漂亮不算什么，降低阻力才是硬道理。为了让高速列车尽可能快跑，高速列车设计尽可能为流线型，车辆横断面越小越好、周身少凹凸、全力追求又细又长。如日本0系列车头部长度是 4.4 m，第二代 100 系成为5.5 m，第三代 700 系成为 9.2 m，第四代 800 系成为 12 m。特别是速度最快的列车“隼”号属于最新型的 E5 型列车，以车鼻长 15 m 为特点，最高运行速度可达 320 km/h，领先日本其他列车；2017 年运行的“隼”号高速列车，列车鼻长为 22 m。如图3.6。
图3.6 日本长鼻子的高速列车
3.1.1.1 高速列车的空气阻力及其相互关系
高速列车运行的阻力，主要包括车轮与轨道摩擦的机械阻力和车辆受到的空气阻力。高速列车在地表运行中，空气阻力是高速列车受到的主要阻力，远远大于摩擦阻力。列车速度越快，气动阻力越大。它们的关系是，随着速度的攀升，气动阻力成平方增长，如图 3.7。
图3.7 速度与气动阻力关系
1.空气阻力与高速列车的相互关系
列车在运行中受到多个力的作用，其中有空气阻力、上升力、横向力以及纵向摆动力矩、扭摆力矩和侧滚力矩等，而最主要的是空气阻力（图3.8）。特别是高速列车运行速度越快，受到空气阻力也越大，并成平方增加。下面介绍相关概念。
概念一：高速列车的抬升力（也叫上升力，如图 3.8）。列车高速运行时，气流会给列车向上的抬升力，叫高速列车的抬升力。列车速度越快，高速列车的抬升力就越大。要尽量降低高速列车的抬升力，不让高速列车“飞”起来，以保障列车运行的稳定性。
概念二：高速列车的侧向力（也叫横向力，如图 3.8）。列车高速运行时，气流会给列车有侧风带来的侧向力，叫高速列车的侧向力。高速列车的侧向力可能使车头摇摆，运行阻力增加。
概念三：高速列车的压力波。当列车与另一列车会车时，由于相对运动的列车车头对空气的挤压，会使列车侧壁上的空气压力产生很大的波动，叫高速列车的压力波。会车速度越快，高速列车压力波的强度越大。特别是列车通过隧道时，也会引起隧道内空气压力急剧波动。高速列车的压力波产生的冲击力，可造成门窗密封的破坏，也可能引起车里乘客身体不适（这就是为什么当列车会车或过隧道时，我们的耳部会有不适感的原因）。
概念四：高速列车的长细比。车头前端鼻形部位长度与车头后部车身断面半径之比，叫高速列车的长细比。车头前端鼻形部位（鼻子）越长，后部车身断面半径越小，车头的长细比就越大。而阻力系数与长细比直接有关（长细比越大，阻力系数越小）。高速列车的车头前端越长，长细比越大，列车受到的气动阻力就越小。
2.空气阻力与列车速度的关系
高速列车在高速运行时最大的问题，不是它自己的重量，而是空气阻力。空气阻力和高速列车运行速度的关系近似正比于平方关系，高速列车速度提高2倍，空气阻力将增至4倍，即平方关系。如：
（1）当列车以速度100 km/h运行时，空气阻力约占列车总阻力的 50%。
（2）当列车以速度200 km/h运行时，空气阻力约占列车总阻力的 70%。
（3）当列车以速度250 km/h运行时，空气阻力约占列车总阻力的 80%以上。
（4）当列车以速度300 km/h运行时，空气阻力约占列车总阻力的 85%以上。
（5）当列车以速度350 km/h运行时，空气阻力约占列车总阻力的 90%以上。
（6）当列车以速度400 km/h运行时，空气阻力约占列车总阻力的 95%以上。
在高速状态下，高铁列车的牵引动力几乎都消耗在和空气的对抗上了（如高铁用电量，一般用于和空气对抗上）。因此，高铁头型设计必须要降低气动阻力，以节约能耗。在高速列车的设计中，为降低空气阻力，应用仿生学和空气动力学理论来设计高速车型。其简易图如图 3.9。
图3.9 高速列车简易图
3.空气阻力与列车车头的关系
高铁车头的设计问题，主要在于高速列车要面临空气动力学的问题。为了满足空气动力学性能要求，高铁车头在外形设计上形成了一些共同特征：前端鼻形部位呈椭圆形（图3.10）。这种椭圆形设计减少了空气阻力。
