海上技術安全研究所全景。狹長的藍色圓頂建築内設置有400m長的水槽（供圖：日本海上技術安全研究所）
【科學大設施】的最終回將向大家介紹橫跨東京都三鷹市和調布市的日本國立研究開發法人海上・港灣・航空科技研究所下屬海上技術安全研究所的400m水槽。作爲一個四面環海的島國，海上交通和海洋資源的利用對日本極爲重要。使用這個世界最大規模水槽獲得的試驗結果被用於證實船的高性能化，並被反映到國際規則的制定中。
橫亙在住宅區中心的地上隧道？
在JR三鷹站以南約3公里處，三鷹市與調布市交界處的一個寧靜的住宅區中央，有一座非常獨特的建築。東西寬度僅20米左右，但南北長度卻是寬度的約20倍，呈細長形狀，就像一條橫亙在地面上的隧道。既聽不到嘈雜的聲音也沒有奇怪的氣味，乍一看很難明白是什麼用途的建築。
其實，這個建築内是一個長400米、寬18米、深8米的大型試驗水槽，俗稱400m水槽。該設施建造於1966年，旨在進行實驗，測量和應答接近實際尺寸的船性能。建成至今已有50多年的歷史，時至今日，仍作爲世界上最大的試驗水槽之一承擔着各種試驗，爲技術的隊形變換做出貢獻。
400m水槽，蓄水量爲52,000噸，與「超級神岡偵檢器（Super-Kamiokande）」相媲美，兩側均設有通道
400m水槽的歷史可追溯到海上技術安全研究所的前身——1916年成立的遞信省管船局船用品檢查所。100多年前，日本就開始重視海洋技術的提升並採取了一系列措施。與此前「科學大設施」介紹的三個設施不同，該設施位於住宅區，是一所與週遭環境和諧共處，支撐先進船技術隊形變換的設施。
用氣泡覆蓋船底以減量阻力的「空氣潤滑法」
利用該大型設施進行的實驗之一是透過拖航世界上最大的50米長模式船進行的「空氣潤滑法」試驗。空氣潤滑法是指用船體產生的氣泡覆蓋船底以減量船體阻力的方法，其原理早在19世紀就已爲人所知。進入20世紀90年代後，雖利用模式進行了科學研究，但4～10米左右的模式船無法充分驗證其效果，成爲阻礙實用化的因素。
對此，研究人員利用接近實際尺寸的模式船進行了實驗。「透過此次試驗，不僅量化了空氣潤滑法在實際船中的有效性，還掌握瞭如何高效地噴出空氣。使用該技術製造的船可減量約6%的能源消耗」，海上技術安全研究所流體設計負責人辻本勝先生說明道。
空氣潤滑法試驗情景，模式船在濺起水花的同時向前行程（圖片中央）
時速超過50公里的模式船
「空氣潤滑法」到底是什麼樣的實驗呢？長形水槽的兩側安裝有導軌，拖引車在導軌上行駛，牽引着一艘等比例等比縮小的模式船。「爲了進行高精度的測試，導軌的維護也很重要。由於距離有400米，導軌邊緣與中心之間存在約2毫米的高度差，配合水面調整高度。順便一提，這個導軌與新幹線使用的軌道相同」（辻本先生）。
拖引車（中央綠色物體）和模式船（中央下）。拖引車從圖片右側的導軌上透過
筆者乘坐拖引車感受了試驗。模式船在噴除氣泡並濺起水花的同時，沿着狹長的水道直線前進。最高時速爲54公里，與行駛在普通道路上的汽車速度大致相同。由於拖引車沒有花粉外壁，所以必須抓着住什麼東西固定自己，否則很可能會被吹跑。
就在感覺到速度快起來的時候，拖引車就減速了。即使有400米的距離，但速度提起來的話也只有數十秒。當然，一次試驗並不足以獲得足夠的資料，在模式船到達終點一段時間後，便又返回起點，改變參數，再次進行試驗。
工作人員坐在拖引車上處理各種觀測資料
研究人員近期正在調查當藤壺等生物附着在船體上空間時間氣潤滑法的效果。在模式船的底部按照一定間距放置了模仿藤壺的錐形突起物，以便觀察船體阻力的變化情況。類似這樣，透過儘可能忠實地再現海洋環境，推進着能夠運用於實際的技術開發。
直播試驗情況
400m水槽也爲國際規則的制定做出了貢獻。例如，在制定減量船溫室氣體排放的規則時，使用安裝在水槽中的造波裝置，開發了一種高精度推定實際海洋環境中波浪產生阻力的方法。由此，使得船型與波浪阻力增加之間的關係得以模式化，結果並反映在了國際規則中。
