航空发动机深度研究:高价值、多系统、高壁垒的复杂工程

国际金属加工网 2022年01月11日

航空发动机是飞机的“心脏”,是保证航空飞行器战术技术性能和飞行安全的决定性部件。航空涡轮发动机主要由风扇、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。从进气装置进入的空气在压气机中被压缩后,进入燃烧室并在那里与喷入的燃油混合燃烧,生成高温高压燃气。燃气在膨胀过程中驱动涡轮高速旋转,将部分能量转变为涡轮功。涡轮带动压气机旋转不断吸进空气并进行压缩,使发动机能连续工作。高压压缩机、燃烧室和高压涡轮被称为核心机。在运行过程中,该部分将受到温度、压力和转速方面最苛刻条件的影响。因此,核心机将以更快的速度劣化,可能在每次大修时进行维修、更换,以恢复失去的性能。

现代航空发动机由模块构成,任何模块都可以作为一个整体更换。风扇/低压压缩机(LPC)模块是发动机上的第一个部件。风扇模块的关键部件包括风扇叶片、风扇盘和压缩机壳体。目前的风扇叶片通常由钛制成,但许多新一代机型也使用高强度复合材料。高压压缩机(HPC)模块由一系列转子和定子组件组成,其主要功能是提高供应给燃烧室的空气压力。转子组件关键部件是轴向安装的压缩机叶片,而定子组件关键部件是压缩机叶片。燃烧室(CBT)是向循环中添加燃料以产生热能的地方。

目前大多数现代涡扇发动机采用环形燃烧系统。燃烧室的关键部件包括内壳、燃料喷嘴和高压喷嘴导向叶片。高压涡轮(HPT)模块位于压缩机后机架后部和LPT定子壳体前部。HPT模块由HPT转子和喷嘴导叶组件组成,用于提取燃烧热能以驱动高压压缩机和附属齿轮箱。低压涡轮机(LPT)位于HPT模块的下游。LPT部件包括LPT转子、LPT喷嘴定子罩和涡轮机后机架。LPT提取剩余的燃烧热能,以驱动风扇和低压压缩机转子组件。附件驱动部分通常连接到发动机芯或风扇壳体。附件驱动装置将发动机的机械能传输到安装在附件齿轮箱上的基本发动机和飞机附件(如发电机和液压泵)。

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核心是航空发动机的重要组成部分。核心机是民用航空发动机最重要的组成部分,包括了机系统中温度最高、压力最大、转速最高的组件和系统,基于成熟的、性能先进的核 心机基础上发展系列民用发动机,可以达到减少发动机研制成本、缩短研制周期的目的。

技术迭代:推力比及轻量化为发展方向,材料及工艺带动下游升级

纵观发动机发展史,航空涡轮发动机的发展可以划分为四代。第一代发动机采用单高压比离心压气机、加力燃烧室等关键技术增加发动机推力;第二代发动机的双 转子技术、可调静子技术的应用使得总压比和工作稳定性大幅提高,推力和油耗到显著改善;第三代发动机采用了众多新技术,包括高效气动设计技术、全权限数 字式电子控制系统等,并开始应用单晶叶片和复合材料,满足了战斗机高机动性需求,大大提高了推重比和工作稳定性;第四代发动机的一体化加力燃烧室、隐身 结构和涂层、矢量喷管等技术大大提升了发动机推重比和信号特征,可靠性、耐久成倍增长,全生命周期费用降低。近年来,美、俄等国纷纷宣布开始研制下一代战 斗机发动机。

美国将自适应发动机确定为空军下一代战斗机的动力形式,开展持续的技术成熟与风险降低;俄罗斯新一代发动机采用新型冷却系统,压气机和涡轮叶片都采用了新材料,不论是节油性能、使用寿命,还是推力都有显著提高。未来,随着新技术的不断融合,传统燃气涡轮发动机将不断改进、提高综合性能,推重也有望得到进一步的突破。根据Global Security关于涡扇15的介绍,目前我国最先进的发动机是涡扇15发动机,推重比可达10,最大推力可达16吨,但与美、俄两国相比,我国战斗机发动机的综合性能仍存在较大提升空间。

随着流体力学、热力学、结构力学、材料学、控制理论等航空发动机相关学科的断发展,战斗机发动机沿着综合性更高、耗油率逐步降低、结构更紧凑、费用更低可靠性和耐久性的方向发展。

战斗机发动机的推重比,第一代为3.0-4.0;第二代为5.0-6.0;第三代为7.0-8.0,其改进型达到8.0-10.0;第四代为10。战斗机发动机的涡轮进口温度,第一代为1200-1300K;第二代为1400-1500K;第三代为1600-1750K,改进有所提高;第四代达到1800-2050K。增压比对不加力工作条件下发动机的效力和耗油率有很大影响。战斗机发动机总增压比,第三代为25左右,改进型提高到30以上;第四代为26-35。耗油率亦是衡量发动机经济性的重要指标。其最大加力耗油率呈现增长趋势,而最大推力状态耗油率呈现小幅降低的趋势。战斗机发动机的最大推力状态耗油率已从1.0-1.2kg/(daN·h)下降到第4代的0.6-0.7kg/(daN·h)。

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涡轮叶片是涡扇发动机中制造难度和制造成本最高的叶片,材料和制造技术推动航空发动机更新换代。在各类武器装备中,航空发动机对材料和制造技术的依存度最为突出,航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可靠性的工作要求,把对材料和制造技术的要求逼到了极限。材料和工艺技术的发展促进了发动机更新换代,如:第一、二代发动机的主要结构件均为金属材料,第三代发动机开始应用复合材料及先进的工艺技术,第四代发动机广泛应用复合材料及先进的工艺技术。导向叶片、工作叶片对于发动机来说是压力最高温度最高的地方,通过冷却技术、提高合金承温能力以及热障涂层使涡轮工作温度进一步提高。相较于风扇叶片和压气机叶片,涡轮叶片的特点主要表现在原材料要求高、制造工艺难度大、成本高。

价值占比:战斗机发动机价值占重复性出厂成本的10-20%左右

战斗机发动机价值占重复性出厂成本的10-20%左右。重复性出厂成本包含机体、航电、发动机、工程更改、管理等。根据美国空军采购预算,F-15战斗机采用F110或F110发动机,价值量占比13%(2021年预算数据);F-22战斗机是双发机型,采用F119发动机,因此发动机价值量占比较其他型号略高,达15%(2009年预算数据);F-35采用F135发动机,价值量占比12%(2015年预算数据)。民用飞机发动机价值量占比相较战斗机或较高。传统上认为机型越小,发动机价值占比越高,机型越大,发动机价值占比越低。但民用与军用飞机不同,军用飞机成本拆分显示机身和机电系统同样价格昂贵,主要原因是战斗机隐身需求对工艺和复合材料要求较高,机动性和反应速度需求对机电系统要求较高。而对于民用飞机来说,其机体和航电系统的性能只需要达到合格标准,反而突显了发动机价值占比较高。

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格局塑造:研发方向的单一性催化强者恒强的格局

晶圆代工:追求先进制程的头部效应,强化制程方向的领先优势

晶圆制造行业属于半导体商业模式分工环节的一环。半导体行业产业链从上游到下游大体可分为:设计软件(EDA)、设备、材料(晶圆及耗材)、IC设计、代工、装等。Fabless与IDM厂商负责芯片设计工作,其中IDM厂商是指集成了设计、制造、封装、销售等全流程的厂商,一般是一些科技巨头公司,Fabless厂商相比IDM规模更小,一般只负责芯片设计工作。分工模式(Fabless-Foundry)的出现主要是由于芯片制程工艺的不断发展,工艺研发费用及产线投资升级费用大幅上升,导致一般芯片厂商难以覆盖成本,而Foundry厂商则是统一对Fabless和IDM的委外订单进行流片,形成规模化生产优势,保证盈利同时不断投资研发新的制程工艺,是摩尔定律的主要推动者。

以台积电为代表的追求先进制程的晶圆厂逐步减少。当前,晶圆代工厂的发展模式有两种,追求先进制程及盈利最大化模式。前者以台积电、三星、英特尔为代表,后 者以中芯国际、联电、华虹半导体、世界先进等为典型。追求先进制程的企业,会将生产资源优先投入先进制程的投入与研发;而以追求最大盈利的企业,会逐步放弃追求先进制程,资本开支、研发投入等强度及额度的减少,会使得公司的盈利能力及现金流好转,同时因为放弃对先进制程的投资,设备端等固定资产投入会随着产量的增长而减少,进而摊薄固定成本。追求先进制程的台积电市占率、毛利率均处于绝对优势,2018年据中芯国际招股书,台积电纯晶圆代工销售额全球市占率为59%,毛利率达48%。

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台积电在关键制程取得领先后会进一步加大资本投入,持续在制程方向上保持领先优势。晶圆代工商业模式的重要特点之一是,在行业的工艺与技术高壁垒下,业内头部厂商前期规模、技术、人员等生产资源的投入,会逐渐积淀成企业的创新能力,创新方向与资源投入具有一致性,避免资源的浪费,提高经营与生产效率。随着摩尔定律的不断进行,掌握核心工艺技术的台积电,在关键制程节点取得领先优势后,会逐步加大资源投入,进一步在制程方向上持续取得领先优势,前期积累的资本投入及技术经验逐步巩固公司护城河,形成“先进制程获得高市场份额→高营收规模→高资本支出与研发投入→持续稳固先进制程优势→更高营收规模支持更高资本支出与研发投入”的良性发展驱动力。

