海上技术安全研究所全景。狭长的蓝色圆顶建筑内设置有400m长的水槽（供图：日本海上技术安全研究所）
【科学大设施】的最终回将向大家介绍横跨东京都三鹰市和调布市的日本国立研究开发法人海上・港湾・航空技术研究所下属海上技术安全研究所的400m水槽。作为一个四面环海的岛国，海上交通和海洋资源的利用对日本极为重要。使用这个世界最大规模水槽获得的试验结果被用于证实船舶的高性能化，并被反映到国际规则的制定中。
横亘在住宅区中心的地上隧道？
在JR三鹰站以南约3公里处，三鹰市与调布市交界处的一个宁静的住宅区中央，有一座非常独特的建筑。东西宽度仅20米左右，但南北长度却是宽度的约20倍，呈细长形状，就像一条横亘在地面上的隧道。既听不到嘈杂的声音也没有奇怪的气味，乍一看很难明白是什么用途的建筑。
其实，这个建筑内是一个长400米、宽18米、深8米的大型试验水槽，俗称400m水槽。该设施建造于1966年，旨在进行实验，测量和确认接近实际尺寸的船舶性能。建成至今已有50多年的历史，时至今日，仍作为世界上最大的试验水槽之一承担着各种试验，为技术的发展做出贡献。
400m水槽，蓄水量为52,000吨，与“超级神冈探测器（Super-Kamiokande）”相媲美，两侧均设有通道
400m水槽的历史可追溯到海上技术安全研究所的前身——1916年成立的递信省管船局船用品检查所。100多年前，日本就开始重视海洋技术的提升并采取了一系列措施。与此前“科学大设施”介绍的三个设施不同，该设施位于住宅区，是一所与周围环境和谐共处，支撑先进船舶技术发展的设施。
用气泡覆盖船底以减少阻力的“空气润滑法”
利用该大型设施进行的实验之一是通过拖航世界上最大的50米长模型船进行的“空气润滑法”试验。空气润滑法是指用船体产生的气泡覆盖船底以减少船体阻力的方法，其原理早在19世纪就已为人所知。进入20世纪90年代后，虽利用模型进行了科学研究，但4～10米左右的模型船无法充分验证其效果，成为阻碍实用化的因素。
对此，研究人员利用接近实际尺寸的模型船进行了实验。“通过此次试验，不仅量化了空气润滑法在实际船舶中的有效性，还掌握了如何高效地喷出空气。使用该技术制造的船舶可减少约6%的能源消耗”，海上技术安全研究所流体设计负责人辻本胜先生说明道。
空气润滑法试验情景，模型船在溅起水花的同时向前移动（图片中央）
时速超过50公里的模型船
“空气润滑法”到底是什么样的实验呢？长形水槽的两侧安装有导轨，拖引车在导轨上行驶，牵引着一艘等比例缩小的模型船。“为了进行高精度的测试，导轨的维护也很重要。由于距离有400米，导轨边缘与中心之间存在约2毫米的高度差，配合水面调整高度。顺便一提，这个导轨与新干线使用的轨道相同”（辻本先生）。
拖引车（中央绿色物体）和模型船（中央下）。拖引车从图片右侧的导轨上通过
笔者乘坐拖引车感受了试验。模型船在喷出气泡并溅起水花的同时，沿着狭长的水道直线前进。最高时速为54公里，与行驶在普通道路上的汽车速度大致相同。由于拖引车没有外壁，所以必须抓着住什么东西固定自己，否则很可能会被吹跑。
就在感觉到速度快起来的时候，拖引车就减速了。即使有400米的距离，但速度提起来的话也只有数十秒。当然，一次试验并不足以获得足够的数据，在模型船到达终点一段时间后，便又返回起点，改变参数，再次进行试验。
工作人员坐在拖引车上处理各种观测数据
研究人员近期正在调查当藤壶等生物附着在船体上时空气润滑法的效果。在模型船的底部按照一定间距放置了模仿藤壶的锥形突起物，以便观察船体阻力的变化情况。类似这样，通过尽可能忠实地再现海洋环境，推进着能够运用于实际的技术开发。
直播试验情况
400m水槽也为国际规则的制定做出了贡献。例如，在制定减少船舶温室气体排放的规则时，使用安装在水槽中的造波装置，开发了一种高精度推定实际海洋环境中波浪产生阻力的方法。由此，使得船型与波浪阻力增加之间的关系得以模型化，结果并反映在了国际规则中。
