在全球航運(yùn)業(yè)追求高效、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的背景下，船舶推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)革新成為行業(yè)關(guān)注的核心焦點(diǎn)。傳統(tǒng)金屬螺旋槳雖已應(yīng)用多年，但在推進(jìn)效率、噪聲控制、重量?jī)?yōu)化及維護(hù)成本等方面逐漸顯現(xiàn)瓶頸。歐盟“地平線歐洲” 計(jì)劃資助的CoPropel項(xiàng)目，匯聚了5個(gè)國(guó)家9家機(jī)構(gòu)的科研與產(chǎn)業(yè)力量，以先進(jìn)復(fù)合材料為核心，構(gòu)建了從理論建模、精準(zhǔn)制造到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的全鏈條研發(fā)體系，成功推動(dòng)船舶復(fù)合材料螺旋槳技術(shù)邁向成熟化與商業(yè)化，為下一代船舶推進(jìn)系統(tǒng)提供了創(chuàng)新性解決方案。

一、項(xiàng)目概況與研發(fā)體系

CoPropel 項(xiàng)目由法國(guó) Loiretech 公司擔(dān)任技術(shù)牽頭方，希臘約阿尼納大學(xué)作為項(xiàng)目協(xié)調(diào)單位，聯(lián)合了來(lái)自法國(guó)、英國(guó)、希臘、保加利亞等5個(gè)國(guó)家的4家科研機(jī)構(gòu)、4家工業(yè)合作伙伴及1家認(rèn)證機(jī)構(gòu)（法國(guó)船級(jí)社），形成了跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的研發(fā)consortium。項(xiàng)目以 “技術(shù)成熟度達(dá)到5-6 級(jí)” 為目標(biāo)，通過(guò) “金字塔式驗(yàn)證” 策略，從復(fù)合材料試樣測(cè)試、小尺度原型機(jī)研發(fā)，逐步推進(jìn)至全尺寸樣機(jī)海試，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)步轉(zhuǎn)化。同時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)同步更新復(fù)合材料螺旋槳指導(dǎo)文件，為后續(xù)組件認(rèn)證提供標(biāo)準(zhǔn)支撐，有效降低了新技術(shù)在船舶產(chǎn)品中集成的風(fēng)險(xiǎn)。

項(xiàng)目的核心目標(biāo)是研發(fā)一款集成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）系統(tǒng)的船用復(fù)合材料螺旋槳，在降低運(yùn)營(yíng)商直接運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)，最大限度減少環(huán)境影響。其研發(fā)體系涵蓋四大關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是基于新型力學(xué)與水動(dòng)力耦合方法的數(shù)值建模與優(yōu)化；二是兼顧可維護(hù)性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的模塊化設(shè)計(jì)；三是采用樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）工藝的高精度制造；四是多場(chǎng)景、全尺度的性能驗(yàn)證與測(cè)試。各環(huán)節(jié)緊密銜接，充分整合了 consortium 成員在流體力學(xué)、材料科學(xué)、精密制造、傳感技術(shù)等領(lǐng)域的互補(bǔ)性專長(zhǎng)，構(gòu)建了完整的技術(shù)創(chuàng)新鏈條。

二、核心技術(shù)突破

（一）數(shù)值建模與優(yōu)化技術(shù)

項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用機(jī)械 - 水動(dòng)力耦合數(shù)值方法，突破了傳統(tǒng)螺旋槳設(shè)計(jì)中忽略材料變形影響的局限。復(fù)合材料葉片具有獨(dú)特的柔性特征，在不同航行工況下會(huì)產(chǎn)生一定程度的形變，這種形變直接關(guān)聯(lián)螺旋槳的螺距角，進(jìn)而影響推進(jìn)性能。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬多種工作條件下的葉片形變規(guī)律，精準(zhǔn)計(jì)算最優(yōu)螺距角，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)效率的最大化。數(shù)值模型驗(yàn)證結(jié)果顯示，得益于不同巡航狀態(tài)下的螺距自適應(yīng)調(diào)整，復(fù)合材料螺旋槳相比傳統(tǒng)金屬螺旋槳平均效率提升8%，為后續(xù)性能優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

此外，針對(duì)葉片與輪轂連接部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)開(kāi)展了數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。葉片根部連接既要實(shí)現(xiàn)從工作表面到輪轂的平滑過(guò)渡，又要承受“緊急停車” 等極端工況下的劇烈內(nèi)應(yīng)力。通過(guò)專用演示樣機(jī)的測(cè)試，數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到充分驗(yàn)證，確保了連接結(jié)構(gòu)在復(fù)雜航行條件下的可靠性。