航空发动机:以推重比为核心改良方向,持续性投入奠定垄断格局

与晶圆制造厂商类似,航空发动机格局持续稳固的关键在于研发资源单一方向的持续性投入。我们认为,可实现研发资源单一方向的持续性投入,以逐步加深龙头企业护城河的细分赛道通常具有三个典型特点,一是技术系统复杂。行业技术系统化、 复杂化程度高,以及专利壁垒高,可确保龙头企业前期的研发投入资源的资产化以及盈利的长期性(如果企业能够证明开发支出符合无形资产的定义及相关确认条件,则可将其确认为无形资产);二是技术升级方向具有单一性。行业技术研发迭代方向具有单一性,如晶圆代工厂核心研发方向是使制程持续缩小,可保证龙头企业研发投入的效率最大化,并强化工程经验的积累,减少技术积累被颠覆的可能性;三是技术迭代所需资本投入高,高研发投入是确保行业格局稳固的关键因素之一。

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全寿命周期空间:取决于新机、升级、维修与换发

新机列装:飞机列装需求牵引航发市场,备发需求随服役时间加大

以美国为例,美国三军装备升级,先进战机及发动机市场空间较为广阔。F-35战斗机是美国研制的低成本、新一代多用途战术攻击机,使用的动力装置是F135推进系统。从开始研制,F135推进系统就选定了F119改进型发动机作为主推进系统,发展常规起落型F135-PW-100推进系统和舰载短距起落型F135-PW-600推进系统这两种型别的常规涡扇发动机。采用通用主推进系统,可实现一机多用,提高经济可承受性。投入使用后, F-35战斗机将替代AV-8B“鹞”式、A-10、F-16、F-15、F/A-18E/F、英国“鹞”式GR-7和“海鹞”战斗机。

民用领域为长期发展方向,疫情影响消退后需求有望提速。在以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局下,国民经济将保持稳定增长,是中国航空运输市场发展的主要动力。从长周期来看,我国航空客运周转量仍将保持较快增长,预计2021~2040年我国需要补充民用客机7646架,其中宽体客机1561架、窄体客机5276架、支线客机809架。民用飞机锁定唯一发动机型,整机厂收益可预测性更强,格局近一步稳固。

传统民用飞机往往可以配备多个型号发动机,甚至隶属于不同厂家。如A330是空客公司最成功的宽体机,这款客机有三种引擎可供客户选择,分别是英国罗尔斯罗伊斯公司的Trent700、美国普惠公司的PW4000以及美国通用电气公司的GE CF6。而未来新机型的项目中,飞机制造商和发动机制造商形成了“一款飞机只有一款可选的发动机”的同盟。除了A320neo还有两个发动机选项之外,CFM的LEAP-1B成为波音737max的唯一选装发动机,GE 9X是波音公司777X飞机的唯一发动机选择,RR公司的Trent XWB是空客A350XWB的唯一发动机选择,Trent 7000也是空客A330neo项目的唯一选装发动机。

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顶层政策强调富国与强军的统一,国际政治局势趋紧背景下装备需求存在一定上升空间。2020年10月下旬,中国共产党第十九届中央委员会第五次全体会议公报发布。全会提出,加快国防和军队现代化,实现富国和强军相统一,加快机械化信息化智能化融合发展,全面加强练兵备战,提高捍卫国家主权、安全、发展利益的战略能力,确保2027年实现建军百年奋斗目标。

要提高国防和军队现代化质量效益,促进国防实力和经济实力同步提升,构建一体化国家战略体系和能力,推动重点区域、重点领域、新兴领域协调发展,优化国防科技非工业布局。2020年11月3日,《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标的建议》发布,要求加快机械化、信息化和智能化融合发展;提高捍卫国家主权、安全、发展利益的战略能力,确保2027年实现建军百年奋斗目标;加快武器装备现代化,聚力国防科技自主创新、原始创新,加速战略性前沿性颠覆性技术发展,加速武器装备升级换代和智能化武器装备发展;到2035年“关键核心技术实现重大突破”;促进国防实力和经济实力同步提升。

下游航空市场受宏观环境波动影响显著,国防发动机市场长周期内稳定性高于民用航空市场。尽管公司作为全球前列的航空发动机制造商,但长周期看,1988-2019年整体营收CAGR仅为7.11%,主要受宏观环境影响显著,如1988年之后不断恶化的经济预期、中东局势加剧,2001年后“911”事件对于航空产业的巨大冲击,2008年全球经济危机影响等,均对公司营业收入造成较大影响,增速下滑明显。

分业务对比, 民用航空贡献营收最大,2004-2020年营收占比平均达48.44%,国防部门贡献营收平均占比达19.83%。但从复合增速看,国防部门2004-2020年实现营收CAGR达5.76%,高于民用航空部门的3.27%。由于国防部门下游客户需求的相对稳定性,除2014、2015、2018年外,RR国防业务均实现了正增速,同时其相对稳定性在部分时期稳定了整体营收增速,如2011年、2017年。分业务看,国防部门营业利润率较为稳定且高于公司整体营业利润率,并降低了整体营业利润波动性。

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从增量市场看,备用发动机价值量逐步提高。在民航领域,备用发动机价格多遵循生产中发动机的标价,而安装的发动机(在新飞机上交付的)在采购谈判过程中通常会打折40%或更多。2001年至2018年间,波音737-800的备用发动机价值占飞机总价值的比例从不到30%上升至50%以上,空客A320-200的备用发动机价值占飞机总价值的比例从不到30%上升至48%。(报告来源:未来智库)

存量升级:下游性能需求催化航发代际升级,范围经济优势为核心

从美国看,以固定翼为代表的军机呈现制造成本不断提升的趋势,因此在军方装备升级背景下,潜在的需求空间随军方对性能的需求提升而不断增加。基于统计的运输机、轰炸机、战斗机等,在过去25年固定翼军机成本的增长率已超出普通的通货膨胀指数,如消费者指数、国防部采购平减指数和GPD平减指数等,无论是基于采购成本还是单位空重成本衡量,都体现为该趋势。美军多数军机的采购多使用成本加成定价合同,在该合同条款下成本的上升决定了军方采购价格的上升,意味着在同等采购数量下武器装备的升级换代所需费用随之增加,而对于洛马等企业,则是潜在装备升级换代市场空间的不断增加。

军方对于军机更先进性能的需求为推动其成本增长的主要因素。军机成本主要包括无法控制的经济驱动因素(economy-driven factors)和可以控制的客户驱动因素(customer-driven factors)。经济驱动因素的变量主要包括劳动力、设备和材料的成本,客户驱动变量主要包括提供服务部门因飞机性能提升而需要增加的成本。对于经济驱动因素,多是指各军种几乎无法直接控制的因素,包含人工、材料、制造设备等成本,例如飞机制造人工的工资率随着时间的变化而变化,而这是制造商必须支付的成本,此类变量超出服务部门的控制范围。

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发动机总体呈现单机成本不断提升的趋势,一方面,主要系发动机代际更迭追求更高性能带来的成本提高。对于军用飞机来说,从第1代发动机到第4代发动机,为了满足战斗机的超声速巡航、超机动、超隐身和短距起落等能力,第4代战斗机发动机对推力与推重比、推力矢量、雷达和红外信号等提出了更高的要求,明显增加了技术难度。为了满足第4代战斗机的综合性能最优和全寿命周期费用较低的要求,第4代战斗机发动机对耐久性、维修性、可靠性和保障性等提出了更高的要求,明显拓展了技术范围,增加了研制难度。同时,由于原材料占比超过一半,先进材料的使用也增加了发动机成本,第4代战斗机发动机的价格显著高于第3代。对于民用飞机来说,更关注油耗、排放、噪声等而非动力性能,因此发动机会更经济,价格增速相较于军用航空发动机较小。

另一方面,源自同型号发动机的不断改型。军机方面,以F135为例,以F119改进型发动机为基础,一是发展常规起落型F135-PW-100推进系统和舰载短距起落型F135-PW-600推进系统这两种型号的常规涡扇发动机。二是发展短距起飞垂直降落型F135-PW-400推进系统,这是一种新颖结构的推进系统。民机方面,以CFM56发动机为例,CFM系列发动机经历了不断改型整体性能不断提升,目前已发展出CFM56-2、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7四代发动机。

CFM发动机性能提升主要通过设计优化、技术创新和材料更新等方式实现。相对于初代机CFM56-2,CFM56-3将附件齿轮箱及安装的附件由正下方移至发动机两侧,形成经典非圆外壳设计,减小发动机迎风面积;同时重新设计与之匹配的进气道,增大离地间隙,解决了初代发动机尺寸过大的问题。在CFM65-3基础上,CFM56-5首次使用先进的发动机高性能材料、三维空气动力学原理设计的风扇叶片和双通道全权数字电子控制系统(FADEC),使飞机与发动机的数据传输更通畅、更准确、效率更高,燃油消耗率和燃油成本比前期发动机降低,发动机的推力覆盖范围也不断扩大,在环保性、经济性方面取得较大进步,但发动机中燃油系统和启动系统故障率较高。而CFM56-7在前代发动机基础上,通过增加涡轮进口温度以提高发动机在翼服役寿命,应用先进的热力学循环原理以降低燃油消耗,同时为满足环保要求,还采用了控制污染排放性能更佳的双喷头燃烧室,使得CFM56-7发动机在环保性、可靠性、经济性等性能方面进一步提升。

