在全球航運業追求高效、環保與可持續發展的背景下，船舶推進系統的技術革新成為行業關注的核心焦點。傳統金屬螺旋槳雖已應用多年，但在推進效率、噪聲控制、重量優化及維護成本等方面逐漸顯現瓶頸。歐盟“地平線歐洲” 計劃資助的CoPropel項目，匯聚了5個國家9家機構的科研與產業力量，以先進復合材料為核心，構建了從理論建模、精準制造到實驗驗證的全鏈條研發體系，成功推動船舶復合材料螺旋槳技術邁向成熟化與商業化，為下一代船舶推進系統提供了創新性解決方案。

一、項目概況與研發體系

CoPropel 項目由法國 Loiretech 公司擔任技術牽頭方，希臘約阿尼納大學作為項目協調單位，聯合了來自法國、英國、希臘、保加利亞等5個國家的4家科研機構、4家工業合作伙伴及1家認證機構（法國船級社），形成了跨學科、跨領域的研發consortium。項目以 “技術成熟度達到5-6 級” 為目標，通過 “金字塔式驗證” 策略，從復合材料試樣測試、小尺度原型機研發，逐步推進至全尺寸樣機海試，實現了技術從實驗室到實際應用的穩步轉化。同時，項目團隊同步更新復合材料螺旋槳指導文件，為后續組件認證提供標準支撐，有效降低了新技術在船舶產品中集成的風險。

項目的核心目標是研發一款集成結構健康監測（SHM）系統的船用復合材料螺旋槳，在降低運營商直接運營成本的同時，最大限度減少環境影響。其研發體系涵蓋四大關鍵環節：一是基于新型力學與水動力耦合方法的數值建模與優化；二是兼顧可維護性與結構強度的模塊化設計；三是采用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝的高精度制造；四是多場景、全尺度的性能驗證與測試。各環節緊密銜接，充分整合了 consortium 成員在流體力學、材料科學、精密制造、傳感技術等領域的互補性專長，構建了完整的技術創新鏈條。

二、核心技術突破

（一）數值建模與優化技術

項目創新性地采用機械 - 水動力耦合數值方法，突破了傳統螺旋槳設計中忽略材料變形影響的局限。復合材料葉片具有獨特的柔性特征，在不同航行工況下會產生一定程度的形變，這種形變直接關聯螺旋槳的螺距角，進而影響推進性能。研發團隊通過模擬多種工作條件下的葉片形變規律，精準計算最優螺距角，實現了推進效率的最大化。數值模型驗證結果顯示，得益于不同巡航狀態下的螺距自適應調整，復合材料螺旋槳相比傳統金屬螺旋槳平均效率提升8%，為后續性能優化提供了堅實的理論基礎。

此外，針對葉片與輪轂連接部位的結構強度問題，項目團隊重點開展了數值仿真與實驗驗證。葉片根部連接既要實現從工作表面到輪轂的平滑過渡，又要承受“緊急停車” 等極端工況下的劇烈內應力。通過專用演示樣機的測試，數值計算結果得到充分驗證，確保了連接結構在復雜航行條件下的可靠性。

（二）模塊化設計與維護革新

傳統金屬螺旋槳多為整體鑄造結構，一旦單個葉片受損，需將船舶駛入干船塢進行整體更換，不僅維護成本高昂，還會導致長時間停航。CoPropel項目創新性地采用 “葉片 - 輪轂螺栓連接” 設計，通過優化裝配方案，實現了潛水員在水下直接更換單個葉片的功能，無需依賴干船塢設施。這一設計大幅降低了維護成本與停航時間，顯著提升了船舶運營的靈活性。

在裝配方案選型過程中，研發團隊對比了多種技術方案，最終以“成本效益” 和 “水下可維護性” 為核心決策依據，確定了螺栓連接的模塊化結構。該設計在小尺度與全尺度演示樣機中均得到成功應用，其結構強度與密封性通過了一系列嚴苛測試，為實際船舶應用奠定了基礎。

（三）先進制造工藝與材料創新

1. 樹脂傳遞模塑（RTM）工藝

項目采用RTM工藝作為核心制造技術，成功生產了試樣、小尺度（直徑 250mm）及全尺度（直徑1100mm）演示樣機。相比其他復合材料制造工藝，RTM 具有顯著優勢：通過模具精確控制葉片內外表面形狀，確保纖維體積分數的穩定性；能夠直接成型帶有裝配孔的近凈形零件，減少后續加工工序，同時降低水分滲入風險；可實現最優重量控制，便于螺旋槳的靜動平衡調試。

為保證制造重復性（最大厚度達25mm），預成型工藝被列為關鍵步驟。最終的干態預成型體分為內表面、外表面和輪轂三個子部件，結構健康監測系統的光纖傳感器與應變片在該階段被嵌入預成型體中，實現了傳感元件與復合材料結構的一體化集成。針對葉片根部連接形成的倒扣結構，項目設計了可移除的真空 / 壓力密封型芯；為解決光纖（直徑0.1mm）與應變片電線可能導致的泄漏問題，通過專用模具設計進行了優化。注射過程采用真空輔助低壓注射技術，避免纖維與型芯位移，保護脆弱的光纖元件，后續通過施加后壓力消除孔隙缺陷。實測結果顯示，葉片重量偏差控制在±0.3%以內，充分驗證了RTM工藝的高精度與穩定性。

