Hyperloop Alpha Intro



Yüklə 3,69 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə1/5
tarix28.01.2017
ölçüsü3,69 Mb.
  1   2   3   4   5

 

Page 1 


 

Hyperloop Alpha 

 

 



Intro 

The  first  several  pages  will  attempt  to  describe  the  design  in  everyday 

language, keeping numbers to a minimum and avoiding formulas and jargon. I 

apologize in advance for my loose use of language and imperfect analogies.  

The  second  section  is  for  those  with  a  technical  background.  There  are  no 

doubt  errors  of  various  kinds  and  superior  optimizations  for  elements  of  the 

system.  Feedback  would  be  most  welcome  –  please  send  to 

hyperloop@spacex.com

  or 

hyperloop@teslamotors.com



.  I  would  like  to  thank 

my  excellent  compadres  at  both  companies  for  their  help  in  putting  this 

together. 

Background 

When the California “high speed” rail was approved, I was quite disappointed, 

as  I  know  many  others  were  too.  How  could  it  be  that  the  home  of  Silicon 

Valley and JPL – doing incredible things like indexing all the world’s knowledge 

and putting rovers on Mars – would build a bullet train that is both one of the 

most  expensive  per  mile  and  one  of  the  slowest  in  the  world?  Note,  I  am 



 

Page 2 


 

hedging  my  statement  slightly  by  saying  “one  of”.  The  head  of  the  California 

high speed rail project called me to complain that it wasn’t the very slowest 

bullet train nor the very most expensive per mile. 

The  underlying  motive  for  a  statewide  mass  transit  system  is  a  good  one.  It 

would be great to have an alternative to flying or driving, but obviously only if 

it is actually better than flying or driving. The train in question would be both 

slower, more expensive to operate (if unsubsidized) and less safe by two orders 

of magnitude than flying, so why would anyone use it?  

If we are to make a massive investment in a new transportation system, then 

the return should by rights be equally massive. Compared to the alternatives, it 

should ideally be: 

 

Safer 



 

Faster 



 

Lower cost 



 

More convenient 



 

Immune to weather 



 

Sustainably self-powering 



 

Resistant to Earthquakes 



 

Not disruptive to those along the route 



Is there truly a new mode of transport – a fifth mode after planes, trains, cars 

and boats – that meets those criteria and is practical to implement?  Many ideas 

for a system with most of those properties have been proposed and should be 

acknowledged, reaching as far back as Robert Goddard’s to proposals in recent 

decades by the Rand Corporation and ET3. 

Unfortunately, none of these have panned out. As things stand today, there is 

not  even  a  short  distance  demonstration  system  operating  in  test  pilot  mode 

anywhere  in  the  world,  let  alone  something  that  is  robust  enough  for  public 

transit. They all possess, it would seem, one or more fatal flaws that prevent 

them from coming to fruition. 



Constraining the Problem 

The  Hyperloop  (or  something  similar)  is,  in  my  opinion,  the  right  solution  for 

the specific case of high traffic city pairs that are less than about 1500 km or 

900  miles  apart.  Around  that  inflection  point,  I  suspect  that  supersonic  air 

travel ends up being faster and cheaper. With a high enough altitude and the 

right geometry, the sonic boom noise on the ground would be no louder than 

current  airliners,  so  that  isn’t  a  showstopper.  Also,  a  quiet  supersonic  plane 

immediately  solves  every  long  distance  city  pair  without  the  need  for  a  vast 

new worldwide infrastructure. 


 

Page 3 


 

However, for a sub several hundred mile journey, having a supersonic plane is 

rather pointless, as you would spend almost all your time slowly ascending and 

descending and very little time at cruise speed. In order to go fast, you need to 

be at high altitude where the air density drops exponentially, as air at sea level 

becomes  as  thick  as  molasses  (not  literally,  but  you  get  the  picture)  as  you 

approach sonic velocity. 

So What is Hyperloop Anyway? 

Short  of  figuring  out  real  teleportation,  which  would  of  course  be  awesome 

(someone please do this), the only option for super fast travel is to build a tube 

over  or  under  the  ground  that  contains  a  special  environment.  This  is  where 

things get tricky.  

At one extreme of the potential solutions is some enlarged version of the old 

pneumatic tubes used to send mail and packages within and between buildings. 

You  could,  in  principle,  use  very  powerful  fans  to  push  air  at  high  speed 

through  a  tube  and  propel  people-sized  pods  all  the  way  from  LA  to  San 

Francisco.  However,  the  friction  of  a  350  mile  long  column  of  air  moving  at 

anywhere near sonic velocity against the inside of the tube is so stupendously 

high that this is impossible for all practical purposes. 