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关注高端装备行业学习曲线对可变成本的影响。学习曲线,又称为熟练曲线,是说明生产劳动时间与反复完成具有相同功能行为次数之间关系的曲线。不论是个体还是群体,某一次作业所需要的工时、材料及产品支持等,均会随着重复进行该作业次数的增加而降低,从而使得生产费用不断的降低。学习曲线的规律是当自变量的产量成倍增多时,因变量劳动时间和费用下降,形成指数关系曲线。其表达式为= 1 × 。

其中,tn是第n件产品的直接工时或费用,n是生产产品的序数,a是熟练曲线斜率指数,有a=lgS/lg2。该曲线的斜率S的含义是规定生产第2件产品的工时数较第1件减少的固定百分比。学习曲线对可变成本的降低作用可通过核心机体现。核心机的成功研发,在某种程度上表明对多项工艺的熟练掌握。

除范围经济外,由于航空发动机产业的重资产特性,经营杠杆的存在使得发动机厂商利润增速高于营收增速。以RR2008-2013年为例,该时期内国防部门引擎交付数持续为正,期间合计交付引擎数为交付引擎数达4460台,CAGR为11.56%,该业务营业收入CAGR为8.97%。在航空发动机产业重资产特性影响下,期间RR的国防部门经营杠杆稳中有降,由2008年的1.19下降至2013年的1.12,降幅仅为5.67%。但由于规模经济的存在,期间RR国防业务部门的营业利润率提升较为显著,由2008年的13.23%上升至2013年的16.90%,并在2015年达到十年以来最高值19.31%,营业利润绝对值在该2008-13年内CAGR达14.45%,接近营收增速的2倍,规模经济效应对业绩的倍增效应明显。

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维修与换发:从市场空间、参与主体、维修领域看细分赛道机遇

市场空间:典型航空发动机项目中维修产生的收入规模至少是新机OE4倍以上

从全寿命周期角度来看,发动机运营和维护费用高于整机采购成本。维护保障费用占比最高,包括航线维护、基地维护和返厂大修。航线维修包括飞机调度所需的例行维修、故障排除和维修纠正措施。基地维修包括深入检查,称为系统检查和结构检查,通常包括非常规任务的实质性纠正。大修是指部件(包括发动机)从飞机上拆下后的维修。根据发动机型号和设计特点、推力、技术条件和工作范围定义,性能恢复大修成本可能从300万美元到1200万美元以上。

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成熟期时RR的维修业务占比过半,国防部门、民航部门过半的营收由维修业务贡献。RR公司维修营业收入主要来源为民航维修和国防维修,两者均在民航收入、国防收入中占比较高。2008-2020年,RR维修业务占民航与国防业务收入平均比重为56%,最高时占比可达61%。分业务看,民航维修业务收入与国防维修业务收入比重接近,2008-2020年间RR公司民航维修占民航收入比、国防维修占国防收入比均保持在58%左右。其中,民航维修占民航收入比最低为2016年的52%,最高为2010年的62%;国防维修占国防收入比最低为2013年的46%,最高为2015年的61%。从维修种类上看,民航维修占营收主要构成。2008-2019年,RR公司的民航维修占总维修营收比例均在70%以上,2020年受疫情影响下降至59%;2008-2019年国防维修占比均在25%左右,2020年占比超过40%。

参与主体:维修环节存在军方与主机博弈,大修模式多向PBL迁移,主机厂或受益

从参与主体分析,军用航空发动机领域,以美国为例,存在军方与航发主机厂的博弈。基于美国国防部指令4151.20号,F-35联合项目办公室已要求美国空军、海军和海军陆战队掌握军机的核心维修能力。据美国国防部指令4151.20,基地级核心能力确立过程,2018.5.4,需确保军方需具备武器装备的基地级维修任务的核心维修能力,拥有其核心能力意味着将在美国政府设施中保持部分(不一定是全部)维修工作的能力。从供应链稳定性考虑,制定该指令是为确保装备项目的顺利实施,以便在发生自然灾害、战争突发事件或商业部门运营中断时,政府将保留执行某些任务的能力。空军装备司令部的仓库运营部(AFMC/A4D)表示,F-35的仓库维护总工作量中约有 60% 属于核心维修能力类别。因此,尽管美国政府将保留执行基地级维修范围的能力,但可以考虑将 40% 的工作量(称为“核心以上”)分配到外国合作伙伴或私营部门。国防部指南指出,应根据最佳价值确定来分配基地级维修任务,但该指南并未具体说明如何确定“最佳价值”。但在“50/50”规则下,一般美国政府通常会将50%的基地级维修任务外包至其他部分(从合同金额考虑)。

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在民用发动机零部件维修市场领域,维修主体分为航空公司内部部件修理厂、OEM部件修理厂、独立的第三方内部部件修理厂和独立的专业化部件修理厂。在民航发动机零部件维修市场领域,参与主体有四类,具有内部零件能力的航空公司、OEM、独立的第三方维修及专业化部件维修公司。例如,航空公司内部的大修中心可能会将其零部件维修外包给原始设备供应商、独立的第三方部件维修公司,但他们通常不会使用独立的第三方大修厂的服务,因其内部已具备相应的大修能力。但是,航空公司及OEM的大修厂,可能会出于经济意义,把部分低使用率、低维修率的专业化操作外包给独立的第三方大修厂,如激光焊接等。

细分领域:发动机大修部件可分为性能恢复与LLP,总成本中材料占主要构成

从细分领域看,航空发动机的运行特点决定整机细分赛道的维修市场存在一定差异。发动机大修成本中材料成本占主要构成。发动机大修成本的大约60%-70%是由于更换材料。在修理的发动机零部件中,热端部件是其重点。所谓热端部件,是指高、低压涡轮组件和燃烧室,它占整台发动机大修费用的60%以上。在大修费用中,大部分花在购买更换的新零部件。如果采用高新技术对机匣、燃烧室、涡轮叶片和导向叶片等作深度修理,则可大大降低费用,这是航空公司乐意接受和追求的。所以,发动机大修和深度修理能力是航空公司在挑选修理厂商时的一个关键问题。

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发动机大修分为性能恢复成本和LLP成本,性能恢复成本与运行环境有关,而LLP成本和运行次数有关。性能恢复指核心发动机在运行过程中因受热、腐蚀和疲劳而损坏,而需要定期/定时恢复相关部件的性能。当发动机运行时,废气温度(EGT)升高,导致机翼加速磨损和开裂,从而进一步降低性能。根据发动机材料及其性能,OEM建立了关键EGT指标,达到该EGT需要进行大修以恢复相关性能。寿命限制零件(LLP)是指发动机内有某些主要旋转结构零件,他们寿命多与飞行次数挂钩,如果这些零件发生故障可能会对发动机造成危险损坏。LLP通常由阀盘、密封件、滑阀和轴组成,其寿命限制多由OEM在每台发动机的大修手册中规定。一旦发动机的累积飞行周期接近最短LLP寿命极限,则必须移除零件。

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一台发动机在其使用寿命期间会进行几次大修,但检修率将取决于各种运行参数,发动机的机翼寿命受其推力额定值、操作严重性、发动机成熟度的影响。一是推力额定值,对于给定的发动机型号,EGT裕度在更高推力下运行时恶化更快。EGT裕度劣化通常是发动机拆卸的主要驱动因素,尤其是在短途任务中运行的发动机。更高的推力产生更高的核心温度,从而使发动机的组成部分暴露在更大的热应力下。二是操作严重性,更苛刻的条件将导致发动机承受更大的应力,从而增加发动机硬件的磨损。影响操作严重性的因素有:平均飞行时间、减推力起飞、室外空气温度以及环境。在大多数情况下,较短航段长度运行的影响是性能恶化更迅速,导致每飞行小时的直接维护成本更高。减推力起飞是低于最大推力水平的起飞推力,更大的减额转化为更低的起飞EGT,因此发动机劣化率更低,机翼寿命更长,每飞行小时成本更低。三是发动机寿命,旧发动机的维护成本通常高于新发动机。随着发动机老化,其平均维修时间减少。与成熟发动机相比,首次运行发动机在机翼上的使用寿命要长得多。

由于不同部件的维修驱动力不同,导致航空发动机不同部件的维修市场及边际变化存在一定差异。从维修驱动力看,飞机不同部件的维修成本驱动力不同,一般存在两种,与飞行小时相关及与飞行周期相关。前者,多指与飞行时长成正相关的可变维护成本;后者,多指与飞行次数相关的固定维护成本,与飞行小时数关系较小。从市场空间角度考虑,以飞行周期核算成本的部件市场空间较为稳定,主要驱动力在于航线飞行次数及训练起降次数,长期空间相对稳定,但边际增长性较弱。而以飞行小时核算维护成本的部件,短期维修空间相较以飞行周期核算的部件较小,但中长期的边际弹性较大。以发动机为例,发动机寿命有限零件(LLP)以“飞行周期” 为基础,包括发动机内的旋转压缩机和涡轮轮毂、轴或盘等均有明确的运行寿命,在运行周期结束时部件必须更换且不得再次使用;发动机性能恢复成本按“每飞行小时”收取,而由于发动机寿命越长,其维修成本越高,该部件受益比例也会提高。

