在航空發動機領域，CFM發動機引擎系列在世界范圍內，廣受歡迎且最為暢銷。原始設計始于上世紀70年代，在30多年的全生命周期中，工程師們不時地運用大數據與反向工程，去優化它的設計、材料和制造。即便看不到任何革命性與突破性的技術引入到最新型的CFM引擎系列，但它依舊是一代引擎的傳奇。

利用大數據輔助反向工程的進行取決于兩個重要的因素：

1）數據的數量與涵蓋面，也就是廣度和深度。只要和研究主題有關，不論領域、時間、來源，這些數據都在我們收集的范圍之內。下圖是航空發動機大數據構架，包括設計、材料、制造、分析、測試、驗證、運行到維護在全生命周期內產生的所有數據。

圖 1 航空發動機大數據架構

2）反向運作的程序。從如何收集數據、如何過濾、如何分類、如何整合、如何分析、如何比較到如何驗證的整個流程。下圖是一個典型的航空發動機反向運作流程，它的起點就是大數據的搜集。

圖 2 反向運作流程

案例分享

　　下面案例中的故障類別屬于存在于無形空間的“隱形殺手”，它在許多不可控制和不可預期的情況下被激活了，最終造成了引擎事故的發生。下面，我們跟著反向運作的流程（如圖2），一點點的把這些蛛絲馬跡找出來。

1、事故描述

　　在2001年1月31日的墨爾本國際機場，一架波音777-300客機在起飛的過程中引擎發生了爆炸，之后客機終止起飛，并緊急疏散乘客，所幸事故沒有造成人員傷亡。經過調查人員現場勘查發現，該事故是由于發動機風扇葉片飛出引起的。

　　該引擎為羅羅公司的瑞達892型發動機，發動機風扇是鈦合金寬弦葉片，從事故的勘測圖（如圖3）中可以看出，有一個風扇葉片從它的榫頭處完全斷掉，而與其相鄰的一個葉片的上半部分也被完全“砍掉”了，剩余的風扇葉片頂部和尾緣也遭受了很嚴重的破壞。

圖 3 波音777-300風扇葉片損壞圖

2、提出疑問，明確需要收集的數據

這起事故是由于人員操作失誤造成的嗎？

這是由于惡劣的天氣導致的嗎？

這是一起偶發性的事故嗎？

這是該型號發動機唯一的一起葉片飛出事故嗎？

在發生事故之前，該引擎已經運行了多長時間？

這款引擎是怎么樣通過適航認證的？

擁有該型號發動機的機隊停止運行并接受進一步的檢查了嗎？

本次事故的根本原因是什么？

我們要如何尋找事故的原因？

解決的方法是什么？

現在，讓我們跟隨這些問題，來確定我們需要收集的數據，并嘗試用這些數據來回答上面的問題。

3、收集數據與反向運作

（1）收集運行大數據，并進行分類整合

　　因為事故是在飛機運行的時候發生的，所以我們首先要收集航空公司的運行大數據（如圖4）。航空公司地面維護記錄、運行記錄、制造與裝配記錄等是分析事故原因的重要數據來源。利用這些數據，我們可以對部分問題進行解答。

圖 4 機隊管理大數據

（2）研究分析

　　航空公司數據的分析幫助我們排除了一些事故發生的原因：

　　運行記錄數據顯示，飛行員起飛時操作符合規范，也就是說，這起事故并不是由于人員操作失誤引起的；

　　當天墨爾本的天氣狀況良好，不具備引發引擎爆炸這樣嚴重事故的環境條件；

而適航認證文件顯示，該引擎達到了所有適航認證的要求，并且已經在該飛機上運行了5765個小時，完成了總共907次飛行；

　　維修保養的數據中，也沒有關于風扇葉片或其附件存在缺陷或進行過維修保養的記錄；

　　根據同類型發動機的運行記錄數據，我們可以發現這是該款引擎第一次發生風扇葉片飛出的事故。

　　所以，我們可以確定這起事故并不在適航認證控制的范圍之內，是一起偶發型事故。這就好像是一位訓練有素的射擊運動員在比賽中脫靶了（如圖5）。

圖 5 偶發型事故的發生情況示意圖

　　那么，事故的根本原因到底是什么？如圖6所示，排除其他原因之后，我們可以確定，事故是由于機械失效引起的，而機械失效則與外物損傷、循環疲勞和部件缺陷等有關。

圖 6 引擎失效根本原因尋找流程

（3）確定關鍵質量要素與根本原因

　　縮小事故根本原因的范圍之后，我們需要再對事故進行更深入的調查，數據的獲取來源也從航空公司及維護維修工廠變成了引擎的原始設備制造商。

　　調查的主要內容包括：制造及裝配記錄調查、冶金失效分析、設計分析、航空專家預測記錄、出廠試驗數據分析等。其中，后三條均已包含在適航認證的流程之中。因為風扇葉片出現了斷裂和破壞，所以我們在下面將著重對葉片的金屬結構進行介紹與分析。