图3.10 高铁车头与导流槽
关系一：稳定关系。基于导流槽的高铁车头设计，来保持高速列车运行的稳定性。为了降低气流给列车向上的抬升力，高铁车头通常在两侧设置有导流槽（图 3.10），通过鼻锥到导流槽的引流形式，引导气流产生向下的压力，让气动升力接近于零。高速列车的导流槽就像一双强有力的“手”，牢牢地“抓住”轨道，保障高速列车运行的稳定性。
关系二：阻合关系（即阻力和合力的关系）。基于流线型的高铁车头设计，来减小高速列车的空气阻力。高铁列车基本采用修长的流线型来设计。基于阻力系数和长细比的考虑，跟普通火车相比，高铁的车头更加细长，经常被设计成修长的流线型。这样随着高速列车头部长细比的增大，会车压力波也近线性地减小。
4.案例分析
日本制造的下一代新干线试验列车，以现在的东北新干线E5系列为基础来进行改良，实现的最高速度为 360 km/h。试验列车将搭载更好的防震系统及减噪设备，当时预计试验列车于2019年完成。为了减少空气阻力，新试验车有两个型号：1号高速列车和10号高速列车。如图 3.11。
（1）新试验车的车名：ALFA-X（Advanced-Labs-for-Frontline-Activityin-rail-eXperimentation），表示用于铁路试验前沿行动的先进列车，型式为E956，10辆编组动车组。
（2）新试验车的车鼻子：“前鼻”长达 22 m。单“前鼻子”部分车头比试验速度已破速度600 km/h 的日本 L0 系高速磁浮列车的还要长。如图 3.12。
图3.11 ALFA-X仿真车头
图3.12 ALFA-X实物车头长度的对比分析
ALFA-X方案一：1号高速列车。1号高速列车的头车长度与E5系几乎相近，1号高速列车的“前鼻”部位长达16 m，在抑制进入隧道时的压力波的同时确保了车厢内的空间。如图 3.13。
图3.13 基于“鹰”的ALFA-X的1号高速列车
ALFA-X方案二：10号高速列车。10 号高速列车的“前鼻”部位长达22 m。10 号高速列车的头车长度比 E5 系长 0.7 m，这样可以更好地抑制进入隧道时的压力波。如图3.14。
图3.14 基于“翠鸟”的ALFA-X的10号高速列车
3.1.1.2 高铁车头的设计步骤
基于阻力系数和长细比的考虑，高速列车的车头应该设计成修长的流线型，这样才能提高高速列车运行速度，并建少能耗。因此，在高速列车的设计中，通过抽象、仿真、实验等手段，达到设计高铁车头的目的。“十年磨一剑”，高速列车的设计到应用需要十年时间。高速列车的设计步骤，主要有五步：概念模型、数字模型、修正模型、仿真模型、实物模型。
步骤一：高速列车的概念模型。应用仿生学和空气动力学理论，依据生活中的动物原型，创作多种高速列车头型概念，构建高速列车的概念模型。如中国高速列车的概念设计中，通过对生活考察，选取5种具有速度优势的动物——海豚、鲨鱼、蛇、豹、鹰等来设计高速列车。如表3.2。
表3.2 高速列车的概念模型
方案一：高铁车头的“海豚（Dolphin）”模型。海豚是自然界的游泳高手，所以基于仿生学理论，利用海豚的外形来构建高速列车的概念模型，如图 3.15。海豚（学名：Delphinidae）具有齿鲸类典型的形态学性状：纺锤形的身体等。这样：一方面，海豚游速迅捷，通常最快速度为 40 km/h左右，个别种类的海豚速度可以超过 55 km/h，并能维持很长时间，是海洋中的长距离游泳冠军；另一方面，海豚有着看起来友善的形态和爱嬉闹的性格，在人类文化中一向十分受欢迎。
图3.15 基于“海豚”的高速列车概念模型
方案二：高铁车头的“鲨鱼（shark）”模型。鲨鱼是大海中的捕猎高手，不但凶而且准，所以基于仿生学理论，利用鲨鱼的外形来构建高速列车概念模型，如图 3.16。鲨鱼，在古代叫作鲛、鲛鲨、沙鱼，是海洋中的庞然大物，所以号称“海中狼”。鲨鱼游泳时主要是靠身体，像蛇一样地运动并配合尾鳍像橹一样地摆动向前推进，身体的稳定和控制主要是运用多少有些垂直的背鳍和水平调度的胸鳍。