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商业模式:以时间换空间,风险与现金流的平衡

飞机 VS 航发:售后市场空间决定二者的投资周期及项目现金流差异

以民用客机及商业航空发动机为例,二者商业模式的共性在于其运营时间长、技术要求高、属于资本密集型。飞机制造及发动机均属于技术及资本密集型行业,前期均需要较高的研发支出及资本支出。同时,由于其运营时间较长,客户对于安全性、可靠性要求均较高。以欧洲飞机整机巨头空中客车及发动机巨头RR为例,二者资产结构较为接近。2006财年至2020年财年间,RR、空客公司流动资产占总资产比重的平均值分别为55%、51%,同期固定资产净值占总资产比重的平均值分别为15%、16%。从资本支出强度看,2010年-2020年RR、空客公司平均资本性支出现金为15.74亿美金、31.10亿美金,占营收比重的均值为8.03%和3.52%。

以民航为例,飞机整机及发动机的长期运行环境存在较大差异,是二者商业模式差异的根本原因所在。相较于发动机,叠加对安全性、可靠性及舒适性的要求,民航飞机运行在相对良好的环境中。尽管飞行载荷及次数会对飞机结构和部分系统(如航电、制动)造成压力,需要对其子系统及结构进行维护以确保运行安全,但维护工作通常不涉及更换飞机的主要部件。发动机工作时,其关键部件通常浸没于高温、高速、腐蚀性的气流中,转速足以使得部件承受较大应力并发生磨损。

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因此,运行环境的恶劣程度为售后市场空间的决定因素,进而决定民用飞机与航空发动机项目的投资周期及现金流差异。民用飞机的特点是项目前期的5-6年时间内进行高研发投资,在此期间内同步投资大量的生产设施。一个成功的飞机项目将持续生产10-15年,之后便需要另一项重大投资以更换或者升级该机型,其使用寿命大约持续25年。由于民航飞机售后市场空间相对较低,因此飞机的定价往往基于在假设的生产运行期间内航空公司的购买数量,尽可能希望以OEM实现资金回收。

而相对于民航发动机,由于激烈的竞争和航空公司的强大购买力,发动机有时会以接近成本价的价格出售,因此出售新的发动机并不能产生所需的投资回报,而更多是依靠其售后市场空间。从现金流看,以典型民用宽体发动机项目为例,据RR2018年公告,以2000个发动机项目为代表,现金流支出可分为三阶段:(1)研究与开发和前期资本支出现金流约15-20亿英镑,约合人民币120-160亿元;(2)新机批产交付阶段支出现金流32亿英镑,约合人民币250亿人民币以上(以当前每台发动机现金流亏损160万估计);(3)售后市场阶段持续超过25年,预计累计现金流入超100亿英镑,约合人民币800亿以上。

军用发动机:需求定制、长升级空间及更高使用率利于平滑现金流

军用航空发动机项目现金流收益长且稳定性较强。参考英国RR公告,军用航空发动机项目生命周期一般均在50年以上,期间内现金流分布特点有四:

(1)研发时间长,对相关技术的研发至多可在投入使用前的20年;

(2)前期技术发展及生产开发所需部分资金由客户提供支持,因此研发阶段企业现金流支出计划性相对更强,同时在生产阶段甚至可产生正的现金流流入;

(3)生产阶段盈亏平衡点更快实现,同时在后续发动机升级驱动下,项目的生命周期往往更长。由于国防项目的研发时间相对更长,在考虑相较于民航的低安装基数下,国防发动机往往以更为合理的利润率销售于军机主机厂或者军方(军用航空发动机业务毛利率相较民用更高),因此项目的现金盈亏平衡点往往在大批量生产的2年内或者更短的时间内实现,具体取决于军方的资金支持以及产量提升带来的学习曲线效应。同时,生产周期相对更长,包含升级周期可长达20-30年;

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(4)售后市场多以PBL模式签订,这有利于发动机厂商更好的安排维修相关业务的现金支出,并可带来更好的规模经济溢价。在售后市场,罗罗通常与军方每5年签订基于性能保障(PBL)模式的集成维修服务合同。以美国为例,美国现阶段装备保障维修多采用PBL合同模式,在激励机制下可调动主承包商降低维修业务成本的积极性。国防部在2001年 的“四年防务审查”中首次采用PBL(performance-based logistics,中文一般翻译为“基于性能的保障”)概念,并将其作为国防部为新武器系统和现有系统提供后勤支持的首选战略。基于PBL合同框架下,军方将产品维护的最终责任转移给承包商,使得承包商的激励措施从“销售越多的备件和维修,就可以获得越多的利润”转变为“零部件和维修用的越少,获得的利润就越多”,并希望借此降低整体的寿命周期费用。

具体看,(1)国防发动机项目现金流更具稳定性的根本原因之一,在于军方对性能需求的定制化牵引的较低研发风险。①研制端,军方用户会告诉发动机制造商应该做什么和怎么做。例如,在美国空军于上世纪80年代启动F-22“猛禽”战斗机研制计划时,对配装F-22飞机的发动机提出系列要求,如持续超声速巡航(在不加力的状态下达到马赫数1.5~1.6的巡航速度)、单台推力达到13吨力以上、推重比达到10左右等。同时,发动机制造商是花国家的钱来研发军方用户所需要的发动机,例如1997年美国空军与普惠签订一份总价值9亿美元的合同,要求该公司为F-35飞机验证机提前研制用于地面的飞行试验的发动机。②生产端,对于军用发动机项目,负责军备采购的部门通常会根据年度采购目标和预算来确定发动机的成本价,发动机制造商则根据企业自身的发展战略来确定竞标价格。而对于商用飞机发动机项目,产品的价格是由市场竞争环境决定的,发动机制造商最初确定产品的销售价通常比起成本要低得多,导致在生产制造环节国防业务的毛利率相对更高。

(2)国防发动机项目现金流具有更具稳定性的根本原因之二,在于其更高的使用率以及更为恶劣的运行环境。军方用户要求开发商提供技术最为先进的发动机,要求其在重量最轻的条件下推力最大,即要求发动机的推重比最大化,并要求具有最低的可探测性。据上文,发动机部件的维修成本驱动因素取决于飞行次数及飞行小时,而飞行小时除与飞行时间相关外,与飞行时发动机运行的速度、压强等有较大关系。军用发动机追求的高速、高机动性使得发动机的部件承受更大的腐蚀性,继而使得军用发动机部件在单位飞行小时数下的损伤程度远大于民用发动机,进而间接提升其“使用率”。因此,国防发动机市场的维修潜在空间(单台)或大于民用发动机。

(3)国防发动机项目现金流更具稳定性的根本原因之三,在于军方为优化发动机性能而可能持续进行的型号升级。军方用户有持续优化航空发动机性能的内在动力,而由于先进战机的服役时间往往较长,因此航空发动机厂商在列装型号上的升级周期高于民航发动机。据“Airforce Magazine”网站2021年9月新闻,众议院提交的2022年国防授权法案要求F-35联合办公室,探讨将GE公司含AETP技术发动机在2027年列入F-35机队的计划。根据GE公司的说法,AETP发动机的一个优势在于更为高效的热管理能力,除帮助提高隐身性能外还可用来冷却F-35的电子设备,空军投资AETP的目的之一在于获得更大的航程和推力,并试图通过引入竞争降低F-35发动机的成本。而当前F-35项目发动机唯一承包商普惠公司称,纳入GE发动机将在F35的50年生命周期内额外增加400亿美元成本。

民用发动机:承担前期更高研发风险的动力源自广阔售后市场空间

民航发动机项目现金流与国防项目较为接近,主要区别在于前期的研究与产品开发,以及售后市场。参考NATIXIS于2009年发布报告,援引英国RR披露的发动机项目现金流分布图,大型商业航空发动机项目生命周期内现金流分布特点有四:

(1)前期的研究与测试阶段几乎为负现金流流入,主要系缺少客户的资金支持;该阶段投入成本预计占该项目全寿命周期内产生收入的2%。

(2)新机销售盈利贡献有限,但持续性长。在新机销售的初始阶段,新机收入与其生产成本相当(后续成本可能会随着学习曲线及规模经济的作用而递减),但考虑商业飞机项目的持续性,新机销售往往持续20余年。

(3)售后市场空间最为广阔,与销售备件相关业务贡献现金流长且为主要现金流入。预计持续贡献现金流近50余年之久,同时备件销售所产生的现金流入在全寿命周期内超过新机销售的6倍以上。

(4)实现盈亏平衡的时间点较长。由于新机销售的低毛利率特征,从整个项目周期考虑,商业发动机项目的盈亏平衡点,大约发生在该项目全周期的1/3时间点或者生产阶段的2/3时间点,即大致在17/18年后达到盈亏平衡。

