国鉄キハ391系気動車は、日本国有鉄道（国鉄）が1972年（昭和47年）に試作したガスタービンエンジンを動力とする試験用の特急形気動車（ガスタービンカー）である。1形式1両のみであったためキハ391形気動車（キハ391がたきどうしゃ）とも呼称された。

 概要 
新幹線網のフィーダーとなる在来線特急列車の高速化、特に非電化区間の高速化を狙い、1972年（昭和47年）にその試作車として開発され、国鉄大宮工場で製作された。

形式は国鉄新系列気動車の車両形式の付番に基づき、数字の百の位は「ガスタービン動車」を表す「3」、十の位は「試作車・試験車」を表す「9」を用いているが、用途記号は事業用車にあたる「ヤ」ではなく営業用に準じ普通車を表す「ハ」を用いている。

特に本形式は片持ち式の連接構造やターボシャフトエンジン直接駆動（機械式）、車体傾斜（自然振子式）を採用したことが特徴であったが、連接構造に起因する種々の問題があった上、試験終了後の1973年（昭和48年）に勃発した第四次中東戦争に端を発する第1次オイルショックの影響によってガスタービン車の開発自体が頓挫してしまい、量産車の登場に至ることはなかった。

 製造の背景 

非電化区間の高速化にあたっては、軽量車体や車体傾斜装置などに加えて、大出力機関の搭載が必要である。しかしディーゼルエンジンの大出力化には排気量の増大が必須で大型化が避けられず、重量も増すため、軽量車体などの効果を相殺してしまう。このため、世界各国の鉄道では、1950年代から1960年代にかけ、非電化区間高速化の切り札として、比較的軽量で大出力が期待できるガスタービンエンジンを用いる車両の開発が進められていた。

日本国内においても、第二次世界大戦後まもなくから開発が始まり、1955（昭和30）年度にいったん打ち切られてしまったものの、1966年（昭和41年）に日本車両工業協会（現：日本鉄道車輌工業会）ディーゼル車技術委員会がガスタービン車両の検討をスタートさせ、翌1967年（昭和42年）には運輸省（現：国土交通省）のバックアップによりガスタービン車両委員会が発足して開発が進められていった。

1968年（昭和43年）には、国鉄の旧形ディーゼル気動車であるキハ07形（キハ07204）にヘリコプター用ターボシャフトエンジンを搭載した機械式ガスタービン車の試験車が登場し、翌1969年（昭和44年）には再改造の上、キハ07 901に改番、その後も幾度かの改造を受けながらや本線上での試験走行による基礎研究が行われた。

一方、国鉄においても、1960年（昭和35年）に列車速度調査委員会（別名：速度向上委員会）が常設機関として立ち上がり、1968年（昭和43年）の第6回列車速度調査委員会では今後在来線特急列車の表定速度を85 - 90 km/h から100 km/h 以上へ引き上げることが望ましいとされ、当面の速度向上の目標は、最高速度130 km/h 、曲線通過速度+20 km/h以上、となった 。

このうち、電化幹線の超特急（その後電化亜幹線の曲線高速通過に目的を変更）としては1970年（昭和45年）に591系電車が開発されたが、日本には山岳区間の非電化路線も多く、これら路線の高速化を目的に、1970年（昭和45年）から本形式の開発がスタートし、1972年（昭和47年）に落成することとなった 。

 仕様・構造 
動力を持たない16 m級車体（T1・T3車）で 7 m級車体の動力車（M2車）を挟み込んだ、3車体4台車の構造となっている。

先に登場した591系電車では、車両間に連接台車を置く通常の連接構造を採用していたが、本系列では後述するように先頭のT1・T3車は車体傾斜を実施するものの、中間のM2車は後述の理由から車体傾斜を実施しないため、座屈を生じないよう連結部の変位量を大きくする必要があった。このため、中間のM2車は通常のボギー車とし、一方で先頭のT1・T3車は先頭台車（運転台側）しか持たず、自立できない構造となっている。T1・T3車は先頭台車の枕梁が車体中央部を貫通し中間連結部まで伸びる中梁とZリンクで結ばれており、この中梁とM2車を自在接手を用いた中間連結器で連結する形で前後荷重を伝え、加えてM2車からは連接部幌の上部に設置された連接部ころ装置（リンク）で吊るされるような形で支持されている 。

