新幹線N700Sの先頭形状は「デュアル スプリーム ウィング」形と呼ばれる(撮影:尾形文繁)

JR東海の次期新幹線車両N700Sがまもなく試験運転を開始する。その先頭形状は、現在の主力車両N700系にさらに磨きがかかった印象だ。

時速200km以上で走り続ける新幹線のトレードマークともいえるのが流線型の先頭部だ。先頭部の形状はスピードアップとともに変化してきた。しかし、なぜ最新の新幹線電車の先頭部形状は航空機のようなシンプルなものではなく、複雑なものとなっているのだろうか。

新幹線のスピードアップに大きく関係してくるのが空気抵抗だということは誰もが思い浮かぶことだろう。時速130km程度の速度域ならば力任せに走ることもできるが、時速200kmを超える速度域では空気抵抗が非常に大きくなるため、流線型の先頭部が必須なのは言うまでもない。

しかし空気抵抗の低減以外にも新幹線の先頭部形状を決定づける要素がある。そのひとつが「トンネル微気圧波」の低減である。

トンネル微気圧波を減らす

トンネル微気圧波とは「トンネルドン」とも呼ばれる騒音の一種である。新幹線がトンネルに進入すると、トンネル内の空気が圧縮され、トンネルの出口で破裂音を出す。空気鉄砲で言うところのシリンダーがトンネル、ピストンが新幹線だと思うとわかりやすい。

トンネル微気圧波を低減させるための手法のひとつは、車体の断面積を小さくすること。こうすればトンネル内の空間が広がり、空気の圧縮効果を低減させることができる。2階建て新幹線E1系、E4系を除く300系以降の新幹線電車の屋根高さが、100系よりも約40cm低くされた理由のひとつでもある。500系に至っては両肩と裾をそぎ落とした円筒形の車体を採用して話題を呼んだ。

設計最高速度に応じて先頭部の長さも決まってくる。1990年代半ばより鉄道車両にも数値流体力学(CFD)による解析が導入されるようになり、適切な先頭部の長さを得られるようになった。

営業用新幹線電車でCFDを最初に導入したのは500系で、1996年に先行車が登場した。500系は最高時速320kmで設計されており、当時前例がなかった15mという長さの先頭部が採用された。現在はE5系、H5系でも15mの先頭部長さを採用している。

15mを超える先頭部の長さは営業用車両では登場しておらず、JR東日本が試作したフル規格の試験車両E954形「FASTECH360S」の1号車、8号車と、ミニ新幹線の試験車両E955形「FASTECH360Z」の16号車に採用された16mが最長だ。


E5系の先頭形状には「FASTECH360」の知見が生かされている(筆者撮影)

フル規格の「FASTECH360S」では、1号車に流麗な「ストリームライン」、8号車に複雑な形状の「アローライン」を採用。比較試験の結果「アローライン」に軍配が上がり、E5系の開発に生かされた。

ミニ新幹線の「FASTECH360Z」は両先頭車とも「アローライン」の先頭部形状を採用したが、車体断面積がフル規格新幹線よりも小さいため、その分先頭部の長さを短くすることができると考えられた。そこで11号車の先頭部の長さを13m、16号車を16mとして比較試験を実施している。そしてE6系では13mの先頭部長さを採用した。

先頭形状が複雑な理由

このように先頭部の長さは最高速度と環境性能の兼ね合いが関係しているわけだが、ここで気になるのは「FASTECH360」アローラインや、E5系、E6系の先頭部の形状が複雑なことだ。いや、500系もよく見ればなかなか複雑な形状をしている。これには断面積変化率が関係してくる。

先頭部の断面積は先端から車体中央へ向けて大きくなるわけだが、この変化率をできるだけ一定とすることが、トンネル微気圧波の低減には有効だと言われている。

それならば鉛筆の先のような先頭部形状にしてしまえばいいのか、というと実はそんなに単純ではない。台車のある部分からは裾の幅を最大値にしなければならない。また運転台の窓ガラスを必要以上に寝かせてしまうと視界が悪化するため、運転台部分をキャノピー形状に膨らませる必要がある。これらの部分についてはほかの部分の膨らみ方を抑えるなどの工夫をして、グラフ上の断面積変化率を一定にしている。


空気を切り裂くような形状をした500系(筆者撮影)

なお、空力解析が未熟だった500系の時代は先端部を尖らせて空気を切り裂くような形状としていたが、その後の空力研究では、先端部を少し横に膨らませて丸みを持たせたほうがいいという結果が出ている。そのため、E2系、E3系では先行車の先端部が尖っているのに対して、量産車では丸く膨らんでいる。

1997年に先行試作車が登場した700系は、300系と客室設備、ドアの位置、居住性などを合わせるための先頭部形状を模索した。その結果先頭部の長さが8.7mと短くなり、山陽新幹線での最高速度も時速285kmに抑えられる結果となった。なお、量産車では運転台を拡大したため、先頭部の長さが9.2mに延長されている。しかし最高速度は時速285kmで変わらない。

700系といえばあの「カモノハシスタイル」の先頭部形状に尽きる。これは先頭車が最後尾車両となった際に、乱流による車体の動揺も先頭部の形状で空力的に抑制しようとしたものだ。


カモノハシと呼ばれた700系の先頭形状(撮影:尾形文繁)

700系の先頭部をデザインした福田哲夫氏によれば、先頭部の左右に膨らんだ部分を飛行機の水平尾翼、運転台部分を垂直尾翼に見立ててデザインしたものだという。その先頭部形状の効果とセミアクティブサスペンションの採用もあり、700系の最後尾車は当時最も揺れが少ないと言われていたという。

700系ではスピードと居住性と乗り心地をある程度並立させることができた。しかし最高速度を時速300kmにするために、N700系では700系の「エアロストリーム」形状を改良し、遺伝的アルゴリズムによる解析で「エアロダブルウィング」形状を生み出した。


N700系の先頭形状は「エアロダブルウィング」形と呼ばれる(撮影:梅谷秀司)

先頭部長さは10.7mと500系よりも4.3mも短いが、先頭車の客室部分の屋根高さを3.6mと中間車よりも10cm、500系よりも19cmも低くすることで、時速300km運転時の騒音レベルを低減させた。余談だが、N700系の設計最高速度は時速330kmであり、国内で時速321kmの記録を出しているが、現時点で国内の騒音レベルを満たせているのかどうかは公表されていない。

エッジを立てて風の流れを分ける

N700Sの「デュアル スプリーム ウィング」形状は「エアロ ダブル ウィング」をブラッシュアップしたもの。エッジを立てることで風の流れをより明確に分けて整流することを狙っているものと思われ、最後尾の振動がより低減されることが予想される。


北陸新幹線E7系、W7系の先頭形状は比較的シンプル(撮影:梅谷秀司)

アグレッシブな先頭部デザインが増えた新幹線。その一方で最高速度が時速260kmと控えめな北陸新幹線E7系、W7系は長さ9.1mのシンプルな「ワンモーション」デザインを採用。ただし、時速275kmでの走行が可能な性能を持つ。九州新幹線800系も700系がベースだとは思えないほどシンプルなスタイルを採用しているが、安心感があるのか、このスタイルが好きだという人も多い。

2019年にはJR東日本が時速360km運転を目指した次世代新幹線試験車両E956形「ALFA-X」を登場させる。先頭部形状も2タイプが比較される模様だが、どのようなスタイルになるのか興味深いところだ。