閃爍創(chuàng)新光芒的GE9X

董幗雄

20多年前，當(dāng)GE的工程師們廣泛征集客戶對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的訴求時(shí)，在收到的約300項(xiàng)的長(zhǎng)清單上，“燃油效率”躍然其首。這個(gè)答案也是意料之中的，畢竟燃油成本要占航空公司運(yùn)營(yíng)成本的近五分之一。

而在研發(fā)全球最大的商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)GE9X時(shí)，GE公司的研發(fā)之路正是圍繞為客戶降低運(yùn)營(yíng)成本而展開(kāi)的。2020年，盡管新冠肺炎疫情對(duì)于行業(yè)造成了極大的沖擊，但這款被GE公司寄予厚望、燃油效率較上一代產(chǎn)品高出10%的新一代寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)依然在經(jīng)歷了嚴(yán)格的測(cè)試后獲得了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的型號(hào)合格證。作為商用飛機(jī)創(chuàng)新技術(shù)的集大成者，在GE9X身上，業(yè)界再次看到了GE這家經(jīng)歷過(guò)起起伏伏的百年企業(yè)所展現(xiàn)出的創(chuàng)新光芒。

從材料到工藝的革命

從GE9X開(kāi)始啟動(dòng)研制，其就成為了當(dāng)之無(wú)愧的焦點(diǎn)：研發(fā)最先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料、在關(guān)鍵部件大膽采用3D打印部件、使用最先進(jìn)的數(shù)字傳感器套件將數(shù)字化革命推向高潮，所有這些創(chuàng)新的背后既有強(qiáng)大技術(shù)能力的支撐，更有難能可貴的革命性創(chuàng)新。

GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)包括1級(jí)風(fēng)扇、3級(jí)低壓壓氣機(jī)、11級(jí)高壓壓氣機(jī)、燃燒室、2級(jí)高壓渦輪和6級(jí)低壓渦輪。風(fēng)扇直徑達(dá)到3.4米，堪比波音737機(jī)身的最大橫截面直徑。發(fā)動(dòng)機(jī)采用了300多個(gè)增材制造的零部件，還采用了5個(gè)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）部件，其中包括第一級(jí)高壓渦輪罩，第一、第二級(jí)渦輪導(dǎo)向器，以及燃燒室的內(nèi)、外襯等。

針對(duì)這些新材料，2015年GE就在一臺(tái)GEnx驗(yàn)證型發(fā)動(dòng)機(jī)中安裝了GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的部分CMC材料部件，進(jìn)行了首輪試驗(yàn)。這臺(tái)GEnx工程驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)完成了2800個(gè)耐久性循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果好于預(yù)期，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢時(shí)，CMC部件仍處于完全可用的狀態(tài)。2016年，GE又在GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)中完成了CMC組件試驗(yàn)的第二階段，除了使用首輪中相同的CMC部件外，還新增加了高壓渦輪第一級(jí)導(dǎo)向器葉片。

GE9X的風(fēng)扇也是一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新，它由復(fù)雜彎曲形狀的碳纖維復(fù)合材料葉片制成。在高效渦輪的驅(qū)動(dòng)下，這樣設(shè)計(jì)的風(fēng)扇可以吸入盡可能多的空氣，從而給飛機(jī)產(chǎn)生更大的推力。在GE9X風(fēng)扇葉片中使用的是第四代碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，數(shù)量只有16片，是目前世界上所有大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中葉片厚度最薄、用量最少的（GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片數(shù)量是22片，GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)是18片），葉片的前緣包邊材料從鈦合金換成了鋼，加強(qiáng)了葉片的強(qiáng)度。

對(duì)于GE來(lái)說(shuō)，GE9X是在GE90-115B與GEnx的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳承與創(chuàng)新的產(chǎn)物。過(guò)去十年中，每一代發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化應(yīng)用都越來(lái)越顯著，因此在GE9X中，其傳感器套件就達(dá)到了數(shù)字化革命的頂峰。遙測(cè)技術(shù)使得GE工程師們有能力隨時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力、溫度、空氣流等等，基于大數(shù)據(jù)和軟件分析，運(yùn)營(yíng)效率可以大大提高，同時(shí)維護(hù)成本也得以降低。

在GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)中，數(shù)字化技術(shù)無(wú)處不在。通過(guò)數(shù)字化技術(shù)客戶可以對(duì)每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)字識(shí)別。在發(fā)動(dòng)機(jī)投入運(yùn)營(yíng)后，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，GE就可以通過(guò)大數(shù)據(jù)分析來(lái)快速鎖定具有類似“基因”的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而可以提前和航空公司一起有效預(yù)防可能發(fā)生的故障，再也不需要像過(guò)去那樣一臺(tái)一臺(tái)地進(jìn)行檢查和監(jiān)控，這樣不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，更大大地提高了航空公司的運(yùn)營(yíng)效率，降低了維護(hù)成本。

另一個(gè)值得一提的話題是，由于GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑超過(guò)134英寸（約3.4米），面對(duì)這個(gè)前所未有的“大塊頭”，如何運(yùn)輸變成了一個(gè)問(wèn)題。為此GE公司專門為其“量身定制”了運(yùn)輸設(shè)備，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在路上運(yùn)行的時(shí)候符合限高要求，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)才不會(huì)夾住電線、鐵路高架橋等。GE團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)安裝在底座上的拖車，使得GE9X可以穿越公路到達(dá)測(cè)試場(chǎng)地。

在GE航空位于俄亥俄州的皮布爾斯操作測(cè)試中心周圍，為了給運(yùn)輸車輛騰出更大空間，中心周圍的公路都被加寬，以便能同時(shí)容納兩臺(tái)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)相向通過(guò)。由于GE9X的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口是世界上迄今為止最大的，其直徑高達(dá)18英尺（約5米），長(zhǎng)達(dá)15英尺（約4.5米）。當(dāng)它被卡車運(yùn)往俄亥俄州時(shí)，高速公路巡邏隊(duì)在稱重站測(cè)量了這批貨物，而它也將“寬載荷”的概念提升到了一個(gè)新的水平。

突破極限的飛行測(cè)試

作為采用了諸多創(chuàng)新技術(shù)的新產(chǎn)品，GE9X取證試驗(yàn)的經(jīng)歷并不輕松。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)定子葉片耐久性的問(wèn)題，GE9X的取證工作在2019年遭遇了推遲，之后GE對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，從而保證了777-9X于2020年1月開(kāi)始飛行試驗(yàn)。截至2020年年末，GE公司已經(jīng)向波音交付了8臺(tái)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)和2臺(tái)備用發(fā)動(dòng)機(jī)，其中就包括為第4架777-9X試驗(yàn)機(jī)提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，目前這架試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)在2020年9月加入試飛隊(duì)伍。

在獲得FAA的適航認(rèn)證前，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)約5000小時(shí)、8000個(gè)循環(huán)，其中包括在GE的747-400飛機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的飛行測(cè)試。測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)在747-400飛機(jī)平臺(tái)上先后進(jìn)行了72次測(cè)試飛行，總飛行時(shí)間超過(guò)400小時(shí)。

同時(shí)，GE還采用了8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)進(jìn)行取證期間的測(cè)試。其中001號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，即首臺(tái)測(cè)試整機(jī)在完成全部任務(wù)后已經(jīng)被送往博物館。002號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)用于葉片包容測(cè)試;003號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行橫風(fēng)測(cè)試、循環(huán)和反推力裝置載荷測(cè)試;004號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行飛行測(cè)試;005號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)采用不平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久循環(huán)測(cè)試，并評(píng)估振動(dòng)級(jí)別，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)所有的實(shí)際極限，還將用于雙發(fā)延程飛行認(rèn)證;006號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)用于濺水試驗(yàn)等;007號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行低壓渦輪過(guò)熱測(cè)試后，在翻修后進(jìn)行結(jié)冰認(rèn)證測(cè)試;008號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)用來(lái)進(jìn)行FAA的150小時(shí)耐久性測(cè)試。2020年10月，完成了所有試驗(yàn)后，F(xiàn)AA向GE頒發(fā)了型號(hào)合格證。

但獲得型號(hào)合格證并不意味著GE9X項(xiàng)目完成了所有的測(cè)試工作。未來(lái)，GE還需要完成第一批量產(chǎn)型GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的工廠驗(yàn)收測(cè)試工作。同時(shí)作為發(fā)動(dòng)機(jī)交付準(zhǔn)備工作中的一部分，GE還將繼續(xù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相關(guān)地面試驗(yàn)。預(yù)認(rèn)證工作還包括為驗(yàn)證初始維修檢查所進(jìn)行的1000循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)，初始維修檢查用來(lái)確定維修間隔之間的最大工作小時(shí)或者工作循環(huán)數(shù)量。