图3.16 基于“鲨鱼”的高速列车概念模型
方案三：高铁车头的“蛇（snake）”模型。蛇是自然界中的爬行动物，身体具有独特性，所以基于仿生学理论，利用蛇的外形来构建高速列车概念模型，如图 3.17。蛇是四肢退化的爬行动物，它的前行千姿百态，或直线前行，或蜿蜒曲折而前进，这是蛇的结构所决定的。蛇没有四肢，全身被鳞片遮盖，有保护肤体的作用，这是它的独特性。
图3.17 基于“蛇”的高速列车概念模型
方案四：高铁车头的“鹰（eagle）”模型。鹰态雄伟，性情凶猛，动物学上称它是食肉的猛禽类，所以基于仿生学理论，利用鹰的外形来构建高速列车概念模型，如图 3.18。鹰是隼形目鹰科中的一个类群，广义的鹰（hawk）泛指小型至中型的白昼活动的隼形类鸟。与其他肉食性鸟类相同，鹰有非常大而成钩形的喙，有强壮充满肌肉的腿和非常有力的爪。鹰还有极为锐利的眼睛，可以从很远的地方看见猎物。
图3.18 基于“鹰”的高速列车概念模型
方案五：高铁车头的“豹（leopard）”模型。豹是自然界中的捕猎快手，身体敏捷，所以基于仿生学理论，利用豹的外形来构建高速列车概念模型，如图 3.19。豹（学名：Panthera pardus）在 4 种大型猫科动物（其余 3 种为狮、虎及美洲豹）中体型最小，全长 2 m 左右，奔跑速度可达80 km/h。豹可以说是敏捷的猎手，身材矫健、动作灵活、奔跑速度快，性情机敏，嗅觉、听觉、视觉都很好，智力超常、隐蔽性强。豹的长长的尾巴在它奔跑时可以帮助它保持平衡。
图3.19 基于“豹”的高速列车概念模型
步骤二：高速列车的数字模型。有了高速列车的概念模型，就要进一步抽象化，构建高速列车头型的数字模型。空气阻力是影响高速列车运行的最主要因素，因此高速列车车头一般都采用流线型的车头形状，外表面光滑并使玻璃窗与外部齐平，以达最优的空气动力形式。通过对五种动物“海豚、鲨鱼、蛇、鹰、豹”的特性分析，抽取简化，得到相应的高速列车的数字模型，如图 3.20。(www.xing528.com)
图3.20 高速列车的数字模型
步骤三：高速列车的修正模型。根据高速列车的数字模型，利用空气动力学原理，要对高铁车头不断完善，构建修正模型。利用空气动力学原理，比选气动性能较优的高铁车头头型，进一步进行气动优化处理。修正模型主要考虑两方面：一方面是创意优化，即高铁车头造型的特征能够体现出设计的创意；另一方面是应用优化，从经济效益、节能环保等角度考虑，进行多次修正完善。如图 3.21。
图3.21 高速列车的修正模型
步骤四：高速列车的仿真模型。基于高速列车的修正模型，根据仿真数据和美观效果，最终制作几款高速列车车头头型（根据国内外研究成果，建议比例为 1∶8 头型），并对高速列车车头分别做风洞力学试验和气动噪声试验，选取最佳高速列车头型。如图3.22。
图3.22 高速列车的仿真模型
步骤五：高速列车的实物模型。在仿真实验基础上，通过气动噪声、气动阻力参数等考虑，选取最优的高速列车头型。并在设计方案确定后，进入工程转化阶段，得到实体模型，如图3.23。
图3.23 高速列车的实体模型
3.1.1.3 高铁车头的研发过程
高铁车头是辨认不同高铁车型的主要标志，也是国家科技实力的象征。每一列高铁动车，都有属于自己独特的头型。对于高铁动车来说，头型的设计非常重要，也是高铁列车的关键核心技术。所以，高铁车头要“双高”（“颜值”和“科技含量”要高）。所以，为了满足空气动力学性能要求，高铁车头在外形设计上形成了一些共同特征：有效地减小空气阻力，降低能耗，提高运行稳定性和乘坐舒适性。如图3.24。
图3.24 高铁车头（“复兴号”）
