ゲッティイメージズ／時事通信社／寄稿
1990年代、エンジニアの中津英治氏は、日本の高速新幹線の再設計にカワセミのくちばしの細長い形状からインスピレーションを得ました。しかし、最新のものは、まるでカワセミの体の一部のようにも見えます。
ALFA-X（鉄道実験最前線活動のための先進的研究所の略）は、2030年に運行を開始すると世界最速の新幹線となる。最高速度は時速400キロで、現行世代の新幹線より時速80キロ速い。
列車の10両の車両には、屋根の上の空気ブレーキや、レールの近くに設置されて減速を助ける磁気プレートなど、速度の上昇に対処するためのさまざまな機能が備わっている。
しかし、ALFA-Xの最も目を引く特徴は、1997年に中津氏が設計した機体を誇張した、長く伸びた機首部分だ。エンジニアたちは、先週から始まった3年間の夜間試験飛行で、16メートルと22メートルの両方の機首をテストしている。
この先端は、エンジニアが「ピストン効果」と呼ぶ現象の副作用を抑えるために設計されています。ピストン効果とは、列車がトンネルに進入する際に空気を押し出すことで発生する現象です。「ピストンがシリンダーに突入するようなものです」と、バーミンガム大学鉄道研究教育センターの車両空気力学講師であるデイビッド・ソーパー氏は説明します。「列車がトンネルに進入すると、圧力波が発生します。これは列車の形状、長さ、そして速度に左右されます。」
ロンドン地下鉄でピストン効果を体験したことがあるかもしれません。暖かく乾燥した空気がプラットフォームに吹き下ろされるのです。汗をかいた通勤者にとってはありがたいものですが、速度が上がると悲惨な結果を招く可能性があります。旅客駅を轟音とともに通過する貨物列車は、ベビーカーや車椅子を線路上に引きずり込むことが知られています。また、トンネル内のドアは通過する列車の力で吸い込まれることもあります。
列車がトンネルを出る際、急激な圧力低下によって微小気圧波が発生することがあります。1970年代、日本の新幹線は近隣の住宅の窓ガラスが割れたり、最大400メートル離れた場所まで聞こえるソニックブーム（衝撃波）が発生したりといった問題を引き起こしました。「先端部が『奇妙な』形状になっているのは、列車がトンネルに入る際に発生する圧力波の勾配を緩め、トンネル出口での微小気圧波の発生を抑えるためです」とソーパー氏は言います。
列車の先頭部分が平らであればあるほど、トンネル内での圧力波の発生が早くなり、トンネルを出る際に大きな圧力変化が生じます。ALFA-Xの設計では、先頭部分の断面積を小さくすることで圧力波の発生を最小限にしようとしています。つまり、圧力波の発生に時間がかかるということです。理想的な先頭部分の形状は半球形ですが、運転士が座る場所の確保など、現実的な制約から難しいのです。
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この問題に対処する方法は、列車の形状を変えることだけではありません。最も簡単な解決策は、トンネルに近づく際に少し速度を落とすことです。あるいは、線路設計者はトンネルへの「入口」を設けることができます。「トンネルの入り口にトランペットのようなフレアを想像してみてください」とダンディー大学のアラン・ヴァーディ氏は言います。しかし、高速列車が山岳地帯を通過する日本では、トンネル間のスペースが十分でない場合が多く、この方法が機能しないことが多く、頻繁に速度を落とすと移動時間に悪影響を及ぼします。
もう一つの問題は、列車が双方向に走行するため、トンネル入口の形状を最適にすることで、反対側の出口で問題を悪化させてしまうことです。トンネル入口では、微気圧波を消散させるために複数の穴を開ける必要があります。トランペットではなく、リコーダーを想像してみてください。
ヴァーディ氏はまた、ソニックブームの問題は列車の速度が速くなったからだけではないとも指摘している。トンネルの床が、鉄道網の他の部分で使用されている砂利やバラストではなく、コンクリートのスラブで建設されたときに発生し始めたという。
ALFA-Xの独特な形状の利点は、騒音の低減だけではありません。「速度だけでなく、安全性と快適性も向上させたいと考えています」と、東日本旅客鉄道研究開発センター所長の小川一郎氏は試作車公開時に語りました。
ロングノーズには空力面でのメリットがあり、横風の影響を軽減し、抗力を低減することで列車の効率性を高めることができます。ヨーロッパでは、ボンバルディア社がコンピューターモデリングを用いて列車の設計を改良することで、20%のエネルギー削減を達成しました。
形状によって乗客の快適性も向上します。列車の外側の大きな気圧変化は、特に列車の天井とトンネルの天井の隙間が狭い場所では、車両自体にも影響を及ぼす可能性があります。そのため、高速でトンネルを走行すると、耳が詰まることがあります。
バーミンガム大学で、ソーパー氏は、列車が生み出す圧力波が形状によってどのように変化するかをモデル化する高度な技術を駆使したチームの一員です。彼らは、貨物列車の平面がプラットフォームで待機している乗客に衝突するのを防ぐことに取り組んでおり、コンピューターシミュレーションと数値流体力学（CFD）を用いて最適な設計を予測し、その結果をスケールモデルで検証しています。
バーミンガムのTransient Railway Aerodynamics Investigation（TRAIN）リグは、模型列車を駅やトンネル内を毎秒最大80メートルの速度で走行させますが、鍵となるのはコンピューターシミュレーションです。「CFDがなければ、同じ形状に仕上げることは決してできなかったでしょう」とヴァーディ氏は言います。
実際に真空管を繋ぎ合わせた地球規模のネットワークを誰かが構築しない限り、空気力学の重要性は高まるばかりです。「列車の速度を上げようとすると、空気力学の問題が高速化の最大の障壁になります」とソーパー氏は言います。
この記事はWIRED UKで最初に公開されました。