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相较于国防发动机市场,民航发动机市场承担更高的研发风险。不同于国防市场,民航发动机良好的产品规划对于确定发动机的市场定位至关重要,产品规划要求发动机厂商明确表明其产品相较于竞争对手的技术优势,包括推力范围、燃油效率、使用寿命和维护成本等,即让航空公司用户能够对直接获利和受益特征有全面了解。对于民航发动机项目,制造商对发动机设计和所有技术问题都负全部责任并承担一切后果,缺少军用航空市场需求定制及政府资金的支持。

以RR为例,在2013年-2016年内,RR以Trent系列为代表的大型宽体发动机项目的成功,使其收入平滑小型发动机交付数量的快速下滑。以RR的Trent1000项目为例,该型发动机为波音787系列提供动力而研制。但由于该型发动机在近年被指出出现如叶片磨损过快等问题,导致公司付出高昂的维修成本。同时,由于发动机故障检修,全球多架飞机停飞,致波音公司等客户缩减未来交付订单,转而配备GEnx发动机。

航空发动机老化会带来更高的维修支出,从而实现“滚雪球”似的维修业务规模的扩大,确定性及规模性特征明显。以RR民航发动机业务为例,RR披露2002-2020年间公司在役商业发动机数量、03-20年各年交付商业发动机数量及商业航空部门售后市场收入。整体看,从相关性分析,公司在役发动机数量与其商业航空部门售后收入呈现较强的正相关关系,2002-2020年构成的样本相关系数达0.7151。从售后市场收入与发动机服役时间看,由于当年在役数量=前年在役数量+当年新增数量-当年退役数量,我们假设2002年披露的在役航空发动机已全部达到维修期、所有商业发动机在5年后将进入维修期,则2003年-2008年内处于维修期的发动机数量等于前年在役发动机=前年在役-本年新增;2009年-2020年内处于维修期的发动机=前年在役本年新增+6年前新增,基于上述算法我们可粗略并假设得出RR2002-2020年处于维修期的商业航空发动机数量。

剔除2020年疫情期间影响(可能导致大面积航班停运、飞机停飞),我们发现,在处于维修期的发动机数量小幅波动的情况下,总量由2002年的9130台提升至2019年14124台(CAGR仅为2.60%),维修服务收入增长迅速,由2002年的12.50亿英镑增至2019年的48.61亿英镑(CAGR为8.32%),单台维修期发动机贡献收入由2002年的14万英镑提升至2019年的34万英镑,呈现波动上升趋势,体现航空发动机维修市场的确定性及规模性特征。(注:由于假设2002年在役发动机全部处于维修期,因此单台维修期发动机贡献售后市场收入比上述测算值更高)(报告来源:未来智库)

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发动机厂商核心壁垒:型谱化优势带来现金流优势,以时间换空间

航空发动机项目独特的现金流特征体现在周期长、售后市场空间大,进而决定航空发动机厂商经营活动中“以时间换空间”的重要性。(1)一方面,从单一型号考虑,时间体现在“等待”型号进入售后市场维修周期,“换取”高于前期研制生产现金流入数倍的维修售后市场空间;(2)另一方面,从产品型谱考虑,时间体现在“等待” 发动机产品谱系化与代际化发展,使正在处于批产和维修市场的型号所产生的现金流,“换取”处于研制初期发动机型号的支出。

考虑单一型号,以时间换空间体现在等待型号进入售后市场维修期

参考上文,第一阶段是研发和资本投资,现金流流出;第二阶段是生产销售和投资扩大市场份额,现金流仍处于流出状态;第三阶段是售后市场收入超过新机销售的损失,现金流为正,这一阶段可能持续10-20年;第四阶段新机销售基本结束,投资基础服务以提供必要的售后支持,这一阶段可能持续20-25年。从时间看,新型发动机研制时间预计持续5~10年以上,且军用发动机研制周期一般大于民用;民用领域,从发动机列装到第一次大修一般需要5~7年,而后才进入现金流实现正流入的维修周期。长周期性不仅决定航发产业的高壁垒,同时在前期的高投入、高盈利压力进一步优化行业格局,对于发动机厂商而言,寄希望于“以时间换空间”,等待单一型号产品进入广阔维修周期。

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考虑产品型谱,以时间换空间体现在等待老型号对新型号的支持

(1)厂商型谱化优势的积累源自时间及资本的长期投入,其优势之一在于减少项目前期的现金流支出。例如,发动机型谱化途径之一为发展多用途核心机,基于核心机发展新型号利于降低研制风险、缩短研制时间及降低现金流支出。核心机是发动机中最重要的部分,也是研发周期最长投入经费最多的部分。核心机先于具体飞机型号的研发可以保证有充足的时间进行调试、修改和结构完整性的考验,这样降低了技术风险,有解决了可靠性耐久性的问题。派生型号发动机依托于成熟核心机,研发投入更低,研制周期更短,安全可靠性更高。

(2)时间换空间的经济意义还体现在尽可能扩大处于维修周期的发动机型号,以支撑研制及生产阶段的现金支出,达到平滑现金流的目的。不同发动机项目在全寿命周期内不同阶段的现金流特征存在一定差异。从整体看,发动机项目在其全寿命周期内现金流整体体现为“净流出→盈亏平衡→净流入→净流入持续加大”。但不同发动机项目由于其客户对象差异(服务国防与服务商业)、技术水平差异等,不同阶段现金流存在一定区别。

①研制阶段,部分发动机由于对技术的高要求及与下游飞机研制的匹配性,研制时间较长且投入较大。②生产阶段,相比较军用发动机,民航发动机的盈利压力较大;部分产品从小批量生产到大批量生产时间较短,能够较快进入售后市场维修领域;部分产品的市场竞争力更为充足,导致生产阶段时间更长,加大发动机安装基数。③维修市场,部分发动机项目所列装的飞机需求较高,服役时间长,从而加长发动机生命周期。

对于发动机厂商而言,型谱化的优势体现为更平滑的现金流。由于不同发动机型号的项目特征及项目生命阶段存在一定差异,因此对于一家发动机制造商而言(包括零部件及整机),其整体现金流体现为二维曲面。因此,从平滑现金流的角度考虑,发动机厂商希望其尽可能扩大处于维修周期的发动机型号及数量,以弥补正处于前期研发和生产阶段的发动机产生的现金支出。以RR2015年披露的公告为例,当前公司较多型号处于研制阶段,而部分安装基数较大的型号如RB211系列已处于维修阶段的后期,部分拉低公司当前的现金流表现。展望五年、十年后,公司认为随着更多的型号进入现金流为正的阶段即维修期,公司现金流表现将更为优异。

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对标吉列的剃须刀柄与刀片商业模式,看航空发动机市场的吸引力

吉列公司以低价出售刀柄,辅以专利保护刀片生产,吸引并绑定客户持续消费高利润的易耗品刀片。对于剃须刀产品来说,刀柄是耐用品,而刀片是需要定期更换的消耗品。吉列公司以低价销售刀柄,吸引并巩固消费人群,并需要不断替换刀片,高毛利率的刀片则成为主要的收入和利润来源,强化并延长商品生命周期。刀片由于其直接亲肤,从安全性考虑消费者心里优质刀片的替换成本较高。加之吉列在以品牌建立认知度后,树立专利壁垒,如感应剃须刀内含二十余项项专利,竞争对手难以模仿,进一步巩固该商业模式。

在该商业模式下,刀片和刀柄的唯一匹配增加了消费者的转化成本,大部分消费者会持续在吉列公司购入刀片,使得刀片更换带来的收益完全收入吉列囊中。消费者持续不断的刀片更换为吉列公司带来持续且稳定的现金流和利润。财务数据反映吉列公司经营活动现金流与净利润同步变动,大部分情况下吉列公司经营活动现金流量大于净利润,说明企业强大的现金流创造能力,实现收益反哺研发和投资的良性循环。巴菲特投资吉列公司16年时间投资回报率7倍有余。

从民用航空发动机整机厂角度看,接近成本价出售发动机以追求更大安装基数,获取后续维修广阔市场的模式,与吉列公司剃须刀柄+刀片的销售有异曲同工之处。(1)从产品特性上,虽然刀片技术含量及复杂程度弱于发动机,但其安全性+专利布局方式,与发动机较为相似。(2)从收入获取方式看,发动机原始设备制造商(OEM)通常以较低折扣出售发动机新机,甚至在许多情况下都是亏损的。新机低价出售方式获取客户,吸引航空公司购买该型号发动机,之后通过长期维修协议带来的维修收入,以及备件和备用发动机的销售来获取更为稳定且规模更大的现金流。

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产业链差异:财务视角看航空发动机不同环节企业

选取全球航空发动机产业链不同环节龙头企业为样本,从财务视角看各环节差异。我们选取了处于航空发动机产业链不同位置的四家代表公司——处于最上游的高温合金制造厂商CRS、中游锻铸件制造厂商PCC、中下游的发动机组件及模块制造厂商MTU、下游整机制造厂商RR,从盈利能力、营运能力以及现金流三个方面进行对比,从财务视角分析处于航发产业链不同位置公司的商业模式特点。

