每次坐高铁，都会被那些漂亮的车头所惊艳。车头是高铁给人的第一印象，是一张张看得见的高铁“面孔”。当高速列车从眼前飞驰而过，常会让人想到它们是怎么设计出来的？背后又蕴含着怎样的高科技？
空气动力学下的设计“密码”
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。
一个重要的特征是，跟普通列车相比，高速列车的车头更加细长，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。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。这就是高速列车采用修长的流线型车头的原因。
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。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要重点考虑的因素。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（车头前端的鼻形部位）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。
“高分”车头设计秀
高速列车的头型设计，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。
“火箭”“青铜剑”“骏马”“飞龙”，这些高铁车头是中国高铁的代表性车型。它们的诞生，是一次次精雕细琢的过程。这一张张“中国面孔”，见证了中国高铁不断创新的历程。
“火箭”的车型是CRH380A（和谐号动车组）。研发时，最初设计了20个造型各异的概念头型，分别制作成实物模型、三维数模。在综合分析技术性、文化性和工程可实施性后，有10个头型进入了候选。
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。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进行大量的线路试验，完成了520个测点的22项线路测试。据试验数据，再对头型进一步优化，最终，CRH380A的头型——“火箭”正式出炉。
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0，隧道交会压力波降低20%，明线交会压力波降低18%。
“青铜剑”的车型是CRH380AM（高速综合检测动车组）。这款头型的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，实现了降低阻力的目的。
“骏马”的车型是CRH2G（高寒动车组）和CRH2E（新型卧铺动车组）。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”的车型是CR400AF（复兴号动车组）。这款头型的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，从中选出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，最终决出复兴号的头型方案——“飞龙”。
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形，纵断面型线由双拱变为单拱，有利于降低阻力。鼻锥部分设计为宽扁形，增加向下的引流作用，平衡升力系数。
复兴号运行阻力降低了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。
除技术之外，高速列车的头型还要“颜值”高，达到技术与艺术的完美融合。可以说，头型设计极富挑战，一个打“高分”的车头，必定经过千锤百炼。
（文/图：梁建英 国家高速列车技术创新中心主任）
