闪烁创新光芒的GE9X

董帼雄

20多年前，当GE的工程师们广泛征集客户对飞机发动机性能的诉求时，在收到的约300项的长清单上，“燃油效率”跃然其首。这个答案也是意料之中的，毕竟燃油成本要占航空公司运营成本的近五分之一。

而在研发全球最大的商用飞机发动机GE9X时，GE公司的研发之路正是围绕为客户降低运营成本而展开的。2020年，尽管新冠肺炎疫情对于行业造成了极大的冲击，但这款被GE公司寄予厚望、燃油效率较上一代产品高出10%的新一代宽体客机发动机依然在经历了严格的测试后获得了美国联邦航空管理局（FAA）的型号合格证。作为商用飞机创新技术的集大成者，在GE9X身上，业界再次看到了GE这家经历过起起伏伏的百年企业所展现出的创新光芒。

从材料到工艺的革命

从GE9X开始启动研制，其就成为了当之无愧的焦点：研发最先进的陶瓷基复合材料、在关键部件大胆采用3D打印部件、使用最先进的数字传感器套件将数字化革命推向高潮，所有这些创新的背后既有强大技术能力的支撑，更有难能可贵的革命性创新。

GE9X发动机的主体结构包括1级风扇、3级低压压气机、11级高压压气机、燃烧室、2级高压涡轮和6级低压涡轮。风扇直径达到3.4米，堪比波音737机身的最大横截面直径。发动机采用了300多个增材制造的零部件，还采用了5个陶瓷基复合材料（CMC）部件，其中包括第一级高压涡轮罩，第一、第二级涡轮导向器，以及燃烧室的内、外衬等。

针对这些新材料，2015年GE就在一台GEnx验证型发动机中安装了GE9X发动机的部分CMC材料部件，进行了首轮试验。这台GEnx工程验证发动机累计完成了2800个耐久性循环试验，试验结果好于预期，当发动机报废时，CMC部件仍处于完全可用的状态。2016年，GE又在GEnx发动机验证机中完成了CMC组件试验的第二阶段，除了使用首轮中相同的CMC部件外，还新增加了高压涡轮第一级导向器叶片。

GE9X的风扇也是一项关键创新，它由复杂弯曲形状的碳纤维复合材料叶片制成。在高效涡轮的驱动下，这样设计的风扇可以吸入尽可能多的空气，从而给飞机产生更大的推力。在GE9X风扇叶片中使用的是第四代碳纤维增强树脂基复合材料，数量只有16片，是目前世界上所有大涵道比涡扇发动机中叶片厚度最薄、用量最少的（GE90-115B发动机风扇叶片数量是22片，GEnx发动机是18片），叶片的前缘包边材料从钛合金换成了钢，加强了叶片的强度。

对于GE来说，GE9X是在GE90-115B与GEnx的基础上进行传承与创新的产物。过去十年中，每一代发动机的数字化应用都越来越显著，因此在GE9X中，其传感器套件就达到了数字化革命的顶峰。遥测技术使得GE工程师们有能力随时监测发动机的压力、温度、空气流等等，基于大数据和软件分析，运营效率可以大大提高，同时维护成本也得以降低。

在GE9X发动机中，数字化技术无处不在。通过数字化技术客户可以对每一台发动机进行数字识别。在发动机投入运营后，一旦出现问题，GE就可以通过大数据分析来快速锁定具有类似“基因”的发动机，从而可以提前和航空公司一起有效预防可能发生的故障，再也不需要像过去那样一台一台地进行检查和监控，这样不仅提高了发动机的安全性，更大大地提高了航空公司的运营效率，降低了维护成本。

另一个值得一提的话题是，由于GE9X发动机的风扇直径超过134英寸（约3.4米），面对这个前所未有的“大块头”，如何运输变成了一个问题。为此GE公司专门为其“量身定制”了运输设备，让发动机在路上运行的时候符合限高要求，这样发动机才不会夹住电线、铁路高架桥等。GE团队设计了一个安装在底座上的拖车，使得GE9X可以穿越公路到达测试场地。

在GE航空位于俄亥俄州的皮布尔斯操作测试中心周围，为了给运输车辆腾出更大空间，中心周围的公路都被加宽，以便能同时容纳两台GE9X发动机相向通过。由于GE9X的发动机进气口是世界上迄今为止最大的，其直径高达18英尺（约5米），长達15英尺（约4.5米）。当它被卡车运往俄亥俄州时，高速公路巡逻队在称重站测量了这批货物，而它也将“宽载荷”的概念提升到了一个新的水平。

