為什麼空客A380以800km/h速度運行,但機頭可以這麼「胖」,crh380A最高運行速度400多,但車頭卻要這麼尖?


就沒有人答到點子上嗎?高鐵的車頭同是也是車尾這個真的就沒有人考慮到嗎?
高鐵的車頭尖有兩個原因
1. 當車頭時,高鐵需要穿隧道,尖頭穿隧道時比平頭要穩定得多,這一點飛機是不需要考慮的。
2. 高鐵的車頭車尾一樣,車尾尖對於減阻的意義比車頭尖要重要的多,你看哪個客機的機尾不是尖的?客機的機尾比高鐵車頭可要尖多了。說實在的300多公里的時速,如果不考慮穿隧道的話,空氣幾乎不被壓縮,車頭基本上沒必要這麼尖的,大多數氣動考慮還是針對作為車尾時如何減阻來考慮的。


話說,有些答案和評論太荒唐,不得不站出來說一下。
我從來沒有否認過高鐵運行時鐵軌帶來的巨大阻力啊,但是鐵軌的阻力跟尖頭有半毛錢關係?說的好像尖頭能減少鐵軌帶來的阻力似的。。。另外有人說高鐵的造型要考慮什麼空氣下壓力,飛機不用,開玩笑,飛機不過是和高鐵相反,要用速度換取升力,去查一下升阻比這個詞吧。。。


亞聲速下最佳的空氣動力是圓頭和眼淚狀尾,並非尖頭。尖頭在亞聲速巡航的時候並沒有圓頭經濟性好,意義於在隧道里避免激波,減小噪音。

1、阻力
首先從空氣動力學上來說,亞聲速的相對氣流流過尖頭後更容易產生氣流分離,顛簸和阻力。下圖是各種形狀的物體的阻力係數,可以看出最小的是機翼面,接下來球形,接下來才是子彈。阻力係數圓頭比子彈頭要小。亞聲速條件下,圓頭的阻力比尖頭要小,從舒適的角度考慮和巡航速度下經濟型考慮的話高鐵完全沒必要用尖頭。但是加下來考慮到的隧道產生的音爆會造成影響。

類似的問題還有大型船舶的球鼻型船頭。雖然看起來光滑,鋒利的船頭以巡航速度行駛時能在最大程度上削減水的阻力,事實上用球鼻型船頭的設計要比傳統的尖頭設計減少10%的阻力。10%對於這麼大的船也好,飛機的燃油是大大的利潤啊。這也是為什麼民航飛機選擇圓形的機頭的原因之一。

2、超音速條件下的情況
坐高鐵的時候大家都知道會穿隧道,在高鐵駛出比較窄的隧道時,會產生超音速氣流,聲音上有點類似於戰鬥機的音爆,但是產生又不一樣。在隧道里,大量空氣被壓縮,空氣沒有辦法散開。高鐵駛入窄隧道時,產生一個很大壓力的激波,激波是超音速氣流,會在高鐵到達隧道出口前產生一個向各個方向傳播的音爆。隧道附近的王大媽心臟不太好,正在家門口剝毛豆呢,突然聽到巨大的音爆,那不得出事啊。為了解決這個問題,我朝工程師們自主研發了現在的高鐵車頭,當然了,也用了更大的隧道。當然了,大媽不要擔心高鐵會到音速,這個只是跨音速嘛,相對地面的速度還是350KM/H,只不過局部氣流的問題比較大,相信曙光們不會讓音爆發生的。
學過超音速空氣動力學的童鞋都知道越尖的前緣超音速性能越好,所以超音速的戰鬥機們都木有呆萌呆萌的圓頭。機頭、機翼都是冷峻的尖頭啊,因為這樣能夠在飛機跨音速時減小激波分離、阻力。所以380作為高亞音速客機不會用尖頭的,尖頭在音速以下巡航阻力大,更容易顛簸,哼!差評!


