离目的地区域较近城市的发出的车或车组在距离较远城市的车或车组通过以后再进入真空管道主线并追赶其前面的车或车组。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征为每趟车次到达目的地区域以后，位于车辆序列最后部的车或车组首先减速，脱离真空管道主线，前往目的地区域中距离出发区域最近城市，在序列中位置较靠前的车或车组，较晚脱离真空管道主线，前往目的地区域中较远的城市。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征为真空管道采用承载-密封分立配置的真空管道系统，即在隧道的内表面增设真空密封面，该密封面通过连接杆固定在隧道的内表面，将隧道泄漏的水汽与气体阻挡在密封面外。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征为轨道以下密封面依靠轨道的重量压载。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征为通过真空抽机将阻挡在密封面以外的泄漏气体吸除。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征为真空管道车辆前端装备有真空抽机，在车辆运行时吸收真空管道中的被运行车辆压缩的气体并保存在车辆内，在车辆通过气闸舱离开真空管道后释放。

真空管道用于长途客运的方法\n[0001] 本发明涉及一种未来的真空管道长途高速公共交通系统。 \n[0002] 惯性定律与真空早已是人们熟知的常识。人们对于真空管道技术用于交通的探索研究也由来已久。 \n[0003] 1965年，美国有研究机构曾经提出“高速管道运输”的构思，提出了一个能够在90分钟内从波斯顿到达华盛顿的客运系统计划，此系统由一对抽成一定真空的管道组成，其中的车辆运行速度为800公里/小时。 \n[0004] 1978年，兰德公司的研究人员在一份研究报告中描述：一种叫“运输之星”的地铁系统，由电磁支撑和在地下一定真空度的管道中运行的车辆组成，能够在一小时内穿越美国。该系统跟地方运输系统之间有转运联接，可以进行客运与货运。 \n[0005] 瑞士的萘斯(R.Nieth)于20世纪70年代提出一种完全设置在地下的真空管道交通系统构思。他们方案要点为：真空管道由两个直径5米的隧道组成。车站都设在城镇中心，跟城市和地面的运输线联接成网。隧道中抽成低真空(真空度大约为10％大气压左右，与18000米高空的气压相当)，以利于减小空气对车体的阻力。瑞士人设想，运行车体用磁悬浮方式，由直线电机驱动，设计运行速度500公里/小时。 \n[0006] 美国人奥斯忒(D.Oster)于1999年获得过一份真空管道运输系统美国专利(专利号：5,950,543)，提出了架空真空管道系统的构思，目标在于开发一种可以适用于个人使用真空管道高速交通网。 \n[0007] 中国铁道工程前辈郝瀛教授1988年在他的《中国铁路建设》一书中，在未来铁路发展方向的思路下对真空管道运输系统作了描述。近年来，西南交通大学在一些知名学者的带领下，开展了“真空管道高速交通”的研究工作。他们的探讨表明，真空管道中的车辆的支撑与驱动不但可以采用磁悬浮技术，而且可以采用轮轨技术。 \n[0008] 当然，尽管人们已经做出了不懈的努力，真空管道运输技术的实际应用开发进度的低于人们的期望。瑞士人与美国人在完成可行性研究后就没有下文，似处于停滞状态。没有足够的信息可以预期真空管道在未来交通事业中投入实际应用的时间表。 [0009] 一方面，看起来万事具备，另一方面则研发进展迟缓。这是为什么？ [0010] 我们认为，真空管道主要限制性因素并不在于真空原理与真空基础技术方面，而是在于真空管道用于交通的定位与配套技术的研究与开发还不够成熟。 [0011] 前述美国人则试图将真空管道纳入公路交通的升级换代。而瑞士人将真空管道交通视为铁路与地铁的思路的延伸。 \n[0012] 然而，真空管道交通与已经公路交通及铁路运输具有明显的差异。 [0013] 由于公路交通与铁道运输都是在空气中进行，它们的基本优势在于可以随地停车，交换乘客。而对于真空管道而言，由于“人不能生活在真空中”这个显而易见的原因，乘客进出真空管道车辆，必须在正常气压下才行。同时，由于获得真空在时间与能源都需要比较大的开销，真空管道的通常应当维持在真空状态下。