?航空發(fā)動(dòng)機(jī)是技術(shù)先進(jìn)國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速而又要求 重量輕、可靠性高、壽命長、可重復(fù)使用、經(jīng)濟(jì)性好的高科技產(chǎn)品，研制難度很大。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是以材料和機(jī)械制造等為基礎(chǔ)的多學(xué)科交叉融合的結(jié)晶，它以先進(jìn)性和復(fù)雜性成為 一個(gè)國家科技水平、軍事實(shí)力和綜合國力的重要標(biāo)志之一，被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明 珠”。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)簡單可以分為兩大類，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是依靠活塞在氣缸中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使氣體工質(zhì)完成熱力循環(huán)，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 的熱力機(jī)械，它與一般汽車用的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)和原理上基本相同，都是由曲軸、兩 岸、活塞、氣缸、進(jìn)氣閥、排氣閥等組成。

航空空氣噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中，經(jīng)過壓縮的空氣與 燃料（通常為航空煤油）的混合物燃燒后產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)猓诎l(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管中膨脹， 以高速噴出，從而產(chǎn)生反作用推力。流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣可以是由專門的壓氣機(jī)進(jìn)行壓縮，也可以利用高速流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣制止而產(chǎn)生高壓來達(dá)到，因此空氣噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)又可以分為無壓氣機(jī)和有壓氣機(jī)兩類。

 

圖｜航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件工作原理，來源：北航出版社

第一代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)40-50年代，以英國的康維發(fā)動(dòng)機(jī)、美國的 JT3D 發(fā)動(dòng)機(jī) 為代表，推重比在2左右；第二代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發(fā)動(dòng)機(jī)為代表，推重比在 5 左右；第三代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 70-80 年代，以美國的 F100、歐洲的 RB199 和蘇聯(lián)的 AL-31F 發(fā)動(dòng)機(jī)為代表，推重比在 8 左右；第四代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 90 年代，以美國的 F119 和歐洲的 EJ200 發(fā)動(dòng)機(jī)為代表， 推重比在 10 以上；第五代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)在 21 世紀(jì)初，以美國的 F135 和英、美聯(lián)合研 制的 F136 發(fā)動(dòng)機(jī)為代表，推重比為 12-13。

未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比將不斷提高，根據(jù)《航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀及未來發(fā)展綜述》（焦華賓等，2015 年 12 月，航空制造技術(shù)），美國已 經(jīng)開啟第 6 代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，預(yù)計(jì)推重比將達(dá)到 16-18。

推重比是衡量戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平和工作能力的一個(gè)綜合指標(biāo)。提高推重比的主要實(shí)現(xiàn) 路徑為：1）提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力（提高分子）；2）降低發(fā)動(dòng)機(jī)自重（降低分母）。

IHPTET 計(jì)劃的后繼計(jì)劃——多用途、經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(VAATE)計(jì)劃，集中關(guān) 注多用途核心機(jī)、智能發(fā)動(dòng)機(jī)與耐久性三大領(lǐng)域。其旨在通過開發(fā)多用途發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)性，并將先進(jìn)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用在型號產(chǎn)品上，以獲得革新的性能改進(jìn)。VAATE 計(jì)劃中提出了技術(shù)能力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，該指標(biāo)不僅關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比與油耗，同時(shí)還強(qiáng)調(diào)研制、生產(chǎn)和維護(hù)成本。這反映美國在推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)指導(dǎo)思路上發(fā)生了重要變化：改變了IHPTET 計(jì)劃中主要以推重比和耗油率為主的評價(jià)體系，采用經(jīng)濟(jì)可承受性作為評 價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)向系統(tǒng)綜合要效益。

