先頭形状（新幹線車両）

一般に、高速車両の先頭部の形状の決定には空気力学に基づく要素が重要となる。先頭形状が影響する空力的な現象には、走行中の空気抵抗、列車すれ違い時の圧力変動、列車通過時の列車風、空力音による騒音、トンネル微気圧波などがある。新幹線車両も、走行抵抗低減のために空気抵抗が少ない流線形の先頭形状が採用されている。

すなわち、車両の先端を尖らせ、徐々に滑らかな曲線で広がりながら通常客室部分の形状に移っていくような形状である。このような先頭形状を「鼻」や「ノーズ」と呼んだりもする。このように空気抵抗低減を目指した結果、初期の新幹線車両の0系や200系の先頭形状は旅客機の機首に似た形状となった。

一方、新幹線の高速化を進める中で、上記の問題の内、トンネル微気圧波が特に問題となってくる。100N系の設計上の最高速度は270 km/hであったが、微気圧波の問題のためこの速度での営業走行は断念された。また、200系で275 km/h走行を開始するときにも微気圧波が問題となった。

微気圧波の抑制のためには、先頭部の鼻の部分を長くして、先端部から通常客室部分までの断面積が少しずつ大きくなっていくような形状が有効である。

トンネルの多い山陽新幹線で300 km/h運転を達成した500系ではこのような設計が徹底され、先頭車両の車両長の内の3/5を先端部が占めるようになっている。このような長い先頭部採用と視界及びスペース確保を両立させるため、運転台は飛行機の操縦席のようなキャノピー型となっている。

500系の車両の3/5に及ぶ先頭部の長さは、速度向上の成功の要因とはなったが、運転席背後の客室扉の廃止やデッキの廃止、客室面積の減少などの問題も引き起こした。このため、微気圧波の対策を取りつつ先頭部長さもできるだけ小さくする研究が、スーパーコンピュータによる解析や風洞実験を通じて進められ、先端部における断面積の変化率を小さくする以外にも断面積の変化率を一定にすることが有効であることが判明した。

この知見はE1系の開発で最初に取り入れられた。また、鉄道車両の特徴として往復運転を行うので、先頭部が最後尾に位置する場合の空力特性も考慮する必要がある。改善を重ねた結果、700系では「エアロストリーム」と呼ばれる先頭形状が開発、採用された。

これにより、300系と同じ客室面積と座席配置の確保と、運転席背後の客室扉の維持が達成されている。700系をベースにした800系も、一見の先頭部形状は700系と異なるが、断面積変化率は700系と同じに保たれている。

最高営業速度285 km/hの700系から300 km/hのN700系を開発するにあたっては、エアロストリーム型でも不十分だったため、さらに先頭部形状の研究が進められた。遺伝的アルゴリズムも取り入れて最適な先頭部形状を割り出し、エアロストリーム型よりも更に3次元的に複雑な形状となった「エアロ・ダブルウィング」と呼ばれる先頭部形状が開発された。このエアロ・ダブルウィング型の採用により、300系、700系と同じ客室面積、扉配置の維持ができている。