这就导致车辆进出真空管道必须在具有适当设施的地点 通过气闸舱操作才能完成，这与通常航空运输中飞机必须机场才能完成起飞与着陆操作相类似。 \n[0014] 气闸舱在航天领域已经获得充分发展，预期推广到真空管道交通领域不存在实质性技术困难。尽管如此，对于真空管道交通而言，气闸舱操作依然是耗时多、开销大的操作。\n因此，与航空运输相似，真空管道交通并不适应于替代公路交通网在短途个人交通中的应用。此外，如果在地面上建立庞大个人真空管道交通网络，安全与维护也将存在难以预料的问题。 \n[0015] 综合考虑各方面因素，我们认为，与航空运输相似，真空管道交通技术的应用应当着眼于长途公共交通。 \n[0016] 在航空客运中，点对点的无着陆转机的客运在快速方面的优势已经获得公认。在真空管道交通方面，也应尽量象空运那样，发展点对点中途无停车乘客中转的运输线路。 [0017] 当然，建设航空运输线路与真空管道运输线路存在巨大差别。由于“天高任鸟飞”的缘故，人们无须为点对点航空航线在空中进行任何基础建设。而对于真空管道交通而言，为多个城市设立直接的点对点的“航线”则相当昂贵。 \n[0018] 如果在在真空管道交通系统中引入复合干线-支线的设计思路，则可以有效地控制真空管道里程。但是，对于随着使用干线城市增多，干线管道将非常忙碌，对于管理与安全不利。 \n[0019] 上述点对点“直航”设计还存在旅客数量不足的困惑，该问题在民航方面已经显露。人们可采取的对策有两种：一是减小客机的容量或增大飞机的空座率，另一是减小航班的密度，以使乘客聚集到适当的数量，再安排航班。前者是以提高票价为前提的，而后者则是以降低民航交通性方便性为代价的。 \n[0020] 由此可以看出，人们必须精心设计真空管道线路与配套技术，使之成为具有较远距离的不同区域的多个城市之间直达交通，以实现适当的性能价格比。 [0021] 真空管道所能达到的真空度不但是管道中车辆运行阻力的决定性因素，而且直接关系到车辆在真空管道中的运行的控制特性，一般说来，精确度越高的运行所要求的真空度也越高。用于交通目的的真空管道应当是世界上体积最大的真空装置。由此不难看出，在当代技术基础上，如何实现与维持真空管道内的真空度是另一个非常重要的配套技术。 [0022] 在现代钢筋混凝土技术基础上建设的隧道已经可以具有良好的承载能力。但是，由于混凝土存在的微孔一般具有可观的水分(以及空气)的渗透能力。由于水在20度时的饱和蒸汽压强大于2300巴，即达到标准大气压2.3％。所以，单纯用混凝土材料建设的隧道难以达到并维持真空管道交通所需的真空度要求。 \n[0023] 此外，真空管道不能如同汽车或飞机那样通过与大气交换气体而获得乘客所需要的氧气，车辆运行所产生的热量与人员活动所产生的热量也不能通过与大气的热交换散热降温。应当在运行的车辆中作出必要的考虑。 \n[0024] 本发明专利提出配套技术，使真空管道能够应用于距离比较远两个区域中的多个城市之间的点对点运输。这些配套技术包括有速乘客交换，承载-密封分置以及真空车辆运行冲压式管道气体吸收等方案。 \n[0025] 有速乘客交换方案的目标是，通过一条主线真空管道连接A区(如长三角地区)与B区(如京津塘地区)各个城市，使这两个区域中的各个城市实现点对点高速交通。 [0026] 为了便于叙述，将出发地的多个城市称为出发区城市组，目的地区多个 城市称为目的地区域城市组。如果A区的多个城市按照到B区的距离从远到近依次为A1，A2……An，B区到A区的按距离从远到近依次为B1，B2……Bm。 \n[0027] 相应地，真空管道每趟车次运行过程可以依次序分为三个阶段：出发地运行阶段、有速乘客交换运行阶段与目的地运行阶段。 \n[0028] 每趟车次在出发地运行阶段中，距离目的地区最远的A1城市的C1车辆首先通过气闸舱进入真空管道，并且向目的地B区域运行。C1车辆中包括了所有去目的地B区域各个城市的乘客。当C1车辆在真空管道中通过A2城市以后，从A2城市出发的C2车辆通过气闸舱进入真空管道，并且逐步加速，直至以适当高于C1行驶速度追赶C1车辆，并且在接近C1的时候减速，在行进中与C1进行对接。与C1车辆类似，C2车辆也包括了A2城市所有去目的地B区域各个城市的乘客。 \n[0029] 当C1，C2通过以后，A3城市发出的载有所有前往目的地区域各个城市的旅客的C3车辆通过气闸舱进入主线真空管道，并加速，直至以适当高于C1，C2行驶速度追赶前面的C1，C2车辆，直至实现对接。 \n[0030] 其余类推，直至An城市发出Cn车辆。如果出发区的城市数目少于目的地区域的城市数目，则应当在出发区中一个或者几个城市发出包括由几辆单独车辆的组成的车组，以保证目的区每个城市至少有一辆车。 \n[0031] 目的地区各城市的所有车辆都通过气闸舱进入真空管道以后，C1-Cn各车辆进入有速乘客交换运行阶段。 \n[0032] 有速乘客交换运行阶段的第一步，首先根据在主线上运行各个车辆C1，C2……Cn的相对位置，调整各自的速度，使这些在真空管道中运行的车辆在运行阶段中实现平稳对接，形成列车。 \n[0033] 接着，通过各车辆头尾部分别设立的对接口DA将这些车辆连通。 [0034] 各车辆连通以后，交换乘客。所有前往Bm(距离出发区最近)城市的乘客进入列车最后的一辆车Cm(为出发区的Cn车辆)，所有前往Bm-1(距离出发区次最近)城市的乘客进入列车最后的一辆车Cm-1(为出发区的Cn-1车辆)……所有前往B1(距离出发区最远)城市的乘客进入列车最后的一辆车C1(为出发区的C1车辆)。 \n[0035] 乘客交换完毕以后，C1，C2……Cm车辆各自封闭通道，分离。有速乘客交换阶段随之结束后，真空管道车辆进入目的地运行阶段。 \n[0036] 进入目的地运行阶段后，位于列车最后的Cm车辆应当最先脱离列车序列，减速，脱离主线，通过气闸舱进入通常气压状态，前往距出发区最近的Bm城市。 [0037] 接着Cm-1车辆脱离列车序列，减速，脱离主线，通过气闸舱脱离真空状态……直至最后的C1车辆减速，脱离主线，并通过气闸舱脱离真空状态，前往距出发区最远的B1城，并完成乘客运送任务。 \n[0038] 这样，在引入有速乘客交换概念以后，出发区的每个城市只要气闸舱发一辆(组)车，真空管道主要线路只要通过一趟车次，目标段的每个城市只要通过闸舱操作接收一辆(组)车，，就能实现出发区所有城市到目标区所有城市点对点的交通。 [0039] 为了保证上述在真空管道中进行有速乘客交换过程能够在适当车速下精确地完成，需要真空管道维持比较稳定的真空状态。 \n[0040] 承载-密封分立配置是一种在现代隧道技术基础上建造真空管道一种方案。其基本思路是：在钢筋混凝土隧道H的内表面附近增设一个独立的真空密封面M。将隧道泄漏的气体阻挡在密封面以外，并通过真空抽机持续地吸 除，使密封面上的气压控制在密封面可以承受的范围内。 \n[0041] 密封面M在真空管道的路基部分M2与顶-侧面部分M1应当采取不同的支撑方式。\n密封面M大部分M1在隧道顶部与侧面的内部自由表面上，其支撑与固定通过连接竿L实现。L的一端固定在隧道中，另一端则连接密封面M1支撑点，将M1所承受的压力传入隧道墙体H中。密封面的另一部分M2在轨道以下，利用车辆轨道的重量压载。隧道H内表面的适当分布局部微小凸出H1，使轨道以下的隧道内表面产生气体能够泄出到密封面的M1区。 [0042] 真空密封面M与隧道H的内表面形成一个夹层，从隧道表面蒸发的水分与渗透的空气阻滞在夹层中，并形成一定气压环境，再通过真空抽机J将夹层中的水汽及气体吸除(排入大气)，从而使密封层以内的真空管道O与Q的维持所需要的真空阶段。 [0043] 维持真空管道O与Q的真空所形成的负载，隧道H可以直接承载了其中大部分(95％以上，直到99.5％大气压强)，剩余部分则由密封层承担，而密封面M1的支撑力通过连接竿L传入隧道的墙体H中。 \n[0044] 尽管有密封层的保护，真空管道O与Q的内部的真空的维持仍然需要适当的抽气操作。对于真空管道交通而言，一种简便有效方式是在真空管道车辆前端装备有冲压式气体压缩吸收装置QJ。当车辆在真空管道中高速行驶的时候，空气分子就会在车辆的前端聚集，使车辆前端的气压上升。利用车辆前端上升的气压，在车辆上设置抽气装置，将气体吸收并且储存在车辆中的储气罐QG中，并且在通过气闸舱进入大气环境后排入大气或进行其他处理。 \n[0045] 真空管道车辆在运行阶段中产生的热量不能通过普通车辆或者飞机的对流与热传导方式散热。辐射散热是将制冷机的散热部分做成热辐射板，通过热辐射将热量散发出去。这是在真空状态下工作空间装置常用技术。对于真空管道车辆而言，辐射散热板可以安装在车顶、车底或者车身侧面。为了使车辆的热辐射被良好吸收，密封层M应当选用具有良好的热辐射透明特性材料，而隧道H表面应当涂覆具有良好吸热功能的材料。 [0046] 由于车辆在真空中运行，所以车辆需要携带乘客呼吸所需要的氧气(例如液氧)，并且随时吸收乘客呼出的二氧化碳。真空管道车辆可以采用碱(例如烧碱)溶液吸收车辆空气中二氧化碳。 \n[0047] 本发明中的有速乘客交换技术使真空管道交通摆脱按通常方式进行乘客交换时车辆频繁启动-刹车并且频繁进入-退出真空状态带来的延误，从而真正发挥真空管道交通的高速优势，使真空管道交通具有恰当的性能价格比。承载与密封分立配置方案使人们能够在已经成熟的隧道技术基础上以比较低廉的成本建设真空度恰当高的真空管道，以保证车辆在高速时依然可以在低气阻条件下精确运行，对接与分离，从而使车辆有效完成有速乘客交换。此外，有速乘客交换概念是真空管道交通独有的技术优势，对于航空运输与普通的铁路运输来说，都是不现实的。 \n[0048] 图1为有速乘客交换真空管道车辆在出发阶段的运行示意图； \n[0049] 图2为有速乘客交换真空管道车辆在出发阶段与乘客交换阶段的运行示意图； [0050] 图3为有速乘客交换真空管道车辆在乘客交换阶段与目的地阶段的运行示意图； [0051] 图4为基于隧道的承载-密封分立真空管交通系统道示意图； \n[0052] 图5为真空管道车辆的冲压除、辐射散热与乘客通道示意图。 \n[0053] 在以上几个示意图的基础上，介绍上述发明的一种实施方法。 [0054] 按照图4所示，一次施工同时建造两条真空管道，以适应与双线运行。 一条管道用于上行线，从A区域各城市向B区域各城市运送乘客，另一条则用于下行线，从B区域各城市向A区域各城市运送乘客。本文重点叙述从A区域各城市向B区域各城市运送乘客过程。由于过程基本类似基本相同，下行线的叙述省略。 \n[0055] 在图1-图3中，描述了在真空管道中用有速乘客交换方式从A区域4个城市向B区域5个城市运送乘客的过程。首先是距离B区最远的A区城市A1首先发出真空管道车辆C1(图1b)，当C1逐步加速，并以比较高的速度通过A2城市的道口以后，经过气闸舱从A2城市发出的车辆C2以较低速度进入真空管道主线，并逐步加速追赶C1(图1c)。当C1与C2以比较高的速度通过A3城市的道口以后，通过气闸舱从A3城市发出的真空管道车辆C3以较低速度进入真空管道主线，并加速(图2d)。当前三辆车C1，C2与C3通过A4城市的道口以后，经过气闸舱从A4城市发出的真空管道车辆C4以较低速度进入真空管道主线后并加速，由于目的地区域(B区域)具有5个城市，比出发区多一个城市，所以A4城市发出的C4是一个由两辆车组成的车组(图2e)。 \n[0056] 出发区(A区域)所有的车辆进入主线以后，调节各车辆的速度，并实现A1，A2，A3与A4车组的对接。通过车辆两端的密封对接口使这些车辆内部在通常气压状态下连接起来(图2f-图3h)。 \n[0057] 各车厢内部连接起来以后，即开始相互交换乘客(图3h与i)。乘客交换按照最前面的C1车辆前往目的地区域最远的城市B1，而最后部的车辆C5则前往目的地区域最近的城市B5的约定顺序进行。 \n[0058] 乘客交换完毕，各车辆各自封闭并分开，然后前往各自目的地城市(图3j与k)。 [0059] 如图4所示，在真空管道列车采用磁悬浮支撑与驱动。双线的真空管道建设在地面以下，主体为钢筋混凝土隧道结构，隧道的内表面铺设真空密封面，密封膜可以为塑料编织网-塑料膜复合材料。在真空管道的侧面与顶部，密封膜采用生根于隧道混凝土主体的连接杆支撑，而轨道下方的密封面由轨道压载。隧道表面水汽与空气的泄漏在密封面以外，当气压高于设定值后，启动真空泵吸除，并排入大气。 \n[0060] 如图5所示，由于在真空环境下运行，所以车辆外形无须考虑采用流线型设计。真空管道车辆两端设置密封门。在车辆独立运行的时候，车辆两端的密封门封闭。当两个车辆对接以后，相对应的密封门打开，以便交换乘客。车辆通过气闸舱进入通常大气环境以后，也可以使用这些密封门进行乘客交换。 \n[0061] 在真空管道车辆密封门的两侧，设有数个真空泵进气口。当车辆高速运行的时候，真空管道中的气体在车辆的前端聚集，形成较高的气压。安装在车辆前端的真空泵在比较高的气压下可以更有效地进行真空管道内部除气操作，吸除的气体保存在车辆中，待通过气闸舱返回大气环境以后，排出车外。