图 3.24 是中国第三代高速列车“复兴号”车型。第三代高速列车“复兴号”车体高度从 3.7 m增高到了 4.05 m，车体断面面积增大了 7.3%，它的“身材”更高大了，提升车头气动性能的难度大大攀升。在车体高度和断面积大幅增加的情况下，高铁车头的气动阻力系数和升力系数都实现了降低。
1.高铁头型的研发过程
“十年磨一剑”，高铁头型设计极富有挑战性。高铁车头设计要经历从概念设计，到仿真分析、模型试验和线路实车试验等过程，并要不断循环优化。高铁头型的研发过程比较复杂，主要步骤有：
步骤一 高铁车头的概念设计：从20到10，再从10到5地筛选。首先，基于生活中的设计理念，设计 20 个造型各异的概念头型，并分别制作成了实物模型；其次，在综合分析技术性和工程可实施性基础上，从20个概念头型中选择10个头型；最后，对10个候选头型进行系统仿真分析，从10个候选头型中选出5个车头。
步骤二 高铁车头的风洞试验：从 1∶8模拟，再从5到2，2到1地筛选。将这5个概念头型，全部制作成1∶8的高铁车头模型，去做高铁列车模型的气动力学和噪声风洞试验；然后优选出了2个高速列车头型；最后进行施工设计进行2选1，选取一种最优方案制造成了高铁头型样车。
步骤三 高铁车头的线路试验：构建实验列车，进行线路实验。为了对新高铁头型进行实车验证，特别设计一列搭载新头型的试验列车，进行大量的线路试验。根据试验数据，再对高铁头型进行进一步的优化，最终高铁车头头型正式出炉。
2.案例分析
中国高铁车头具有代表性车型：如“火箭”“青铜剑”“骏马”“飞龙”等车型。它们分别是中车四方股份公司研制的CRH380A、CRHAM、CRH2G高寒抗风沙动车组/CRH2E新型卧铺动车组、“复兴号”CR400AF动车组等。这些高铁车头的诞生，见证了中国高铁不断创新的历程。
案例一 高速列车的设计方案：“火箭”型高铁车头（CRH380A）。方案中的高铁头型取材于“火箭”，表示高铁速度快、力量大。如图3.25和图 3.26。
图3.25 “火箭”造型的演变流程
图3.26 基于“火箭”的CRH380A
“火箭”型高铁车头形状：采用流线造型，水平断面型线为长椭圆型，纵断面型线为双拱形。
“火箭”型高铁车头特征：设计为旋转抛物体特征的楔形结构，降低气动阻力。
案例二 高速列车的设计方案：“青铜剑”型高铁车头（CRH380AM）。高速度试验列车的头型，设计灵感来源于中国古代兵器“青铜剑”，表示高铁快速前行。高铁CRH380AM是高速综合检测动车组，前身为更高速度试验列车。如图 3.27 和图 3.28。
图3.27 “青铜剑”造型的演变流程
图3.28 基于“青铜剑”的CRH380AM
“青铜剑”型高铁车头形状：车头外形犹如一把剑，利剑出鞘，既古典又有威武的气势。
“青铜剑”型高铁车头特征：车头以“剑”造型，突出尖楔形结构，降低了空气阻力。
案例三 高速列车的设计方案：“骏马”型高铁车头（CRH2G是高寒抗风沙动车组；CRH2E是新型卧铺动车组）。高速列车外形设计上，运用仿生手法，以奔驰的“骏马”作为高铁造型来源，表示高铁的力量和速度。如图3.29和图3.30。
图3.29 “骏马”造型的演变流程
图3.30 基于“骏马”的CRH2G
“骏马”型高铁车头形状：高铁头型演变来自马头，提取了骏马的奔驰状态。
“骏马”型高铁车头特征：解决了大断面条件下列车的气动减阻和降噪、大侧风条件下列车运行的稳定性问题。
案例四 高速列车的设计方案：“飞龙”型高铁车头（CR400AF是“复兴号”动车组）。“复兴号”在头型设计中，融入了中国文化中“龙”的形象，表示高铁的中国特色。高铁车头的两条红飘带演变自龙的“髯”。整体造型十分飘逸，又气势如虹。如图3.31和图3.32。
图3.31 “飞龙”造型的演变流程
图3.32 基于“飞龙”的CR400AF
“飞龙”型高铁车头形状：采用修长的流线型来设计，高铁头型的形状叫“单拱椭圆”。