推重比的提升與發(fā)動(dòng)機(jī)熱端材料性能密不可分。現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)由進(jìn)氣道、壓 氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)仍屬于熱機(jī)的一種，就必須遵循熱機(jī)的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放 能量。因此，從產(chǎn)生輸出能量的原理上講，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是相同的，都需 要有進(jìn)氣、加壓、燃燒和排氣這四個(gè)階段，不同的是，在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中這 4 個(gè)階段是分 時(shí)依次進(jìn)行的，但在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中則是連續(xù)進(jìn)行的。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的熱力學(xué)循環(huán)為布雷頓循環(huán)。就噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)而言，初始狀態(tài) 1 表 示大氣氣體狀態(tài)，氣體經(jīng)由進(jìn)氣道被吸入壓氣機(jī)壓縮的過程是 1-2 的等熵壓縮過程，理想 情況下在這個(gè)階段，空氣的總熵不變，氣體受壓縮作用使得溫度上升。氣體從點(diǎn) 2 到點(diǎn) 3 是在燃燒室中進(jìn)行等壓加熱。經(jīng)過燃燒室加熱后高溫氣體經(jīng)過渦輪等熵膨脹（對應(yīng) 3-4 的循環(huán)階段），在這個(gè)過程中推動(dòng)渦輪做功，自身內(nèi)能下降溫度降低。

分析布雷頓熱力學(xué)循環(huán) 可以看出，3點(diǎn)的溫度越高，氣體在渦輪前內(nèi)能越高，在經(jīng)過渦輪時(shí)膨脹做功也越多，進(jìn)而推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更大的推力。這一點(diǎn)的溫度也叫渦輪前溫度，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，目前噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)普遍能到 1400K 以上，一些戰(zhàn)斗機(jī)搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度能到 2000K 左右，對發(fā)動(dòng)機(jī)熱端材料及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。因此，動(dòng)力領(lǐng)域?qū)ぷ鳒囟?要求的提升將帶動(dòng)相關(guān)材料的升級換代。

圖｜熱機(jī)卡諾循環(huán)熱熵曲線，來源：《熱工學(xué)》

航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)及核心壁壘概述

第一，高投入、高回報(bào)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制正朝著不斷追求更高的綜合性能的方向發(fā)展，其研制難度逐漸增大，所需的研制費(fèi)用必然大大提高。根據(jù)《航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制降低費(fèi)用、縮短周期技術(shù)綜述》（李華文 等，【航空發(fā)動(dòng)機(jī)】，2006 年 4 月），國外 80 年代水平的各類航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制經(jīng)費(fèi)一般需 5~20 億美元。美國在 1988~2005 年期間實(shí)施的 IHPTET 計(jì)劃中共投入 50 億美元，在后來 的 VAATE 計(jì)劃中 15 年內(nèi)共投入 37 億美元。

第二，研制周期長。全新研制一型跨代航空發(fā)動(dòng)機(jī)比全新研制同一代飛機(jī)時(shí)間長一倍。根據(jù)《基于“結(jié)構(gòu)—材 料—工藝”一體化大工程觀理念的課程建設(shè)研究》（牛序銘，【工業(yè)和信息化教育】，2021 年 6 月），飛機(jī)研制周期一般為 8 年左右，而高性能的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期長達(dá) 15~20 年的 時(shí)間（其中包括預(yù)先研究）。GE 公司的經(jīng)典三代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) F110 由成熟的 F110 核心機(jī)發(fā)展 而來，其研制也耗費(fèi)了 6 年的時(shí)間。我國第一臺自主設(shè)計(jì)研發(fā)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)“昆侖”耗費(fèi) 了整整 15 年的時(shí)間；第三代軍用大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)“太行”的研制花費(fèi)了 18 年之久。

圖｜航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制流程

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證十分嚴(yán)苛。為確保研制的發(fā)動(dòng)機(jī)能可靠工作，需對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大量 的主要零部件試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)，以考核設(shè)計(jì)、制造與選材等方面是否滿足要求。