「制定國際規則非常重要，第一個採用新技術的國家基準將成爲國際規則。日本的優勢在於提高船在實際水域中的性能，因此能夠將其納入規則是一項重大成果」（辻本先生）。
海上技術安全研究所於2021年推出的「海技研Cloud」服務軟體組含即時直播400m水槽試驗情況的「水槽線上見證系統」。面向造船行業，可透過付費應用程式使用和比較資料。還可以使用網路聊天系統功能發送或接收資料檔案，並向測試人員進行應答等。
此前的水槽試驗需要造船所技術人員現場參加，但上述系統的建立使他們能夠遠程觀看試驗，應答資料和重新測試等也變得更容易。既節省了出差所需的時間和費用，還加快了各公司的決策進程。
400m水槽的造波裝置
對應各種環境的水槽
除400m水槽外，海上技術安全研究所還有多個試驗水槽。比如「真實海域再現水槽」總共配備了382臺高精度造波機，360度全方位安裝，可以再現海上發生的複雜波浪。「該水槽具有世界上最高的造波能力。透過重現船被海浪擊翻的程序，可以改變遇到海浪的時機、降低船重心等防止翻船的措施」，辻本先生說明道。
可再現複雜波浪的「真實海域再現水槽」（供圖：海上技術安全研究所）
此外，還包括用於測試安裝在船體的螺旋槳氣蝕現象（葉片表面形成電洞，導致性能下降的現象）的大型氣蝕水槽、35米深海水槽、可在強風下進行水槽試驗的可變風水洞等，可支援多種環境下的試驗。
透過開放式創新進行尖端研究
曾經有段時間，人們傾向於船的大型化，但自1970年代石油危機以來，節能變得更加重要，近年來，減量對環境的影響成爲一大主題。「舉例來說，一艘大型貨櫃船將貨物從日本運往美國時，每次航程的燃料成本約爲1億日元」（辻本先生）。因此，提高燃油效率不僅能節約能源，還能提高國内工業的競爭力。
此外，這裏還在進行利用AI提高物流效率及造船所的數化等利用尖端技術的廣泛研究。來自400m水槽的實驗數據還被用於驗證燃料效率以減量船排放的CO2等溫室氣體、研究最佳船型和螺旋槳設計等，爲技術開發做出了貢獻。
辻本先生表示「未來，尖端研究必須透過開放式創新，即與外部合作來進行」。其中的一個代表性舉措是，與引擎製造商和造船公司共同推進的氨高效燃燒技術的開發。
長期以來，人們一直使用價格低廉的重油爲船提供動力，其缺點是會排等比增大量的CO2等溫室氣體。因此，人們正在探索使用氨或氫作爲能源驅動船的技術。 毋庸置疑，阻止全球暖化是全世界共同面臨的緊迫課題，在不久的將來，造船業極有可能發生革命性的變化。
然而，即使發生這種情況，以接近實際規模驗證海事技術的設施的重要性也不會改變。辻本先生認爲，「如使用重油以外的能源，燃料單價將會提高，因此公司一定會考慮儘可能地提高效率。預計400m水槽的需求將進一步增加」。
正在介紹實驗設施的辻本先生
升級爲「超級400m水槽」
此外，研究所還計劃將400m水槽升級爲「超級400m水槽」。「近年來，測量技術不斷進步，現在可以用光學方法測量船體周圍的水流。因此，我們正在考慮升級爲能夠正確測量水流的水槽。透過升級，預計可進行更加複雜的流體類比，並加快技術開發的速度」，辻本先生解釋道。另外，還計劃建立一個海充填水槽作爲可以進行實際規模測量的場所。
6月下旬，已開始將400m水槽的水全部排出的工作，這是該設施建成以來的首次排水，目的是對使用多年的設施進行徹底的檢查和維護，爲打造超級400m水槽做準備。海洋技術的重要性永遠不會改變。大型實驗水槽將繼續操作隊形變換，以保證未來的海洋和船更加安全。
原文：JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【相關鏈結】
海上技術安全研究所官網
400m水槽介紹
400m水槽空氣潤滑法實驗影片