（二）模塊化設(shè)計(jì)與維護(hù)革新

傳統(tǒng)金屬螺旋槳多為整體鑄造結(jié)構(gòu)，一旦單個(gè)葉片受損，需將船舶駛?cè)敫纱瑝]進(jìn)行整體更換，不僅維護(hù)成本高昂，還會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間停航。CoPropel項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用 “葉片 - 輪轂螺栓連接” 設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化裝配方案，實(shí)現(xiàn)了潛水員在水下直接更換單個(gè)葉片的功能，無(wú)需依賴干船塢設(shè)施。這一設(shè)計(jì)大幅降低了維護(hù)成本與停航時(shí)間，顯著提升了船舶運(yùn)營(yíng)的靈活性。

在裝配方案選型過(guò)程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)比了多種技術(shù)方案，最終以“成本效益” 和 “水下可維護(hù)性” 為核心決策依據(jù)，確定了螺栓連接的模塊化結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)在小尺度與全尺度演示樣機(jī)中均得到成功應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與密封性通過(guò)了一系列嚴(yán)苛測(cè)試，為實(shí)際船舶應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（三）先進(jìn)制造工藝與材料創(chuàng)新

1. 樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）工藝

項(xiàng)目采用RTM工藝作為核心制造技術(shù)，成功生產(chǎn)了試樣、小尺度（直徑 250mm）及全尺度（直徑1100mm）演示樣機(jī)。相比其他復(fù)合材料制造工藝，RTM 具有顯著優(yōu)勢(shì)：通過(guò)模具精確控制葉片內(nèi)外表面形狀，確保纖維體積分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定性；能夠直接成型帶有裝配孔的近凈形零件，減少后續(xù)加工工序，同時(shí)降低水分滲入風(fēng)險(xiǎn)；可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)重量控制，便于螺旋槳的靜動(dòng)平衡調(diào)試。

為保證制造重復(fù)性（最大厚度達(dá)25mm），預(yù)成型工藝被列為關(guān)鍵步驟。最終的干態(tài)預(yù)成型體分為內(nèi)表面、外表面和輪轂三個(gè)子部件，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光纖傳感器與應(yīng)變片在該階段被嵌入預(yù)成型體中，實(shí)現(xiàn)了傳感元件與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一體化集成。針對(duì)葉片根部連接形成的倒扣結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了可移除的真空 / 壓力密封型芯；為解決光纖（直徑0.1mm）與應(yīng)變片電線可能導(dǎo)致的泄漏問(wèn)題，通過(guò)專用模具設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。注射過(guò)程采用真空輔助低壓注射技術(shù)，避免纖維與型芯位移，保護(hù)脆弱的光纖元件，后續(xù)通過(guò)施加后壓力消除孔隙缺陷。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，葉片重量偏差控制在±0.3%以內(nèi)，充分驗(yàn)證了RTM工藝的高精度與穩(wěn)定性。

2. 材料體系創(chuàng)新

復(fù)合材料螺旋槳的基體材料采用環(huán)氧樹(shù)脂，增強(qiáng)相為工業(yè)級(jí)碳纖維，核心內(nèi)部結(jié)構(gòu)則采用專利技術(shù)“Silaxy?” 制成 —— 通過(guò)噴墨打印校準(zhǔn)砂粒，結(jié)合3D打印與浸漬技術(shù)，在內(nèi)部構(gòu)建樹(shù)脂分配通道，確保樹(shù)脂在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中均勻分布。為提升葉片前緣與后緣的抗沖擊性能，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了集成編織物的專用工藝，該工藝不僅增強(qiáng)了抗沖擊能力，還避免了 RTM 模具結(jié)合線處的纖維缺陷問(wèn)題，確保了葉片關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)完整性。

（四）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）系統(tǒng)集成

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)勢(shì)在于其可嵌入監(jiān)測(cè)元件的特性，CoPropel項(xiàng)目充分利用這一特點(diǎn)，集成了由光纖傳感器（FOS）與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片組成的SHM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳內(nèi)部應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)能夠檢測(cè)沖擊損傷、疲勞累積及內(nèi)部缺陷，使螺旋槳具備 “自我感知” 能力，為預(yù)測(cè)性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

水下環(huán)境中，傳感數(shù)據(jù)向船載系統(tǒng)的傳輸是核心技術(shù)難點(diǎn)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，成功驗(yàn)證了SHM系統(tǒng)的水下可靠性，在不影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。這一突破解決了船舶螺旋槳在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵瓶頸，不僅能夠及時(shí)預(yù)警潛在故障，還能通過(guò)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)積累優(yōu)化螺旋槳設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步提升推進(jìn)效率與使用壽命。

