“未来机器”系列报告之十九：真空高铁走向中国，未来载具添新梦.pdf

谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 1 证券研究报告 行业 研究 /深度研究 2018 年 07 月 20 日 机械设备 增持（维持） 章诚 执业证书编号： S0570515020001 研究员 021-28972071 zhangchenghtsc 肖群稀 执业证书编号： S0570512070051 研究员 0755-82492802 xiaoqunxihtsc 关东奇来 021-28972081 联系人 guandongqilaihtsc 黄波 0755-82493570 联系人 huangbohtsc 1机械设备 : 激光器海外观察：全球龙头知多少 2018.07 2机械设备 : 行业周报（第二十八周）2018.07 3今天国际 (300532,增持 ): 中报盈利符合预期，新订单超预期 2018.07 资料来源： Wind 真空高铁 走向中国 ， 未来载具添新梦 “未来机器”系列报告之 十九 全球真空管道运输设想由来已久，“真空高铁”项目走入中国再引关注 1904 年美国学者罗伯特戴维提出“真空管道运输”设想， 20 世纪末中科院院长路甬祥提出建设悬浮隧道阿基米德桥 构想， 2013 年“钢铁侠”马斯克提出超级高铁“ Hyperloop”技术 理念，引发全球热议。 7 月 19 日贵州省铜仁市与美国超级高铁公司 HTT 举行“真空管道超级高铁研发产业园项目”签约仪式，中美企业达成国内第一份超级高铁研发及建设相关协议。我们认为对于当今以成熟高铁技术为代表的轨道交通 来说， “真空高铁”短期 并不会构成 明显 影响，但对于探索下一代交通运输技术有着深远价值 。 铜仁市与美国超级高铁公司 HTT 签约 ， “真空高铁”项目 走向 中国 人民网 7 月 19 日报道，贵州省铜仁市与美国超级高铁公司 HTT 举行“真空管道超级高铁研发产业园项目”签约仪式，超级高铁项目有望在 中国 生根发芽。铜仁市政府与 HTT 公司将分别以 1:1 的出资比例成立合资公司，共建 该 项目。项目建设第一阶段双方将共同建设一条不超过 10 公里的商业真空管道超级高铁线路；第二阶段双方利用第一阶段成果，完成相关必要的规章和规定，在此基础上延长该线路，使长度适用于商业运营。 国内“海底真空高铁”构想：更快速、更安全、更环保、低能耗 “海底真空高铁”构想中采用水下桥隧技术，依靠浮力支撑隧道约 90%重量，采用真空管道及磁悬浮列车技术 。构想如能实现有望具备以下优势： 1）运行过程中无机械摩擦阻力，速度或超 1000 km/h，理想时速或达 1200 km/h； 2）抵御各类海况及天气影响，受台风及地震影响更小，实现全天候安全行驶； 3）不会 破坏海底环境 ，降低了施工和运行产生的噪音，符合绿色出行概念； 4）真空环境下运行阻力小，与高铁同等速度有望节能 70%。 Hyperloop：异曲同工的海外真空管道运输技术构想 Hyperloop 假想的亚音速浮空列车系统以一个局部真空的管度系统承载胶囊型列车，可大大降低空气阻力。 Hyperloop 自行利用太阳能发电，不仅能耗低还可提供额外电力。按照设想，工程人员将在地面上搭建作用类似铁路轨道的固定真空管道，在管道中安置“胶囊” 座舱。“胶囊”列车“漂浮”在处于真空的管道中，由弹射装置像发射炮弹一样启动座舱，无间断地驶往目的地。马斯克预计建成后时速可达 1220km/h，与音速相当。 虽然对当今轨道交通体系难有影响，但 “ 真空高铁”具备 深远 科研价值， 无论“海底真空高铁”还是“ Hyperloop” ，一方面现有技术体系存在瓶颈，诸多设计要求尚难实现，另一方面虽 理论而言具备低能耗运行优势，但从现有技 术来看真空系统建造及维护成本反而非常昂贵， 尚 不具备商业价值。虽然对于当今以成熟高铁技术为代表的轨道交通体系来说，“真空高铁” 短期 并不会构成实 际的影响，但 我们认为“真空高铁” 作为一种大胆的构想，对于探索下一代交通运输技术有着 深远影响 ，为 远景发展提供了 重要 思路。 风险提示：真空管道运输技术进展不及预期，“真空高铁”相关研发及建设项目执行不及预期。 (25)(14)(4)71817/07 17/09 17/11 18/01 18/03 18/05(%)机械设备 沪深 300一年内行业 走势图 相关研究 行业 评级： 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 20 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 2 正文目录 “真空高铁 ”项目落户中国，未来载具再添新方向 . 