第三，服役周期長+耗材屬性明顯。航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的衡量一般按照小時(shí)數(shù)或循環(huán)數(shù)來計(jì)算。飛機(jī)完成一次從起飛到著陸的過 程，被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)完成一次工作循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)每工作一個(gè)循環(huán)，就經(jīng)歷了從啟動(dòng)到高速運(yùn) 轉(zhuǎn)再到關(guān)閉的過程，這意味著許多部件受力經(jīng)歷了從零到最大再到零，長此以往，材料就 會出現(xiàn)疲勞。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命往往由材料的疲勞性決定，疲勞性是指使用中因受各種 應(yīng)力的反復(fù)作用而產(chǎn)生疲勞，使制品的物理機(jī)械性能逐漸變壞，產(chǎn)生裂口、生熱、剝離、 破壞等，以致最后喪失使用價(jià)值的性能，因此具有耗材屬性。

當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命普遍小于飛機(jī)服役期限。根據(jù)美國國防部數(shù)據(jù)，以五代戰(zhàn)斗機(jī) F-22 為例，其發(fā)動(dòng)機(jī)為 F119 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)總壽命超過 10000 小時(shí)。目前美國空軍 的飛行員每人每年的訓(xùn)練時(shí)間為 300 小時(shí)，如果每一架單座戰(zhàn)機(jī)都配備 2 名飛行員，F(xiàn)-22 每年在空中的飛行時(shí)間是 600 小時(shí)，則每 18 年需要更換一次發(fā)動(dòng)機(jī)。F-22 的預(yù)期服役時(shí) 長為至少 40 年，并且 F-22 采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，那么在預(yù)計(jì)服役期限內(nèi)，至少需要更換 4 臺 F119 發(fā)動(dòng)機(jī)。

基于高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，各航空發(fā)動(dòng)機(jī)巨頭紛紛傾向于基于自身技術(shù)特點(diǎn)走出一條航空發(fā)動(dòng)機(jī) 產(chǎn)品的系列化、衍生化發(fā)展道路。由高壓壓氣機(jī)、燃燒室和高壓渦輪組成的發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)， 包括了推進(jìn)系統(tǒng)中溫度最高、壓力最大、轉(zhuǎn)速最高的組件，其成本和周期在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中 占比重大，是發(fā)動(dòng)機(jī)研制主要難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)最集中的部分。發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中發(fā)生的 80% 以上的技術(shù)問題都與核心機(jī)密切相關(guān)。

核心機(jī)衍生發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的主要方式有以下幾種：一是核心機(jī)不動(dòng)，改低壓部件；二是改變流道件或者改變高壓軸轉(zhuǎn)速，例如 F110-GE-100 發(fā)動(dòng)機(jī)與 F110-GE-129 發(fā)動(dòng)機(jī)；三是核心機(jī)加減級；四是核心機(jī)按比例縮放，例如，英國羅羅公司的遄達(dá) 800 發(fā)動(dòng)機(jī)與遄達(dá) 900 發(fā)動(dòng)機(jī)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高技術(shù)、寡頭壟斷下的衍生化發(fā)展模式，確保了一旦以一款成熟的系列產(chǎn)品進(jìn)入市場，接下來就有望享受 30-50 年的持續(xù)穩(wěn)定盈利。采用衍生化的發(fā)展路線，一是可以 繼承原始機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)；二是降低新技術(shù)臺階的跨度，從而節(jié)省經(jīng)費(fèi)、縮短周期、降低風(fēng)險(xiǎn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展前景分析

我國軍機(jī)在數(shù)量上與美國存在較大差距，總量提升需求顯著。按各個(gè)細(xì)分機(jī)型來看，戰(zhàn)斗機(jī)是我國軍機(jī)中的主力軍，總數(shù)為 1571 架，但數(shù)量不到美國同期的60%，且其他機(jī)型的數(shù)量都遠(yuǎn)落后于美國，我國未來軍機(jī)總量提升需求顯著。

除軍機(jī)數(shù)量外，我國軍機(jī)在先進(jìn)性上也與美國有較大差距，預(yù)計(jì)兩國軍機(jī)質(zhì)和量的差異將驅(qū)動(dòng)軍機(jī)規(guī)模擴(kuò)張和產(chǎn)品升級。我國軍機(jī)目前處于更新?lián)Q代的關(guān)鍵時(shí)期，預(yù)計(jì)未來老舊機(jī)型將逐漸退役，新型戰(zhàn)機(jī)將加速列裝；特種飛機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等軍機(jī)也將有較大幅度的數(shù)量增長及更 新?lián)Q代的需要。我國空軍目前正在向戰(zhàn)略空軍轉(zhuǎn)型，未來10 年帶來軍機(jī)需求規(guī)模約 1.95 萬億元。