“飞龙”型高铁车头特征：高铁头型的水平断面型线为长椭圆形，纵断面型线由双拱形变为单拱形，有利于降低阻力；鼻锥部分设计为宽扁形，增加向下的引流作用，平衡升力系数。
3.1.1.4 高铁车头的改进理念
1964 年，日本制造了第一辆新干线高速列车，此列车的行驶速度可达200 km/h。虽然速度得到大幅的提升，但是列车在隧道内高速行驶时，会产生巨大的噪声，极大地降低了乘客乘坐的舒适度。为了提高高速列车内部的舒适度，需要对高速列车的结构进行改进。
方案一 基于“翠鸟（Kingfisher）扑鱼”的高速列车改进理念：从源头减少噪声产生。从源头上减少高速列车的噪声产生，基于“翠鸟扑鱼”现象对高速列车设计，进行有效改进研究。日本工程师中津英治发现翠鸟喙状的高速列车车头能有减噪功能，可以从源头上减少高速列车的噪声产生。高速列车穿过隧道时，会挤压车头前方的空气，造成墙壁与列车的互相冲击。而翠鸟在捕鱼时，它的喙就像刀子一般贯穿入水，几乎不激起任何涟漪。所以，基于“翠鸟扑鱼”现象对高速列车进行改进，减小了噪声，提高了高速列车的舒适度。
翠鸟属（学名：Alcedo）的鸟类，属中型水鸟，从远处看很像啄木鸟。因背和面部的羽毛翠蓝发亮，因而通称翠鸟。该属鸟类的特征是：嘴粗直，长而坚，嘴脊圆形；鼻沟不著；翼尖长；尾短圆；体羽艳丽而具光辉，常有蓝或绿色。翠鸟扎入水中后，还能保持极佳的视力，因为它的眼睛进入水中后，能迅速调整水中因为光线造成的视角反差。所以翠鸟捕鱼本领很强。日本工程师中津英治在翠鸟身上得到了灵感，经过多次实验，他发现目前为止像翠鸟喙形状的车头最好，不仅提升了速度、降低了噪声，还节省了燃料，如图3.33。
图3.33 基于“翠鸟”的高速列车设计模型
方案二 基于“猫头鹰（Owl）抓鼠”的高速列车改进理念：噪声产生后马上稀释掉。噪声产生后为了尽快消除，基于“猫头鹰抓鼠”现象，对高速列车设计进行改进研究。日本工程师发现猫头鹰绒毛状的电线连接装置可以降低噪声，原理是猫头鹰飞行产生的噪声能够被羽毛在短时间内有效稀释掉。工程师发现了猫头鹰无声飞行的秘密，它的“无声”是因为翅膀后面的羽毛按照不规则锯齿形排列，于是他们将高速列车与上方供电线连接的装置设计成这种锯齿状结构，大大降低了噪声，提高了高速列车的舒适性，如图 3.34。
图3.34 基于“猫头鹰”的高速列车设计模型
猫头鹰又称鸮、枭，是夜行性鸟类。猫头鹰眼周的羽毛呈辐射状，细羽的排列形成脸盘，面形和眼睛像猫，因此得名为猫头鹰。猫头鹰的听觉非常灵敏，在伸手不见五指的黑暗环境中，听觉起主要的定位作用。猫头鹰在扑击猎物时，它的听觉仍起定位作用。它能根据猎物移动时产生的响动，不断调整扑击方向，最后出爪，一举奏效。猫头鹰在捕食中视觉和听觉的作用是相辅相成的，它正是在各方面适合夜行生活而成为一个高效的夜间捕猎能手。
方案三 基于“隼（Falcon）和沙滩鸟（Beach bird）扑食”的高速列车综合改进理念：从系统工程角度减少高速列车噪声。为了减少高速列车运行的噪声，基于“隼”和“沙滩鸟”的扑食现象对高速列车设计进行改进研究。日本工程师发现隼的嘴特别长，扑鱼时速度极快如闪电一样，空气阻力极小。于是将高速列车的车头设计成长鼻子形，大大降低了空气阻力，提高了运行速度。
隼是白天活动的猛禽，飞翔能力极强，也是视力最好的动物之一。很多隼形目的鸟类也被人们认为具有勇猛刚毅等优良品格，所以有不少国家的国鸟是隼形目的鸟类。沙滩鸟又叫鹬（yù），为水滨鸟类，嘴有长有短，形态各异，具有较强的迁移飞行能力，是世界各湿地的重要组成部分，具有很重要的生态学意义。速度最快的列车“隼”和“沙滩鸟”号属于最新型E5型列车，以车鼻长 15 m 为特点，最高运行速度可达 320 km/h，如图 3.35。
图3.35 基于“隼”和“沙滩鸟”的高速列车设计模型
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