国舰国造需要怎样的国家级船模实验室？（二）船模实验室种类与现况
最近科技部与国防部合作公开征求的「学研中心」计划中，「先进船舰及水下载具」主题领域内有个重要项目是船舰及水下载具性能测试与验证。那有哪些测试验证的船模实验项目呢？
船模实验的种类
▲台船公司文物馆展示在德国拖航水槽实验过的船模。（图／陈政宏提供）
为了了解一艘船的完整流体动力性能，大部分的做法是让船的模型在水中被台车拖着跑，到了想要测量的速度时，再以各种仪器测量其性能。船模实验的主要项目包括下列各种：
(1)单纯测量阻力的裸船阻力实验
(2)测量靠船模本身动力推进时的推力、转矩、转速的自推实验
(4)观察船模流场趋势的油墨试验及流场可视化实验
(6)测量平面运动时船只反应的平面运动性能实验
(8)操控性能实验
(9)潜航器自航实验：潜舰有个特殊实验项目，是以能依靠自身动力航行的模型，在至少数百公尺见方且够深的水域中，作各种航行状况测试与水动力性能测量的。
船模实验室的种类
由于实验(9)所需水体过大，因此一般并不会另盖一座实验室，而是选择适当的水库、天然湖泊、人工湖，在里面架设实验观察设施进行。又由于模型制造与实验仪器的精密度必然有极限，使得船模实验的模型越大才能越准确；而模型越大，实验设施也只好跟着越大。另外，也为了避免水槽相对于模型太小，阻碍了水的流动，产生所谓的阻塞效应、槽壁效应等，水槽的断面也不能太小；又为了在高速实验时有足够的时间稳定测量，水槽的长度也不能太短。
综合以上，完整的船模实验需要的是下面这些实验室：
(A)一个够长的大型拖航水槽
装上各式仪器后，以台车拖着模型在水里跑，可以进行上述实验项目(1)(2)(3)(4)(5)(6)。先进国家的商业或国家级拖航水槽，长度大都超过250公尺，美国海军的拖航水槽长达五百多公尺，俄罗斯的更超过一公里！宽度与深度大概分别要12~16公尺、5~6公尺以上才比较好用。
▲拖航水槽。（图／翻摄自网路）
水槽上要有精密的轨道与速度稳定的台车，台车上有能精密测量船模各种受力、姿态、流场速度、水温、车速的仪器；当然摄录影装备也是一定有的。船模实验的水不动，让模型移动的原因是船会制造波浪，这也是要观察的重点，而水洞(水动，但模型不动)很难造出平稳的水面及流速均匀的水体，而且要让这么大量的水体移动，耗能太大。
但同理，有些潜艇全没入水中时的实验倒是也可以在风洞或空蚀水槽中进行；反过来，飞机的实验如果要观察尾部流场的话，也可以改在拖航水槽中进行，只要满足流体力学的相似原理就好。
(B)一个矩形够深可造波的船舶耐海及运动性能水槽
进行实验(7)(8)；也是需要有精密的轨道、台车、精密测量船模各种受力、姿态的仪器；岸边则要设有造波机；更讲究的还在水槽中设有造流设备。
▲造波机。（图／翻摄自网路）
(C)一座空蚀水槽，进行实验(3)
因为空蚀水槽就像风洞一样，是水动但模型不动，比较好观察测量，也能调整压力，模拟不同水深的情况；反观拖航水槽就只能测量一种近水面的深度，但比较容易做螺桨分别在前进后退时的正反转性能实验。因此拖航水槽与空蚀水槽具有互补性。
▲空蚀水槽。（图／翻摄自网路）
(D)一个天然或人工水域，进行实验(9)
这也是外国大部分的国家级与军方实验室的设施。
(E)回旋臂水槽
这不是必要设备，但美国、中国、英国等国家的国家级实验室都有，因为以往对潜艇为主的船舶在转弯时的水动力性能的研究，要靠回旋臂抓着船模绕弧形走来测量性能。因此会另外建造一个圆形的水池来单独实验。
但现在因为机电控制技术进步，我们可以在耐海及运动性能水槽中设置双向移动台车，让小台车在纵向移动的大台车上横向移动，再于小台车上装一个可以旋转的转盘，把船模挂在这个转盘下方，这样小台车上的转盘可以移动到水槽中的何一个位置，也可用精密控制的方式走圆弧形轨迹，转盘再随时转动到适当的角度，就可以达到回旋臂的功能，而不需要另外开挖一个大圆形水池了。约五年前英国公司替印度海军设计建造的耐海及运动性能水槽就是一例。
此外，温带国家的国家级船模实验室往往也还有一个特殊的可结冰功能的拖航水槽，作为破冰船的实验场所。
台湾第一座拖航水槽是1968年在台大兴建的，但这第一座水槽由于断面较小，在第二个水槽兴建后，就不太使用，现在已被填平改为一般实验室了。目前台湾的拖航水槽有两座，一个在台大，一个在成大，断面相同(8m x 4m)，但是台大的较短，仅有120m，且两端为建筑物，无法再扩大。
成大的水槽有163m长，位于地下，较为隐密，且北侧为校内道路，最多可以延长至410m。这样的断面略嫌小，但勉强堪用，需做研究了解如何修正数据，而未来若延长则是足够做为国家级实验室。国外大学的拖航水槽通常较短小，仅做为教学研究用，例如建立于百年前的美国密西根大学水槽，长约110公尺，宽6.7公尺，深3.2公尺。
台湾的两座都算学界中较大的，成大的目前排世界大学可使用的水槽第四，中国有两座大学拖航水槽长一百七十多公尺，略大于成大的；上海交大则是在闵行校区刚新建完成一座长300公尺的拖航水槽，超过柏林科技大学250公尺长的水槽，是世界各大学中最长的；但据说因为注水后沉陷不均匀，影响轨道台车的精密性，仍在调整，还无法使用。这也凸显了拖航水槽这种又细又长、规模大又要精密的设备在选址时的重要性。
▲成大拖航水槽。（图／陈政宏提供）
台湾没有(B) 耐海及运动性能水槽，为了潜舰与水面船舰的长远发展，不断修正改良设计之需，应该需要兴建一座够大的。这也是国海院目前规划要兴建的。未来若有机会兴建，我会建议比照印度海军五年前新建的水槽，约为130m x 40m x 6m。
(C) 空蚀水槽：位于基隆的海洋大学有一座大型的空蚀水槽，是全世界第三大；海大另有一座中型的，两座小型的则在台大与成大。中型与大型的都足供新式船舰发展使用，仅需整修维护、健全体制。小型的只能进行一般研究与教学使用。
因为之前没做过潜舰设计及深入的研究，台湾也还没有(D) 天然或人工实验水域，但是未来可以考虑找合适又隐密的内陆水域。
▲船舰及水下载具之测试实验项目与国内设备。（图／陈政宏提供）
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