726. Shinkansen – Niềm tự hào của châu Á trong ngành công nghiệp đường sắt thế giới (Phần 4)

Xem phần 1 + 2

Xem phần 3

Xem phần cuối

levuongthinh

Phần 4 – N700 series NOZOMI và E5 series HAYABUSA

Nội dung sẽ nói đến các phần công nghệ bao gồm: đầu tàu; cấu hình của máy; thân tàu và cuối cùng là toa tàu hạng nhất Granclass trên E5 series.

1. Đầu tàu:

Sự phát triển của Shinkansen theo từng năm đi kèm với sự đổi mới không ngừng về công nghệ, rõ rệt nhất là sự thay đổi thiết kế bên ngoài mà chúng ta dễ dàng nhận biết nhất chính là phần đầu tàu. Ngoài mục đích cơ bản nhất là giảm sức cản của không khí, còn có các vấn đề khác như giảm áp suất khí quyển trong các đoạn đường hầm, biện pháp khắc chế sự run lắc của phần đuôi, môi trường điều khiển của nhân viên lái tàu phải có được sự đảm bảo về tầm nhìn bao quát… là nguyên nhân hình thành hình dáng đặc trưng “mũi dài” của Shinkansen ngày nay.

Đối với vận tốc cực nhanh trên 300km/h của Shinkansen, thì biện pháp giảm tối thiểu lực nén áp suất sóng phát sinh khi chạy vào các đoạn đường hầm xuyên núi là vấn đề quan trọng bậc nhất. Khi đoàn tàu vừa đi vào cửa hầm bên này với tốc độ trên 250km/h sẽ phát sinh một lực ép cực lớn, khiến cửa bên kia hầm sẽ nảy sinh một vụ nổ như nổ mìn, có thể khiến khu vực xung quanh gần đó run lắc như động đất. Do vậy, cửa đường hầm được xây lớn hơn so với các tuyến xe điện bình thường, nhưng để giảm áp suất phát sinh thì như vậy là chưa đủ. Những vấn đề này đều được giải quyết khi thiết kế “mũi dài” ra đời. N700 series có thiết kế với chiều cao 3,600mm, phần mũi dài 10.7m. E5 series có chiều cao 3,650mm, phần mũi dài 15m. Nếu đem so với các thế hệ ban đầu như 0 series hay 200 series với chiều cao là 4,000mm thì ba thế hệ này thấp hơn nhiều, nhưng do tốc độ của ba thế hệ này đều trên 300km/h nên thiết kế mũi dài là tối ưu nhất hiện tại. Các nhà thiết kế đã phải hy sinh không gian ghế hành khách của toa đầu và toa cuối, vẽ ra một thiết kế vừa mang tính khí động học rất khó như những chiếc xe F1, vừa phải mang tính thẩm mỹ cao.

N700 series có phần hơi giống với thế hệ cũ 700 series, sự khác biệt dễ nhận thấy là N700 series hơi mập mạp và có mũi dài hơn, còn 700 series thì ngắn và dẹt. Cả hai thế hệ này đều có toa đầu dài bằng nhau với kích thước 27,350mm, N700 series có mũi dài hơn 1.5m, nhưng do khoảng cách giữa các hàng ghế trong toa đầu được rút ngắn lại 17mm xuống còn 1,023mm, nên số ghế trong toa đầu tiên vẫn là 65 ghế như thế hệ cũ 700 series. N700 series có thiết kế theo kiểu dáng Aero Double Wing, mô phỏng theo hình dáng một con đại bàng lúc giang cánh. Hình dáng này có được từ việc các nhà thiết kế phải áp dụng thuật toán di truyền (Genetic algorithm), rồi sử dụng máy tính mô phỏng lại trên 5000 lần mới cho ra được thiết kế cuối cùng. Hai bên của phần mũi bị khuyết vô chính là thiết kế quan trọng nhất nhằm giúp cho cả đoàn tàu khi đạt tốc độ cao từ 270-300km/h có thể ổn định không run lắc ở toa đầu tiên cũng như toa cuối cùng. Không phải tất cả mọi thứ đều dựa trên mô phỏng máy tính, mà ý kiến trực tiếp của các nhân viên lái tàu như: khả năng chiếu sáng của đèn pha phía trước ra sao, khả năng giảm độ phản chiếu từ ánh mặt trời tới buồng lái, khả năng có tầm nhìn bao quát 120 độ đối với ghế ngồi của nhân viên lái tàu… cũng là yếu tố quyết định cho loại thiết kế này. Bởi hơn ai hết, không phải các mô phỏng của máy tính mà chỉ nhân viên lái tàu mới là người hiểu rõ nhất những khó khăn nếu một thiết kế không thỏa đáng sẽ khiến cho việc vận hành đoàn tàu Shinkansen gặp trở ngại ra sao. Đây chính là một hạt sạn rất lớn trong thiết kế của thế hệ 500 series.