2. 材料體系創新

復合材料螺旋槳的基體材料采用環氧樹脂，增強相為工業級碳纖維，核心內部結構則采用專利技術“Silaxy?” 制成 —— 通過噴墨打印校準砂粒，結合3D打印與浸漬技術，在內部構建樹脂分配通道，確保樹脂在復雜結構中均勻分布。為提升葉片前緣與后緣的抗沖擊性能，項目開發了集成編織物的專用工藝，該工藝不僅增強了抗沖擊能力，還避免了 RTM 模具結合線處的纖維缺陷問題，確保了葉片關鍵部位的結構完整性。

（四）結構健康監測（SHM）系統集成

復合材料結構的一大優勢在于其可嵌入監測元件的特性，CoPropel項目充分利用這一特點，集成了由光纖傳感器（FOS）與標準應變片組成的SHM系統，實現對螺旋槳內部應力的實時監測。該系統能夠檢測沖擊損傷、疲勞累積及內部缺陷，使螺旋槳具備 “自我感知” 能力，為預測性維護提供數據支撐。

水下環境中，傳感數據向船載系統的傳輸是核心技術難點。項目團隊通過技術攻關，成功驗證了SHM系統的水下可靠性，在不影響復合材料結構性能的前提下，實現了穩定的數據傳輸。這一突破解決了船舶螺旋槳在線監測的關鍵瓶頸，不僅能夠及時預警潛在故障，還能通過長期數據積累優化螺旋槳設計與運行參數，進一步提升推進效率與使用壽命。

（五）非破壞性檢測技術應用

為確保復合材料螺旋槳的制造質量，項目測試并評估了多種非破壞性檢測技術，包括數字射線檢測（DR）、X射線計算機斷層掃描（CT）與超聲波檢測。綜合考量檢測效率、缺陷識別能力、設備便攜性等因素后，最終選擇數字射線檢測作為核心檢測手段。該技術具有檢測速度快、可直觀顯示內部缺陷區域、能準確定位并測量缺陷尺寸、設備可便攜化等優勢，同時也明確了其2D成像局限、面內缺陷檢測困難、輻射安全風險及設備成本較高等不足，為實際應用中的檢測方案優化提供了參考。

三、性能驗證與測試結果

（一）多場景實驗測試

項目開展了全面的性能驗證測試，涵蓋空泡水洞試驗、開闊水域與淺水池測試、高速相機葉片撓度測量、水聲學測試等多個場景。小尺度復合材料演示樣機與金屬螺旋槳的對比測試顯示：在低水動力載荷條件下，兩者效率差異不明顯，這是由于低載荷下復合材料變形較小；而在高載荷條件下，復合材料螺旋槳的效率優勢顯著顯現。

水聲學測試結果表明，在5kHz以上高頻段，復合材料螺旋槳的聲學性能更優，噪聲更低；而在30Hz以下低頻段，金屬螺旋槳表現更具優勢，這一現象與復合材料螺旋槳為實現小型化而采用的尖銳后緣設計相關，該設計與制造工藝存在一定兼容性限制。

（二）實船海試驗證

項目在286客位的 “Le Palais” 號船舶上開展了為期3天的海試，通過對比復合材料螺旋槳與傳統金屬螺旋槳的性能，生成了100339組實測數據。海試結果顯示：

1.推進功率節省19%-26%，扣除發動機因功率差異產生的泵送效應后，實際燃油節省達8%；若搭配專用發動機與軸系，燃油節省率預計可提升至至少15%。

2.復合材料螺旋槳在船舶尾流中掀起的浪花更少，這一現象與其更寬的效率適用范圍密切相關。

3.機動性測試表明，復合材料螺旋槳與金屬螺旋槳在船舶操控性能上無顯著差異，確保了其在實際航行中的安全性與可靠性。

功率節省帶來的額外優勢包括：可采用更緊湊的發動機與變速箱設計，降低船舶空間占用，同時為船舶系統集成提供更多靈活性，進一步優化船舶整體設計。

四、項目意義與未來展望

CoPropel項目歷經3年研發，在數值計算、光學傳感、水下數據傳輸、柔性材料測試、厚壁構件近凈形注射、新型先進船舶技術認證準備等多個領域實現了技術突破，充分驗證了復合材料螺旋槳的技術潛力。相比傳統金屬螺旋槳，復合材料螺旋槳在推進效率、噪聲控制、重量優化、維護成本等方面具有顯著優勢，不僅能降低船舶運營成本，還能減少燃油消耗與碳排放，符合航運業綠色低碳的發展趨勢。

項目的技術成果為復合材料螺旋槳的商業化應用奠定了堅實基礎。為推動技術從研發階段走向市場，項目團隊計劃組建新的聯合工業項目（JIP）聯盟，吸引更多行業伙伴參與，加速技術轉化與規模化應用。未來，隨著制造工藝的進一步優化、材料性能的持續提升及認證體系的不斷完善，復合材料螺旋槳有望在各類船舶中廣泛應用，成為船舶推進系統的革命性技術，為全球航運業的可持續發展注入新動力。

參考資料：JEC、CoPropel