閃爍創新光芒的GE9X

董幗雄

20多年前，當GE的工程師們廣泛征集客戶對飛機發動機性能的訴求時，在收到的約300項的長清單上，“燃油效率”躍然其首。這個答案也是意料之中的，畢竟燃油成本要占航空公司運營成本的近五分之一。

而在研發全球最大的商用飛機發動機GE9X時，GE公司的研發之路正是圍繞為客戶降低運營成本而展開的。2020年，盡管新冠肺炎疫情對于行業造成了極大的沖擊，但這款被GE公司寄予厚望、燃油效率較上一代產品高出10%的新一代寬體客機發動機依然在經歷了嚴格的測試后獲得了美國聯邦航空管理局（FAA）的型號合格證。作為商用飛機創新技術的集大成者，在GE9X身上，業界再次看到了GE這家經歷過起起伏伏的百年企業所展現出的創新光芒。

從材料到工藝的革命

從GE9X開始啟動研制，其就成為了當之無愧的焦點：研發最先進的陶瓷基復合材料、在關鍵部件大膽采用3D打印部件、使用最先進的數字傳感器套件將數字化革命推向高潮，所有這些創新的背后既有強大技術能力的支撐，更有難能可貴的革命性創新。

GE9X發動機的主體結構包括1級風扇、3級低壓壓氣機、11級高壓壓氣機、燃燒室、2級高壓渦輪和6級低壓渦輪。風扇直徑達到3.4米，堪比波音737機身的最大橫截面直徑。發動機采用了300多個增材制造的零部件，還采用了5個陶瓷基復合材料（CMC）部件，其中包括第一級高壓渦輪罩，第一、第二級渦輪導向器，以及燃燒室的內、外襯等。

針對這些新材料，2015年GE就在一臺GEnx驗證型發動機中安裝了GE9X發動機的部分CMC材料部件，進行了首輪試驗。這臺GEnx工程驗證發動機累計完成了2800個耐久性循環試驗，試驗結果好于預期，當發動機報廢時，CMC部件仍處于完全可用的狀態。2016年，GE又在GEnx發動機驗證機中完成了CMC組件試驗的第二階段，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導向器葉片。

GE9X的風扇也是一項關鍵創新，它由復雜彎曲形狀的碳纖維復合材料葉片制成。在高效渦輪的驅動下，這樣設計的風扇可以吸入盡可能多的空氣，從而給飛機產生更大的推力。在GE9X風扇葉片中使用的是第四代碳纖維增強樹脂基復合材料，數量只有16片，是目前世界上所有大涵道比渦扇發動機中葉片厚度最薄、用量最少的（GE90-115B發動機風扇葉片數量是22片，GEnx發動機是18片），葉片的前緣包邊材料從鈦合金換成了鋼，加強了葉片的強度。

對于GE來說，GE9X是在GE90-115B與GEnx的基礎上進行傳承與創新的產物。過去十年中，每一代發動機的數字化應用都越來越顯著，因此在GE9X中，其傳感器套件就達到了數字化革命的頂峰。遙測技術使得GE工程師們有能力隨時監測發動機的壓力、溫度、空氣流等等，基于大數據和軟件分析，運營效率可以大大提高，同時維護成本也得以降低。

在GE9X發動機中，數字化技術無處不在。通過數字化技術客戶可以對每一臺發動機進行數字識別。在發動機投入運營后，一旦出現問題，GE就可以通過大數據分析來快速鎖定具有類似“基因”的發動機，從而可以提前和航空公司一起有效預防可能發生的故障，再也不需要像過去那樣一臺一臺地進行檢查和監控，這樣不僅提高了發動機的安全性，更大大地提高了航空公司的運營效率，降低了維護成本。

另一個值得一提的話題是，由于GE9X發動機的風扇直徑超過134英寸（約3.4米），面對這個前所未有的“大塊頭”，如何運輸變成了一個問題。為此GE公司專門為其“量身定制”了運輸設備，讓發動機在路上運行的時候符合限高要求，這樣發動機才不會夾住電線、鐵路高架橋等。GE團隊設計了一個安裝在底座上的拖車，使得GE9X可以穿越公路到達測試場地。

在GE航空位于俄亥俄州的皮布爾斯操作測試中心周圍，為了給運輸車輛騰出更大空間，中心周圍的公路都被加寬，以便能同時容納兩臺GE9X發動機相向通過。由于GE9X的發動機進氣口是世界上迄今為止最大的，其直徑高達18英尺（約5米），長達15英尺（約4.5米）。當它被卡車運往俄亥俄州時，高速公路巡邏隊在稱重站測量了這批貨物，而它也將“寬載荷”的概念提升到了一個新的水平。