4 回顾国内：“海底真空高铁”概念曾引发广泛热议 . 5 一场技术讨论将“海底真空高铁”概念带入公众视线 . 5 关键技术：水下桥隧技术、磁 悬浮技术、真空技术 . 7 核心优势：更快速、更安全、更环保、低能耗 . 8 前路漫漫尚待求索，“海底真空高铁”仍面临诸多挑战 . 9 放眼海外： Hyperloop，“钢铁侠”倡导下的“黑科技” . 10 Hyperloop 概念的提出：马克隆的奇思妙想 . 10 Hyperloop 的设计与特点 . 12 风险提示 . 16 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 20 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 3 图表目录 图表 1： Hyperloop Alpha 设计草案 . 5 图表 2： 西南交通大学真空管道交通相关研究进展回顾 . 5 图表 3： 西南交通大学真空管道磁悬浮实验场景 . 6 图表 4： “海底真空高铁”概念图 . 6 图表 5： “海底真空高铁”概念图 . 6 图表 6： “海底真空高铁”构想的驱动技术示意图 . 7 图表 7： “海底真空高铁”构想的磁悬浮技术示意图 . 7 图表 8： “海底真空高铁”构想真空形成示意图 . 7 图表 9： “海底真空高铁”构想的充气过程示意图 . 7 图表 10： “海底真空高铁”构想的巡航示意图 . 8 图表 11： 多种交通工具与“海底真空高铁”构想的特征对比 . 8 图表 12： “海底真空高铁”构想下的渤海地区交通运输格局 . 8 图表 13： “海底真空高铁”构想下的东亚地区交通运输格局 . 8 图表 14： “海底真空高铁”构想下的安全性示意图 . 9 图表 15： “海底真空高铁”构想下的成本对比 . 9 图表 16： Hyperloop 假想的洛杉矶和旧金山路线图 . 10 图表 17： 不同交通工具单乘客能耗比较 . 11 图表 18： Hyperloop 原理推论 . 11 图表 19： 世界最快 20 条高铁 . 12 图表 20： “乘客胶囊” . 12 图表 21： 座舱概念设计 . 13 图表 22： 流线性设计 . 13 图表 23： 座舱进站开启概念图 . 13 图表 24： 车体运行时座舱概念图 . 13 图表 25： Hyperloop 管道设计 . 14 图表 26： 承重模拟 . 14 图表 27： Hyperloop 通往洛杉矶的时速表 . 14 图表 28： 直线电机 . 14 图表 29： Hyperloop 供能方式 . 15 图表 30： Hyperloop Cargo 概念图 . 16 图表 31： Hyperloop 成本估计 . 16 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 20 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 4 “ 真空高铁 ” 项目 落户 中国 ， 未来载具再 添 新方向 美国超级高铁公司与中国企业签署 国内 第一份超级高铁 研发 及建设 相关 协议。 据 人民网 7月 19 日 报道 ，贵州省铜仁市与美国超级高铁公司 HTT（ Hyperloop Transportation Technologies）在贵阳举行“真空管道超级高铁研发产业园项目”签约仪式 ， 这标志着超级高铁项目 有望在中国生根发芽 。合作协议由铜仁市政府下属国有企业铜仁交通旅游投资集团与美国超级高铁公司签订。根据协议，铜仁市政府与 HTT 公司将分别以 1:1 的出资比例在铜仁市成立合资公司，共建“真空管道超级高铁研发产业园”项目。项目启动后，铜仁市将负责协助合资公司负责办理认证、立项、规划、审批、土地、施工和建立规范该新技术的规章和规定的手续。美国超级高铁公司负责本项目顺利实施所需的全套技术和研发工作 ，以及必备的关键设备、测试仪器、系统软件和维护。 根据协议，该项目将分为两个阶段执行。 项目建设第一阶段 ： 双方将共同建设一条不超过10 公里的商业真空管道超级高铁线路；第二阶段 ： 双方利用第一阶段成果，完成相关必要的规章和规定，在此基础上延长该线路，使长度适用于商业运营。而在该项目上产生有关真空管道超级高铁的设计、开发、建设、实施、运营、维护或其它开发或商业化过程中开发或创建的所有知识产权，归合资公司所有。