盈利能力:PCC成长能力突出,上游CRS与下游RR波动性较强

中游铸件制造厂商PCC毛利率表现突出,产业链各环节公司毛利率存在较为明显的相关关系。长周期视角下,上游高温合金制造厂商CRS毛利率有所下降,而中游铸件制造厂商PCC毛利率提升趋势明显,在2016年被私有化前毛利率已经明显高于产业链其他环节的厂商;中下游厂商MTU毛利率较为稳定,整体上稳中有升;下游主机厂RR毛利率波动较大,2016年后RR毛利率表现不佳,主要系以Trent1000为代表的发动机发生故障事故等。

从相关性考虑,中游PCC与上游CRS毛利率负相关、中下游MTU与终端RR毛利率负相关。上游两家厂商CRS与PCC在1987年-2018年的毛利率相关系数为-0.76,呈强负相关关系,中下游两家厂商MTU与RR在2003年-2015年的毛利率相关系数为-0.57,呈较强的负相关关系,可见在航空产业链处于中下游企业与上游供应商以及下游客户的议价能力较为重要。在商业航空业发展较为稳定的2010年-2015年,CRS、PCC、MTU与RR的平均毛利率分别为16.33%、32.31%、16.00%以及22.21%,这在一定程度反映了中游铸件制造厂商PCC与下游主机厂RR掌握了较强的产品话语权与议价能力。

在资本运用效率方面,航空发动机产业链四家代表公司均表现出了较强的波动性,除下游主机厂外,多数年份其余环节公司波动具有相似性,但整体看中游环节如PCC与MTU表现较为优异。从ROE来看,长周期视角下,上游高温合金厂商CRS和下游主机厂RR的ROE波动性强,在2008年之前中游铸件制造厂商PCC与中下游厂商MTU的ROE波动性也较强,2008年之后逐渐稳定。在商业航空业发展较为稳定的2010-2015年,PCC和MTU的ROE稳定在15%左右;CRS的ROE先上升随后下降,在2011年-2013年较为稳定地维持在10%左右。从ROIC来看,长周期下四家公司均表现出了较强的波动性,虽然在多数年份ROE大于ROCI,但仅有2014年RR的ROIC小于零,其余年份所有公司ROIC均大于零,说明四家价值创造能力相对较高。

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营运能力:材料厂商重资产特征显著,中下游产业话语权体现明显

存货周转率方面,不同环节波动具有一定相似性,中下游稳定性显著。从存货周转率分析,航空产业链上游公司CRS与中游锻铸件PCC变化趋势相近,都在近年出现了较为明显的下降趋势,同时其波动性较为接近,或均处于中上游材料环节;中下游公司MTU与RR存货周转率长周期来看较为稳定,且两家公司较为接近,近年来高于上游的CRS与中游锻铸件的PCC,存货周转速度相对较快,或源于其维修类服务占比提升及逐步提高的行业话语权。

在固定资产周转率方面,上游材料厂商重资产特性突出,轻资产维修服务渐增下中下游表现改善。上游高温合金制造厂商CRS重资产特性最为突出,固定资产周转率在多数年份低于2;长周期来看,中游铸件制造厂商PCC与下游主机厂RR的固定资产周转率波动性较为相似,但PCC在21世纪后改善较为明显,整体呈现波动式上升。中下游厂商MTU固定资产周转率提升趋势明显,2015年达7.04,随后有所下降,但相对其他公司仍然保持较高水平,主要系MTU的MRO(维护、维修和大修)服务营收占比不断提升,而该业务相较于OEM(原始设备制造)业务轻资产属性明显,资产周转率高,2020年MTU的OEM部门总资产周转率为0.21,而MRO部门高达1.06。

MTU较强的营运能力一定程度上弥补了盈利能力的不足,使得其在盈利能力弱于中游铸件制造厂商PCC的情况下,ROE水平与PCC接近。此外,由于中上游材料环节的重资产属性,在景气度提升时期其潜在产能利用率有望得到显著改善,进而可大幅提升ROE等盈利水平,如2003-2007年间,上游高温合金厂商CRS与中游锻铸件厂商PCC的固定资产周转率显著提升,改善幅度高于中下游MTU及下游主机厂RR。

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现金流:长期看上游绝对值低及稳定性不足,中下游表现较为突出

中游铸件制造商PCC与下游主机厂RR的现金流较为健康,中下游厂商MTU现金流稳中有升,上游高温合金制造商CRS现金流相对较差,且稳定性较弱。从自由现金流来看,2000年以后,四家公司中RR现金流较为充裕(或与规模相关),中游铸件制造厂商PCC的现金流状况也较好,考虑到其营收规模不到RR的一半,或反映PCC在21世纪后的战略举措成效较为显著;作为四家公司中营收规模最小的上游高温合金厂商CRS现金流表现也相对最差,在2011年-2014年期间自由现金流都为负;中下游厂商MTU的自由现金流较为稳定,且近年呈逐渐上升趋势。

从净利润含现率看,上游波动性较大且相对较多年份的大额资本支出部分拉低公司自由现金流,中下游表现较为稳定且基本处于较为健康状态,下游表现较弱的年份较多且波动性较大。通过现金流/净利润来观察公司现金流状况,四家公司在经营活动现金流/净利润以及自由现金流/净利润两个指标上均出现了异常值,比如CRS在2020年的经营活动现金流/净利润高达154.53,PCC在2005年的自由现金流/净利润为-172,考虑到我们以观测产业链的整体趋势为主要目的,因此我们将异常值剔除。

从经营活动现金流/净利润来看,上游高温合金厂商CRS与下游主机厂RR均波动性较大,但是大部分年份CRS经营活动现金流较为健康,而RR现金流不佳的年份较多,中游铸件制造厂商PCC与中下游厂商MTU现金流状况相对稳定,且基本处于较为健康的状态。从自由现金流/净利润来看,上游高温合金厂商CRS与下游主机厂RR均波动性较大,CRS在很多年份资本支出占经营活动现金流比例较大,因此自由现金流/净利润较低;由于相同的原因,在上市初期中游铸件制造厂商PCC现金流状况不佳,但是2000年后有所好转;中下游厂商MTU现金流表现良好且较为稳定。

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主机厂RR:积极改革生产供应链,以平滑现金流

公司介绍:全球主要的动力系统制造商之一,民航+国防营收主导

公司为全球主要的航空发动机制造商之一。罗尔斯·罗伊斯(股票代码RR_.L)成立于1904年,设计、制造和分销航空和其他行业的动力系统。当前,RR(Rolls-Royce)是全球前列的飞机发动机制造商。业务方面,罗尔斯·罗伊斯的航空业务为全球军事,民用和公司飞机客户生产商用和军用燃气涡轮发动机,公司的核心燃气轮机技术创造了世界上最广泛的航空发动机产品之一。据公司2020年年报,2020年公司向民航公司交付了264台宽体发动机,Trent XWB成为公司第二大的Trent产品计划,机队的飞行时间累计超过600万小时。国防领域,截至2020年,公司自2004年以来为运输机、直升机、战斗机等各类机型交付发动机总数超10600台。2020年,公司实现营业收入118.24亿英镑,受疫情影响,公司同期毛利率仅为-1.78%,相较2015年的高点24.06%下跌25.84pct,同期净利润亏损31.70亿英镑。

长周期内公司盈利能力稳中有升体现航空发动机产业规模经济效应,国防部门盈利能力最为稳定。长周期视角,1988年至今,在2016年前,公司的整体毛利率、EBITDA率、营业利润率呈现稳中上升趋势,尤其是稳定且上升的毛利率体现公司产品的长期议价权,部分反映航空发动机产品的高壁垒及护城河,竞争格局较为良好。同时,由于航空发动机研制具有从核心机逐步扩散到多款机型的研制特点,若航空发动机公司具有研制核心机能力,则后期发动机研发的时间、资本、技术成本将显著缩短,与规模经济效应共同发挥作用提升公司的整体盈利能力。

例如,尽管RR的RB211取 得了成功,但大型民用涡轮风扇市场还是由通用电气和普惠公司所控制,而1987年4月私有化时,劳斯莱斯的份额仅为8%。基于此,Rolls-Royce决定为每架大型民航客机提供一个发动机,以通用内核为基础,以降低开发成本,并且三轴设计提供了灵活性,允许每个线轴分别缩放,该发动机家族的名字以特伦特河(River Trent)的名字命名,在1992年后陆续推出Trent系列产品,如500/700/800/900/XWB/1000等,并获得较大成功,Trent发动机系列的销售使罗尔斯·罗伊斯公司成为全球主要的民用涡轮风扇供应商之一,截至2019年6月,特伦特(Trent)家庭已完成超过1.25亿小时的工作,公司EBITDA率从1992年的低点5.45%增长至2016年的16.11%。分业务看,国防部门营业利润率较为稳定且高于公司整体营业利润率,并降低了整体营业利润波动性。

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研制&生产:开创风险与收益伙伴共享机制(RRSP),实现共赢

RR创新与供应商的合作模式,开创风险与收益共享合作伙伴(RRSP)机制,共同研发生产。自20世纪90年代中期以来,全球飞机行业为产品开发找到了新的解决方案,开始与供应商建立风险与收益共享伙伴关系,转而更加注重自身的核心竞争力,将研发与制造活动集中在特定的和有战略意义的领域。传统上,RR与供应商签订合同,根据RR提供的规格参数制造零部件,并在交货时收款。RR将RRSP定义为:向RR供应支持发动机制造、装配和售后市场要求零件的供应商;锻造,铸造和加工零件的制造商;期望获得回报,购买生产项目的一部分的投资者。