突破極限的飛行測試

作為采用了諸多創新技術的新產品，GE9X取證試驗的經歷并不輕松。

由于發動機壓氣機定子葉片耐久性的問題，GE9X的取證工作在2019年遭遇了推遲，之后GE對設計進行了修改，從而保證了777-9X于2020年1月開始飛行試驗。截至2020年年末，GE公司已經向波音交付了8臺GE9X發動機和2臺備用發動機，其中就包括為第4架777-9X試驗機提供動力的發動機，目前這架試驗機已經在2020年9月加入試飛隊伍。

在獲得FAA的適航認證前，GE9X發動機累計運轉約5000小時、8000個循環，其中包括在GE的747-400飛機試驗平臺上進行的飛行測試。測試發動機在747-400飛機平臺上先后進行了72次測試飛行，總飛行時間超過400小時。

同時，GE還采用了8臺發動機原型機進行取證期間的測試。其中001號發動機，即首臺測試整機在完成全部任務后已經被送往博物館。002號發動機用于葉片包容測試;003號發動機進行橫風測試、循環和反推力裝置載荷測試;004號發動機在飛行測試平臺上進行飛行測試;005號發動機采用不平衡結構進行耐久循環測試，并評估振動級別，檢查發動機所有的實際極限，還將用于雙發延程飛行認證;006號發動機用于濺水試驗等;007號發動機進行低壓渦輪過熱測試后，在翻修后進行結冰認證測試;008號發動機用來進行FAA的150小時耐久性測試。2020年10月，完成了所有試驗后，FAA向GE頒發了型號合格證。

但獲得型號合格證并不意味著GE9X項目完成了所有的測試工作。未來，GE還需要完成第一批量產型GE9X發動機的工廠驗收測試工作。同時作為發動機交付準備工作中的一部分，GE還將繼續對發動機進行相關地面試驗。預認證工作還包括為驗證初始維修檢查所進行的1000循環的運轉，初始維修檢查用來確定維修間隔之間的最大工作小時或者工作循環數量。

除此之外，GE還在準備另一臺發動機，以驗證一種新型的氣流導向葉片，可以減少灰塵和碎片對于發動機耐久性的影響。

由于中東地區航空公司是777-9X的重要客戶，該地區航空公司的飛機起降經常要在高溫多塵環境下進行，因此為了提高發動機的耐用性和防沙塵的能力，GE9X引入了新的保護層技術。這項技術超越了傳統發動機的標準涵道可變閥門系統，并且增加了對引起管中碎片顆粒的過濾裝置。

對此，GE公司表示，將在今年采用一臺發動機進行有意吸入灰塵的測試，以觀察發動機在這種環境下的反應，從而增強這款發動機在中東地區的適用性。

在中東這樣的炎熱、干燥或者大氣污染嚴重的地區，灰塵顆粒主要通過兩種方式造成發動機葉片的耐久性問題。一是灰塵顆粒會聚積在葉片轉子和定子的表面，從而使其表面的涂層退化;二是灰塵會堵塞渦輪葉片和導向器的內部冷卻通道，從而降低發動機二次流通道的冷卻效率。

為了解決這些問題，GE創新推出了新型氣流導向裝置，該裝置也被稱為旋風式分離器，是專門用來防止沙塵進入二次流通道的，這些通道如果被阻塞會造成很多問題。盡管目前GE并沒有詳細說明這一創新裝置將如何運轉，但專利文件顯示，導向裝置從排氣系統獲得冷卻氣流，并采用離心方式分離出灰塵顆粒。干凈的氣流被引導到冷卻系統中，同時混有灰塵的空氣通過排氣出口流入外涵道。

而為了盡可能真實地還原中東地區的沙塵環境，GE從世界各地引入了一些具有代表性的粉塵混合物，并且在發動機前安裝了一個吹氣裝置，再將這些從世界各地收集來的粉塵注入風扇前面的氣流中。同時，GE還會將一些典型的碎片物體吹入24小時運轉的發動機中，并采用內窺鏡對其進行檢查，最后再將其拆下以驗證是否實現設計目標。

同時，這一測試還包括特別設計的工作循環，以便在發動機最易受到灰塵攻擊的飛行包線中，如起飛、下降和著陸時模擬顆粒攝入的情況。目前，GE正在全力復現可能會出現的各種情況，同時測試還會在包括反推在內的模式下進行。根據計劃，GE針對這一創新設計的相關測試工作將在2021年完成，為2022年777-9X投入市場運營做好準備。

而無論是從創新的材料、工藝還是新型的氣流導向葉片中，我們都不難看出近年來GE新的戰略轉型，即對于創新的投入、對于研發的重視被重新提到了新的高度。而在GE9X項目中，無論是3D打印技術還是數字化技術的應用，也都很好地體現了GE近年來戰略轉型所取得的成績。從這個角度來看，盡管百年來，GE在發展歷程中也曾有過迷茫，甚至迷失，但如今在重新找回自我、再次將新技術研發作為企業發展的基石后，業界似乎又重新看到了那個閃耀著創新光芒的GE。