JR N700系新幹線「のぞみ」

N700系の変な形は「ノーズ短縮 + トンネル微気圧波対策」

N700系の最高運転速度は700系を15Km/h超える300Km/h。先頭車の先端が丸みを帯びているのは「先頭形状の長さを抑えつつ、300km/hの高速走行時でもトンネル微気圧波のピークを700系と同程度に分散させるため、トンネル微気圧波の発生に影響の少ない先端部での断面積の増加割合を大きくしたため」となっていました。N700系新幹線のノーズの長さは10.7m、500系より4m以上短縮しています。

新幹線700系電車開発当時の設計手法ではノーズ長を抑えたまま騒音を抑えることは不可能とされていた。そのため300km/hを想定した、後継車両のN700系開発当初もノーズの大幅延長は不可避とされていたが、航空業界の思想である「遺伝的アルゴリズムを積極的に活用する」ことによりノーズ延長を1.5mとごくわずかに抑えた「エアロ・ダブルウィング」形状の開発に成功した。

ja.wikipedia.org:エアロストリーム

現在の新幹線に求められている鉄道車両のデザインは、空力性能より「トンネル微気圧波」対策であり、N700系は「微気圧波ピークの分散という機能を追求した結果、生まれた形状」というわけです。そう言われれば、なるほどと思いますが、デザインに合理性を求めすぎているような気がしないでもない。

JR 700系新幹線

登場した時には、変な形だと思いましたが、N700よりは理解し易い形状の700系。700系新幹線の先頭形状は車両の断面積を一定の割合で変化させる「エアロストリーム」、最高速度285Km/hの営業運転用です。

500系より短いノーズで微気圧波を抑えつつ最後尾になったときの空力安定性も考慮して開発されたのがこのエアロストリーム形状である。なおこの効果は車体前面に受ける空気圧の処理を、300系および500系までの車体上部にすべて跳ね上げる方式から受ける空気圧を車体上部と側面に振り分ける方式に変更することにより達成している。

この形状は、最高速を285km/hに抑えることを条件に極力ノーズが短くなるよう開発されたため、それ以上の速度で走行した場合は基準を上回る騒音を発生する。

ja.wikipedia.org:エアロストリーム

同じ700系でも、JR西日本の「ひかりレールスター」は、先頭車の運転台まわりのカラーリングを変えることで、表情を上手に変えている。

最後にもう一度500系

乗ってしまえば外のスタイルなんて関係ないのかもしれませんが、N700系のように「遺伝的アルゴリズムによって形状を最適化した結果がこれです」ではなく、500系のような美しさとN700系の合理性をうまく融合させたような鉄道車両が登場してほしいものです。

さて、「遺伝的アルゴリズム」によって、空気を押し退ける最適な形状が決定できるのなら、PCに使われる高速の軸流ファンやブロアーファンの風きり音も、このアルゴリズムによって再設計すれば小さくなるのではないか期待してしまう。ところで「遺伝的アルゴリズム」って何？？

トンネル微気圧波

新幹線等の高速列車がトンネルに突入すると、トンネル内に圧縮波を生成し、この圧縮波がトンネル内を音速で伝播する。この波がトンネル出口に到達した時に、トンネル外に放射されるパルス状の圧力波の事をトンネル微気圧波という。

トンネル微気圧波の低減策として、車両断面積を減らす、先頭長を伸ばすなどの車両側の低減策もあるが、 客室の居住性や定員との兼ね合いから制約を受ける。

千葉大学 工学部 都市環境システム学科/ 前野研究室　トンネル微気圧波