N700 series với kiểu dáng Aero Double Wing

Mũi của N700 series

So với 700 series thì N700 series mập mạp hơn

E5 series thì có thiết kế hoàn toàn khác biệt so với các đoàn tàu của tuyến Tokaido. Phát triển từ thiết kế ban đầu của dự án E954 series FASTECH 360S đang chạy thử nghiệm tốc độ 360km/h được 5 năm nay, với mục đích đạt tốc độ 300-320km/h nên thế hệ E5 series này có kích thước ngắn hơn 1m so với dự án E954 series với chiều dài toa đầu tiên là 26,500mm và mũi tàu dài 15m so với 16m của E954 series. Dự án E954 series ban đầu khi đưa vào thiết kế, có hai phương án được áp dụng là thiết kế dạng mũi tên (arrow design) và thiết kế dạng dòng chảy (stream design). Sau khi được thử nghiệm thì dạng mũi tên đã được lựa chọn. Ngoài ra FASTECH cũng có hai dạng với mũi tàu dài 16m và 13m.

JR miền đông Nhật Bản đã mất gần 2 năm mới cho ra đời được kiểu dáng của FASTECH. Nếu như N700 series được mô phỏng trên máy tính hơn 5000 lần thì FASTECH cần hơn 7000 lần mới được phép ra mắt. Sau 5 năm thử nghiệm thì chúng ta có được hai thế hệ đầu tiên của dự án này là E5 series cho tuyến Shinkansen chuẩn và E6 series cho tuyến mini Shinkansen. Toa đầu tiên của E5 series có sức chứa khá khiêm tốn với chỉ 29 ghế, một phần do mũi tàu đã chiếm hơn phân nữa chiều dài toa tàu, ngoài ra khoảng cách ghế ngồi cũng rộng rãi hơn với 1,040mm. Vẻ bên ngoài của mũi tàu theo hình dáng của viên thuốc capsule khi nhìn ngang. Tuy cả E5 và E6 series đều có cùng thiết kế cơ bản theo dạng mũi tên, nhưng đèn pha trên E5 series lại nằm ngay phía trên buồng lái, còn E6 series thì nằm hai bên phía dưới buồng lái, một sự khác biệc cần thiết cho sự nhận biết giữa hai thế hệ này. E5 series có điểm đặc biệt duy nhất chính là toa đầu của nó chỉ chứa được 18 ghế. Nguyên nhân sẽ được nói rõ sau này.

Dự án FASTECH dạng stream design

Dự án FASTECH dạng arrow design

E5 series thừa hưởng thiết kế FASTECH dạng arrow design

E5 series với mũi dài đặc trưng

2. Bộ phận unit, động cơ:

Hoạt động của Shinkansen hoàn toàn dựa vào hệ thống điện năng trên tàu. Dòng điện hấp thu bởi máy truyền tải điện chạy vào máy phát điện xoay chiều một pha 25,000 volt sẽ được hạ xuống khi đi qua một máy biến áp chính, rồi được bộ phận đổi điện chuyển sang dòng điện xoay chiều để sinh ra năng lượng cần thiết giúp cho đoàn tàu chạy. Ngoài ra máy biến áp sẽ sinh ra một công suất bổ sung riêng biệt nhằm sử dụng trên tàu như: hệ thống thắng, toilet áp suất, hệ thống cửa tự động, hệ thống treo, hệ thống giảm sốc, hệ thống đèn… tổng hợp các bộ phận này được gọi là bộ phận unit. N700 series sử dụng tổng cộng 4 unit cho một đoàn tàu 16 toa, cứ 4 toa dùng chung 1 unit. Còn E5 series cũng có 4 unit được phân phối cho 10 toa tàu.