このため、見た目上は3両編成であるが、591系電車と同様、車籍の上では3車体（T1-M2-T3）で1両の扱いとなり、キハ391形（キハ391-1）と称する。

 車体 
低重心化と軽量化のため、車体外板には591系同様に耐食アルミニウム合金（国鉄気動車初）を採用したが、M2車は普通鋼製である。先頭部は181系気動車に準じた屋根高さ（3,400 mm）の貫通構造であるが、客室部分は低重心化のため、床面高さは920 mm（M2車は床面高さ 955 mm）、客室部の全高は3,000 mmと非常に低くなっている 。ただし、先頭台車直上の座席部分は小径車輪（後述）を用いた台車でも干渉するため通路部分を除き若干嵩上げされている 。車体長はT1・T3車が15,950 mm、M2車が7,600 mm、連結面間距離含む全長は41,100 mmであった。車体色は当時の特急形気動車と同様に、クリーム4号地に窓周りと前面窓下、車体裾と雨どいを赤色（赤2号）で塗装した 。

 主要機器 
走行に必要な機器はほぼM2車に集中配置し、T1・T3車にサービス機器を分散配置している。

 台車 
1軸駆動の動台車（DT97）・付随台車（TR98）とも181系などの新系列気動車の構造に準じており、軸箱支持にゴム・コイルばねを併用したリンク式の空気ばね台車である。何れも横圧軽減のため軸距は1,800 mm と非常に小さく 、車輪径も動力台車は従来の気動車に準じた 860 mm であるが、付随台車は低床化・低重心化のために 800 mm 径に縮小されている。また、曲線高速通過のために591系電車と同様の心皿移動装置を設けているほか、付随台車については自然振子式の車体傾斜を行う機構が装備されたが、動台車は動力伝達の関係上、車体傾斜機構は持たない。

 車体傾斜関係 
591系電車と同様に、曲線高速通過時の乗り心地向上を狙って、自然振子式車体傾斜装置（コロ式）を搭載し、傾斜角度は591系と同様6°の傾斜が可能である 。本系列の車体傾斜は、先頭のT1・T3車のみ実施し、中間のM2車は実施しない。これは、推進軸による動力伝達を行うため、その振れ角度が大きくなることを防ぐためである。このため、M2車は客室は設けず、動力関係や出入台など、車体傾斜をしないほうが都合が良い機器と設備を集約させている。

前述したように、先頭台車の枕梁はそのまま中間連結部まで中梁という形で伸びているが、T1・T3車の車体はこの枕梁=中梁上に設けられたコロによって支持されており、この上で通常のコロ式車体傾斜車両と同様に車体を傾斜させている。

 駆動機関・変速機 
ガスタービンエンジンの鉄道車両での使用については、ガスタービンエンジンで発電した電気により駆動する電気式気動車の一種、電気式ガスタービン車（カナダ・アメリカで運行されたUACターボトレインなどが該当）と、ガスタービンエンジンからタービン羽と機械式変速機（あるいは液体変速機）を通じて直接駆動力を取り出す、機械式（液体式）ガスタービン車（フランスのターボトレイン〔チュルボトラン〕などが該当）があるが、本車では出力軸の回転力を直接用いる機械式ガスタービン駆動を採用した。

ガスタービン機関は石川島播磨重工業がゼネラル・エレクトリックとの技術提携によって国産化したIM100-2R型ターボシャフトエンジン（1,050 ps）を搭載した このターボシャフトエンジンは、たった165 kgの重量しかなく、従来の181系のV型12気筒ディーゼルエンジンと比べて2倍以上の出力で1/21程度の重量と大幅な軽量化を達成している 。

当初、ガスタービン機関は低重心化も兼ねて通常の気動車と同様、床下に搭載する計画であったが、低床化により床下にスペースがなく、M2車を機械室と通路のみの動力車として、床上に搭載した。また、M2車には吸気室があり、慣性分離フィルターとビニロックフィルターを併用して、空気を浄化し、機関へ送り込んでいる。

ガスタービンから取り出した動力は、ギヤカップリングによってはすば歯車（1段、アイドラ軸付き）に入力され、ワンウェイクラッチを通じて逆転減速機に入力され、床下の推進軸によって動台車を駆動している 。推進軸は比較のため、1本は従来からの十字軸接手、もう1本は等速ボールジョイントを採用した。

 制動方式・装置 
ブレーキ装置は181系気動車・591系電車と同じCLE系電磁自動空気ブレーキ（C16B）を採用しているが、応答性を高める改良が行われている。

基礎ブレーキ装置は181系で実績のある油圧ディスクブレーキであり、滑走検知装置を設けている。