（五）非破壞性檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

為確保復(fù)合材料螺旋槳的制造質(zhì)量，項(xiàng)目測(cè)試并評(píng)估了多種非破壞性檢測(cè)技術(shù)，包括數(shù)字射線檢測(cè)（DR）、X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）與超聲波檢測(cè)。綜合考量檢測(cè)效率、缺陷識(shí)別能力、設(shè)備便攜性等因素后，最終選擇數(shù)字射線檢測(cè)作為核心檢測(cè)手段。該技術(shù)具有檢測(cè)速度快、可直觀顯示內(nèi)部缺陷區(qū)域、能準(zhǔn)確定位并測(cè)量缺陷尺寸、設(shè)備可便攜化等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也明確了其2D成像局限、面內(nèi)缺陷檢測(cè)困難、輻射安全風(fēng)險(xiǎn)及設(shè)備成本較高等不足，為實(shí)際應(yīng)用中的檢測(cè)方案優(yōu)化提供了參考。

三、性能驗(yàn)證與測(cè)試結(jié)果

（一）多場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)測(cè)試

項(xiàng)目開(kāi)展了全面的性能驗(yàn)證測(cè)試，涵蓋空泡水洞試驗(yàn)、開(kāi)闊水域與淺水池測(cè)試、高速相機(jī)葉片撓度測(cè)量、水聲學(xué)測(cè)試等多個(gè)場(chǎng)景。小尺度復(fù)合材料演示樣機(jī)與金屬螺旋槳的對(duì)比測(cè)試顯示：在低水動(dòng)力載荷條件下，兩者效率差異不明顯，這是由于低載荷下復(fù)合材料變形較小；而在高載荷條件下，復(fù)合材料螺旋槳的效率優(yōu)勢(shì)顯著顯現(xiàn)。

水聲學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，在5kHz以上高頻段，復(fù)合材料螺旋槳的聲學(xué)性能更優(yōu)，噪聲更低；而在30Hz以下低頻段，金屬螺旋槳表現(xiàn)更具優(yōu)勢(shì)，這一現(xiàn)象與復(fù)合材料螺旋槳為實(shí)現(xiàn)小型化而采用的尖銳后緣設(shè)計(jì)相關(guān)，該設(shè)計(jì)與制造工藝存在一定兼容性限制。

（二）實(shí)船海試驗(yàn)證

項(xiàng)目在286客位的 “Le Palais” 號(hào)船舶上開(kāi)展了為期3天的海試，通過(guò)對(duì)比復(fù)合材料螺旋槳與傳統(tǒng)金屬螺旋槳的性能，生成了100339組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。海試結(jié)果顯示：

1.推進(jìn)功率節(jié)省19%-26%，扣除發(fā)動(dòng)機(jī)因功率差異產(chǎn)生的泵送效應(yīng)后，實(shí)際燃油節(jié)省達(dá)8%；若搭配專用發(fā)動(dòng)機(jī)與軸系，燃油節(jié)省率預(yù)計(jì)可提升至至少15%。

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

3.機(jī)動(dòng)性測(cè)試表明，復(fù)合材料螺旋槳與金屬螺旋槳在船舶操控性能上無(wú)顯著差異，確保了其在實(shí)際航行中的安全性與可靠性。

功率節(jié)省帶來(lái)的額外優(yōu)勢(shì)包括：可采用更緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱設(shè)計(jì)，降低船舶空間占用，同時(shí)為船舶系統(tǒng)集成提供更多靈活性，進(jìn)一步優(yōu)化船舶整體設(shè)計(jì)。

四、項(xiàng)目意義與未來(lái)展望

CoPropel項(xiàng)目歷經(jīng)3年研發(fā)，在數(shù)值計(jì)算、光學(xué)傳感、水下數(shù)據(jù)傳輸、柔性材料測(cè)試、厚壁構(gòu)件近凈形注射、新型先進(jìn)船舶技術(shù)認(rèn)證準(zhǔn)備等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)突破，充分驗(yàn)證了復(fù)合材料螺旋槳的技術(shù)潛力。相比傳統(tǒng)金屬螺旋槳，復(fù)合材料螺旋槳在推進(jìn)效率、噪聲控制、重量?jī)?yōu)化、維護(hù)成本等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅能降低船舶運(yùn)營(yíng)成本，還能減少燃油消耗與碳排放，符合航運(yùn)業(yè)綠色低碳的發(fā)展趨勢(shì)。

項(xiàng)目的技術(shù)成果為復(fù)合材料螺旋槳的商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為推動(dòng)技術(shù)從研發(fā)階段走向市場(chǎng)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)計(jì)劃組建新的聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目（JIP）聯(lián)盟，吸引更多行業(yè)伙伴參與，加速技術(shù)轉(zhuǎn)化與規(guī)模化應(yīng)用。未來(lái)，隨著制造工藝的進(jìn)一步優(yōu)化、材料性能的持續(xù)提升及認(rèn)證體系的不斷完善，復(fù)合材料螺旋槳有望在各類船舶中廣泛應(yīng)用，成為船舶推進(jìn)系統(tǒng)的革命性技術(shù)，為全球航運(yùn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入新動(dòng)力。

參考資料：JEC、CoPropel