董幗雄

在經(jīng)過近5000小時和8000個循環(huán)的測試后，2020年10月，GE公司宣布當(dāng)今世界最大推力的航空發(fā)動機——GE9X獲得了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）頒發(fā)的型號合格證。

作為GE公司耗時多年研制的一款全新產(chǎn)品，GE9X的過人之處不僅僅在于其驚人的推力，這款產(chǎn)品所采用的碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、陶瓷基復(fù)合材料渦輪部件和大量的3D打印部件等，使其可以稱得上是當(dāng)今商用航空發(fā)動機創(chuàng)新技術(shù)的集大成者。而透過GE9X所采用的這些創(chuàng)新技術(shù)，也讓業(yè)界看到了百年GE對創(chuàng)新技術(shù)的戰(zhàn)略規(guī)劃。

未雨綢繆的GE9X項目

在寬體客機市場，波音和GE堪稱互相成就的典范。1995年，波音777正式投入航線運營，從此全球航空公司的遠(yuǎn)程寬體客機機隊組成開始發(fā)生變化。最初，波音777系列飛機的動力有GE90、遄達(dá)800和普惠PW4000三款產(chǎn)品可供航空公司選擇。2000年以后，隨著波音推出777長航程型號飛機之后，GE90逐漸成為該系列飛機中最暢銷的發(fā)動機。這主要是因為GE從GE90這款產(chǎn)品就開始大膽使用新技術(shù)和新材料，使得發(fā)動機的燃油效率明顯提升。

在GE90這款發(fā)動機上，GE公司使用了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，這是商用航空發(fā)動機歷史上的第一次。GE90風(fēng)扇葉片長4英尺，重量不到50磅，由碳纖維和增韌的環(huán)氧樹脂基體制成，強度和剛度是鈦的兩倍。其獨特的彎曲設(shè)計使其比傳統(tǒng)的鈦合金葉片更大、更輕，并具有更好的空氣動力學(xué)性能。

重量的減輕和設(shè)計的優(yōu)化使得GE90的燃油效率明顯提高。同時，優(yōu)化后的空氣動力學(xué)設(shè)計使GE90風(fēng)扇葉片可將大量空氣吸入發(fā)動機，增大發(fā)動機推力。到波音推出777-300ER項目時，GE90-115B成為了唯一動力裝置，這使得GE在雙發(fā)寬體機動力市場逐漸成為領(lǐng)先者。

2004年，為了挑戰(zhàn)波音在寬體客機市場的地位，空客啟動了A350飛機的研制。作為發(fā)動機制造商和波音的戰(zhàn)略合作伙伴，GE預(yù)測到波音很有可能會推出相應(yīng)的競爭產(chǎn)品，于是在2010年，GE就開始積極籌備，GE9X的雛形在公司內(nèi)部逐漸呈現(xiàn)。一年后，波音不出所料地公布了777系列飛機的下一代產(chǎn)品777X的研制計劃，隨后GE、羅羅和普惠均提供了相應(yīng)的發(fā)動機方案，其中GE提出在GE90和GEnx的基礎(chǔ)上發(fā)展GE9X，普惠公司提出推力為440kN的齒輪傳動風(fēng)扇發(fā)動機PW1000G，羅羅則是在遄達(dá)1000與遄達(dá)XWB基礎(chǔ)上發(fā)展RB3025。

最終，早有準(zhǔn)備的GE贏得了這場競爭。在2013年的迪拜航展上，波音正式宣布啟動777X飛機項目，GE9X發(fā)動機成為了777X系列飛機的唯一動力選擇。

2013年，GE正式開始GE9X的研制工作。當(dāng)年年初，GE進行了GE9X發(fā)動機高壓壓氣機的試驗，年中進行了復(fù)合材料的性能與運轉(zhuǎn)試驗。2014年年中，進行了陶瓷基復(fù)合材料的驗證試驗。2015年年初，完成了第一臺全核心機的試驗。2016年，首臺GE9X試車試驗開始。2017年開始了第二臺發(fā)動機的地面試驗，這也是首臺生產(chǎn)型的GE9X發(fā)動機。

2018年3月13日，GE9X被裝在747飛行試車臺上進行了首次飛行試驗。此后，GE共向波音交付了10臺GE9X發(fā)動機（8臺裝機、2臺備份）用于777X的試飛取證工作。為了進行GE9X的結(jié)冰試驗、冰雹試驗、塵埃試驗與鳥撞試驗，GE還在加拿大投資2000萬美元擴建了原有試驗設(shè)施。最終，在完成了近5000小時和8000個循環(huán)測試后，F(xiàn)AA為GE9X發(fā)動機頒發(fā)了型號合格證。

