国防军工行业-军用航空发动机产业深度报告：战鹰心脏，工业之花

2022年8月12日 战鹰心脏，工业之花——军用航空发动机产业深度报告 行业评级：增持 分析师：魏永 证券执业证书号：S0640520030002邮箱：weiy@avicsec.com 研究助理：杨天昊 证券执业证书号：S0640121080012邮箱：yangth@avicsec.com 中航证券研究所发布证券研究报告请务必阅读正文后的免责条款部分 航空发动机的概念和分类 航空发动机是飞机的“心脏”，通过将化学能转化为燃气的热能为飞机提供飞行动力，在高温、高压、高转速等恶劣环境条件下长期反复使用的高度复杂和精密的热力机械装置，被誉为“工业皇冠上的明珠”。航空发动机产业是关系国家安全、经济建设和科技发展的战略产业，其发展水平已经成为衡量一个国家军事装备水平、科技实力和综合国力的重要标志，具有极高的军事价值、经济价值和政治价值。自1903年问世至今一百多年以来，航空发动机经历了两个主要发展时期，1903年至1945年为活塞式发动机统治时期，1945年至今是喷气式发动机时代。在喷气式发动机时代，航空上广泛应用的是有压气机空气喷气式发动机。在压气机空气喷气式发动机中，压气机是用燃烧室后的燃气涡轮来驱动，因此这类发动机又称为燃气涡轮发动机。按燃气发生器出口燃气可用能量利用方式的不同，燃气涡轮发动机分为涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴和螺旋桨风扇发动机。 航空发动机分类及应用 喷气式发动机活塞式发动机 火箭式发动机空气喷气式发动机 固体火箭发动机液体火箭发动机无压气机有压气机 （燃气涡轮发动机） 中小型低速通用飞机、军用中低空无人机 弹道导弹、火箭火箭 冲压式喷气发 脉动式喷气发 涡轮喷气发动机 涡轮轴发动机 涡轮螺旋桨发动机 涡轮风扇发动机 螺旋桨风扇发动机 动机动机 高超声速导弹、空天 小型、不带加力 小型低速通用飞机、 大型、带加力 中低速运输机、 中小型、中等涵道、不带加力 军用大型无人机、巡 大型、小涵道、带加力 大型、大涵道、不带加力 军民用运输机、大型客机 飞机航模、低速靶机 军用中低空无人机 战斗机 直升机 通用飞机 航导弹、通用飞机战斗机 军用运输机 航空发动机的概念和分类 风扇压气机燃烧室高压涡轮低压涡轮 涡轮风扇发动机是当前航空发动机的主流。涡扇发动机由于其推力大、推进效率高、耗油率低等特点，广泛应用于战斗机、运输机、客机、无人机，占比在95%以上，是目前最为广泛的航空发动机。涡扇发动机内部结构主要由风扇、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部件组成。其工作原理为：外界空气进入发动机后，由风扇叶片进行初步压缩，压缩后的空气一部分进入外涵道高速排出，产生巨大推力。另一部分则进入内涵道，由压气机叶片进一步压缩后送至燃烧室。增压后的空气在燃烧室中与燃料混合加热，产生高温、高压燃气推动涡轮叶片高速旋转以带动压气机，随后气流经涡轮出口进入尾喷管，在此过程中压力降低、速度增加，从而产生反作用力，推动飞机前进。 涡扇发动机主要内部结构涡扇发动机工作原理 一、产业特点——高行业壁垒，长回报周期 1.1高温、高速、高负荷工作条件，考验现代工业技术极限 目录1.2研制周期长、资金投入大、军民通用性强 二、驱动因素——军用飞机放量、实战训练耗损、国产民机突破 2.1军机加速列装带动航发产业快速发展 2.2实战训练耗损加剧打开维修市场 2.3国产民机突破驱动商发进程 三、发展现状——航发业务逐渐成熟，自主可控大势所趋 3.1美俄技术领先，我国后起发力 3.2我国军用航发取得实质进展，下一代产品亟待突破 3.3竞争格局——整机航发集团为主，中上游逐渐市场化 四、投资策略 4.1投资策略 4.2投资图谱 1.1高温、高速、高负荷工作条件，考验现代工业技术极限 航空发动机是典型的技术密集型产品，要求重量轻、体积小、使用安全可靠、经济性好，满足在高温、高压、高转速和高负荷等苛刻条件下长期反复工作指标，因而必须设计精巧、加工精密、使用高性能材料部件，其研制是气动、燃烧、传热、控制、机械传动、结构、强度、材料等多种学科或专业综合优化的结果，也与计算机硬件能力、商用和专用设计软件、材料与工艺、测试与试验设备、数据采集与处理能力、科技管理水平等密切相关。