Tạp chí Japan Railway & Transport Review nhận xét nếu không có Shima, có thể sẽ không có tàu cao tốc Nhật.

Mỗi toa tàu lắp một động cơ điện

Hideo Shima sinh ngày 20-5-1901 trong một gia đình "con nhà tông không giống lông cũng giống cánh". Ông là con trai đầu của Yasujiro Shima, một kỹ sư cơ khí lỗi lạc sau này trở thành kỹ sư trưởng của Đường sắt Chính phủ Nhật (tiền thân của JNR).

Sau khi học kỹ thuật cơ khí tại Đại học Hoàng gia Tokyo, ông được tuyển vào Đường sắt Chính phủ Nhật với bằng cấp kỹ sư thiết kế đầu máy xe lửa vào năm 1925. Ông đã góp phần phát triển thêm các đầu máy xe lửa hơi nước mạnh hàng đầu thế giới mà đỉnh cao là các đầu máy 2-8-2 D51 và D52 dành cho tàu hỏa chở hàng trong thời chiến và đầu máy 4-6-4 C62 dành cho tàu hỏa chở khách thời hậu chiến.

Năm 25 tuổi, kỹ sư mọt sách Hideo Shima đã mơ về một đoàn tàu thép có mũi hình viên đạn lướt trên đường ray chạy từ Osaka tới thủ đô Tokyo với vận tốc lên đến hơn 210km/h nếu đường ray không có khúc cua.

Giấc mơ của ông tưởng như chuyện khoa học viễn tưởng và dĩ nhiên các quan chức Bộ Đường sắt Nhật không khỏi hoài nghi. Ý tưởng về một đường ray không có khúc cua tại một quốc gia miền núi như Nhật thật lạ.

Các tuyến đường sắt hiện hữu ở Nhật có nhiều độ dốc và đường cong với cơ sở hạ tầng yếu chỉ cho phép tải trọng trục tối đa 16 tấn và tạo ra nhiều hạn chế trong thiết kế đầu máy xe lửa. Để giải quyết vấn nạn này, kỹ sư Shima tin rằng thay vì dùng tàu hỏa do đầu máy hơi nước kéo thì dùng tàu điện không cần đầu máy hoạt động theo nguyên lý động lực phân tán.

Đoàn tàu sẽ gồm nhiều toa với mỗi toa lắp một động cơ điện. Đây là phương pháp phân tán công suất có thể tạo công suất cao hơn đáng kể mà không làm hỏng đường ray và kết cấu vì động lực được phân bổ dọc chiều dài đoàn tàu.

Trước chiến tranh, loại tàu điện động lực phân tán này chỉ được sử dụng ở ngoại ô các khu đô thị quanh Tokyo và Osaka. Nhiều người nghĩ rằng loại tàu này sẽ gây ồn nhiều và xóc. Tuy nhiên, Shima đã chứng minh ngược lại với thế hệ tàu điện động lực phân tán mới chạy với vận tốc từ 150-200km/h quanh Tokyo.

Trong những năm 1950 và 1960, chiều dài các tuyến đường sắt chạy điện tăng thêm, JNR đã thay thế hầu hết các đoàn tàu chở khách bằng đầu máy kéo bằng tàu điện động lực phân tán.

Ngày 24-4-1951, một đoàn tàu điện tuyến Keihin tiến vào ga Sakuragicho (Yokohama) đã vướng dây điện trên cao bị lỏng làm đoàn tàu bốc cháy. 106 người thiệt mạng và 92 người bị thương. Kỹ sư Hideo Shima đã từ chức trưởng phòng đường sắt của JNR để nhận trách nhiệm dù nguyên nhân có phần do đường sắt thời hậu chiến kém chất lượng.

Nhiều công nghệ nới dành cho tàu cao tốc đầu tiên

Kinh tế Nhật phục hồi, tuyến đường sắt chính Tokaido giữa Tokyo và Osaka gần như bão hòa vào giữa những năm 1950. Song khi bàn tới đường sắt mới, các chuyên gia lại chia làm hai phe, một phe ủng hộ đường ray khổ hẹp 1.067mm và phe còn lại ủng hộ khổ tiêu chuẩn mới 1.435mm. Lúc bấy giờ "ông già sấm sét" Shinji Sogo mới được bổ nhiệm chủ tịch JNR là người ủng hộ khổ tiêu chuẩn 1.435mm, nên đã mời kỹ sư Hideo Shima quay lại.

Shima đồng ý và trở thành phó chủ tịch phụ trách kỹ thuật của JNR vào năm 1956 đồng thời là kỹ sư trưởng dự án tuyến đường sắt cao tốc Tokaido.

Nguyên lý của Shima đối với dự án tàu cao tốc là áp dụng các công nghệ đã được chứng minh tốt nhất rồi tích hợp với hàng loạt cải tiến thành một hệ thống đồng bộ duy nhất. Ông cùng các kỹ sư đã phát triển nhiều công nghệ mới như sau:

- Giảm đáng kể lực cản không khí nhờ thiết kế đầu tàu và toa tàu đồng thời cũng giảm tiếng ồn khi tàu chạy với tốc độ cao.