　　如圖7是事故的冶金失效分析圖。可以看出，葉片根部斷掉了兩塊金屬（橢圓區域），通過分析這兩個斷裂面，我們發現裂紋拓展的形式存在著很明顯的分界線（箭頭指向），通過裂紋的形狀可以推測出，外部的裂紋拓展速度遠大于內部的拓展速度，這是金屬高周疲勞的典型標志。

圖 7 斷裂葉片根部裂紋圖

　　對葉根進行電鏡靠近裂紋產生區域的晶相圖（如圖8左）中沒有明顯的條紋，只有比較小而平坦的晶相，這是一種典型的高周疲勞現象。而靠近最終破壞的區域的晶相圖顯示，這里一種非常具有韌性的樣子，這樣的晶相顯示這個區域遭受了非常大的拉應力。

圖 8 晶相圖

　　為什么會出現這種現象呢，調查人員又對其它風扇葉片的榫頭進行觀察，他們發現：沒有斷裂的風扇葉片榫頭（如圖9）都有嚴重的磨損，雖然還有一部分潤滑劑遺留在上面（顏色相對深的部分），但它們已經變成了不連續的塊狀區域，無法實現潤滑與隔離的作用。

　　潤滑劑的失效導致葉片榫頭與輪盤之間存在直接的金屬接觸與碰摩，使榫頭部分區域的應力逐漸增加，擴大了內部產生的裂紋，并最終斷裂。

圖 9 葉片榫頭磨損圖

　　我們已經知道，風扇葉片榫頭處的高應力、磨損及裂紋拓展等，導致了其最終斷裂。經過進一步的分析，調查人員確定，事故是由葉片設計缺陷引起。設計缺陷導致葉片榫頭在運行過程中出現了滑移，并使其受力不均，出現磨損與內部裂紋等問題，最終導致葉片斷裂失效。

　　到這里，你可能會問：如果僅僅是由于設計的缺陷導致部件的失效，為什么只有這一起事故發生，為什么在事故發生之前該引擎已經安全地運行了幾千個小時？

　　實際上，我們認為設計不應承擔事故的全部責任，這應該是一起由設計、材料、制造、運行甚至磨損與老化等因素的共同作用引發的事故，雖然設計缺陷應該是事故的主要原因，但其他的因素多多少少也會對事故的發生起一些推動作用（如圖10）。

圖 10 事故偏差圖

　　例如，原材料性能的裕度不夠高，無法抵抗由于設計缺陷而引起的應力增加；制造過程中的控制不夠，導致該引擎風扇的機械特性無法彌補設計與材料的不足；由于該飛機主要是在相對干、熱的環境中運行，引擎需要在高功率情況下運行更長的時間，增加了葉片暴露在高的載荷作用下的時間，放大了部件的缺陷，葉片不斷磨損、老化，局部應力逐步增加，加上高/低周循環應力的作用，使葉片失效的速度大大增加。

　　最終，調查人員對該事故作出了結論：葉片的飛出是由于其根部疲勞裂紋的產生與發展造成的。

　　由于該客機長時間在干、熱的環境中運行，而在這種環境下運行意味著引擎需要在高功率情況下運行更長的時間，以滿足飛行需求，加上根部設計不當引起的不平衡應力，導致疲勞裂紋的逐步發展。

　　根部不平衡的應力起源于葉片根部與輪盤之間干膜潤滑劑的破壞，潤滑劑的破壞使得葉片根部表面損傷與微焊接損傷逐步累積、擴大，最終造成了破壞。而為了避免事故的再次發生，需要對引擎風扇葉片設計進行修改。

　　至此，我們已經經歷了一個完整的事故分析流程，它實際上就是反向工程運作的過程。從這起事故中獲取到的信息可以作為我國研發發動機風扇葉片設計與制造的經驗與教訓，但更重要的是，將反向工程運作的思維應用到航空制造領域之中。

　　中國應該利用好使用數據的資源，不斷提升對制造的理解和知識積累的速度。當能夠運用大數據和反向工程掌握如何去優化航空發動機的設計、材料、制造和性能等方面的知識時，我們就能掌握生產系統上游相關要素（比如科學研究和技術研發）的更多話語權，逐漸從價值鏈的較低端向高端環節轉移。

（本文根據李杰、倪軍、王安正的著作《從大數據到智能制造》中部分內容進行整理，供讀者學習和參考）