Động cơ được sử dụng trên hai thế hệ này là động cơ cảm ứng ba pha lồng sóc. Mỗi toa được gắn bốn động cơ. N700 series có 14 trên 16 toa là gắn động cơ, để đảm bảo cho tốc độ đạt 300km/h trong trường hợp hành khách ngồi kín ghế thì động cơ dùng trong N700 series đã được cải tiến mạnh mẽ hơn với công suất 305kW (tương đương 409 mã lực). Làm một phép tính đơn giản thì chúng ta sẽ có đáp số cho công suất của đoàn tàu Shinkansen N700 series 16 toa là 22,904 mã lực. So với N700 series thì E5 series có động cơ thấp hơn 5kW, nhưng do cả 10 toa đều mang động cơ nên sức mạnh của E5 series cao hơn. Thế hệ này dễ dàng đạt vận tốc 300km/h và không hề găp vấn đề khi được nâng lên 320km/h vào năm tới. Cụ thể là đoàn tàu 10 toa của E5 series có sức mạnh 16,092 mã lực, mỗi toa tương ứng 1,609.2 mã lực, so với N700 series chỉ có 1,431.5 mã lực (do có hai toa không gắn động cơ).

3. Thân tàu:

Kể từ thế hệ 300 series thì toàn bộ Shinkansen đều được chế tạo bằng hợp kim nhôm. Khác với các thế hệ trước, N700 series và E5 series được sử dụng khung hợp kim nhôm thiết kế dạng Aluminium Double Skin. Sự khác biệt giữa khung hợp kim nhôm bình thường và Aluminium Doulbe Skin là khung bình thường chỉ có một lớp nhôm duy nhất, để đảm bảo sự chắc chắn thì lớp nhôm phải có độ dày nhất định, vô tình giá thành sản xuất bị đội lên khá cao. Vậy là thiết kế hai lớp được ra đời, vừa cách âm tốt hơn hẳn, vừa tăng độ cứng cáp gấp ba lần so với các thế hệ trước, mà giá thành giảm được khoảng 15%. Hiện tại Nhật sử dụng ba loại Aluminium trong sản xuất khung tàu Shinkansen là A6N01, A7N01 và A5058.

Bề rộng thân tàu cũng được thu hẹp lại khoảng 20mm so với các thế hệ trước đó. N700 series có bề ngang là 3,360mm, nhưng do công nghệ vỏ thân tàu được thiết kế tốt hơn nên không gian bên trong vẫn không thay đổi so với 700 series, độ rộng vẫn đạt 3,228mm. Tương tự đối với E5 series, thế hệ này có bề ngang là 3,350mm, không gian bên trong có độ rộng bằng với E2 series là 3,210mm.

Cửa sổ cũng là một vấn đề trong thiết kế thân tàu Shinkansen. Do đây là phương tiện phục vụ cho mục đích du lịch là chính nên đòi hỏi cửa sổ phải đủ lớn để hành khách có thể thoải mái nhìn phong cảnh bên ngoài, nhưng cũng phải vừa đủ vì nếu quá lớn thì áp suất bên trong và bên ngoài có thể khiến kính dễ bị nứt. N700 series đã tăng kích thước chiều ngang lên 500mm và cao 520mm. E5 series còn mang kích cỡ lớn hơn với chiều ngang là 570mm, nhưng chiều cao chỉ có 488.9mm do liên quan đến thiết kế độ cao của ghế ngồi.

Để giảm tiếng ồn lọt vào bên trong từ khoảng trống giữa hai toa tàu, công ty chuyên sản xuất thiết bị liên quan đến khung che, mái vòm hàng đầu Nhật Bản là Jabara Co.,LTD đã phát triển thành công loại mui vòm toàn phần dành riêng cho Shinkansen. Sử dụng loại cao su đặc biệt được Jabara nghiên cứu độc quyền, loại mái vòm này có thể bao lại khoảng trống giữa hai toa xe gần như kín mít, chỉ chừa lại phần dưới cùng do vướn phải các ống nối với nhau. N700 series là thế hệ đầu tiên được áp dụng mái vòm toàn thân này, do đó tiếng ồn khi bạn đứng tại khu vực đó đã giảm đáng kể so với 500 và 700 series. Còn E5 series được thiết kế tối tân hơn, hai thanh nẹp bằng nhôm được đóng dính với mái vòm toàn phần bằng cao su đặc biệt này giúp cho tàu khi nghiêng qua lại giảm được sự run lắc khi đang ở tốc độ cao. Một bộ phận phuộc áp suất điện được gắn hai bên thân tàu nối liền hai toa với nhau nhằm có được sự mượt mà khi đoàn tàu chạy vào các khúc cua.