如项目进展顺利，双方将共同努力在铜仁建设一个配套产业园。为充分整合各方优势，促进超级高铁项目落地，铜仁市交 旅投集团同国内高铁建设的权威机构、世界 500 强企业中国铁建股份有限公司的全资子公司中磁浮、中铁五院组成联合体公司，与美国超级高铁公司共同投资修建超级高铁试验段、商业运营段及高铁配套产业园项目。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 20 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 5 回顾 国内：“海底真空高铁”概念 曾 引发广泛热议 一场技术讨论将“海底真空高铁”概念带入公众视线 世界各国科学家发展 真空 管道运输 的设想由来已久。 早在 1904 年美国学者罗伯特戴维就已经提出“真空管道运输”的设想。 20 世纪 80 年代，美国机械工程师达里尔奥斯特开始思考“真空管道运输”的可行性，并于 1999 年为这一概念申请了专利。 20 世纪末，时任中国科学院院长的路甬祥院士就提出了建设中国悬浮隧道阿基米德桥的构想。 2004年西南交大沈志云院士在关于真空管道超高速交通的思考中提出设想，将我国真空管道超高速交通的发展战略和技术方案发展战略定位于每小时 6001000 公里超高速地面交通。 2010 年奥斯特成立了致力于开发真空运输项目的公司 ET3。 2013 年， 现实版“钢铁侠” 马斯克丰富了“真空运输”这一概念，提出了“超级高铁”的理念 ，在 SpaceX 网站上发布了题为 Hyperloop Alpha的白皮书，并将超级 高铁称作未来的“第五种交通出行方式”。 图表 1： Hyperloop Alpha 设计草案 资料来源： tesla motors，华泰证券研究所 十余年来 西南交通大学 对 真空管道交通系统 进行了持续的研究 。 2016 年 1 月，由西南交大超导与新能源研究开发中心赵勇教授率领的研发团队对“第二代高速真空管道高温超导侧浮系统”的工程原型进行了第一阶段测试，团队不仅成功将管道真空的极限压强降到了1335 帕（正常大气压力的 1.3%），还测试出常压下磁浮实验车最高平均速度达到了每小时 82.5km。截止到 2016 年 5 月，这一系统 的实验进展良好，常压下最高平均时速已经提升到 100km 左右，随着真空技术的改进，速度将得到大幅提升，赵勇教授表示远景设想中这样的列车时速将达 6001000km，足以取代飞机。 图表 2： 西南交通大学真空管道交通相关研究进展回顾 时间 研究进展 2003 西南交大超导与新能源开发中心成立，真空管道运输首次列为研究课题之一 2004 西南交大沈志云院士在关于真空管道超高速交通的思考中提出空管道超高速交通设想 2007 建立了“磁浮技术与磁浮列车教育部创新团队”，开始真空管道磁浮列车技术的实验探索研究 2009 赵勇教授同其他专家合作出版了世界上第一本系统论述真空管道磁悬浮技术的专著速车系统概论， 对于真空管道交通进行了深入与系统的讨论 2011 世界上第一个“真空管道磁悬浮列车实验系统”建成，实验系统由真空管道、永磁轨道、高温超导模型车、驱动系统和真空机组 5 个部分构成 2014 建成世界首条真空管道交通实验系统 ，有机玻璃构成的真空管道长达 10 米，呈圆形，管道中加了液氮的高温超导模型车在永磁轨道上快速地滑行着 资料来源： 科技金融时报 ， 华西都市报 ，华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 20 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 6 图表 3： 西南交通大学 真空管道磁悬浮实验 场景 资料来源： 观察者 ，华泰证券研究所 “跨海旅游真空巴士”构想的技术研讨 曾 引发了对“ 真空高铁”的关注。 2017 年 4 月 22日，跨海旅游真空巴士技术研讨会正式在舟山来开帷幕。中国工程院院士顾国彪、中国科学院院士孙钧、中国工程院院士乐嘉陵和众多专家来到舟山普陀就建设世界首条海底真空悬浮隧道这一构想进行了技术研讨。 海底真空旅游飞行巴士， 也即 跨海悬浮隧道真空列车 ，采用 水下桥隧技术 ， 依靠浮力支撑隧道约 90%重量 ， 采用真空管道及磁悬浮列车技术，可减少管道内 90%的空气阻力，大幅提高列车运行速度，大幅减少空气噪 声。 理论上，真空管列车的运行速度可以达到 2000km/h，但实际实现起来面临着诸多目前难以逾越的困难。因此，会议期间专家提出可先期分别建设时速 600 多公里超高速和时速 80 公里的中高速列车，作为试验线进行探索。 