當(dāng)前我國軍用飛機(jī)正處于更新?lián)Q代的關(guān)鍵時(shí)期，未來 10 年現(xiàn)有絕大部分老舊機(jī)型將退役，殲-10、 殲-11、殲-15、殲-16 和殲-20 等將成為空中裝備主力，新一代先進(jìn)機(jī)型也將有一定規(guī)模列裝運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)、預(yù)警機(jī)及無人機(jī)等軍機(jī)也將有較大幅度的數(shù)量增長及更新?lián)Q代需要。

假設(shè) 2021-2030 年二代機(jī)全部替換為三代機(jī)，且戰(zhàn)斗規(guī)模按機(jī)種結(jié)構(gòu)達(dá)到美國的 1/2，我們 預(yù)計(jì)未來十年中國軍機(jī)將有 1.95 萬億元的市場空間。根據(jù)《World Air Forces 2021》，2020 年我國共有殲-10、殲-11、殲-15、殲-16 系列戰(zhàn)機(jī) 620 架，殲-20 系列戰(zhàn)機(jī) 19 架，作戰(zhàn)支 援飛機(jī) 115 架，大型運(yùn)輸機(jī) 264 架，武裝直升機(jī) 405 架，通用運(yùn)輸直升機(jī) 902 架，結(jié)合前 瞻產(chǎn)業(yè)研究院對 2021-2030 年中國軍機(jī)需求規(guī)模及市場空間預(yù)測情況，2030 年市場規(guī)模將 達(dá)到 19508 億元。

全球客機(jī)市場空間廣闊，中國及亞太地區(qū)交付預(yù)計(jì)快速增長。根據(jù)中國商飛公司市場預(yù)測 年報(bào)（2020-2039），2019 年全球噴氣式機(jī)隊(duì)共有客機(jī)共 23856 架。

從全球歷史交付量而 言，以空客為主的歐洲市場和以波音為主的北美市場占總市場的份額較大，分別占比全球 總份額的 20.27%和 27.99%。中國和亞太地區(qū)（除中國）分別占比 16.62%和 16.02%，中 國已成為亞太地區(qū)接近半數(shù)以上的客機(jī)交付國家。預(yù)計(jì) 2020-2039 年中國及亞太地區(qū)將在 民航領(lǐng)域快速發(fā)展，占據(jù)全球約 41.6%的客機(jī)交付量。

未來 20 年，民用客機(jī)全球市場空間將達(dá)萬億級別。據(jù)中國商飛預(yù)測，2020-2039 年全球?qū)⒂?0664 架新機(jī)交付，價(jià)值約5.96萬億美元，用于替代和支持機(jī)隊(duì)的發(fā)展。其中，渦扇支線客機(jī)交付量為 4318架，價(jià)值約為 0.23 萬億美元；單通道噴氣客機(jī)交付量為29127架，其占交付總量三分之二以上，價(jià)值約為 3.44 萬億美元；雙通道噴氣客機(jī)交付量將達(dá) 7219 架，總價(jià)值約為 2.30 萬億美元。到 2039 年，預(yù)計(jì)全球客機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模將達(dá) 44400 架，是現(xiàn) 有機(jī)隊(duì)的 1.86 倍。

2020-2039 年，我國國產(chǎn)民用機(jī)型市場總規(guī)模可達(dá)到 13323 億美元。結(jié)合民航飛機(jī)成本構(gòu)成中發(fā)動(dòng)機(jī) 占比 22%，按美元匯率為 1：6.5 計(jì)算，我們預(yù)估未來20年民航發(fā)動(dòng)機(jī)市場總規(guī)模為 19052.21 億元，年均接近千億。

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