“制定国际规则非常重要，第一个采用新技术的国家基准将成为国际规则。日本的优势在于提高船舶在实际水域中的性能，因此能够将其纳入规则是一项重大成果”（辻本先生）。
海上技术安全研究所于2021年推出的“海技研Cloud”服务包含实时直播400m水槽试验情况的“水槽在线见证系统”。面向造船行业，可通过付费应用程序使用和比较数据。还可以使用聊天功能发送或接收数据文件，并向测试人员进行确认等。
此前的水槽试验需要造船所技术人员现场参加，但上述系统的建立使他们能够远程观看试验，确认数据和重新测试等也变得更容易。既节省了出差所需的时间和费用，还加快了各公司的决策进程。
400m水槽的造波装置
对应各种环境的水槽
除400m水槽外，海上技术安全研究所还有多个试验水槽。比如“真实海域再现水槽”总共配备了382台高精度造波机，360度全方位安装，可以再现海上发生的复杂波浪。“该水槽具有世界上最高的造波能力。通过重现船舶被海浪击翻的过程，可以改变遇到海浪的时机、降低船舶重心等防止翻船的措施”，辻本先生说明道。
可再现复杂波浪的“真实海域再现水槽”（供图：海上技术安全研究所）
此外，还包括用于测试安装在船体的螺旋桨气蚀现象（叶片表面形成空穴，导致性能下降的现象）的大型气蚀水槽、35米深海水槽、可在强风下进行水槽试验的可变风水洞等，可支持多种环境下的试验。
通过开放式创新进行尖端研究
曾经有段时间，人们倾向于船舶的大型化，但自1970年代石油危机以来，节能变得更加重要，近年来，减少对环境的影响成为一大主题。“举例来说，一艘大型集装箱船将货物从日本运往美国时，每次航程的燃料成本约为1亿日元”（辻本先生）。因此，提高燃油效率不仅能节约能源，还能提高国内工业的竞争力。
此外，这里还在进行利用AI提高物流效率及造船所的数字化等利用尖端技术的广泛研究。来自400m水槽的实验数据还被用于验证燃料效率以减少船舶排放的CO2等温室气体、研究最佳船型和螺旋桨设计等，为技术开发做出了贡献。
辻本先生表示“未来，尖端研究必须通过开放式创新，即与外部合作来进行”。其中的一个代表性举措是，与发动机制造商和造船公司共同推进的氨高效燃烧技术的开发。
长期以来，人们一直使用价格低廉的重油为船舶提供动力，其缺点是会排放大量的CO2等温室气体。因此，人们正在探索使用氨或氢作为能源驱动船舶的技术。 毋庸置疑，阻止全球变暖是全世界共同面临的紧迫课题，在不久的将来，造船业极有可能发生革命性的变化。
然而，即使发生这种情况，以接近实际规模验证海事技术的设施的重要性也不会改变。辻本先生认为，“如使用重油以外的能源，燃料单价将会提高，因此公司一定会考虑尽可能地提高效率。预计400m水槽的需求将进一步增加”。
正在介绍实验设施的辻本先生
升级为“超级400m水槽”
此外，研究所还计划将400m水槽升级为“超级400m水槽”。“近年来，测量技术不断进步，现在可以用光学方法测量船体周围的水流。因此，我们正在考虑升级为能够正确测量水流的水槽。通过升级，预计可进行更加复杂的流体模拟，并加快技术开发的速度”，辻本先生解释道。另外，还计划建立一个海上水槽作为可以进行实际规模测量的场所。
6月下旬，已开始将400m水槽的水全部排出的工作，这是该设施建成以来的首次排水，目的是对使用多年的设施进行彻底的检查和维护，为打造超级400m水槽做准备。海洋技术的重要性永远不会改变。大型实验水槽将继续发展，以保证未来的海洋和船舶更加安全。
原文：JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【相关链接】
海上技术安全研究所官网
400m水槽介绍
400m水槽空气润滑法实验视频