這個只能說原型車是這樣的,所以才設計成這樣的,跟空氣動力學有關係,但也不是絕對的,給你看一組圖吧:

CRH1:最高運營速度250km/h,扁扁的車頭。

CRH2:200-350km/h運營速度,車頭尖。

CRH3:350km/h運營速度,不太尖。

CRH5:最高250km/h速度,扁扁的。

CRH6:跑城際線路用的,不尖也不扁

CRH380系列(速度都是380km/h)
CRH380A:就是題主你說的那種車,因為它是在CRH2C基礎上設計的,所以跟CRH2一樣尖,A車過隧道時體驗比B車好

CRH380B:這個車基於CRH3C研製的,所以跟CRH3長得像,但不尖

CRH380C:(左側的就是它),也是基於CRH3C,所以跟上面的差不多。

CRH380D:也不太尖,這個似乎車很少見(反正我沒坐過)

所以火車也不是每個都那麼尖。

而且飛機也有更尖的啊,比如這貨:


380A流線型這麼長主要有幾個原因:第一高速運行時氣動升力和脫軌係數等安全性指標不能過大,第二為減小空氣阻力,第三需要一定空間安放一些設備,如車鉤等,第四結構美學需要


樓上高能太多,我只想弱弱說一句,A380飛800真不算快,1000+都常見


讓張曙光自己說:


這是380A…日本川崎的造型。380B、C頭就沒這麼尖…說白了是一種設計而已


作為一個從事工作跟高速鐵路有點關係的人,談談自己的看法,高鐵列車是編組的,不像以前的電車,到站後車頭與車身分離,鏈接到車尾變成車頭,所以高鐵兩邊都是駕駛艙,要設計成對稱的,高速列車運行中受到的阻力由空氣阻力,輪軌阻力等構成,空氣阻力佔到70%以上比例,空氣阻力又由車頭風阻,車下轉向架阻力,車身與空氣摩擦阻力(大家能看到的部分基本都是光滑的),受電弓阻力,車頭與車尾形成的氣壓差阻力(車頭擠壓空氣,車尾高速脫離空氣形成渦流,從而形成的壓差),而且列車編組長度過大需要克服橫向風力,克服從列車正面的上升力,這兩個力是影響到行駛安全的,所以看到高架橋的兩側都有圍欄,就是阻擋橫向風,該說正點了,高速列車頭流線型設計是經過風洞試驗的,在風阻上面一定是最優化的,這點毋庸置疑,車頭尖端高度較低,可以有效降低上升力,高速列車最不缺的是空間,設計成尖端形狀對空間和能源消耗沒有任何影響,有數據統計每公里能源消耗如果軌道列車是1的話,飛機是10,飛機設計成尖端對空間和重量都是不利的,而且飛機在高空飛行,經歷的空氣密度是不同的,如果尖形機頭帶來的上下左右顫動要比圓形機頭嚴重的多。此外,高速列車車頭最前端半圓形位置集成車鉤緩衝裝置(有看過16節車廂編組的動車組吧,第89節鏈接處就是車鉤,車鉤裝置需要列車前面是尖尖的),車鉤後面是雷達,雷達後面是整套電氣控制系統,這些都可以充分利用流線型車頭的空間,而飛機無車鉤,除雷達外,電氣系統可以集成在駕駛艙下部。高鐵和飛機發展到今天,外形改進空間已經很小了,這個成熟的外形一定是經過方方面面的考慮得以定型,並不是簡單一兩個原因,我肯定回答的也不全面,文筆不好,思緒較亂,請大家海涵


萬米高空的大氣壓大概只有地面的1/4


高鐵還要克服氣動升力呢。看一下另一位答主的圖,發沒發現高鐵的車頭的尖端都非常低?