- Bỏ đầu máy hơi nước để dùng động cơ chạy bằng điện một chiều lắp ở mỗi trục theo phương pháp phân tán công suất nhằm cải thiện khả năng tăng tốc, phân bổ trọng lượng và phân chia khu vực hỏng hóc.

- Các đoạn đường được kéo dài hơn và được làm bằng vật liệu cao cấp hơn nhằm giảm hầu hết chấn động rung của đường ray.

- Mọi xe cộ đều phải đi bên dưới tàu cao tốc nhằm loại bỏ các điểm giao cắt.

- Lần đầu tiên sử dụng Hệ thống điều khiển tàu hỏa (ATC) tự động điều chỉnh tốc độ tàu. Đặc biệt là các thiết bị giám sát địa chấn có chức năng phanh khẩn cấp nếu xảy ra động đất (thường xảy ra ở Nhật) và hệ thống điều khiển trung tâm từ nhà ga Tokyo.

Sau khi chủ tịch Shinji Sogo không được bổ nhiệm tiếp nhiệm kỳ thứ ba tại JNR do vốn đầu tư xây dựng đường sắt cao tốc Shinkansen vượt quá ngân sách, kỹ sư Hideo Shima cũng từ chức theo vào năm 1963 trước khi đoàn tàu cao tốc đầu tiên của Nhật rúc còi khởi hành vào ngày 1-10-1964. Sau đó, ông giữ chức chủ tịch Cơ quan Phát triển không gian quốc gia Nhật từ năm 1969-1977.

Ông đã được trao nhiều giải thưởng như giải thưởng Sperry của Hiệp hội Kỹ sư cơ khí Mỹ, huy chương vàng James Watt của Viện Kỹ sư cơ khí Anh và huân chương Công trạng văn hóa của Nhật. Ông qua đời ngày 18-3-1998, hưởng thọ 96 tuổi.

Hiện nay, tàu cao tốc Shinkansen Tokaido chạy với vận tốc tối đa 285km/h, thực hiện 372 chuyến mỗi ngày, vận chuyển trung bình khoảng 430.000 hành khách.

Giảm tiếng ồn từ chim cú và chim bói cá

TS Eiji Nakatsu nguyên là giám đốc phụ trách phát triển kỹ thuật và thử nghiệm tại Công ty Đường sắt Tây Nhật Bản (JR-West) đồng thời là thành viên Hiệp hội Chim hoang dã Nhật. Một ngày năm 1990, tại một cuộc hội thảo về chim, ông đã nghe kỹ sư thiết kế máy bay Seiichi Yajima giải thích cú là loài chim bay im lặng nhất vì lông cú không phát ra tiếng động.

Sau khi phân tích, nhóm thiết kế của ông biết rằng các lông nhỏ hình răng cưa nhô ra ở vành ngoài bộ lông cánh của chim cú có chức năng tách luồng không khí chạy qua cánh thành nhiều xoáy nhỏ, từ đó không gây tiếng động.

Họ đã mất bốn năm để tạo các "răng cưa" trên bộ cần tiếp điện trên nóc đoàn tàu để đáp ứng tiêu chuẩn tiếng ồn 70dBa. Từ năm 1994, các tàu cao tốc đếu đã thay thế bộ cần tiếp điện mới.

Đoàn tàu cao tốc lao vào đường hầm hẹp sẽ đẩy sóng áp suất không khí đến lối ra đường hầm. Sóng không khí bị đẩy sẽ gây tiếng nổ lớn đến mức cư dân ở xa 400m cũng nghe. Kỹ sư Nakatsu nhớ chim bói cá thường lao từ trên không xuống nước êm ru và cho rằng bí quyết nằm ở mỏ chim.

Nhóm thiết kế của ông đã nghiên cứu, thử nghiệm và chứng minh mũi tàu cao tốc Shinkansen giống mỏ chim bói cá sẽ đạt hiệu quả cao nhất.

Theo trang Japan for Sustainability (Nhật), mũi tàu Shinkansen dòng series 500 mới được khai thác từ ngày 22-3-1997 đã có hình dạng thuôn dài 15m và mặt cắt ngang gần như tròn giúp giảm áp suất không khí 30%, giảm mức sử dụng điện 15% và vận tốc tăng thêm 10% so với tàu thế hệ cũ, nhờ đó tàu sẽ chạy êm ái hơn.

---------------------

Một kỹ sư đam mê tàu hỏa và một chủ doanh nghiệp "chịu chơi" đã hợp tác chế tạo tàu cao tốc. Quan hệ tin cậy giữa họ cuối cùng đã tan vỡ nhưng đường sắt tốc độ cao của Tây Ban Nha đã phát triển thành mạng lưới dài nhất châu Âu hiện nay.

Kỳ tới: Goicoechea và tàu cao tốc Tây Ban Nha

Thế giới làm đường sắt tốc độ cao ra sao - Kỳ 2: 'Ông già sấm sét' Shinji Sogo đường sắt tốc độ cao

Cách đây đúng 60 năm vào ngày 1-10-1964 (chín ngày trước khi Thế vận hội Tokyo 1964 khai mạc), Nhật đã khánh thành tuyến đường sắt cao tốc Shinkansen Tokaido dài 552,6km.