此外,RRSP也可能是设计者,设计零部件或者在整体设计中组件和模块。RR的RRSP将完全负责子供应链,包括集成和组装零件、子系统甚至模块。RR与RRSP的关系不同于合资企业、技术合作合同、企业合并和单纯的采购协议。在RRSP机制下,RRSP模式是一种整合的、战略性的外包方式。基于RR与供应商的合作关系,并根据该型新发动机在其生命周期内的表现,分担新发动机研发的成本、风险与受益,即RR与供应商共同投资新发动机计划,并按相应比例获得发动机新机销售与售后市场收入。该机制从Trent 500发动机开始实施,目前RR在Trent 900发动机研制上有7个风险与收益共享合作伙伴,在Trent XWB上RRSP更多。

风险与收益伙伴共享机制较大程度上减少了产品研制相关的投资支出,进而减少了项目前期的现金流支出压力,降低了RR因产品研发失败导致的现金流风险。RR对新型号发动机的研发周期较长,且需要进行大量投资支出,假如新型号研发出现问题将对公司造成巨大打击。历史上,RR研制RB211三轴涡轮风扇发动机花费的巨额资金就使得其在1971年破产并被国有化。

RR与上游厂商的风险与收益伙伴共享机制可以加强其与上游供应商在技术与生产上的交流与合作,在获得高质量零部件、组件、子系统的同时减少投资支出,进而减少对贷款的依赖,使得现金流更加稳定与健康。RR的风险与收益共享合作伙伴也获得激励在自己的细分领域进行投资与研发,在完成与RR的合作项目获得利润的同时提升自身的核心竞争力。因此,风险与收益伙伴共享机制虽然一定程度上降低了公司的盈利规模的天花板,但是也实现了风险的转移与分摊,大幅降低公司现金流出现问题的可能性。

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维修端:首推按小时计费,从经营物质转变为经营风险

传统维修模式的不可预测性导致机队运营效率低下,维修服务不经济。对于航空公司来说,飞机运营过程中需要定期对发动机进行检查、大修或者换件,如果这些工作由航空公司自己来做,需要具备相应的维修实力和储备大量的零部件及备用发动机,且当发动机需要返厂大修时,航空公司则需要一次性支付大额的维修支出。在这种情况下,航空公司无法预测的大修时间也无法预测的成本水平,增加了公司财务筹划的风险和难度,同时降低机队运营效率。对于OEM来说,发动机的维修时间和费用的不可预测性也影响维修活动的效率,OEM无法进行较好的零部件及航材储备。随着发动机可靠性和耐用性不断提高,增加了每台发动机在大修之间的运行时间,降低了维护费用,这与OEM研发更可靠耐用的发动机型号是相冲突的。

在此背景下,RR首推按小时计费的售后维修模式,类保险经营的商业模式,从经营“物质”转变为经营“风险”。1997年,RR率先推出了TotalCare,客户维护收费单一,简单地按每引擎飞行小时的费率计算,RR保证对发动机进行终身维修,包含意外事故导致的维修,同时还提供发动机残值保护,且不收取额外的费用。包修协议所收取的小时费用是基于很多因素制定的,比如小时循环比、航空公司信用等级、飞机运行环境等因素。考虑各方面因素后,双方会议定一个基本的发动机小时费率,并且按照约定以每季度或其他期限进行支付,通常每期支付的是按照合同约定的标准小时利用率计算的包修费用,每年年底会按照实际运行情况进行一次调整。

通过长期服务协议,客户运营效率提高,支出可预测性提高,同时RR可以获得长期可预测的收入。RR通过数据监控获取发动机工作参数,可预测发动机维修时间,能合理安排人员和航材储备。发动机测量数据由专门的软件跟踪,以确定各部件性能的恶化趋势。RR掌握实时数据能更好进行人员调配与零部件储备,在发现小问题时及时维修,进一步降低维修支出,RR的利润空间得到提升。通常发动机新机交付后的5-7年才会迎来第一次大修,传统模式中发动机厂商无法在这个时间段获得现金流,而通过按小时包修协议,RR可以获得长期稳定的现金流。通过该现金流支持未来新机型的研发,以产生长期的产品竞争力,推动业绩提升,为股东带来回报。

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系统厂MTU:受益商业模式变革及广阔维修市场

公司介绍:德国领先的发动机制造商和全球前列MRO服务供应商

MTU(MTU Aero Engines AG)是德国领先的发动机制造商和全球领先的独立MRO服务供应商。MTU航空发动机公司(股票代码MTX Gn)成立于1969年,从事商用和军用航空发动机模块与组件以及工业燃气轮机的开发、制造、营销和维修支持,主要生产民用航空发动机的涡轮及压气机元件。公司的核心技术是低压涡轮、高压压气机技术、涡轮轮盘以及制造工艺和维修技术。公司与航空发动机领域巨头(GE Aviation, Pratt & Whitney, Rolls-Royce)保持密切合作。在军事领域,公司几十年来一直是德国军队的主要工业合作伙伴。据公司2020年年报,公司2020年共交付1535台发动机,主营业务收入为39.77亿欧元,GAAP净利润为1.39亿欧元。

MTU业绩受下游航空市场影响,但由于配套客户的多样性整体营收稳定性较强且成长性较好,高于下游主机厂如RR等。2016年以前,公司整体业绩稳中有升,2017年公司营收出现负增长是由于新会计准则的应用。公司2018年1月1日或之后的年度报告期间的营业收入确定标准必须适用IFRS 15标准,并需要对2017年的营业收入按新标准进行调整。根据公司2018年年报,IFRS 15核算与客户合同的收入的新准则对公司营业收入的影响有:

(1)在商业航空发动机领域,MTU与发动机项目营销相关的费用,尤其是以间接形式支付给航空公司和租赁公司的费用,以及来自下游主机厂的按比例偿还的费用会直接被识别为收入的减少,在旧准则下会先被记作销售成本,再记作营业收入;

(2)与项目相关的向下游主机厂支付的研发服务的费用被 识别为收入的减少,在旧准则下会被记作研发费用;

(3)在军用航空发动机领域,公司签订的发动机组装、交付,备件的提供以及发动机维修服务合同不满足长期收入确定标准,需采用在某个时间点确认特定军用发动机开发和制造合同收入的原则,在旧准则下则是通过百分比发来确定收入。因此2017年后按IFRS 15标准调整后的公司营业收入以及营业成本均有所减少。根据公司2017年年报,公司主营业务收入为50.36亿欧元,同比增长6.41%,而根据公司2018年年报,按IFRS 15标准调整后的2017年公司主营业务收入为38.97亿欧元。但是公司的盈利能力并未受到会计准则调整影响,2016年-2019年净利润持续提升。从复合增速看,2002年-2016年公司营收CAGR为5.62%。利润端,即使在受到宏观环境巨大冲击的影响下,目前公司也未在2002年上市之后的任何年份出现亏损,始终保持盈利。

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盈利能力稳中有升,得益于OEM与MRO业务的良好组合,2019年盈利能力达到上市以来最高水平。2019年公司毛利率、营业利润率和利润率分别为20.12%、13.44%和10.31%,相比于2004年分别提升了7.99pct、9.21pct和9.63pct,盈利能力提升显著。公司盈利能力的提升主要受益于OEM部门和MRO部门实现的产品组合使得销售费率下降,以及高收益的发动机备件业务占比提升,比如与V2500项目相关的备件业务的高收益贡献,以及对旧款GE航空发动机备件的需求提升。分部门看,MRO部门盈利能力较为稳定,但是低于OEM部门,公司整体盈利能力的增长主要依靠OEM部门拉动(主要源自公司将高盈利能力的维修备件业务计为OEM业务)。

收入端:军用及商业航空共发展,受益RRSP模式下的份额提升

军用为基,发展民用。公司在发动机生产制造方面有较为悠久的历史。从1934年成立至今近80年时间内,公司发展可以大致分为两个阶段,在第一个40年从军用起步并开始渗透民用发动机市场,第二个40年逐步参与商用发动机的研制、生产与维修业务。公司最早于1934年由BMW Flugmotorenbau GmbH分拆而来,在二战期间为Focke Wulfe FW 190战斗机大批量生产BMW 801型发动机。1971年,公司开始进入商业发动机市场,作为CF6-50发动机的部件制造商为空客A300提供动力。1979年后,由于MRO市场需求的增加,公司成立相关维修部门,并逐步获得V2500、EJ200等型号部分子模块的制造权。

以时间换空间,型谱化供应能力奠定公司核心优势。一方面,以“时间”换配套发动机的型号数量“空间”,逐步增加的RRSP份额及型号数量使得公司在收入端增速有望超越下游主机厂增速,多客户、多型号、多份额的综合优势有利于减少公司对少数型号发动机的依赖。另一方面,以“时间”换发动机进入广阔维修市场的“空间”。据前文,航空发动机不同阶段现金流特征存在较大差异,对于发动机厂商而言实现更好的型谱化组合意味着保持更为稳定的现金流,并可将进入维修期的发动机产生大量的现金流支持仍处于研制初期的现金流支出,这对于商业航空市场意义更为重要,强大的现金流能力还能够支持其获取更多的RRSP份额(因为参与新型号发动机的前期研发需要更多的现金流支出)。在上述两方面因素的共同作用下,公司在多数年份表现优于行业多数公司。(报告来源:未来智库)