此外，在GE9X項目中，GE采用了風(fēng)險共擔(dān)、收益共享（RRSP）的模式，法國賽峰集團旗下的斯奈克瑪發(fā)動機公司和航空航天技術(shù)公司，德國MTU發(fā)動機公司和日本石川島播磨重工業(yè)株式會社等都是GE這一項目的風(fēng)險合作伙伴。

這種合作模式的好處顯而易見：各合作公司技術(shù)互補，共享市場收益，能夠規(guī)避技術(shù)競爭與市場競爭風(fēng)險;各合作公司收入共享而不是利潤共享，每家公司的利潤取決于各自的管理和運營;各合作公司可以分擔(dān)從方案論證、設(shè)計、生產(chǎn)、試驗直到銷售等的所有工作，確保較高的技術(shù)水平、工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在GE9X之前，GE公司已經(jīng)在多個項目上嘗試了這一合作方式，在GE9X的研發(fā)中，這種合作模式再一次發(fā)揮了積極的作用。

GE9X的創(chuàng)新之處

總體來看，GE9X是在GE90-115B與GEnx的基礎(chǔ)上進行傳承與創(chuàng)新的產(chǎn)物。

GE9X發(fā)動機的主體結(jié)構(gòu)包括1級風(fēng)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(fēng)扇直徑達(dá)到3.4米，堪比波音737機身的最大橫截面直徑。2017年11月10日，在GE航空集團位于美國俄亥俄州的皮伯斯（Peebles）測試中心，GE9X發(fā)動機在測試中達(dá)到了134300磅的推力，打破了自2002年以來一直由GE90-115B發(fā)動機保持的127900磅推力的世界紀(jì)錄。這一紀(jì)錄在2019年7月12日GE航空集團在俄亥俄州總部舉行集團成立100周年慶典時，獲得了吉尼斯世界紀(jì)錄的確認(rèn)。

GE9X發(fā)動機的涵道比為10.3，比GE90-115B提高了14%（GE90-115B為9）;總壓比為61，比GE90-115B提高了30% （GE90-115B為42）。僅此兩項就使發(fā)動機的推進效率與熱效率有了較大提高，加上應(yīng)用了一些新技術(shù)，發(fā)動機的耗油率比GE90-115B低10%，比與其競爭的發(fā)動機低5%。

GE9X發(fā)動機的技術(shù)亮點還體現(xiàn)在高效的空氣動力學(xué)設(shè)計、先進材料的應(yīng)用和數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用等方面。GE9X采用的第四代碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料制作的風(fēng)扇葉片，數(shù)量只有16片，是目前世界上所有大涵道比渦扇發(fā)動機中葉片厚度最薄、用量最少的（GE90-115B發(fā)動機風(fēng)扇葉片數(shù)量是22片，GEnx發(fā)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。另外，它還采用了輕質(zhì)復(fù)合材料風(fēng)扇機匣，這些新材料的使用都有效地減輕了發(fā)動機的重量。

與此同時，陶瓷基復(fù)合材料（CMC）也是GE近年來大力推崇的新材料，在GE9X發(fā)動機上，這種新材料也被大量使用，GE也因此成為了全球首家將耐熱、輕質(zhì)的CMC材料應(yīng)用在民用航空發(fā)動機熱端部件上的制造商。

由于CMC材料只有金屬合金密度的三分之一，這些重量超輕的CMC部件可以大幅降低發(fā)動機的重量。此外，這種材料的耐熱性還可以大大提高發(fā)動機的耐用性和燃油經(jīng)濟性。CMC材料在高溫下遠(yuǎn)比金屬合金耐磨，這也使得航空發(fā)動機熱端部件需要的冷卻空氣減少，從而使得用于做功的空氣流量增加，達(dá)到提升發(fā)動機工作效率的目標(biāo)。

為了配套GE9X發(fā)動機的生產(chǎn)，GE公司在美國亨茨維爾市投資2億美元建立了兩家工廠，其中一家用于生產(chǎn)CMC材料，另一家用于生產(chǎn)CMC部件。兩家工廠已先后于2018年和2019年投產(chǎn)，CMC材料的年產(chǎn)量可達(dá)到20噸，而一臺LEAP發(fā)動機使用的CMC材料大約為1公斤。

此外，GE9X發(fā)動機采用的超高增壓比的高壓壓氣機是基于GE航空集團的eCore核心機設(shè)計，采用第4代粉末合金材料制造。前5級采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，涵道比為10‥1，增壓比達(dá)到27‥1（GE90-115B的增壓比是23‥1）。加上3級低壓壓氣機使得總增壓比達(dá)到60‥1，是目前世界上總增壓比最高的大涵道比渦扇發(fā)動機。