航空发动机的超高研发、制造难度，考验现代工业技术极限。航空发动机是一个高 门槛、极具技术壁垒、新手难以进入的尖端技术领域。 高温 高压 产品 特点高转速 高可靠性 设计难材料难 研制制造难特点 维修难试验难 世界先进航空发动机涡轮进口温度已超过1700℃，而且，其热端零部件还要承受燃油燃烧的化学反应 现役民用发动机的增压比最高已达52，在研的则高达60 大中型涡扇发动机涡轮转速最高达到15000r/min，小型涡轴发动机的涡轮转速达到50000～60000r/min。 民用航空发动机最长机上寿命已超过40000h，其中热端零件寿命达到40000h、冷端零 件寿命可达70000h，空中停车率达到每1000飞行小时0.002～0.02次 涉及气动力学、传热学、材料力学、理论力学、流体力学、断裂力学、弹性力学等学科 ；内部物理、化学现象复杂，目前仍不能完全从理论上进行详细准确的描述 涡轮叶片在高转速下承受的离心力相当于承受一百多千牛的载荷；涡轮叶片使用的镍基合金材料熔点仅为1200℃，而其周围的燃气温度达到1700℃ 制造的精细性上要求非常苛刻，这种精细性不仅体现在对尺寸精度、形位公差、配合间隙的要求很高，还体现在对显微组织、表面完整性、残余应力、机械加工变质层等方面 维修的核心技术包括前处理技术、表面完整性修复技术、性能及形变恢复技术、寿命预测评估及考核验证技术等 研制所需的部件试验验证大约需要100000h，子系统级试验验证大约需要40000h，整机级试验验证大约需要10000h的地面和高空模拟试验，以及2000h的飞行试验 极端苛刻工 作研制周期长 环 境 极 知 壁 具资金投入大 识垒 密集 、军民通用性强 多学科集成 研制周期长——航空发动机研制周期长，预研和工程研制阶段长达30年。航空发动机的研发周期包括基础预研、工程验证机研制和改进改型等多个阶段，一般比飞机研制时间长一倍以上。战斗机发动机全新研制周期（从最初的方案设想到全面生产）一般为9-15年。20世纪80年代以来，由于技术领域又取得了重要进展和技术要求的不断提高，国内外发动机研制周期又略有增长，即从型号验证机到设计定型17-19年，第四代发动机研制周期比第三代发动机研制周期明显延长。 1.2研制周期长、资金投入大、军民通用性强 航空发动机研制周期典型战斗机发动机研制周期统计 代次 发动机型号 类型 研制周期 第3代 F100 全新 从1969年JTF22验证机研制到1974年F100-100交付使用共5年从1969年JTF22验证机研制到1985年F100-220交付使用共16年 F110 改型 从60年代中期F101发动机研制到1986年F110交付使用历经20年从1976年设计到1986年投入使用共10年 F404 全新 从1972年燃气发生器验证到1979年投入生产共8年 AL-31F 全新 从1976年研制开始到1984年交付空军使用共9年 第3.5代 EJ200 全新 从1982年XG40验证机技术验证到1999年设计定型共17年从1987年EJ200发动机设计到1999年设计定型共12年 M88 全新 从1979年验证机设计到1997年投入使用共18年从1986年研制型发动机设计到1997年投入使用共11年 第4代 F119 全新 从1983年PW5000发动机详细设计到2002年最初使用交付共19年从1991年工程和制造研制到2002年交付使用共11年 F135 改型 从1996年方案演示与验证到2011年投入使用共15年 1.2研制周期长、资金投入大、军民通用性强 资金投入大——现代航空发动机的研发需要动用举国之力完成。