高铁车头是怎么设计出来的，背后都蕴含着哪些科技！

行业信息请关注 道路瞭望

发现不一样的土木工程

微信号 | HighwayOutlook

导读

每次坐高铁，都会被那些漂亮的车头所惊艳。车头是高铁给我们的第一印象，是一张张看得见的高铁“面孔”。每当高铁列车从眼前飞驰而过，会让人想到他们是怎么设计出来的？背后又蕴含着怎样的黑科技？

车头是我们辨认不同高铁车型的主要标志。

每一列高铁动车，都有属于自己独具特色的头型。

而事实上，车头不光是高铁的“脸面”，更是高铁列车的一大关键核心技术。对于高铁动车来说，头型的设计非常重要。

在高铁车头这里，“颜值”要高，还要有很高的科技含量。

首先说科技含量。

从技术层面讲，高铁车头的科技含量，主要在于高速列车要面临空气动力学的问题。因为高铁速度非常快，随着速度的提高，周围空气的动力作用会对列车和列车运行性能产生极大的影响。

高速列车空气动力学示意图

列车在运行中受到多个力的作用，其中有空气阻力、升力、横向力以及纵向摆动力矩、扭摆力矩和侧滚力矩等等。

高铁列车所受到的空气动力作用，首要的是空气阻力。

列车速度越快，气动阻力越大。他们的关系是，随着速度的攀升，气动阻力成平方增长。

当列车以时速100公里运行时，空气阻力约占列车总阻力的一半；以时速250公里运行时，空气阻力占总阻力的80%以上；当速度达到350公里每小时，90%左右的阻力来自空气阻力。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。

因此，高铁在高速运行时最大的“敌人”，不是它自己的重量，而是空气阻力。头型设计必须要降低气动阻力，以节约能耗。

高铁列车来自空气的另一个重要“敌人”是升力。

高速运行时，气流会给列车向上的抬升力。速度越快，升力越大。要尽量降低气动升力，让升力趋近于零，不让列车“飞”起来，以保障列车运行的稳定性。另外还有侧风带来的侧向力，可能使车头摇摆，阻力增加。

上述空气动力作用是在一般工况下。此外，高铁列车还要面临两车交会时的交会压力波和通过隧道时的隧道压力波。

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。会车速度越快，会车压力波的强度越大。列车通过隧道时，也会引起隧道内空气压力急剧波动。压力波动产生的冲击力，可造成门窗密封的破坏。压力波会传到车内，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。

可以说，高铁列车这个在地面飞行的机舱，所面对的环境某种程度上比飞机更为复杂。

一个好的头型，必须具备优异的空气动力学性能。具体来说，头型要能有效地减少空气阻力、升力、列车交会压力波和隧道压力波等等，以达到降低能耗、提高运行稳定性和乘坐舒适性的目的。

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。

一个重要的特点是，跟普通火车相比，高铁的车头更加细长，往往被设计成修长的流线型。

为什么？

这是基于阻力系数和长细比的考虑。

长细比，即车头前端鼻形部位长度与车头后部车身断面半径之比。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。

换句话说，车头前端越长，长细比越大，列车受到的气动阻力就越小。而且，随着列车头部长细比的增大，会车压力波也近线性地减小。这就是高铁列车采用修长的流线头型的原因。

细心的乘客还会发现，高铁车头的前端鼻形部位，通常呈椭圆形状。这种椭圆形设计也是为了减少空气阻力。

在空气阻力之外，降低升力也是头型设计重点考虑的因素。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，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。

导流槽就像一双强有力的“手”，牢牢地“抓住”轨道，保障高速列车运行稳定。

除了一些共同特征，现实设计中，高铁车头造型各异。头型一点细微的差异，都可能会有不同的技术性能。

而在技术之外，头型还要好看，“颜值高”，达到技术与艺术的完美融合。可以说，高铁的头型设计极富挑战性。一个打“高分”的车头，必定要经过千锤百炼。

下面介绍4个高铁车头：

“火箭”、“青铜剑”、“骏马”、飞龙”

它们来自中国高铁的代表性车型，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。

这些高铁车头的诞生，是一次次精雕细琢的过程。这一张张“中国面孔”，也见证了中国高铁不断创新的历程。

“火箭”

车 型： CRH380A

诞生过程：

高铁的头型设计，是一次次“技术雕刻”的过程。一般来说，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，不断循环优化

