像子彈一樣飛向未來

梁建英

每次坐高鐵，都會被那些漂亮的車頭所驚艷。車頭是高鐵給人的第一印象，是一張張看得見的高鐵“面孔”。當高速列車從眼前飛馳而過，常會讓人想到它們是怎么設(shè)計出來的？背后又蘊含著怎樣的高科技？

車頭是我們辨認不同高鐵車型的主要標志。每一列高鐵動車，都有屬于自己獨具特色的頭型。

事實上，車頭不光是高鐵的“臉面”，更是高鐵的一大關(guān)鍵核心技術(shù)。對于高鐵來說，頭型的設(shè)計非常重要。

從技術(shù)層面講，高鐵車頭的科技含量，主要在于高速列車要面臨空氣動力學的問題。因為高鐵速度非?？?，隨著速度的提高，周圍空氣的動力作用會對列車和列車運行性能產(chǎn)生極大的影響。

列車在運行中受到多個力的作用，其中有空氣阻力、升力、橫向力以及縱向擺動力矩、扭擺力矩和側(cè)滾力矩等。

高速列車所受到的空氣動力作用，首要的是空氣阻力。列車速度越快，氣動阻力越大。它們的關(guān)系是，隨著速度的攀升，氣動阻力成平方增長。

因此，列車在高速運行時最大的“敵人”，不是自身重量，而是空氣阻力。頭型設(shè)計必須降低氣動阻力，以節(jié)約能耗。

高速列車來自空氣的另一個重要“敵人”是升力。

高速運行時，氣流會給列車向上的抬升力。速度越快，升力越大。要盡量降低氣動升力，讓升力趨近于零，不讓列車“飛”起來，以保障列車運行的穩(wěn)定性。另外，側(cè)風帶來的側(cè)向力，可能使車頭搖擺，增加阻力。

上述空氣動力作用是在一般工況下。此外，高速列車還要面臨兩車交會時的交會壓力波和通過隧道時的隧道壓力波。

高速列車空氣動力學示意圖（繪圖/飛飛）

當列車與另一列車會車時，由于相對運動的列車車頭對空氣的擠壓，會使列車側(cè)壁上的空氣壓力產(chǎn)生很大的波動。會車速度越快，會車壓力波的強度便越大。列車通過隧道時，也會引起隧道內(nèi)空氣壓力急劇波動。壓力波動產(chǎn)生的沖擊力，可造成門窗密封被破壞，壓力波會傳到車內(nèi)，這就是當列車會車或過隧道時，我們的耳部會有不適感的原因。

可以說，高速列車這個在地面飛行的“機艙”，所面對的環(huán)境某種程度上比飛機更為復(fù)雜。

一個好的列車頭型，必須具備優(yōu)異的空氣動力學性能。具體來說，頭型要能有效地減少空氣阻力、升力、列車交會壓力波和隧道壓力波等，以達到降低能耗、提高運行穩(wěn)定性和乘坐舒適性的目的。

為了滿足空氣動力學性能要求，高鐵車頭在外形設(shè)計上形成了一些共同特征。

一個重要的特征是，跟普通列車相比，高速列車的車頭更加細長，往往被設(shè)計成修長的流線型。

列車總阻力和氣動阻力隨列車速度變化情況（繪圖/飛飛）

為什么？這是基于阻力系數(shù)和長細比的考慮。換句話說，車頭前端越長，長細比越大，列車受到的氣動阻力就越小。而且，隨著列車頭部長細比的增大，會車壓力波也近線性地減小。這就是高速列車采用修長的流線型頭型的原因。

細心的乘客還會發(fā)現(xiàn)，高鐵車頭的前端鼻形部位，通常呈橢圓形。這種橢圓形設(shè)計也是為了減少空氣阻力。

在空氣阻力之外，降低升力也是頭型設(shè)計要重點考慮的因素。為了降低氣流給列車向上的抬升力，高鐵車頭通常在兩側(cè)設(shè)置有導流槽，通過鼻錐（車頭前端的鼻形部位）到導流槽的引流形式，引導氣流產(chǎn)生向下的壓力，讓氣動升力接近于零。

導流槽就像一雙強有力的“手”，牢牢地“抓住”軌道，保障高速列車運行穩(wěn)定。

除了一些共同特征，現(xiàn)實設(shè)計中，高鐵車頭造型各異。頭型一點細微的差異，都可能會有不同的技術(shù)性能。

高速列車的頭型設(shè)計，是一次次“技術(shù)雕刻”的過程。一般來說，車頭設(shè)計要經(jīng)歷從概念設(shè)計，到仿真分析、模型試驗和線路實車試驗，不斷循環(huán)優(yōu)化。