Another  extreme  is  the  approach,  advocated  by  Rand  and  ET3,  of  drawing  a 

hard  or  near  hard  vacuum  in  the  tube  and  then  using  an  electromagnetic 

suspension.  The  problem  with  this  approach  is  that  it  is  incredibly  hard  to 

maintain  a  near  vacuum  in  a  room,  let  alone  700  miles  (round  trip)  of  large 

tube  with  dozens  of  station  gateways  and  thousands  of  pods  entering  and 

exiting every day. All it takes is one leaky seal or a small crack somewhere in 

the hundreds of miles of tube and the whole system stops working. 

However, a low pressure (vs. almost no pressure) system set to a level where 

standard  commercial  pumps  could  easily  overcome  an  air  leak  and  the 

transport  pods  could  handle  variable  air  density  would  be  inherently  robust. 

Unfortunately, this means that there is a non-trivial amount of air in the tube 

and leads us straight into another problem. 



Overcoming the Kantrowitz Limit 

Whenever  you  have  a  capsule  or  pod  (I  am  using  the  words  interchangeably) 

moving at high speed through a tube containing air, there is a minimum tube to 

pod area ratio below which you will choke the flow. What this means is that if 

the walls of the tube and the capsule are too close together, the capsule will 

behave like a syringe and eventually be forced to push the entire column of air 

in the system. Not good. 

Nature’s  top  speed  law  for  a  given  tube  to  pod  area  ratio  is  known  as  the 

Kantrowitz limit. This is highly problematic, as it forces you to either go slowly 


 

Page 4 


 

or  have  a  super  huge  diameter  tube.  Interestingly,  there  are  usually  two 

solutions to the Kantrowitz limit – one where you go slowly and one where you 

go really, really fast.  

The latter solution sounds mighty appealing at first, until you realize that going 

several thousand miles per hour means that you can’t tolerate even wide turns 

without painful g loads. For a journey from San Francisco to LA, you will also 

experience a rather intense speed up and slow down. And, when you get right 

down  to  it,  going  through  transonic  buffet  in  a  tube  is  just  fundamentally  a 

dodgy prospect. 

Both  for  trip  comfort  and  safety,  it  would  be  best  to  travel  at  high  subsonic 

speeds for a 350 mile journey. For much longer journeys, such as LA to NY, it 

would  be  worth  exploring  super  high  speeds  and  this  is  probably  technically 

feasible,  but,  as  mentioned  above,  I  believe  the  economics  would  probably 

favor a supersonic plane. 

The approach that I believe would overcome the Kantrowitz limit is to mount 

an electric compressor fan on the nose of the pod that actively transfers high 

pressure air from the front to the rear of the vessel. This is like having a pump 

in the head of the syringe actively relieving pressure. 

It would also simultaneously solve another problem, which is how to create a 

low friction suspension system  when traveling at over 700 mph.  Wheels don’t 

work  very  well  at  that  sort  of  speed,  but  a  cushion  of  air  does. Air  bearings, 

which  use  the  same  basic  principle  as  an  air  hockey  table,  have  been 

demonstrated  to  work  at  speeds  of  Mach  1.1  with  very  low  friction.  In  this 

case, however, it is the pod that is producing the air cushion, rather than the 

tube, as it is important to make the tube as low cost and simple as possible. 

That then begs the next question of whether a battery can store enough energy 

to power a fan for the length of the journey with room to spare. Based on our 

calculations, this is no problem, so long as the energy used to accelerate the 

pod is not drawn from the battery pack.  

This  is  where  the  external  linear  electric  motor  comes  in,  which  is  simply  a 

round  induction  motor  (like  the  one  in  the  Tesla  Model  S)  rolled  flat.  This 

would  accelerate  the  pod  to  high  subsonic  velocity  and  provide  a  periodic 

reboost roughly every 70 miles. The linear electric motor is needed for as little 

as ~1% of the tube length, so is not particularly costly. 

Making the Economics Work 

The pods and linear motors are relatively minor expenses compared to the tube 

itself – several hundred million dollars at most, compared with several billion 

dollars for the tube. Even several billion is a low number when compared with 

several tens of billion proposed for the track of the California rail project. 


 

Page 5 


 

The key advantages of a tube vs. a railway track are that it can be built above 

the  ground  on  pylons  and  it  can  be  built  in  prefabricated  sections  that  are 

dropped  in  place  and  joined  with  an  orbital  seam  welder.  By  building  it  on 

pylons,  you  can  almost  entirely  avoid  the  need  to  buy  land  by  following 

alongside  the  mostly  very  straight  California  Interstate  5  highway,  with  only 

minor deviations when the highway makes a sharp turn. 