Ngoài ra vấn đề khác cũng liên quan đến tiếng ồn, chính là khi tàu chạy tốc độ cao âm thanh ma sát của bánh xe và đường ray sinh ra rất lớn. Để giảm thiểu tối đa âm thanh này, toàn bộ rìa hai bên thân của N700 series từ sàn tàu đến nữa bánh xe đều được bao lại bằng các cover đặc biệt chống ồn. E5 series còn được bao “kín mít” hơn nữa khi chỉ còn 1/4 bánh xe là ló ra ngoài.

Vỏ theo dạng hai lớp

Cover bao bọc hai bên

Cửa sổ của N700 series

4. E5 series với Granclass:

Ngoài hai loại toa truyền thống là toa bình thường và toa hạng sang, E5 series Hayabusa trên tuyến Tohoku còn có một toa tàu hạng đặc biệt mang tên Granclass, là toa đầu tiên của đoàn tàu 10 toa. Granclass chỉ có 18 ghế với dãy 2 ghế và dãy 1 ghế. Granclass được trang trí theo phong cách của khoang First Class trên máy bay của hãng JAL. Ghế trong toa này rất rộng với bề ngang 520mm, khoảng cách giữa hai ghế lên tới 1300mm. JR miền Đông Nhật Bản, Hitachi, Kawasaki Industry và hãng chuyên sản xuất ghế xe thể thao hàng đầu thế giới Recado của Đức hợp tác sản xuất loại ghế này. Toàn thân ghế được bọc da thật 100%, thiết kế hoàn toàn dựa theo phong cách của hàng ghế phía sau xe hơi Maybach, toàn bộ đều được điều khiển bằng bảng điện tử nằm kế bên tay ghế. Do thời gian di chuyển không lâu như ngồi máy bay, nên loại ghế này chỉ thiết kế ngã xuống 45 độ là tối đa, nhưng như vậy cũng đã khác hẳn so với ghế của toa hạng sang.

Hành khách ngồi trên toa này được phục vụ một bữa ăn nhẹ với lựa chọn thức ăn Tây hoặc Nhật, tùy theo mùa và tùy theo tuyến mà thức ăn sẽ được thay đổi. Thức uống thì có thể gọi thoải mái với gần 20 loại bao gồm nước ngọt, rượu, bia. Tất nhiên kèm theo là một bịch snack cho hành khách nhâm nhi với thức uống. Bạn sẽ được thưởng thức nước trái táo tuyệt hảo của tỉnh Aomori, đây là nơi trồng táo nổi tiếng nhất Nhật Bản. Xin yên trí rằng loại nước này được chế biến dành riêng cho hành khách ngồi trong toa Granclass, nên sẽ chẳng có nơi nào bán nước táo có vị thơm và đậm đặc như vậy bên ngoài. Một tiếp viên luôn túc trực tại toa này nhằm sẵn sàng đưa đồ ăn thức uống khi có yêu cầu từ hành khách.

Trong phần đầu của loạt bài này tôi đã từng nói đây là loại toa tàu tốt nhất và sang trọng nhất mà tôi được ngồi cho tới hiện tại. Bởi Shinkansen mang mục đích nhanh, êm và an toàn nên không giống với các loại tàu điện du lịch đặc biệt bên trong được thiết kế kiểu mạ vàng, có giường ngủ, có bàn làm việc… dành cho những người thích du lịch bằng đường sắt. Nếu bạn đã từng ngồi trong khoang First Class trên máy bay thì sẽ ngạc nhiên khi ngồi trên toa Granclass của E5 series, bởi bạn sẽ có cảm giác mình không phải đang ngồi trên tàu điện, mà giống như đang ngồi trên máy bay trong các chuyến bay ngắn. Giá vé trong toa này cao hơn so với toa hạng sang là 5000￥.

Ghế trong toa Granclass khi duỗi 45 độ

Không gian bên trong Granclass

Phần 4 xin dừng tại đây. Công nghệ linear của Nhật sẽ được nói trong phần kế tiếp cũng là phần cuối, có thể sẽ có trong tháng 6.

Cập nhật (20/03/2013):

• Nozomi N700A: ngày 8 tháng 2 vừa qua thì JR Tokaido đã chính thức đưa thế hệ Shinkansen thứ 9 vào hoạt động trên tuyến Tokyo-Osaka. Đây là phiên bản nâng cấp từ thế hệ thứ 8 N700 năm 2007. Thiết kế bên ngoài hoàn toàn giống với thế hệ cũ, sự khác biệt nằm ở logo và một số thay đổi ghế ngồi bên trong.