火車太長。你看下水滴形狀,飛機更接近這個


CRH380A就是尖鼻子 ,讓你看看什麼是尖鼻子的高鐵
先來兩張CRH500 順便緬懷下劉和張

老是想搞個大新聞 讓你看看日本的鞋拔子高鐵
E954型

東北新幹線E5系「隼號(Hayabusa)

車頭設計師複雜的事情 大概要考慮 考慮的實驗就有
車體靜強度試驗
實車試驗
不同速度下明線交會試驗(測量交會壓力波、客室內壓力變化);
不同速度下過隧道試驗;
車體表面壓力分布試驗;
冷卻風道百葉窗處的壓力測試;
空調進、排風口位置壓力測試;
新風口空氣流向、流速測試;
不同速度下對交會列車的氣動性能影響測試。
不同速度下列車通過站台的安全避讓距離測試。

已前面的380C為例子
大概給大家看個車頭選型過程
概念設計階段和氣動方案的初步設計

方案據說是找發達資本主義國家搞的工業設計

氣動的計算是交給中科院

上面是380B 下是CRH380C 的方案之一

工藝的部分就不方便貼圖 去看@ 明暗
張總工和Discovery記者侃侃而談的那一期吧。

最後回答題主的問題 CRH的頭型是 計算出來的 風洞出來的 實驗跑出來 領導和專家選來的


動力不是一個檔次的


先看一下wiki上世界各國高鐵的照片:

其實像380某型這麼尖頭的並不多見,多數都還比較圓潤。即使是表中能飆到400-500km/h的幾個,造型也不誇張。

然後,樓上各位談空氣動力學的各位講的都不錯,但是忽略了一個基本的要點:
飛機在天上飛,你可以認為上下都是均勻的無限大空氣
火車緊貼地面跑,這個巨大的無滑移邊界的存在會顯著的改變整體的空氣動力學特性,你不能簡單的沿用不可壓無限大均勻來流條件下水滴型阻力最小這個結論,雖然基本原理是一樣的。在地面存在時,合理的外形多數趨向於楔形,下表面緊貼地面並且包裹好輪轂。很多超跑的設計和這個差不多。


另一方面,車頭外形並不是完全由空氣動力學決定的,駕駛員視野、造價、氣動噪音等等都會影響設計。基於題主舉例的型號非常獨特的尖車頭,我傾向於認為設計團隊有一些獨特的考慮,並不一定是完全由空氣動力學決定的。當然也有可能反過來是只有380某型貫徹了空氣動力學設計而其他型號都有所妥協,在有具體數據公開之前並不好簡單的做判斷。

其實說白了就是我也不知道為什麼380A要這麼尖。。。。由於中國高鐵超多的隧道,利用尖頭改善過隧道性能是一個可能的解釋。


其實很多人真的沒必要強答的。某些答主的空氣動力學學成這樣你們老師知道么……


恰好問過鐵路人士這個問題,得到的回答如下:高速機車車頭的尖頭設計,有利於高速行駛中的穩定性,強大的風壓會產生向下的作用力,增強車輪與鐵軌的接觸,尤其是在過彎道時保證車頭穩定,不用進行太大的減速。其原理和F1賽車的設計道理一致。你看同樣是尖頭設計,為毛船的尖頭就是向上的呢?因為船要的是升力,便於破浪,機車的尖頭如果也那樣,跑沒多遠就翻車了啊。


很好的問題,答不上來,但可以否定一大票回答,有個讀流體力學的姐,她跟我提過:
所謂的流線型不是目測的流線,不一定越尖空阻係數就越小,跟車輛或飛行器的整體形狀相關,頭部盡量和整體相適應,而不是一味削尖腦袋


題主所說的A380有800Km/h的速度其實是地速,並不是相對空速,而380A達不到這個速度完全和頭尖不尖一毛錢關係也沒有,主要是從高度層的空氣動力學分析

就說一下為什麼A380會得到800+Km/H,甚至更高。這個800Km/h是怎麼得到的呢?