20世纪80年代初，美国军方和航空工业界高层决策部门预测：在叶轮机气动热力学、耐高温轻质材料和新颖结构设计及控制技术等方面已取得和将要取得巨大进步，在保持已经达到的可靠性和耐久性前提下，可以为大幅提高发动机性能提供可靠的技术基础。因此，在1987年，美国空军发起，海军、陆军、国防部先进技术预研计划局、NASA和7家主要发动机制造商参与制订并实施了综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）预研计划。 IHPTET指导委员会 海军 陆军 空军 国防先进研究项目局 国家航空航天局 工业界顾问组 艾利逊先进技术开发公司 GE航空发动机公司 普惠公司 威廉姆斯国际公司 联信发动机公司 特里达因公司 部件技术专家小组 验证机 燃烧室 排气系统 机械系统 风扇/压气机 涡轮 控制系统 相关技术专家小组 材料 计算流体力学 结构 节约费用 综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）预研计划的管理体系美国军方和NASA对IHPTET预研计划的投资覆盖领域 军方军费 NASA和能源部经费 工业部门经费 军用特有技术 军用关键技术 共用技术 民用关键技术 民用特有技术 低观测性 弯掠气动技术 先进材料 桨扇-涵道风扇 回热 •材料 高温涡轮 CFD设计 低污染燃烧 噪声控制 •喷管 高转速金属基化合物转子 先进控制 多级动力涡轮 多种燃料 •进气道 变循环 气动/冷却技术 短舱阻力 污染控制 热力循环 稳定性处理 先进轴承 先进齿轮箱 短寿命发动机 对转技术 轻重量结构/制造 高压比增压级 推力矢量 先进燃烧 1.2研制周期长、资金投入大、军民通用性强 资金投入大——航空发动机的发展是一项复杂的系统工程，技术难度大、研制周期长，需要大量的经费投入。据统计，1950—2000年美国在航空涡轮发动机上的研究和开发投入超过1000亿美元。1988—2017年，美国“综合高性能涡轮发动机技术”(IHPTET)和“通用经济可承受涡轮发动机”(VAATE)两项计划共投入87亿美元。GE、罗罗和赛峰近年来在航空发动机领域的科研投入每年都超过10亿 美元。 典型航空发动机研发投入（亿美元）典型战斗机发动机研制费用统计 F100（F15/F16） 11.17 F110（F15/F16） 11.69 F404（F18） 4.36 M88（阵风战斗机） 19.63 F119（F22） 42.97 F135（F35） 60 0 10 20 30 40 50 60 70 代次 发动机型号 类型 研制周期 第3代 F100 全新 1969-1974年，F100原型发动机研制费用为4.57亿美元；1980-1985年，改进费用6.6亿美元 F110 改型 F101/B-1发动机研制费用6.21亿美元 F101DFE开始研制到其F110发动机交付使用，5.48亿美元 F404 全新 YJ101发动机的总研制经费可能高达1亿美元左右F404发动机全面研制费用为3.36亿美元 第3.5代 M88 全新 M88-2发动机研制费用达17亿美元，工业化费用达2.63亿美元 第4代 F119 全新 进入EMD（工程、制造与发展）阶段前，美国空军投资18.32亿美元；从1991年进入EMD阶段到2001年，追加投资24.65亿美元 F135 改型 推进系统F135发动机投资为60亿美元 1.2研制周期长、资金投入大、军民通用性强 军民通用性强——基于核心机系列化研制模式，军民一体化推动航空产业发展。由高压压气机、燃烧室和高压涡轮组成的发动机核心机包括了推进系统中温度最高、压力最大、转速最高的组件，其成本和周期在发动机研制中占比重大，是发动机研制主要难点和关键技术最集中的部分。据统计，发动机研制过程中发生的80%以上的技术问题都与核心机密切相关。高技术、高投入的特点也决定了航空发动机研制的高风险。基于高风险的特点，各航空发动机巨头纷纷倾向于基于自身技术特点走出一条航空发动机产品的系列化、衍生化发展道路。国外从四代机研制开始，普遍采用提前开展技术验证机研究的发展思路，使型号发动机中应用的