Chữ A viết tắt cho chữ “Advance” mang ý nghĩa “cải tiến“. Mọi công nghệ cải tiến chỉ nhằm vào một mục đích duy nhất là an toàn hơn. Thế hệ này có hệ thống thắng hoàn toàn mới so với tất cả các thế hệ Shinkansen đang hoạt động tại Nhật. Từ sau lần động đất năm 2004 tại tỉnh Nīgata khiến Shinkansen 200 serie bị trật đường ray, các kỹ sư Nhật càng tập trung vào nghiên cứu kỹ hơn về hệ thống thắng. Họ đã cải tiến rất nhiều công nghệ vào thế hệ thứ 8 là N700, nhưng hệ thống trên N700A còn làm tốt hơn nhiều. Cụ thể là khi xảy ra động đất thì hệ thống thắng tự động này giúp cho đoàn tàu dừng lại với khoảng cách rút ngắn xuống khoảng 20% so với N700. Điều này rất cần thiết khi các thế hệ về sau tốc độ càng nhanh hơn nên khả năng dừng lại càng ngắn càng tốt, nhằm tránh xảy ra tai nạn lớn. Hệ thống cảm biến chống run lắc cũng được làm mới để hỗ trợ hệ thống thắng tự động trong trường hợp khẩn cấp xảy ra.

Không chỉ hệ thống thắng, N700A còn được cải tiến hệ thống lái tàu tự động ATC (Automatic Train Control) chính xác hơn. Trên tất cả các loại tàu điện thường và Shinkansen đều có hệ thống ATC này, tuy nhiên nó chỉ hỗ trợ phụ cho nhân viên lái tàu, nên nhiều lúc đoàn tàu chạy trên đoạn dốc cao hay thấp, bo cua thì tốc độ sẽ ảnh hưởng mà không được ổn định. Điều này nếu ai từng ngồi tàu điện thường hay metro sẽ dễ nhận ra. Hệ thống ATC trên N700A sẽ ngắt tốc độ tối đa 270km/h một cách chính xác trên các đoạn đường cho phép chạy tốc độ này và giữ cho đoàn tàu luôn đạt vận tốc không đổi trong mọi đoạn cua hay dốc cho đến khi nhân viên lái tàu điều khiển tốc độ giảm xuống.
Toàn bộ hệ thống điện trên N700A được thay bằng đèn LED nên giúp cho lượng điện tiêu thụ giảm xuống 20% so với N700.

Hiện tại N700A chỉ chạy trên tuyến Tōkaido. Dự tính đến cuối năm nay sẽ nối dài xuống tuyến Sanyō khi lịch vận hành được sửa lại toàn bộ.

• E5 series Hayabusa: được đưa vào hoạt động vào tháng 3 năm 2011 với vận tốc thương mại tối đa là 300km/h. Sau 2 năm hoạt động, ngày 16 tháng 3 vừa qua Hayabusa đã được nâng tốc độ chạy thương mại tối đa lên 320km/h, rút ngắn 11 phút thời gian đoạn Tokyo-Shin Aomori xuống còn 2 tiếng 59 phút. Có lẽ với nhiều nước trên thế giới thì việc nhanh hơn “chỉ 11 phút” không có gì quan trọng, nhưng với người Nhật và ngành đường sắt Nhật Bản lại là chuyện khác, bởi vì thời gian của Shinkansen luôn được tính bằng giây, chứ không phải phút. Chỉ cần bất kỳ chuyến tàu nào chạy lệch giờ khoảng 30-45 giây sẽ ảnh hưởng tới toàn bộ các chuyến tàu khác đang vận hành trên đường ray, do hệ thống đèn tín hiệu sẽ tự động phát tín hiệu tàu chạy không đúng với thời gian lộ trình đã được lên lịch tới trạm điều khiển.

Xin nhắc lại là E5 series Hayabusa có tốc độ thực tế cao nhất là 409km/h, do đó việc nâng tốc độ từ 300km/h lên 320km/h không ảnh hưởng đến độ an toàn của Hayabusa, việc khó nhất là phải viết lại toàn bộ lịch chạy của toàn tuyến. JR miền Đông Nhật Bản dự định trong tương lai gần sẽ nâng tốc độ thế hệ kế tiếp lên 360km/h.

Nguồn: Aikoku2027.wordpress.com