Even when the Hyperloop path deviates from the highway, it will cause minimal 

disruption to farmland roughly comparable to a tree or telephone pole, which 

farmers  deal  with  all  the  time.  A  ground  based  high  speed  rail  system  by 

comparison  needs  up  to  a  100  ft  wide  swath  of  dedicated  land  to  build  up 

foundations for both directions, forcing people to travel for several miles just 

to  get  to  the  other  side  of  their  property.  It  is  also  noisy,  with  nothing  to 

contain the sound, and needs unsightly protective fencing to prevent animals, 

people or vehicles from getting on to the track. Risk of derailment is also not 

to be taken lightly, as demonstrated by several recent fatal train accidents. 



Earthquakes and Expansion Joints 

A ground based high speed rail system is susceptible to Earthquakes and needs 

frequent  expansion  joints  to  deal  with  thermal  expansion/contraction  and 

subtle, large scale land movement. 

By building a system on pylons, where the tube is not rigidly fixed at any point, 

you can dramatically mitigate Earthquake risk and avoid the need for expansion 

joints. Tucked away inside each pylon, you could place two adjustable lateral 

(XY) dampers and one vertical (Z) damper. 

These  would  absorb  the  small  length  changes  between  pylons  due  to  thermal 

changes, as well as long form subtle height changes.  As land slowly settles to a 

new  position  over  time,  the  damper  neutral  position  can  be  adjusted 

accordingly.  A  telescoping  tube,  similar  to  the  boxy  ones  used  to  access 

airplanes  at  airports  would  be  needed  at  the  end  stations  to  address  the 

cumulative length change of the tube. 



Can it Really be Self-Powering? 

For the full explanation, please see the technical section, but the short answer 

is that by placing solar panels on top of the tube, the Hyperloop can generate 

far in excess of the energy needed to operate. This takes into account storing 

enough energy in battery packs to operate at night and for periods of extended 

cloudy weather. The energy could also be stored in the form of compressed air 

that then runs an electric fan in reverse to generate energy, as demonstrated 

by LightSail. 



 

 


 

Page 6 


 

Hyperloop Preliminary Design Study 

Technical Section 

 

1. Abstract

 

Existing conventional modes of transportation of people consists of four unique 

types:  rail,  road,  water,  and  air.  These  modes  of  transport  tend  to  be  either 

relatively slow (e.g., road and water), expensive (e.g., air), or a combination 

of  relatively  slow  and  expensive  (i.e.,  rail).  Hyperloop  is  a  new  mode  of 

transport  that  seeks  to  change  this  paradigm  by  being  both  fast  and 

inexpensive for people and goods. Hyperloop is also unique in that it is an open 

design concept, similar to Linux. Feedback is desired from the community that 

can help advance the Hyperloop design and bring it from concept to reality. 

Hyperloop consists of a low pressure tube with capsules that are transported at 

both low and high speeds throughout the length of the tube. The capsules are 

supported on a  cushion  of air,  featuring pressurized  air and  aerodynamic  lift. 

The  capsules  are  accelerated  via  a  magnetic  linear  accelerator  affixed  at 

various stations on the low pressure tube with rotors contained in each capsule. 

Passengers may enter and exit Hyperloop at stations located either at the ends 

of the tube, or branches along the tube length. 

In  this  study,  the  initial  route,  preliminary  design,  and  logistics  of  the 

Hyperloop  transportation  system  have  been  derived.  The  system  consists  of 

capsules  that  travel  between  Los  Angeles,  California  and  San  Francisco, 

California. The total one-way trip time is 35 minutes from county line to county 

line.  The  capsules  leave  on  average  every  2  minutes  from  each  terminal 

carrying 28



 

people each (as often as every 30 seconds during rush hour and less 

frequently at night). This gives a total of 7.4 million people per tube that can 

be transported each year on Hyperloop. The total cost of Hyperloop is under $6 

billion USD for two one-way tubes and 40 capsules. Amortizing this capital cost 

over 20 years and adding daily operational costs gives a total of $20 USD plus 

operating costs per one-way ticket on the passenger Hyperloop. 