突破极限的飞行测试

作为采用了诸多创新技术的新产品，GE9X取证试验的经历并不轻松。

由于发动机压气机定子叶片耐久性的问题，GE9X的取证工作在2019年遭遇了推迟，之后GE对设计进行了修改，从而保证了777-9X于2020年1月开始飞行试验。截至2020年年末，GE公司已经向波音交付了8台GE9X发动机和2台备用发动机，其中就包括为第4架777-9X试验机提供动力的发动机，目前这架试验机已经在2020年9月加入试飞队伍。

在获得FAA的适航认证前，GE9X发动机累计运转约5000小时、8000个循环，其中包括在GE的747-400飞机试验平台上进行的飞行测试。测试发动机在747-400飞机平台上先后进行了72次测试飞行，总飞行时间超过400小时。

同时，GE还采用了8台发动机原型机进行取证期间的测试。其中001号发动机，即首台测试整机在完成全部任务后已经被送往博物馆。002号发动机用于叶片包容测试;003号发动机进行横风测试、循环和反推力装置载荷测试;004号发动机在飞行测试平台上进行飞行测试;005号发动机采用不平衡结构进行耐久循环测试，并评估振动级别，检查发动机所有的实际极限，还将用于双发延程飞行认证;006号发动机用于溅水试验等;007号发动机进行低压涡轮过热测试后，在翻修后进行结冰认证测试;008号发动机用来进行FAA的150小时耐久性测试。2020年10月，完成了所有试验后，FAA向GE颁发了型号合格证。

但获得型号合格证并不意味着GE9X项目完成了所有的测试工作。未来，GE还需要完成第一批量产型GE9X发动机的工厂验收测试工作。同时作为发动机交付准备工作中的一部分，GE还将继续对发动机进行相关地面试验。预认证工作还包括为验证初始维修检查所进行的1000循环的运转，初始维修检查用来确定维修间隔之间的最大工作小时或者工作循环数量。

除此之外，GE还在准备另一臺发动机，以验证一种新型的气流导向叶片，可以减少灰尘和碎片对于发动机耐久性的影响。

由于中东地区航空公司是777-9X的重要客户，该地区航空公司的飞机起降经常要在高温多尘环境下进行，因此为了提高发动机的耐用性和防沙尘的能力，GE9X引入了新的保护层技术。这项技术超越了传统发动机的标准涵道可变阀门系统，并且增加了对引起管中碎片颗粒的过滤装置。

对此，GE公司表示，将在今年采用一台发动机进行有意吸入灰尘的测试，以观察发动机在这种环境下的反应，从而增强这款发动机在中东地区的适用性。

在中东这样的炎热、干燥或者大气污染严重的地区，灰尘颗粒主要通过两种方式造成发动机叶片的耐久性问题。一是灰尘颗粒会聚积在叶片转子和定子的表面，从而使其表面的涂层退化;二是灰尘会堵塞涡轮叶片和导向器的内部冷却通道，从而降低发动机二次流通道的冷却效率。

为了解决这些问题，GE创新推出了新型气流导向装置，该装置也被称为旋风式分离器，是专门用来防止沙尘进入二次流通道的，这些通道如果被阻塞会造成很多问题。尽管目前GE并没有详细说明这一创新装置将如何运转，但专利文件显示，导向装置从排气系统获得冷却气流，并采用离心方式分离出灰尘颗粒。干净的气流被引导到冷却系统中，同时混有灰尘的空气通过排气出口流入外涵道。

而为了尽可能真实地还原中东地区的沙尘环境，GE从世界各地引入了一些具有代表性的粉尘混合物，并且在发动机前安装了一个吹气装置，再将这些从世界各地收集来的粉尘注入风扇前面的气流中。同时，GE还会将一些典型的碎片物体吹入24小时运转的发动机中，并采用内窥镜对其进行检查，最后再将其拆下以验证是否实现设计目标。

同时，这一测试还包括特别设计的工作循环，以便在发动机最易受到灰尘攻击的飞行包线中，如起飞、下降和着陆时模拟颗粒摄入的情况。目前，GE正在全力复现可能会出现的各种情况，同时测试还会在包括反推在内的模式下进行。根据计划，GE针对这一创新设计的相关测试工作将在2021年完成，为2022年777-9X投入市场运营做好准备。

而无论是从创新的材料、工艺还是新型的气流导向叶片中，我们都不难看出近年来GE新的战略转型，即对于创新的投入、对于研发的重视被重新提到了新的高度。而在GE9X项目中，无论是3D打印技术还是数字化技术的应用，也都很好地体现了GE近年来战略转型所取得的成绩。从这个角度来看，尽管百年来，GE在发展历程中也曾有过迷茫，甚至迷失，但如今在重新找回自我、再次将新技术研发作为企业发展的基石后，业界似乎又重新看到了那个闪耀着创新光芒的GE。