除此之外，GE還在準(zhǔn)備另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，以驗(yàn)證一種新型的氣流導(dǎo)向葉片，可以減少灰塵和碎片對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的影響。

由于中東地區(qū)航空公司是777-9X的重要客戶，該地區(qū)航空公司的飛機(jī)起降經(jīng)常要在高溫多塵環(huán)境下進(jìn)行，因此為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的耐用性和防沙塵的能力，GE9X引入了新的保護(hù)層技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)超越了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)涵道可變閥門系統(tǒng)，并且增加了對(duì)引起管中碎片顆粒的過(guò)濾裝置。

對(duì)此，GE公司表示，將在今年采用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行有意吸入灰塵的測(cè)試，以觀察發(fā)動(dòng)機(jī)在這種環(huán)境下的反應(yīng)，從而增強(qiáng)這款發(fā)動(dòng)機(jī)在中東地區(qū)的適用性。

在中東這樣的炎熱、干燥或者大氣污染嚴(yán)重的地區(qū)，灰塵顆粒主要通過(guò)兩種方式造成發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的耐久性問(wèn)題。一是灰塵顆粒會(huì)聚積在葉片轉(zhuǎn)子和定子的表面，從而使其表面的涂層退化;二是灰塵會(huì)堵塞渦輪葉片和導(dǎo)向器的內(nèi)部冷卻通道，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)二次流通道的冷卻效率。

為了解決這些問(wèn)題，GE創(chuàng)新推出了新型氣流導(dǎo)向裝置，該裝置也被稱為旋風(fēng)式分離器，是專門用來(lái)防止沙塵進(jìn)入二次流通道的，這些通道如果被阻塞會(huì)造成很多問(wèn)題。盡管目前GE并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明這一創(chuàng)新裝置將如何運(yùn)轉(zhuǎn)，但專利文件顯示，導(dǎo)向裝置從排氣系統(tǒng)獲得冷卻氣流，并采用離心方式分離出灰塵顆粒。干凈的氣流被引導(dǎo)到冷卻系統(tǒng)中，同時(shí)混有灰塵的空氣通過(guò)排氣出口流入外涵道。

而為了盡可能真實(shí)地還原中東地區(qū)的沙塵環(huán)境，GE從世界各地引入了一些具有代表性的粉塵混合物，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)前安裝了一個(gè)吹氣裝置，再將這些從世界各地收集來(lái)的粉塵注入風(fēng)扇前面的氣流中。同時(shí)，GE還會(huì)將一些典型的碎片物體吹入24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，并采用內(nèi)窺鏡對(duì)其進(jìn)行檢查，最后再將其拆下以驗(yàn)證是否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

同時(shí)，這一測(cè)試還包括特別設(shè)計(jì)的工作循環(huán)，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)最易受到灰塵攻擊的飛行包線中，如起飛、下降和著陸時(shí)模擬顆粒攝入的情況。目前，GE正在全力復(fù)現(xiàn)可能會(huì)出現(xiàn)的各種情況，同時(shí)測(cè)試還會(huì)在包括反推在內(nèi)的模式下進(jìn)行。根據(jù)計(jì)劃，GE針對(duì)這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)的相關(guān)測(cè)試工作將在2021年完成，為2022年777-9X投入市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)做好準(zhǔn)備。

而無(wú)論是從創(chuàng)新的材料、工藝還是新型的氣流導(dǎo)向葉片中，我們都不難看出近年來(lái)GE新的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，即對(duì)于創(chuàng)新的投入、對(duì)于研發(fā)的重視被重新提到了新的高度。而在GE9X項(xiàng)目中，無(wú)論是3D打印技術(shù)還是數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，也都很好地體現(xiàn)了GE近年來(lái)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型所取得的成績(jī)。從這個(gè)角度來(lái)看，盡管百年來(lái)，GE在發(fā)展歷程中也曾有過(guò)迷茫，甚至迷失，但如今在重新找回自我、再次將新技術(shù)研發(fā)作為企業(yè)發(fā)展的基石后，業(yè)界似乎又重新看到了那個(gè)閃耀著創(chuàng)新光芒的GE。