Useful  feedback  is  welcomed  on  aspects  of  the  Hyperloop  design.  E-mail 

feedback to 

hyperloop@spacex.com

 or 

hyperloop@teslamotors.com





2. Table of Contents

 

1. Abstract .................................................................................. 6 

2. Table of Contents ...................................................................... 6 

3. Background .............................................................................. 8 

4. Hyperloop Transportation System .................................................... 9 

4.1. Capsule............................................................................ 11 



 

Page 7 


 

4.1.1. Geometry .................................................................... 13 

4.1.2. Interior ....................................................................... 15 

4.1.3. Compressor .................................................................. 17 

4.1.4. Suspension ................................................................... 20 

4.1.5. Onboard Power ............................................................. 22 

4.1.6. Propulsion ................................................................... 22 

4.1.7. Cost ........................................................................... 23 

4.2. Tube ............................................................................... 24 

4.2.1. Geometry .................................................................... 25 

4.2.2. Tube Construction .......................................................... 27 

4.2.3. Pylons and Tunnels ......................................................... 28 

4.2.4. Station Construction ....................................................... 32 

4.2.5. Cost ........................................................................... 33 

4.3. Propulsion ........................................................................ 33 

4.3.1. Capsule Components (Rotor) ............................................. 36 

4.3.2. Tube Components (Stator) ................................................ 37 

4.3.3. Energy Storage Components .............................................. 38 

4.3.4. Cost ........................................................................... 38 

4.3.5. Propulsion for Passenger Plus Vehicle System ......................... 39 

4.4. Route .............................................................................. 39 

4.4.1. Route Optimization ........................................................ 41 

4.4.1.1. Los Angeles/Grapevine - South ........................................ 44 

4.4.1.2. Los Angeles/Grapevine – North ........................................ 45 

4.4.1.2. Center Section of I-5 .................................................... 47 

4.4.1.3. I-580/San Francisco Bay................................................. 49 

4.4.3. Station Locations ........................................................... 51 

4.5. Safety and Reliability ........................................................... 53 

4.5.1. Onboard Passenger Emergency ........................................... 53 

4.5.2. Power Outage ............................................................... 54 

4.5.2. Capsule Depressurization ................................................. 54 

4.5.3. Capsule Stranded in Tube ................................................. 55 

4.5.4. Structural Integrity of the Tube in Jeopardy ........................... 55 

4.5.5. Earthquakes ................................................................. 55 

4.5.6. Human Related Incidents ................................................. 55 

4.5.7. Reliability.................................................................... 56 



 

Page 8 


 

4.6. Cost ................................................................................ 56 

5. Conclusions ............................................................................ 57 

6. Future Work ........................................................................... 58 



3. Background

 

The  corridor  between  San  Francisco,  California  and  Los  Angeles,  California  is 

one  of  the  most  often  traveled  corridors  in  the  American  West.  The  current 

practical  modes  of  transport  for  passengers  between  these  two  major 

population centers include: 

1.

 



Road (inexpensive, slow, usually not environmentally sound) 

2.

 



Air (expensive, fast, not environmentally sound) 

3.

 



Rail (expensive, slow, often environmentally sound) 

A  new  mode  of  transport  is  needed  that  has  benefits  of  the  current  modes 

without  the  negative  aspects  of  each.  This  new  high  speed  transportation 

system has the following requirements: 

1.

 

Ready when the passenger is ready to travel (road) 



2.

 

Inexpensive (road) 



3.

 

Fast (air) 



4.

 

Environmentally friendly (rail/road via electric cars) 



The current contender for a new transportation system between southern and 

northern  California  is  the  “California  High  Speed  Rail.”  The  parameters 

outlining this system include: 

1.

 



Currently $68.4 billion USD proposed cost 

2.

 



Average  speed  of  164  mph  (264  kph)  between  San  Francisco  and  Los 

Angeles 


3.

 

Travel  time  of  2  hours  and  38  minutes  between  San  Francisco  and  Los 



Angeles 

a.

 



Compare with 1 hour and 15 minutes by air 

b.

 



Compare with 5 hours and 30 minutes by car

 

4.

 



Average one-way ticket price of $105 one-way (

reference

)

 

a.



 

Compare with $158 round trip by air for September 2013 

b.

 

Compare  with  $115  round  trip  by  road  ($4/gallon  with  30  mpg 



vehicle) 

A  new  high  speed  mode  of  transport  is  desired  between  Los  Angeles  and  San 

Francisco;  however,  the  proposed  California  High  Speed  Rail  does  not  reduce 

current trip times or reduce costs relative to existing modes of transport. This 

preliminary  design  study  proposes  a  new  mode  of  high  speed  transport  that 

reduces  both  the  travel  time  and  travel  cost  between  Los  Angeles  and  San 

Francisco.  Options  are  also  included  to  increase  the  transportation  system  to 

other  major  population  centers  across  California.  It  is  also  worth  noting  the 



 

Page 9 


 

energy cost of this system is less than any currently existing mode of transport 

(Figure  1).  The  only  system  that  comes  close  to  matching  the  low  energy 

requirements of Hyperloop is the fully electric Tesla Model S. 

 



Yüklə 3,69 Mb.

Dostları ilə paylaş:
  1   2   3   4   5




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2020
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə