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2021年航空发动机行业研究报告

国际金属加工网 2021年11月03日

核心观点:

航空发动机是强国的象征、更是大国博弈的迫切需要,未来衍生产品战略价值大

1) 三代军用发动机五大常任理事国标配,四代军用发动机仅中美俄竞技,商用大涵道 比发动机美英三寡头垄断。

2) 百年未有之大变局下,发展航空发动机产业是大国崛起的必然选择,中短期着眼周 边局势国防安全带来的需求增长;中长期高度关注航

发动机在国家产业升级中的 巨大经济带动效应、航空发动机衍生技术及工艺在其余领域的新应用

航发集团成立,自研先进型号覆盖各类型飞机,技术突破与时代需求高度耦合

1) 中国航空发动机产业起步偏晚、道路曲折,长期以来先进型号依赖进口。航发集团 成立、两机专项实施,飞发分离、自主研制,目前在役及在研型号覆盖我国各类型 军、民用飞机需求。

2) 先进军、民用发动机的技术突破与时代、国家的战略需求相契合,前后接力驱动我 国航空发动机全产业链迈上一个新台阶。

未来十五年,我国航空发动机产业需求旺盛、确定性高,年均近 2000 亿市场规模

1) 军用领域,我国军用飞机在数量、质量上均与美国存在较大差距,为保障国家安全、 支撑大国崛起,我们预测军用领域或催生年均 900 亿市场。从 2020~2027 建军百年 年均复合增长约 18%,2027 年后随规模增大、增速逐渐放缓至 2035 年的约 10%。

2) 商用领域,C919 已收获上千架订单,国际商用航空 ABC 格局动力基础必须自主可 控,长江-1000A 研制紧锣密鼓,预计 2030 年商用发动机整机市场向国产航发打开 大门,逐鹿年均千亿市场。

3) 综合军民市场,未来 15 年我国航发产业链整机市场年均规模超 1,000 亿、复合增速 超 15%,前 10 年军用放量、10 年后民机接力,行业发展走出一条“微笑曲线”。

航空发动机产业链重点关注 4 大领域:整机、零部件、原材料、维修保障

1) 整机领域:主机厂以其垄断地位享受航空装备放量带来的确定性增长。2) 零部件领域:航发控制与中国航发控制系统研究所“厂所结合”、垄断产业链中价值 占比 13%的控制系统,业绩增长确定性不输整机。压气机涡轮叶片、轮盘价值占比 40%、附加值高、市场化程度不断提升,蕴含投资机会。3) 原材料领域:高温合金、钛合金合计占比 70%;复合材料技术含量高、引领未来发 展方向。4) 维修保障:“全面聚焦备战打仗”背景下实战化训练损耗加剧,预计利润率更高的维 修保障环节将对相关公司带来较大利润增长,重点看好军用航发维修保障龙头航发 动力。

1. 航空发动机:强国的象征、飞机的心脏

1.1. 航空发动机:将化学能转化为机械能,为航空工业提供动力

航空发动机以化石燃料作为能源,将化学能转化为机械能、为飞行器提供动力,是飞 机、火箭等各类飞行器的心脏和动力之源,更是整个航空工业的动力之源。因其高度的技 术难度和复杂性,被称为“工业皇冠上的明珠”和“工业之花”。

航空发动机产业是国家经济的重要分支、国家安全的重要保障,其综合水平的高低是 一个国家综合国力的重要体现。目前世界范围内具备军用航空发动机研制能力并形成产 业规模的国家仅有美、俄、英、法、中五大联合国常任理事国,具备商用大涵道比涡轮风 扇发动机研制能力并形成产业规模的则仅剩美、英两国三大巨头企业及其合资公司。

根据推力产生原理、氧化剂来源、有无压气机等的差异,航空发动机可以分为活塞式 发动机、火箭发动机、冲压式发动机、涡轮发动机等多个类别。冲压式发动机和脉冲式发 动机目前应用范围还较为有限、暂不具备形成大规模市场空间的能力。当前,涡轮风扇发 动机以其高效率、低油耗、大推力等优势成为应用最广的航空发动机,广泛装备于各类 型军民用飞行器,其产值占燃气涡轮发动机的 90%以上。


1.2. 世界航空发动机发展史:西方引领下从活塞到喷气、从军用到民用

从 1842 年第一份关于航空发动机的专利出现到现在,世界航空发动机产业走出了一 条从活塞式到涡轮喷气式再到涡轮风扇发动机的发展道路,这个过程中,以美、英为代表 的西方国家凭借其起步早的先发优势持续积累在技术和产业上的优势壁垒、不断引领着 航空发动机领域的发展方向。

进入 21 世纪,高温合金和先进涂层等技术为涡轮风扇发动机性能的进一步提高提供 了可能。当前军、民用领域航空发动机技术和产业均已发展至第四代。

军用领域,美国的 F135 发动机(装备 F-35 战斗机)、F119 发动机(装备 F-22 战斗 机)牢牢占据着头部位置,F135 发动机最大推重比 11.7,最大推力近 19 吨,是目前推力 最大的军用小涵道比涡轮风扇发动机。其余处在第一梯队的军用航空发动机还包括俄罗 斯的 AL-41、AL-31FN,英国的 EJ-200 等,这些产品在满足美、英、俄、法等国自身国 防军队建设需要的同时,还单独或伴随飞机整机大量出口至其他国家。

民用领域,用于窄体客机的 Leap-X、PW1000G、用于宽体客机的 GE9X、Trent XWB 等发动机技术先进、代表了当前商用航空发动机领域的最高水平。

1.3. 军用航空发动机格局:三代机“五常”标配、四代机中美俄竞技

军用航空发动机最重要的技术指标是推重比,对于大推力航空发动机,按照推重比大 小一般可分为四代,第一代推重比在 3-4 之间、第二代 5-6、第三代 7-9、第四代 10-12。当前在役战斗机发动机以第二代、第三代为主,具备三代主流航空发动机研制和生产能 力的国家主要是美、俄、英、法、中五大常任理事国,乌克兰接收前苏联军事工业遗产也 具备一定的发动机研制生产能力,其航空发动机产品主要用于出口。

根据《World Air Forces 2021》统计数据计算,产自五大常任理事国的军用航空发动 机数量占当前世界所有在装军用航发总数的 90%以上。这其中,又尤其以美、俄占比最 大,其军用航空发动机产品除满足本国军队装备建设需要外,还随着飞机一起大量出口至 其盟友、部分新兴国家等。

第四代军用航空发动机目前的参与者仅美、俄、中三国,进入实际服役状态的型号仅 美国的 F119、F135 及俄罗斯的 AL-41F。其中美国的技术和研究进展遥遥领先,其 F119 发动机在 1997 年起即开始装备 F-22 猛禽战斗机,俄罗斯的 AL-41F 发动机约在 2017 年 前后首飞,中国的四代发动机还尚未见研制成功。

目前,第四代航空发动机装备数量总体还较少,但其作为接下来各大国空军力量进一 步提升的必然选择,将随着 F-35、F-22、歼 20、苏-57 等第四代战机的批量列装而逐渐成 为未来军用航空发动机市场的重心。

1.4. 商用航空发动机格局:三巨头垄断、中俄谋求入场机会

相较于军用航空发动机,商用航空发动机高经济型、高可靠性的要求使得它的研制 技术难度更高。经济性要求航空发动机不断提高其运行效率、降低耗油率,为航空公司带 来经济效益。可靠性要求民航客机发动机在各种可能出现的极端工作状态下依然能保证 发动机稳定安全运转、避免出现安全事故。此外,商用航空发动机还要能实现技术成功前 提下的商业成功。

以上因素作用之下,商用航空发动机产业寡头垄断的格局更加明显。目前世界范围内 独立掌握商用航空发动机研制核心技术、并有能力实现其产品商业化成功的企业仅美国 通用电气(GE)、美国普惠(PW)、英国罗罗(RR)三家公司,世界范围内商用航空发 动机市场基本被这三家公司及其与其他公司组建的合资公司所垄断。

俄罗斯历史上曾推出过 D-30、PS-90 等商用航空发动机产品,但由于苏联解体、俄罗斯经济发展缓慢等原因,其生产量、使用量均极为有限。近 年来,俄罗斯联合航空发动机制造集团下属的彼尔姆航空发动机公司为其国产单通道客 机 MC-21 推出了 PD-14 航空发动机,用于其国产宽体客机的 PD-35 发动机也正处在研制 当中。PD-14、PD-35 两款发动机寄托着俄罗斯重新打入世界商用航空发动机市场的愿望。

同样谋求进入该市场的中国以其单通道客机发动机长江-1000A、宽体客机发动机长 江-2000、支线客机发动机长江-500 成为这个市场一名最新的参与者。

1.5. 中国航空发动机发展史:起步偏晚、道路曲折、先进型号依赖进口

从 1954 年新中国第一台航空发动机试制成功到现在,中国航空发动机产业已经走过 了近 70 年的发展道路。其间实现了多个具有重要里程碑意义的“第一次”,也经历了多个 型号发动机随飞机一起下马的曲折。总的来讲,发展早期主要采取国外型号测绘仿制的 模式,之后在涡喷-13 等部分型号上初步尝试自主改进设计,直到最终在涡喷-14 等型号 上实现自主研制。

进入 21 世纪初期,空军装备建设提速对航空发动机提出了更高的要求,但由于前期 航空发动机产业特别是涡轮风扇发动机发展的相对缓慢,这一时期对新型先进军用航空 发动机的需求只能通过进口来满足。如歼 10、歼 11、歼 20 等第三代、第四代战机对大推力小涵道比涡扇发动机的需求;从俄罗斯进口的苏-27、苏-30 侧卫系列战斗机的换发需 求;国产轰-6 的后续改型、战略运输机运 20 等对大涵道比涡扇发动机的需求等。

2005 年,国产第一型三代大推力军用涡扇发动机涡扇-10 通过了定型审查,并再随后 的使用中不断提高其可靠性和稳定性,直到最终趋于成熟,这一步在中国航空发动机产业 的发展历史中意义巨大。

目前涡扇-10 及其改进型号可用于装备歼-10、歼-100、歼-15、歼-16 乃至歼-20 等中 国当代主力三、四代战斗机。我国对外军用航空发动机的进口额、依赖度也在 2015~2017 年之间逐步企稳下落。

1)起步晚:中国第一台活塞式发动机落后世界近 50 年,第一台涡轮喷气发动机落 后世界约 16 年,第一台涡轮风扇发动机落后世界 4 年(但第一款投入量产的涡轮风扇发 动机落后世界 44 年),且早期涡轮喷气和涡轮风扇发动机的研制生产均为国外型号的引 进仿制、缺乏自主研制和独立的技术攻关; 

2)发展历程曲折:中国航空发动机产业发展过程中长期存在(1)依赖于国外型号的 引进仿制;(2)发动机型号依附于飞机,多个型号发动机特别是后期主流技术方向的涡 轮风扇发动机因飞机下马而终止研制两个问题,导致中国航空发动机产业在较长时间内 发展相对缓慢。

1.6. 中国航空发动机现状:奋起直追、方兴未艾、重点型号全面开花

2016 年 8 月,中国航空发动机集团在北京成立。新成立的航空发动机集团由国资委、 北京国有资本经营管理中心、中国航空工业集团有限公司、中国商用飞机有限责任公司共 同出资组建,整合了我国国防军工领域航空发动机研制生产相关的科研院所、主机厂、配 套厂等企事业单位,集团总资产约 1100 亿元。

航发集团的成立有助于改变过去发动机型号依附于飞机型号的格局,赋予发动机研 制以更大的自主权和自由度,使得我国航空发动机研制可以更加充分的走出一条从基础 研究、到型号预研、再到型号项目工程研制的完全自主正向设计道路。

以中国航发集团为代表的我国航空发动机产业基本具备了军用大中小型涡喷、涡扇、 涡轴等各类型航空发动机的研制生产能力。

但与西方先进国家相比尚有一定差距。军用领域,国产三代涡扇-10 太行发动机晚于美国 F110 约 30 年,用于四代战机的美 国 F-119 发动机首装于 1997 年,我国相对应的发动机截至目前尚未研制成功,落后至少 20 年以上。

民用领域,我国尚无用于商业航线的大涵道比涡轮风扇发动机成熟型号,若假设中国 航发商发正在研制的长江-1000A 发动机于 2025 年~2030 年之间研制成功,则至少落后于 国际先进水平 CFM 国际公司的 Leap 发动机约 15~20 年。

面对差距,中国航发集团秉承“动力强军、科技报国”的使命,在保障现有武器装备 保障供应的同时,进行了多个先进型号的攻关研制。覆盖了用于战斗机、教练机、运输机、 轰炸机等各类型军用飞机、及用于 C919 和 CR929 大型客机的各类型军民用发动机。

在两机专项国家充足资源的保障下,我国航空发动机产业新型号的研发呈现出了多 点开花的局面,基本形成“军民并举、完整覆盖”的态势。未来的 5~10 年内,随着军、 民用重点型号研制攻关的相继完成转入量产,将可以满足届时我国军、民用领域几乎各 类型航空发动机的需要,我国航空发动机整个产业也将迎来一个高速增长的黄金时期。

1.7. 航空发动机产业特点1.7.1. 高技术、高投入下的高行业壁垒

航空发动机的运行特点可以概括为“三高一长”,即高压、高转速、高温、长期循环 往复工作。严苛的工作条件和高可靠性要求决定了航空发动机的研制需要综合工程热力 学、气体动力学、燃烧学、传热学、固体力学、强度振动、现代控制理论、材料学、冶金、 加工制造、试验测试等几乎所有现代技术门类来实现,是一个十足的高技术行业。

高技术决定了航空发动机研制的高投入。航空发动机的研制主要分为基础研究(含 基础研究、应用研究)、型号预研(先期技术开发、先期部件开发等)和型号工程研制(含 系统研制和验证、作战或推进系统开发等)不同阶段。

美国长期以来非常重视基础研究和型号预研,在其上所投入的经费占航空发动机研 发总计费的约 1/3,基础预研总经费中政府投入又占据了 2/3 以上。从 20 世纪 80 年代末 期以来先后实施了 IHPTET、VAATE、ATTAM 等多个预研项目,其中 IHPTET 计划投入 最大、持续时间最长,获取的成果在后续 GE90、CFM56-7、F110、F119、F135 等许多军 民用发动机型号的研制上得到了应用。IHPTET 计划的开展在一定程度上奠定了今天美国 在航空发动机技术上的领先地位。

到型号工程研制阶段,一台典型的航空发动研制经费约 10~30 亿美元,F-135 发动机 的研制经费更是达到了令人咂舌的 50 亿美元。

高技术、高投入的特点决定了航空发动机产业的参与者只能是那些经济发达、资金 实力雄厚、科技水平和工业门类完备的现代化国家。从 0 到 1 这一步的跨越,所需的基 础研究、工程技术积累及资金投入,对于一个完全的行业新参与者来说很难实现。这为 行业已有的参与者、特别是在技术产业上具备领先地位的国家、寡头企业建立了深深的 护城河。

1.7.2. 衍生化发展模式下的长回报周期

高技术、高投入的特点也决定了航空发动机研制的高风险。罗罗在进行其第一款三 转子发动机 RB211 的研制时,因技术的复杂性,项目花费达原有计划 2 倍研制结果却不 尽如人意。严重超支导致资金链破裂、罗罗也到了破产的境地。英国政府为保护本土航空 发动机工业,将罗罗收归国有。此后又经过多年政府支持下的发展,三转子发动机才最终 研制成功、并继而助力罗罗成为当代大型航空发动机产业中的寡头之一。

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。采用衍生化的发展路线,一是可以继承原始机型 的优点;二是降低新技术台阶的跨度,从而节省经费、缩短周期、降低风险。美国 GE 基 于 F101 核心机衍生发展出一系列、满足不同场景使用要求的发动机产品。其中的 CFM56 更是成为了民用航空发动机界的传奇,迄今为止持续运营近 40 年,助力 CFM 国际公司 成为了国际窄体客机发动机市场的绝对老大。

航空发动机高技术、寡头垄断下的衍生化发展模式,确保了一旦以一款成熟的系列 产品进入市场,接下来就有望享受 30-50 年的持续稳定盈利,其间面临的竞争威胁小,制 造商可以安心收获技术和产业带来的收益。

1.7.3. 大分工、大合作下的广阔经济效益

航空发动机本身具备高科技、高附加值的属性,可以为社会发展带来巨大的经济效 益。据统计,按照产品单位重量创造的价值计算,航空发动机是船舶的 1400 倍、是汽车 的 150 倍。近年来,全球航空发动机产业的年产量基本稳定在 14000 台以上、年产值约 为 700 亿美元附近,其中 2019 年因波音 737Max 停飞事件影响而略有下降。预估未来 十五年航空发动机全球总产值约为 1.3 万亿美元、年均约 866 亿美元,市场空间广阔。

航空发动机产业链长、覆盖面广,可以带动和辐射上游机械加工、材料制备、电子元 器件等一大批行业。现如今,世界航空发动机产业链已经形成了典型的四级结构形式:

第一层级即 GE、普惠、罗罗等整机制造商,负责整机研制及总装交付;第二层包括德国 MTU、意大利 AVIO 等,主要负责子系统、大部件/单元体的制造, 第二层级的企业中很多与第一层的整机制造商建立合资公司从而形成了更为密切的风险 利益共担关系。第三层和第四层分别是零组件、和原材料的供应商。中国的航发动力、航亚科技等公 司也以外贸转包的形式参与到了全球航空发动机产业链中去。在这样的体系框架下,航空 发动机的广阔市场空间将层层向上传递,从而拉动原材料、加工制造等一大批产业的发 展。

1.8. 航空发动机产业定位:富国强军、国家意志

美英法等西方航空强国始终坚持将航空发动机列为国家战略性产业,其航空发动机 的发展无不体现出国家意志。美国《2020 联合设想》报告提出的构成美国未来战略基础 的九大优势技术中,航空发动机位列第二,排在雷达技术之后、核技术之前。航空喷气式 发动机鼻祖的英国,在罗罗公司濒临破产的关键时刻伸出援手,并保留一英镑的“黄金 股”,防止股权落入外国投资者手中。

此前长期以来,中国没有给与航空发动机产业足够的重视。这一局面已经随着中国 航空发动机集团的成立、两机专项的正式实施得到了根本性的改变。

随后启动的航空发动机和燃气轮机国家科技重大专项直接投入在 1000 亿元量级,加 上带动的地方、企业和社会其他投入,预估总金额将不少于 3000 亿元。将有效解决长期 以来我国航空发动机产业投入不足的问题。

在近期发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远 景目标纲要》中,又着重对航空发动机和燃气轮机予以了单独列示,并明确提出“推进民 用大涵道比涡扇发动机 CJ1000 产品研制,突破宽体客机发动机关键技术,实现先进民用 涡轴发动机产业化”。我们预估,航空发动机产业在十四五期间将持续受到国家、中央层 面上的高度重视,相关型号研究和产业化进展都将大大提速、体现国家意志!

2. 中国航空发动机产业链:军民融合、功能完备

2.1. 产业链全景:从设计研发到维修保障

经过近几十年的发展,中国国防军工行业已经形成了一条军民融合、功能完备的航 空发动机产业链。产业链主要环节包括:设计研发、加工制造(原材料)、加工制造(零 组件)、整机集成交付、运营维修等。

设计研发环节主要由相关研究院所及高校组成。加工制造(原材料)环节传统上以钢 铁金属材料类企业、研究院所为主,近年来部分民营企业也有参与。加工制造(零组件) 环节传统上以航发集团系统内单位为主,但近些年来系统外企业参与这一配套环节的积 极性高涨、现如今各类型企业众多。整机集成交付环节基本由航发集团垄断。运行维修分 军用民用,军用主要由航发集团、军队相关单位提供维修保障;民用主要由各大航司及其 与航发 OEM 等组建的合资公司提供维修保障。

2.2. 设计研发:集中大批研究院所等优质资源

航空发动机设计研发这一环节中集中了大量优质资源。可分为基础研究及关键技术 研究、子系统研发、整机集成设计等几大类。

基础研究及关键技术研究目前主要由相关高校航空航天专业、中科院相关院所承担。子系统研发主要包括材料工艺方案和控制系统两大类,分在航发集团、航空工业集团、 中科院系统以及一些地方政府下属的科研机构中。整机集成设计的几大主机所则均为航 发集团所属。

2.3. 原材料:镍、钛、钢、铝四足鼎立,复合材料大势所趋

早期的航空发动机采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造,后期为减轻发动 机重量、提高耐温性能、提高发动机效率和推重比,而逐步引入了钛合金、高温合金以及 复合材料。当前,航空发动机中传统铝合金和高强度钢、钛合金、镍基高温合金四足鼎 立,复合材料则凭借其优良的综合性能成为未来航空发动机性能进一步提升的不二选择。

2.3.1. “太空金属”钛合金:宝钛股份收入最高、西部超导毛利高于行业平均

钛合金指用钛与其他金属制成的合金金属,以其轻质、高强度、抗腐蚀性能好的优势, 特别适合应用于航空航天领域,因而被称为“太空金属”。航空用钛合金属于钛工业链条 中的高端产品,在航空发动机冷端部件中得到大量使用。

我国钛合金产业集中度高、陕西省钛材生产领跑全国,主要上市企业有宝钛股份、西 部超导、西部材料。其中西部超导钛合金产品应用市场集中,主要为航空航天等军工产业, 销售毛利率较高。

2.3.2. “先进航空发动机的基石”高温合金: 钢研高纳产量最高、业务集中度最高高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在 600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作 的一类金属材料,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能、 断裂韧性等综合性能,按照制造过程的不同可以分为变形高温合金、铸造高温合金和新型 高温合金。

2.3.3. “非金属发动机”复合材料:中航高科、光威复材两大龙头

复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学方法,在宏观上组 成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短、产生协同效应,使复合材料的综 合性能优于原先组成材料从而满足不同使用场景下的需要。根据两种材料(一般区分为基 体材料和增强材料)的不同可以将复合材料分为不同的类别。

美国针对航空发动机实施的 IHPTET 和 VAATE 计划均将复合材料在航空发动机上 的应用列为重点内容予以验证和突破,包括风扇宽弦复合材料叶片、纤维增强树脂基复合 材料机匣、350℃ 热塑性复合材料中介机匣、SiC 长纤钛基复合材料叶环、叶鼓和低压涡 轮轴等。目前,随着复合材料在航空涡轮发动机上应用范围越来越广且比例越来越大,甚 至有说法航空涡轮发动机将向着"非金属发动机"或"全复合材料发动机"的方向发展。

2.4. 零部件与子系统:锻造、铸造各司其职、控制系统自成一体

航空发动机由部件和子系统组成,部件包括风扇增压级、压气机、燃烧室、高低压涡 轮等;子系统包括控制系统、空气系统、机械系统、短舱系统等。除控制系统自成一体外, 其余各部件系统的零组件按照加工成型的方式均可以分为锻件、铸件、钣金件等几种,其 中又以锻件、铸件占据主要地位。近些年来,3D 打印增材制造、复合材料特殊工艺等也 逐渐开始使用,但目前占比尚较小。

锻造通过对金属施加压力使其产生塑性变形从而达到所需要的形状,这个过程可以 消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷,且锻件的机械性能一般优于同样材料的 铸件,因此在无特殊需求的情况下多采用锻造的方式进行加工。铸造通过直接浇铸液态金 属到事先准备好的模具中、待金属冷却后去除模具的方式得到所需形状,其优点在于可以 生产形状复杂的零件,尤其是复杂内腔的毛坯。

当前,涡轮前温度已经上升至 1800℃附近,但涡轮叶片所用材料即便是耐温最高的 单晶高温合金,其耐温也仅有 1200℃左右,之间 600℃的温差只能通过叶片表面热障涂 层以及叶片内部复杂的空心冷却结构来弥补。这使得涡轮叶片的内腔冷却结构越来越复 杂,只能通过铸造的方式来加工。

因为涡轮叶片所使用单晶高温合金等材料的昂贵、以及精密铸造工艺的复杂性,使得 涡轮叶片单价极高,一片叶片成本可达 40 万元。一台发动机中涡轮叶片论数目较压气机 叶片显著偏少,但论总价值,铸造涡轮叶片却较远高于锻造产生的压气机叶片。

2.4.1. 叶片、轮盘:上市公司中锻造叶片企业成熟度更高、铸造叶片企业加紧技术攻关

航空发动机压缩系统(风扇增压级、压气机)转静子叶片、涡轮转静子叶片、及用于 支撑安装转子叶片的压缩系统轮盘及涡轮轮盘是航空发动机中最重要的一组零件,在发 动机功的传递、能量的转化中起核心作用。在发动机价值的拆分上,以上零件合计价值占 比超过 40%。以上零件除涡轮叶片采用铸造方式成型外,其余均采用锻造的方式,两类加 工工艺中,精锻、和精铸分别代表了未来各自技术发展的主流方向。

目前国内从事航空发动机叶片、轮盘加工制造的企业或单位有中航重机、航发动力、 航亚科技、三角防务、中国航发航材院、万泽股份、炼石航空、应流股份、江苏永瀚、无 锡透平等。

根据各公司在以上发动机零组件加工领域所从事业务的具体类型,可以将其分为三 类,一类专注于压气机叶片、压气机及涡轮轮盘轴等航空锻件的加工如中航重机、航亚科 技、无锡润和等;第二类专注于涡轮叶片精铸加工如应流股份、万泽股份、炼石航空、江苏永瀚等,目 前该细分赛道因单晶涡轮叶片精铸技术的高技术壁垒,各上市公司前期均进行了大量的 技术研发投入,虽然目前相关业务在各自营业收入中的占比暂时还较低,但随着相关研发 投资项目的实施,精铸业务即将或已初步进入收获期、未来业绩有望放量;第三类则是航发动力、中国航发航材院等传统老牌行业内单位,兼具以上铸造、锻造 两类业务能力。

2.4.2. 机匣等其他结构件:航发科技其中龙头

航空发动机所使用其他结构件主要包括机匣、轴承、齿轮箱、燃烧室零组件、密封封 严装置等,加工方式多采用锻造、少数采用钣金成型

2.4.3. 控制系统:航空领域内中航机电是龙头、航发细分赛道航发控制做龙头

航空发动机控制系统是发动机的神经和大脑,起着把飞机操纵人员指令传输给发动 机、并根据操纵指令精确调节相关运动机构以使得发动机实现操作意图的功能,对于航空 发动机正常稳定工作发挥着至关重要的作用。

航空发动机控制技术的发展已经走过了好几代,总的趋势是从机械液压式向着数字 电子式发展,当前先进军、民用航空发动机所使用的标准控制系统为全权限数字式发动机 控制系统(FADEC),在 FADEC 控制中,发动机电子控制器 EEC 或电子控制系统 ECU 是它的核心,所有控制计算由计算机进行,然后通过电液伺服机构将控制指令转化为液压 机械装置及各个活门、作动器的动作,从而实现对发动机硬件状态的调节。

我国从事航空发动机控制系统研制生产的企业主要有航发控制、晨曦航空、海特高 新、航新科技、中航机电等,其中航发控制背靠我国航空发动机控制领域唯一的军工科研 院所中国航发控制系统研究所,实力雄厚、产品型号齐全,是航发控制领域的龙头企业。

2.5. 整机集成交付:航发动力唯一龙头

我国航空发动机整机集成交付领域共有八大主机厂,全部为中国航发集团下属,其中 5 家注入上市公司或作为上市公司母公司。航发动力囊括了其中 4 家,基本覆盖了当前航 发集团主要在研或已服役的先进发动机型号。太行发动机已经进入稳定服役状态,将随着 三四代战斗机的上量享受确定的业绩增长。三代中等推力航空发动机生产线建设项目也 于今年通过竣工验收,将有望随枭龙、FC-31 战机一并上量。

2.6. 运营维修:“全面聚焦备战打仗”背景下的行业增长新动力

运营:军用、商用航空发动机的运营方分别为军队和航空公司。维修:军用发动机一部分由解放军 57XX 厂提供维修服务,另一部分由发动机整机制 造商航发动力分别在贵州、山西、吉林的维修厂提供售后维修保障服务。发动机维修保障 环节的利润率较初始产品交付更高,后续随着“全面聚焦备战打仗”背景下实战化训练的增多,军用发动机维修保障领域市场空间将有望快速上升,为相关企业带来业绩增长的 新动力。

民用领域,多个航空公司与国外 OEM 或国外航空公司、专业发动机维修公司等建立 合资公司,用于为自身及行业提供发动机及飞机维修保障服务。此外,上市公司中航新科 技、海特高新也涉足有航空发动机维修市场。未来随着军民用航空发动机的放量增长,航 空发动机维修市场也将迎来市场空间的扩充。

3. 中国航空发动机产业市场空间测算及重点领域价值拆分

3.1. 军用航空发动机整机市场:2021~2035 年均近 1000 亿元人民币

当前,我国与美国在军用飞机数量和质量上均有着较大差异。战斗机领域,我军战斗 机数量为美军的 58%,三代以上先进战斗机数量约为美国的 26%。运输机轰炸机等大型 军用飞机领域,我军数量是美军的 20%,且缺乏大型战略轰炸机;直升机教练机领域,我 军飞机总数约为美军的 17%,且缺乏重型直升机。

以《新时代中国的国防》白皮书“力争到 2035 年基本实现国防和军队现代化”为牵 引,我们假设到 2035 年,我军各类型军用飞机装备数目与美军当今装备数量及已确认订 单数量之和保持一致,据此预估各类型飞机装备数目及所需的航空发动机数目、市场价 值。测算过程中的重要假设如下:

目前存量飞机截止 2035 年平均换发 2 次:以当前三四代机所装备的三代主流发 动机为例,其寿命约为 2000 小时,考虑到“全面聚焦备战打仗”背景下训练量 有所增加,预估一架飞机一年飞行时间约为 300~400 小时,从而平均约 5-7 年 需换发 1 次,目前存量飞机到 2035 年需至少换发 2 次;

至 2035 年增量飞机平均换发 0.5 次:以 7 年换发 1 次计算,2028 年及之前列装 的飞机到 2035 年需换发 1 次,2029-2035 年列装的飞机到 2035 年无需换发,假 设新增飞机按匀速增加,则平均换发次数为 1/2*1+1/2*0=0.5 次;

各类型飞机所需发动机单价参考国外同类型、同级别发动机进出口合同订单价 格或公司官网军方采购信息;

发动机采购费和维护保养费按照 1:1 预估;

考虑换发发动机来自于备发,因此不再单独考虑备发数。

据此测算,从 2021 ~2035 中国军用航空发动机整机市场总规模为 14,898 亿元人民 币、年均 993 亿元人民币。其中新增军机初始采购需求和存量及新增军机换发需求大体 各占一半。按飞机种类,歼击机、运输机及加油机占比相对较大。

3.2. 商用航空发动机整机市场:2021~2039 年均 1000 亿元人民币

根据中国商飞公司预测,到 2039 年,中国民航客机队的规模将从 2019 年的 3863 架 增长到 9641 架,在全球市场中的占比从 16.2%增长至 21.7%,届时中国将成为全球民航 第一大市场和增长速度最快的市场。据此预估各类型飞机所需相应型号航空发动机的数 目及市场价值。测算过程中的重要假设如下:

各型号国外发动机单价信息参考各发动机厂家官网订单信息,国产发动机单价 参考同级别国外发动机:长江-1000A 参考 Leap-1X、长江-2000A 参考 GE-NX、 长江-500 参考 CF-34;发动机维护保养费与采购费按照 1:1 预估;不考虑换发需求:目前先进商用大涵道比涡扇发动机首翻期前寿命已达到 20000~40000 小时,首翻期结束后视情维修更换部分零件又可继续服役,除非发 生重大事故导致发动机报废,否则一架飞机全生命周期内一般不转发。

据此测算, 2021 年~2039 年中国商用航空发动机整机市场总规模为 20,131 亿元人 民币、年均 1,059 亿元人民币。

3.3. 整机市场 2021~2035 拆分:前 10 年军机放量、10 年后民机接力

军用领域,2020 年航发动力年报中航空发动机制造及衍生产品营业收入约为 262 亿 元,以此近似作为我国军用航空发动机产业 2020 年整机市场规模。以 2027 年实现百年 建军目标、2035 年基本实现国防和军队现代化为牵引,我们预估十四五期间航空发动机 领域将快速增长,随后随着市场规模的增大增速逐渐放缓。据此对 2021~2035 共计 14,898 亿的军用航空发动机市场进行拆分。

商用领域,2020 年,中国内地民航客机队增长了 140 架(受波音 737 Max 停飞、新 冠疫情影响较前几年有较大幅度下降),据此计算得到 2020 年商用航空发动机新增整机 采购市场规模约 202 亿元。此外,根据国内三大航司披露,机队飞机及发动机维修费用总 计约 202 亿元,三大航机队占国内民航机队总数约 42.9%,发动机维修占飞机维修价值比 例约 39%。据此计算得到民航客机发动机维修市场规模约 183 亿元。新增采购与维修费 用加和得到 2020 年中国内地商用航空发动机市场总规模约 385 亿元。

我们预估,后续随着新冠疫苗在全球范围内的逐渐使用和普及,新冠疫情将逐渐得到 控制,全球商用航空市场也将逐渐恢复,中国商用航空发动机市场规模也将迎来一个逐渐 修复再趋于平稳的过程。据此对 2021~2039 共计 20,131 亿的商用航空发动机市场进行逐 年拆分。

但对于中国航空发动机产业链而言,暂时尚没有属于自己的商用大涵道比涡扇发动 机成熟型号。我们预估,国产长江-1000A 发动机于 2030 年前后投入市场,长江-2000A 紧 随其后,从 2029 到 2035 年之间,我国航空发动机产业链在整个发动机整机市场中占比 从 0 逐渐上升至 30%,据此测算出 2021~2035 年我国航空发动机产业链军、民用两个市 场整机交付市场空间。

可以看到,未来 15 年间我国航空发动机产业链整机市场年均复合增长率约 15%,其 中前 10 年主要受益于军机的放量,之后民机开始接力,带来规模持续增长的新引擎。

3.4. 重点领域价值拆分

3.4.1. 零部件及子系统加工领域价值拆分

基于预测的 2021~2035 我国发动机产业链整机市场规模,并参考航空发动机整机制 造龙头航发动力 2020 年毛利率 15%,测算得到零组件及子系统加工制造环节逐年市场规 模,再按照航空发动机不同零部件及子系统的价值占比,测算得到不同零部件和子系统 2021~2035 年间的市场空间。

3.4.2. 原材料市场价值拆分

基于预测的 2021~2035 发动机零部件及子系统加工制造市场规模,减去控制系统的 平均占比约 13%,得到其余零组件市场规模,其中原材料占比参考航空发动机零组件加 工企业航发科技 2020 年报原材料成本占比数据约为 55%,计算得到原材料市场逐年总规 模。当前先进发动机所使用的原材料中,高温合金占比约 40%、钛合金 30%、铝合金 15%、 高强度钢 10%、复合材料 5%,计算得到各类原材料 2021~2035 年间的市场空间。

4. 坚定看好我国航空发动机产业的三大逻辑

4.1. 外部因素:百年未有之大变局下航空发动机不可或缺

军事领域:不断上升的经济实力、国际地位需要相称的国防力量做支撑

近期,中共中央政治局委员、中央外事工作委员会办公室主任杨洁篪,国务委员兼外 长王毅同美国国务卿布林肯等举行了中美高层战略对话。会上,双方围绕各自内外政策、 中美关系等问题进行了沟通。同时杨洁篪也就中国与美国对话的立场做了较为强硬的表 态:“你们从实力的地位出发同中国谈话。”

可以看到,近些年来,随着中国经济的发展、GDP 的不断增长,中国在国际舞台上 的外交形象也愈发强势,这体现了中国对实现民族伟大复兴这一目标的付诸实施。一带一 路构想、中伊 25 年合作协议的签订等也都是侧面的佐证。

但这个过程必将会招致美国等西方国家的全力压制。经济领域有中美贸易战、美国制 裁中国企业等矛盾争端。军事领域,美国战略重心重回亚洲,构建了美、日、澳、印的包 围圈围堵中国。可以预见的是,中国大国崛起的路必将会伴随着中美之间各领域摩擦的频 繁化、常态化。在这个战略风险增大、不确定性增强的状态下,国防实力的竞争将是所有 领域竞争的基础和支撑。中国要实现自己的战略目标,就必须要补齐现在的短板、构建与 想要达到的经济地位、政治地位相对等的国防实力。

航空发动机作为我国国防军工领域、乃至整个中国高科技领域为数不多的短板之一, 必须要在未来三到五年内形成充分的战斗力、产业成熟度迈上一个崭新的台阶。这是国 家意志、民族发展的必然要求。

经济领域:世界商用航空 ABC 格局的动力基础必须自主可控

中国商飞 C919 大型客机,取中国商飞英文简称 COMAC 的首字母、同时也是中国 CHINA的首字母,更是寄予着中国大飞机产业打入世界市场、与空客(Airbus)波音(Boeing) 平起平坐、共享市场的愿望。截止目前,C919 已经拿下超过 1000 架的订单、价值超 3000 亿元人民币。对于上游各个环节市场规模的带动效应更是巨大。

C919 所采用的发动机是 CFM 国际公司的 Leap-1C,2020 年 2 月 15 日,美 国计划阻止中国 C919 客机获得 LEAP 发动机。尽管随后特朗普表明不会断供,但 C919 的“主制造商-供应商”模式在美国认定中国崛起威胁国家安全、全力打压中国高科技发 展的情况下,未来依然可能会面临类似问题。因此,像航空发动机这样的关键性配件,必 须要自主可控,不自主、无以形成真正稳固的世界商用航空 ABC 格局。

4.2. 内部因素:新航发、新型号,与时代的需要耦合共振

坚持自主发展、多个型号技术突破,满足国家需要正当时

当前以及接下来的一段时期,是建国以来航空发动机产业最黄金的时期之一。建国 之初,面对西方列强的核恐吓、国内经济技术条件的不足,战略性核威慑的建立是第一位 的,而选择了两弹一星就再选不了飞机发动机。随后改革开放,以经济建设为中心,国防 工业的发展多次为经济建设让路、航发产业研制经费紧缺。随后直到轰炸大使馆、南海撞 击等事件的发生,从国家层面开始对常规武器、战术武器提高重视,直到现在,大国博弈 对国防建设提出了更高的要求、也给了航空发动机产业更多的机会。

但打铁还需自身硬,只有坚持独立自主、突破核心技术,研制出性能先进、满足国家 时代需求的产品,才能真正带来行业的大踏步式发展。所幸,随着中国航发集团的成立, 飞发脱离、发动机研制被赋予了更大的自主权,以四代大推力军发、长江-1000A 等为代 表的多个军民用型号被赋予了充分的支持,并在过去几年内纷纷获得了一些阶段性的成 果。可以说,中国航空发动机产业各类型先进在研发动机全面开花、瓜熟蒂落的日子不会 太远了,当下正是布局航空发动机产业的大好机会。

小核心、大协作,军民融合、产业链中上游布满机会

军民融合、“小核心、大协作”是我国当前国防科技行业的发展趋势。国防白皮书曾 经在介绍国防科技工业时指出,“中国加速推进军工企业体制机制转变,初步建立小核心、 大协作、寓军于民的国防科技工业新体系”。
具体到航空发动机产业,除了整机集成环节作为航空发动机产业链条中的核心、由航 发集团完全掌控外,上游零组件制造、原材料、控制系统、下游发动机维修等近年来系统 外供应商、民营企业如雨后春笋,这些产业链中上游企业具有更高的营业毛利率、也都将 得益于航空发动机产业的迅速发展。在其中的原材料、叶片加工制造等重点领域可能存 在投资机会。

4.3. 多方位改革举措未来可期

改革领域存在央企混改股权激励、军品定价机制改革、优质资产证券化等多方位的 改革预期。

我国国防军工领域的大型央企长期以来存在一定程度的效率低下,实施混改,一是可 以引入战略投资者,构建多元化股权结构为国企带来社会资本的资源和活力。二是通过员 工持股、股权激励,可以聚集人才,提高企业运行的效率和活力。此前,中航工业、航天 科技等多家军工大型央企已实施过多次股权激励,未来航空发动机领域也或许会有类似 举措。

此外,实行已久、不利于激发企业活力的“成本加成”军品定价机制也在逐渐发生变 化,国防军工央企未来的利润率有望提升。军工研究院所等优质资产的证券化改革,随着 “新人新办法、老人老办法”等院所改制相关政策的实施及一些历史遗留问题的逐步解 决,优质资产注入上市公司未来可期。

(邱世梁、王华君 浙商证券)

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