CRH380A研发时，最初设计了20个造型各异的概念头型，分别制作成了实物模型、三维数模。在综合分析技术性、文化性和工程可实施性后，选择了10个头型进入候选。

然后对候选头型进行仿真分析，进行了超过300个工况的空气动力学仿真计算。根据仿真结果，从10个候选头型中选出了5个。

接着是风洞试验。将这5个头型全部制作成1:8的模型，送到风洞试验基地，去做模型的气动力学和噪声风洞试验。

模型风洞试验

由于高铁列车具有长编组、近地运行的特点，列车模型风洞试验和飞行器的风洞试验不同，为了确保试验数据的准确性，研发人员克服了很多试验难题。在风洞试验基地，前后对5个头型进行了760个不同运行环境的气动力学试验，以及60个工况的噪声风洞试验。

结合仿真计算和风洞试验结果，优选出了2个头型。然后进行施工设计，选取一种最优方案制造成了头型样车。

最后是线路试验。为了对新头型进行实车验证，特别设计了一列搭载新头型的试验列车，在郑西、武广高铁进行大量的线路试验，完成了 520个测点的 22项线路测试。根据试验数据，再对头型进行进一步的优化，最终CRH380A的头型——“火箭”正式出炉。

“火箭”造型的演变

头型特色：

造型概念取材于“火箭”，寓意腾飞的速度和力量。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。司机室轮廓进行截面优化，设计为旋转抛物体特征的楔形结构，降低气动阻力。

经过“层层选拔”的“火箭”头型，自然是超级“优等生”。

它的各项技术性能优异：气动阻力减少6%，气动噪声下降7%，列车尾车升力接近于0，隧道交会压力波降低20%，明线交会压力波降低18%。

“青铜剑”

车 型： CRH380AM

CRH380AM高速综合检测动车组，前身为更高速度试验列车。落成于2011年，是为开展更高速度条件下的基础理论研究和技术探索而研制。

"青铜剑”造型的演变

更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”。车头外形犹如一把剑，利剑出鞘，既古典又有威武的气势。

车头以“剑”造型，突出尖楔形结构，实现了降低阻力。

“骏马”

车 型： CRH2G高寒抗风沙动车组

CRH2E新型卧铺动车组

“骏马”造型的演变

外形设计上，运用仿生手法，以奔驰的“骏马”作为造型来源。头型演变自马头，提取骏马的速度与力量感。

在技术上，重点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。

“飞龙”

车 型： “复兴号”动车组（CR400AF）

“复兴号”的头型设计一开始就面临着巨大挑战。因为跟既有动车组相比，“复兴号”的外形有了很大改变。车体高度从3.7米增高到了4.05米，车体断面积增大了7.3%，它的“身材”更高大了。这意味着，提升车头气动性能的难度大大攀升。

研发人员最初设计了46个概念头型。通过综合评估，从里面选出了23个头型方案进入工业设计。再从中挑选出7个头型，进行精细化的仿真计算。之后，全部制作成1:8的缩比模型，拿到风洞实验室去做气动力学和气动噪声的风洞试验。通过循环优化、反复评估，最终决胜出了“复兴号”的头型方案——“飞龙”。

“飞龙”造型的演变

“复兴号”的车头造型很有特色。中国人长一张中国的脸孔，中国的车也要长一张“中国范”的脸孔。“复兴号”在头型设计中，融入了中国文化中“龙”的形象。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。

技术上也独具一格。采用修长的流线型设计；头型的形状叫“单拱椭圆”，即水平断面型线为长椭圆型，纵断面型线由双拱型变为单拱，有利于降低阻力。鼻锥部分设计为宽扁型，增加向下的引流作用，平衡升力系数。

有这么一组数据：

“复兴号”运行阻力降低12%，当它以时速350公里运行时，人均百公里能耗下降17%，往返一趟京沪可节省5000度电。这背后，低阻力的头型功不可没。在车体高度和断面积大幅增加的情况下，车头的气动阻力系数和升力系数都实现了降低。

“火箭”、“青铜剑”、“骏马”、“飞龙”

个个颜值与才华兼备！

忍不住点个大写的赞！

那么问题来了

这4个高铁头型，你pick谁？

在评论区留言，选出你最喜欢的头型

文=道路瞭望

@版权声明：素材来源网络，转载请注明出处。如有侵权，请联系删除。

--与【道路瞭望】一起奉献土木工程--

-- 商务合作，QQ：1205205530 --

--小编微信：daolueditor --

往期精选：

■40年黔路传奇 贵州交通建设不疯魔不成活!

■中建、中交、中电建、中能建、中铁、中铁建、中冶一次整明白!

■发改委一月批复轨道交通项目10889亿!轨交的春天来了?

■中国公路桥梁建设的历史性成就

■变截面连续梁桥设计，那些容易遗漏的一些技术