“火箭”“青銅劍”“駿馬”“飛龍”，這些高鐵車頭是中國高鐵的代表性車型。它們的誕生，是一次次精雕細琢的過程。這一張張“中國面孔”，見證了中國高鐵不斷創(chuàng)新的歷程。

“火箭”的車型是CRH380A（和諧號動車組）。研發(fā)時，最初設(shè)計了20個造型各異的概念頭型，分別制作成實物模型、三維數(shù)模。在綜合分析技術(shù)性、文化性和工程可實施性后，有10個頭型進入了候選。

然后對候選頭型進行仿真分析，進行了超過300個工況的空氣動力學仿真計算。根據(jù)仿真結(jié)果，從10個候選頭型中選出了5個。

接著是風洞試驗。將這5個頭型全部制作成1：8的模型，送到風洞試驗基地，去做模型的氣動力學和噪聲風洞試驗。在風洞試驗基地，前后對5個頭型進行了760個不同運行環(huán)境的氣動力學試驗，以及60個工況的噪聲風洞試驗。

結(jié)合仿真計算和風洞試驗結(jié)果，優(yōu)選出了2個頭型。然后進行施工設(shè)計，選取一種最優(yōu)方案制造成頭型樣車。

? 導流板（繪圖/飛飛）

最后是線路試驗。為了對新頭型進行實車驗證，特別設(shè)計了一列搭載新頭型的試驗列車進行大量的線路試驗，完成了520個測點的22項線路測試。據(jù)試驗數(shù)據(jù)，再對頭型進一步優(yōu)化，最終，CRH380A的頭型——“火箭”正式出爐。

經(jīng)過層層選拔的“火箭”頭型，自然是超級“優(yōu)等生”。它的各項技術(shù)性能優(yōu)異：氣動阻力減少6%，氣動噪聲下降7%，列車尾車升力接近0，隧道交會壓力波降低20%，明線交會壓力波降低18%。

“火箭”頭型

“青銅劍”的車型是CRH380AM（高速綜合檢測動車組）。這款頭型的設(shè)計靈感來源于中國古代兵器青銅劍。車頭外形猶如一把劍，利劍出鞘，既古典又有威武的氣勢。車頭以“劍”造型，突出尖楔形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了降低阻力的目的。

“駿馬”的車型是CRH2G（高寒動車組）和CRH2E（新型臥鋪動車組）。外形設(shè)計上，運用仿生手法，以奔馳的駿馬作為造型來源。頭型演變自馬頭，提取駿馬的速度與力量感。在技術(shù)上，重點解決了大斷面條件下列車的氣動減阻和降噪、大側(cè)風條件下列車運行的穩(wěn)定性問題。

“飛龍”的車型是CR400AF（復(fù)興號動車組）。這款頭型的設(shè)計一開始就面臨著巨大挑戰(zhàn)。因為跟既有動車組相比，復(fù)興號的外形有了很大改變。車體高度從3.7米增高到了4.05米，車體斷面積增大了7.3%，它的“身材”更高大了。這意味著，提升車頭氣動性能的難度大大攀升。

研發(fā)人員最初設(shè)計了46個概念頭型。通過綜合評估，從中選出23個頭型方案進入工業(yè)設(shè)計。再從中挑選出7個頭型，進行精細化的仿真計算。之后，全部制作成1：8的縮比模型，拿到風洞實驗室去做氣動力學和氣動噪聲的風洞試驗。通過循環(huán)優(yōu)化、反復(fù)評估，最終決勝出了復(fù)興號的頭型方案——“飛龍”。

技術(shù)上也獨具一格。采用修長的流線型設(shè)計，頭型的形狀叫“單拱橢圓”，即水平斷面型線為長橢圓形，縱斷面型線由雙拱變?yōu)閱喂埃欣诮档妥枇?。鼻錐部分設(shè)計為寬扁形，增加向下的引流作用，平衡升力系數(shù)。

復(fù)興號運行阻力降低了12%，當它以時速350公里運行時，人均百公里能耗下降17%，往返一趟京滬可節(jié)省5000度電。這背后，低阻力的頭型功不可沒。在車體高度和斷面積大幅增加的情況下，車頭的氣動阻力系數(shù)和升力系數(shù)都實現(xiàn)了降低。

除技術(shù)之外，高速列車的頭型還要“顏值”高，達到技術(shù)與藝術(shù)的完美融合。可以說，頭型設(shè)計極富挑戰(zhàn)，一個打“高分”的車頭，必定經(jīng)過千錘百煉。

單拱（繪圖/飛飛）

雙拱（繪圖/飛飛）

（責任編輯 / 李銀慧? 美術(shù)編輯 / 周游）