图表 4： “海底真空高铁”概念图 图表 5： “海底真空高铁”概念图 资料来源：凤凰资讯，华泰证券研究所 资料来源：凤凰资讯，华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 20 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 7 关键技术：水下桥隧技术、磁悬浮技术、真空技术 真空管道运输技术的原理，是在地面或地下建一个密闭的管道，用真空泵抽成真空或部分真空后运行车辆（不一定是磁浮 列车），由于行车阻力大大减小，可有效降低能耗，同时气动噪声也可大大降低，符合环保要求。 真空管道交通主要包含三项关键技术：水下桥隧技术、磁悬浮技术和真空技术。 在目前我国桥隧技术水平下，完成海底隧道的建设工程并无过大难点。如果不是采用建在海底下面的岩石层里的“海底隧道”，而是选择在海底的海水里“悬浮”，事先在陆地预制完成，然后再沉管安装到海底（海水里），每公里管道有若干根“桥墩”支撑，则无需大规模海底施工作业，建设难度以及破坏程度远小于掘进到海底岩石层，建设成本也会降低。同时，我国磁悬浮技术也拥有了世界 水平的研发能力。对于真空技术，在目前的技术条件下并不需要将隧道中实现完全真空，只要保证部分真空下时速达到 600km/h，仍然比高铁具明显的速度优势。 在“ 跨海旅游真空巴士 ”的构想中，车辆计划 设计制造 I 型和 II 型车 ， 其中 I 型车以轮轨列车为主 ， II 型车主要是磁悬浮列车 ， 可乘坐 5060 人或 10 吨货物，采用阶段式驱动方案，在起点及终点的驱动段采用高速磁悬浮的长定子电机驱动技术，实现高效大功率额驱动力用于加减速，该方案的实施将大大降低建设及运行成本。 图表 6： “海底真空高铁”构想的驱动技术示意图 图表 7： “海底真空高铁”构想 的磁悬浮技术示意图 资料来源：搜狐科技，华泰证券研究所 资料来源：搜狐科技，华泰证券研究所 在构想的运行方式上，首先需要 在水下 3050 米 建成的密闭 管道 被 抽成真空 ，乘客或载重货物进入 胶囊 状车辆后，在 管道中 运行。出发前，车厢被送入“隔离舱”，密封起来抽成真空，然后将车厢从“隔离舱”送入真空管道。出发后，列车在海水里的管道中穿行。 当列车抵达目的地后，车厢被送入“隔离舱”进行充气。充气完成后，隔离舱的密封圈打开，乘客就可有秩序地下车。 图表 8： “海底真空高铁”构想真空形成示意图 图表 9： “海底真空高铁”构 想的充气过程示意图 资料来源：搜狐科技，华泰证券研究所 资料来源：搜狐科技，华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 20 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 8 核心优势 ：更 快速 、更 安全 、更 环保 、 低能耗 优势之一：更快速 由于采用真空磁悬浮技术，运行过程中无机械摩擦阻力，速度可超过 1000 km/h， 理想时速能达到 1200 km/h。 该技术如果取得突破进展 ， 有望 改变人类出行方式及交通理念，或成为人类交通史上的重要变革。 例如我国环渤海地区 大连到烟台直线距离仅有 100 多公里，但受海域阻隔船运需要 6 个小时左右才能抵达，如果绕行渤海湾长达 1000 多公里，耗费 10 个小时以上，空运受天气和运输量限制较多。如果未来“海底真空高铁”构想未来能够走向应用，贯通辽东半岛和山东半岛后以理论时速类推从大连到烟台仅需 12 分钟，环渤海高铁将真正实现闭环，与京津冀一体化融为一体，对中国北部、东北亚经济会有显著促进和提高的作用。与之类似的沿海地区，大连到天津仅需 27 分钟，福州到台北仅需 13 分钟，厦门到高雄仅需 20 分钟，上海至北京仅需 30 分钟，而上海到日本东京全程 1850 公里，也只需 2 小时。 图表 10： “海底真空高铁”构想 的巡航示意图 图表 11： 多种交通工具与 “海底真空高铁”构想 的特征对比 资料来源： 搜狐科技， 华泰证券研究所 资料来源： 搜狐科技， 华泰证券研究所 图表 12： “海底真空高铁”构想 下的渤海地区交通运输格局 图表 13： “海底真空高铁”构想 下的东亚地区交通运输格局 资料来源：搜狐科技，华泰证券研究所 资料来源：搜狐科技，华泰证券研究所 优势之二： 更安全 相对于轮船、水面桥梁或者是地下盾构隧道，采用悬浮隧道技术能够最好地实现对天气免疫，由于乘客和货物是在密闭常压 的胶囊状车厢中，而胶囊又是在 30 米以上深度的海底管道中运行，因此可以抵御各类海况及天气影响，受台风及地震影响更为间接，实现全天候的安全行驶。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 20 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 9 优势之三：更环保 由于所有管道均在地面预制完成，无需大规模海底施工作业，不会对海底及周围环境产生破坏，也降低了施工和运行产生的噪音影响，在减少能耗、降低噪音的前提下更加符合绿色出行的概念。 优势之四：低 能耗 在真空环境下运行，空气阻力 较小 ，与高铁同等速度下可节省 70%的能源消耗。研究表明，在 1%大气压下，维持真空一年所需成本消耗相当于常压下 4 天的能耗，总运行成 本有望为高铁的十分之一。 图表 14： “海底真空高铁”构想 下的安全性示意图 图表 15： “海底真空高铁”构想 下的成本对比 资料来源： 凤凰资讯， 华泰证券研究所 资料来源： 凤凰资讯， 华泰证券研究所 前路漫漫 尚待求索 ， “海底真空高铁” 仍面临诸多挑战 现有技术尚不成熟和建设成本过高是“海底真空高铁” 构想 无法实现的最大障碍。 1922年德国工程师赫尔曼肯培尔在提出磁浮列车概念时，同时也提出了真空管道的设想，至今磁浮列车虽做了大量研究，却一直未能真正进入运输市场。 “海底真空高铁”构想 同磁浮列车一样，技术不成熟、成本过 高，与其他运输方式不兼容等问题仍然突出， 其高 成本还远远不止于造价，虽然在未来远景构想中“海底真空高铁”具有低能耗优势，但在目前技术水平下，要维持管道 低压状态 反而需要持续的高能耗投入，再加上真空管道和特殊的上下客站台，其高昂的造价和维护成本，将使任何商业投资望而却步。 虽然目前不具备商业价值，但真空管道技术仍然具有科研价值。 轨道交通专家、西南交大教授沈志云院士认为真空管道技术的实现并不容易，但该技术有一定科研价值和发展前景。真空管道列车只是“现阶段”没有商业价值而已，其根本问题在于建设和维持系统处于工作状态 的能耗惊人，随着能源的不断发展，该技术或将具备商业化的可能。考虑到几十年后的近未来，人类将可能在月面甚至火星上建设前哨站乃至于大型基地，无论是月面还是火星表面，气压相比地球上都几乎可以忽略，开发一种高效率高运力的磁悬浮交通系统显然也是相当必要的。 作为一种大胆的技术构想， “海底真空高铁” 对于人类探索下一代 交通运输 技术有着积极的作用 ， 为轨交技术的远景发展提供了一种思路， 但对 于 当今 以高铁为 代表 的 轨道交通成熟 技术 体系来说，“海底真空高铁”这一概念 并不会构成 实际的 影响 。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 20 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 10 放眼海外 ： Hyperloop， “钢 铁侠” 倡导下的 “黑科技” Hyperloop 概念的提出： 马克隆 的奇思妙想 当我们说到 “ 真空高铁 ”这一概念 时，大家一定会想起 依托 “钢铁侠” Elon Musk 创意而生的 初创企业： Hyperloop One。 2013 年 8 月 12 日，为表达对 “ 造价位居世界前列、速度却排在倒数位置 ” 的 加州高铁项目 获批的失望，马斯克提出一种连接洛杉矶地区和旧金山湾区的一种名为 “Hyperloop”的新型 交通概念。 Hyperloop 假想的亚音速浮空列车系统 建议 一个局部真空的管度系统承载胶囊型列车，以大大降低空气阻力 。 路线 由西尔马（ 洛杉矶北部的一个区）起，连接到海沃德（旧金山以东）。乘客理论上能在 30 分钟内跨越约 350 英里（ 560 公里）的距离，这甚至比商用飞机的速度更快。 图表 16： Hyperloop 假想的 洛杉矶和旧金山路线图 资料来源： Hyperloop，华泰证券研究所 连接旧金山和洛杉矶的交通路线是美国西部最繁忙的要道。目前这两个人口集中区域主流的交通方式存在诸多弊端： 公路交通便宜、速度慢、环境污染一般； 航空交通昂贵、速度快、环境污染严重； 轨道交通昂贵、速度慢、环境友好。 Hyperloop 可自行利用 太阳能 发电，实际上需要能源不多，还能提供额外 电力 。 理想的交通工具应该同时具备廉价 、 快速同时环境友好 。我们通过 比较几种不同交通工具的单乘客能耗，结果显示 Hyperloop 以绝对优势胜出，只有 TESLA 公司的 Model S 能够望其项背。