在排放方面，GE9X發(fā)動機的NOx排放量比GEnx低30%，低于CAEP/8的要求。在噪聲方面，GE9X發(fā)動機的噪聲值比第五階段規(guī)定的噪聲極限低8分貝?？梢哉f，以GE9X為動力的777X投入運營，標(biāo)志著大涵道比渦扇發(fā)動機進入到了一個新的發(fā)展階段。

GE的新戰(zhàn)略

除了新材料的應(yīng)用，在GE9X項目中，3D打印技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用也很好地體現(xiàn)了GE近年來戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型所取得的成績。

作為航空發(fā)動機行業(yè)勇于自我革新的典范，GE近年來把數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為重點發(fā)展方向。大力推進的數(shù)字化革命，讓GE在生產(chǎn)每一臺GE9X發(fā)動機時，都能夠記錄下它們獨有的海量數(shù)字信息，形成每臺發(fā)動機所特有的數(shù)字信息庫。它們就像人類的指紋信息或“遺傳基因”數(shù)據(jù)一樣，獨一無二。

這意味著通過數(shù)字化技術(shù)可以對每一臺發(fā)動機進行數(shù)字識別。在發(fā)動機投入運營后，一旦出現(xiàn)問題，GE就可以通過大數(shù)據(jù)分析來快速鎖定具有類似“基因”的發(fā)動機，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，再也不需要像過去那樣一臺一臺地進行檢查和監(jiān)控，這樣不僅提高了發(fā)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。

此外，近年來GE大力謀劃的3D打印技術(shù)在GE9X的研制中也起到了關(guān)鍵作用。

對于航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)來說，3D打印技術(shù)是一項具有戰(zhàn)略意義的技術(shù)。隨著噴氣推進技術(shù)的發(fā)展和先進材料的開發(fā)，發(fā)動機的設(shè)計空間越來越大，可采用的新型材料越來越多，但同時也對制造技術(shù)提出了更加嚴(yán)苛的要求。3D打印技術(shù)恰恰可以解決這一矛盾，因此也受到了GE公司的高度關(guān)注。

在GE9X發(fā)動機中，19個燃油噴嘴均由3D打印技術(shù)制造完成。上一代的燃油噴嘴需要20個部件焊接而成，新的燃油噴嘴因3D打印實現(xiàn)了一體化制造，耐用性是前者的6倍，重量也降低了25%。而且，在調(diào)整試驗燃燒室性能時，更易實現(xiàn)噴嘴設(shè)計的早期迭代，能夠?qū)⒃O(shè)計更改和試驗迅速合并，節(jié)省了大量時間?？梢哉f，在燃油噴嘴的制造中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用成為了行業(yè)設(shè)計優(yōu)化的標(biāo)桿。

實現(xiàn)這一系列制造工藝突破的關(guān)鍵在于GE早在幾年前就開始布局3D打印市場，并圍繞業(yè)務(wù)發(fā)展收購了多家行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)。

2012年，GE將美國Morris技術(shù)公司和美國RQM公司收入麾下，成立了GE增材制造技術(shù)有限公司，并在完成相關(guān)業(yè)務(wù)整合之后，投資5000萬美元在阿拉巴馬州辛辛那提建設(shè)新工廠，該工廠主要使用直接金屬激光熔化技術(shù)制造LEAP系列發(fā)動機的燃料噴嘴。

2013年，GE收購了意大利航天公司AVIO，該公司與瑞典著名增材制造公司Arcam公司共同研發(fā)了電子束熔化成型技術(shù)（EBM），即使用電子束作為能量源逐層熔化金屬粉末，從而實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的生產(chǎn)。GE收購AVIO主要目的在于使用該公司的EBM技術(shù)制造鈦鋁合金低壓渦輪機葉片。

在GE9X的研制中，AVIO公司的技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。GE9X低壓渦輪葉片采用增強鈦鋁（TiA1）金屬間化合物。這種材料比常用于低壓渦輪葉片的鎳基合金輕50%左右。如果使用由鈦鋁材料制成的葉片，整個低壓渦輪機的重量可以減少20%。但是鈦鋁的生產(chǎn)周期長、制造難度大，一般很難用作制造材料，而EBM技術(shù)恰恰是解決這一問題的有效辦法。使用EBM增材制造技術(shù)后，一臺機器72小時內(nèi)就可以生產(chǎn)7片低壓渦輪機的8級葉片，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)使用的失蠟法或旋轉(zhuǎn)鑄造法。

GE提前布局3D打印領(lǐng)域，不禁讓人聯(lián)想起在777X項目啟動前，公司就未雨綢繆地開始了GE9X項目的研制準(zhǔn)備。由此可見，成功永遠(yuǎn)屬于那些有準(zhǔn)備的人，這或許是為何百年來，GE能夠一直在航空動力市場保持領(lǐng)先地位的原因所在。