譬如如一台A380在東飛FL370或者西飛FL380的巡航高度上,得到的相對地面速度是800Km/h(大概是444.4節的速度吧),因為駕駛艙基本上所有數據都是用節單位表示。

我用一個波音777-300ER的儀錶說明一下

這個是波音777-300ER 的導航儀錶,正在處於東飛FL370的巡航高度上(37000FT),注意上面有三個數據

(1)TAS:真空速,他是怎麼來的呢?我們可以接著看一個圖

左邊上面藍下面屎黃色的叫做電子人工地平儀,左邊的數據叫做相對空速,例如在巡航高度FL370時候,飛機相對FL370空氣的速度,主要用空速管測出來,(出來的圖有點BUG,因為是FSX回放的截圖,本來是有數據的,忽視把,就用來解釋下什麼是相對空速)

回到剛剛的問題,真空是怎麼來的?

就是當前空速進行一定的計算,得到相對當前海平面修正氣壓下的空速(例如我現在的飛行高度為FL370,相對空速是270節,在經過電腦計算得到了492節的真空速。)但是這個真空速,並不是相對地面的速度,除非是靜風狀態。

(2)255°/152:這個為風向數據,意思是從磁航向255°吹來152節的風

(3)GS:這個就是地速,他的數值就等於真空速TAS+經過COS(X)計算出飛機前進方向上的分量,也是所說的順風或者逆風,順風是+,逆風是-,一般風都是有一點夾角的,需要算出正分量數據,也就是相對地面的速度,)也就是A380 800Km/h的數據。(圖一有152節從255°磁航向吹來的風,經過計算,得到了601的地速,所以當前的速度是601*1.8=1081Km/h。。。。)

那為什麼相對空速只有270節確能有490多節的真空速?

就是因為在37000尺的高度空氣是非常非常稀薄,密度小,可以理解為飛的更快或者吸得更多的空氣才能足以達到270節的相對空速。

圖三是在1000尺時候的情況,可以看出,相對空速和真空速已經沒有太大差異的,因為飛行高度低,空氣密度大。

所以,題主所說的A380有800Km/h的速度其實是地速,並不是相對空速,而380A達不到這個速度完全和頭尖不尖一毛錢關係也沒有,主要是從高度層的空氣動力學分析,如果你能把高鐵弄到37000尺跑的話,他可能比A380還快(猜測)

PS:A380 800Km/h的速度其實已經很慢了,大概是逆風巡航時候的速度(444.444444節)


最頂上 @謐藍 的答案對高鐵尖頭的解釋已經很完整了,我就來解釋一下為什麼A380是鈍頭。

先不說為什麼,我先上兩組照片。
第一組

===========第二組 分割線==============

看完這兩組圖,估計聰明一些的應該已經想明白了。
上面兩組圖都是亞音速噴氣式飛機,飛行速度範圍基本一致,第一組都是很鈍的圓頭,第二組都是類似高鐵的尖頭。
原因很簡單,第一組都是寬體大型飛機,頭錐要想做出第二組那樣的形狀來,會在機頭上加一個巨大的尖錐,增加非常多的重量,把機頭粗略的當作圓錐形,當圓錐頂角不變的情況下,表面積和底面直徑成平方關係增加,考慮到不止有蒙皮,還要增加相應的框架結構等,這樣為了減少空氣阻力而付出的重量代價實在是太大了,已經足以抵消所帶來好處。除了重量外,尖頭增加的機頭長度不但會造成飛機在機場滑跑時的不便,狹窄圓錐內的空間也很難得到有效利用。
而第二組圖的公務機,本身重量輕體積小,做出這樣一個尖頭所增加的絕對長度和重量都有限,機頭形狀所減少的阻力遠大於本身結構重量所增加燃油消耗,所以都儘可能的做成比較尖的形狀。在加一個附加思考題,為什麼第一組的發動機都在機翼下,而第二組照片的發動機都在機尾?


大概算了一下,380A的噸功率約為190千瓦,A380的噸功率則在600千瓦以上。


推薦閱讀:

為什麼自行車在運動時反而比靜止更容易平衡?
通識課碰到反相對論的非物理系教授怎麼辦?
家境普通的姑娘想學物理或數學,怎麼看?
為什麼我在學習完麥克斯韋方程組後並沒有感覺很驚訝?
大家知道的最長(複雜)的公式是什麼?

TAG:高鐵 | 物理學 | 航空 |