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利润端:聚焦高附加值维修环节,主机厂与航司利益博弈的受益者

OEM发动机厂商与客户在高利润的维修环节存在竞争,公司作为备件供应商环节的比较优势明显。一般来说,发动机原始设备制造商(OEM)往往在更换零件上拥有强大的垄断地位,导致此类零件在售后市场的价格普遍较高。原始设备制造商有理由提高利润率,这在很大程度上是由于生产此类零件所需的研发投资水平较高。为了降低发动机维护成本,美国商业航空公司使用零件制造商批准(PMA)零件和指定工程代表(DER)维修来降低飞机发动机维护成本。

这些零件和维修由第三方公司提供,并经联邦航空管理局认证,可与原始设备制造商(OEM)提供的零件或维修互换。这些非OEM零件和维修费用可能比OEM零件低很多。为缓解维修产能与零部件供应压力,原始设备制造商(OEM)也放宽了对独立维修(MRO)供应商以及零部件制造人批准(PMA)件限制的态势。在此背景下,对于下游发动机整机维修服务而言,发动机整机OEM与航空公司之间存在一定竞争关系,但对于中游部件厂商,备件是双方(OEM整机及航空公司)都需要的,竞争环境相对温和。同时,公司积极向全面MRO维修服务提供商转变,不断扩大与航空公司的合作关系。

公司聚焦高利润率维修备件市场,赛道优势显著。据MTU2012年公司公告,公司维修备件利润率显著高于原始OEM新机。据前文所述,航空发动机售后市场空间广阔,而其中维修备件业务具有高利润率及高确定性特点。例如,据MTU2013年公告,即使V2500的交付数量下滑,但是由于其广阔的售后市场特征,该型号带来的备件收入保持稳定增长趋势。此外由于公司的型谱化优势,该型号发动机交付数量的下滑被新型号PW1100G-JM交付增加所部分抵消,但服役基数仍在不断扩大,公司的维修市场空间天花板不断提升。

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部件厂PCC:实施产业链一体对抗上下游盈利挤压

公司介绍:实现从上游高性能原材料到中游锻铸件制造全覆盖

美国精密铸件公司PCC(Precision Castparts Corp.)是多元化复杂金属零部件及产品的全球制造商,其业务主要涉及航空航天、电力和一般工业市场。PCC主要生产大型复杂结构熔模铸件、机翼铸件、锻造部件、航空结构件、关键紧固件和工业燃气轮机铸件,并在上述产品市场占据领先地位。PCC的产品还包括用于发电与石油天然气的挤压无缝管、管件、锻件,以及用于铸造与锻造的高温合金与钛材。

熔模铸造产品部门为飞机发动机、工业燃气轮机、机身、武器等制 造熔模铸件,且具备生产世界上较大直径的镍基高温合金熔模铸件的能力。锻造产品部门为飞机发动机与发电厂制造钛与镍基合金及锻造部件,该部门优异的生产能力使PCC成为世界多元化的高性能镍合金生产商与世界领先的钛熔炼和轧制产品生产商。机身产品部门生产紧固件、航空结构件与精密部件,广泛应用于机身、喷气发动机、起落架等多个飞机关键区域。从客户群来看,PCC客户群具有多元化的特点,航空航天市场的主要客户包括波音、空客、通用电气、普惠、罗尔斯·罗伊斯。

业绩规模及能力逐年提升。规模上,受益于下游航空航天等市场的发展及公司积极的上下游并购策略,1987年至2015年被巴菲特私有化收购的时间内,公司营业收入、净利润分别由3.26亿美元增长至100.05亿美元、0.21亿美元增长至15.30亿美元,CAGR分别达13.0%和16.5%。2000~2015年成长性表现更为优异,营收及净利润CAGR分别为12.7%、21.2%。盈利能力上,受益公司高附加值航空航天业务占比提升以及上下游纵深下实现成本可控及附加值提升,2000~2015年期间内公司毛利率、营业利润率和净利率分别提升10.5pct、15.9pct和12.3pct,增长至32.5%、27.4%和17.4%,成长性及盈利改善较为显著。

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环节优势:标准化产品弱化下游型号风险,卡位航发维修优良赛道

处于中上游材料环节,产品标准化特征弱化下游型号研制及客户风险。PCC与同业的ALCOA、ATI等处于航空发动机产业链中上游材料环节,相比于中下游的环节优势体现在产品的标准化特征。标准化特征意味着公司减少对单一型号、单一客户的依赖程度,对下游型号升级换代研制失败风险、下游飞机制造商选择发动机主机厂风险的缓释程度,高于中下游部组件及子系统供应商。

(1)相比下游主机厂,可缓释型号研制失败风险。发动机研制具有高风险特征,尤其在强调高安全性的商业航空市场。RR公司由于近年在Trent1000型号的故障事故承担高昂的维修及违约成本。但由于PCC作为锻铸环节供应商,产品具有标准化程度高、技术迭代速度慢的特征,某一型号研制失败及初期批产的良率风险难以传导至PCC所处环节,即多数锻铸件在老型号与新型号可实现程度的技术复用,产品的收入持续性较高。

(2)相比下游主机厂,可减少对单一客户的依赖。在航空发动机市场,由于下游飞机整机厂客户的寡头特征,多数中下游环节企业对单一型号及单一客户的依赖程度较高。例如,在民航领域,波音公司结构件一级供应商SPR收入构成中737MAX贡献较高,因此在737MAX出现飞行事故后,SPR业绩规模下滑较为严重;在军用航空领域,F-35项目作为美军大型的战机计划,普惠公司和GE等发动机企业在初期积极参与该项目的竞争。后期普惠公司被美国国防部选中,成为F-35项目发动机的独家承包商,PCC作为结构件供应商,可减少对单一客户的依赖程度。

相对较慢的技术迭代速度使得公司的范围经济优势突出。以航空锻造行业为例,中游锻件行业的研发费用的前置性及下游应用产品的可拓展性决定了其具有比较优势,强范围经济性。从工艺环节看,中游锻造的目的在于改变钛合金铸锭的铸态组织、获得所需要的显微组织类型等。从这个角度考虑,对于不同的合金类型,包括低强度、中强度高韧性、高强高韧、超高强度、超高强韧等牌号的合金,对于中游锻造厂仅需理解如何将这些牌号的钛合金锻压成需要的显微组织即可。而当锻造厂掌握某一牌号钛合金的锻造工艺后,对于下游处于同一代、同一类型、相近部位的飞机结构件需求,锻造厂较为容易将其工艺进行“复制”以期满足客户要求,这从根本上决定了中游锻造环节的边际投入递减。

以国内航空锻造企业三角防务为例,三角防务对相关专利表述或也可反映中游锻造环节的强范围经济优势。例如,在三角防务招股书P186页处的“已经成熟应用的非专利技术”之一“某钛合金锻造及热处理技术”的“对应产品”为“某钛合金大型机身、起落架结构件”,“应用效果”为“该技术应用在了大型运输机和某新型预警机等型号机身和起落架钛合金锻件的生产中,目前各项锻件正在批量供货”。以三角防务此类专利描述为例,掌握某一牌号或某类型钛合金锻铸造工艺后,能够较易拓展到同一类型的机型,甚至是同一机型的不同部位上,范围经济性体现较为突出。

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高技术及认证门槛维持标准化产品高盈利能力。航空发动机锻铸件的技术高门槛与客户认证时间长等特点,利于强化标准化产品的技术护城河,使得PCC产品的议价权能够维持在相对高的水平,行业竞争格局相对较好。例如,在该发动机领域,高温合金等先进金属材料的锻造、铸造工艺复杂,特种金属冶炼、精密铸造、锻造、焊接等多道工序需要技术沉淀和不断的技术创新。同时,由于航空发动机运行环境恶劣,且直接关系到飞行动力,航空发动机主机厂、飞机制造商对于供应商选定有严格的评定程序。

因此,在产品质量稳定的前提下,用户在选定合格供应商后通常不会轻易更换。同时,航空发动机产品从研制到实现销售的研发周期长、研发投入高、研发风险大,军用及民用领域对相关材料供应商选定较为严格。参考航宇科技招股书(国内航空发动机环形锻件主要供应商之一),对于航宇科技境外客户(GE/普惠、赛峰、MTU等终端客户)一般直接指定供应商并锁定价格,一种产品一般指定一家供应商。在此背景下,尽管PCC所处发动机制造环节的产品标准化程度相对较高,但技术与认证的高门槛使得相关企业的竞争格局良好,维持高盈利能力。

产业链一体化是趋势:系下游主机及上游材料企业的双重盈利挤压

通过大规模的合理并购,PCC实现原材料→锻件、铸件→机身精密部件的全产业链覆盖。垂直整合可分为两种形式,前向整合收购原始业务投入的供应商,后向整合收购处理公司产品的公司。回顾PCC成长历程,公司起步于小型熔模锻件业务,随后立足此处,进行前向、后向整合。PCC具有关键战略意义的收购始于1999年对威曼高登的整合,截止2016年1月29日其被伯克希尔哈撒韦公司收购,这段期间PCC共完成了近数十笔收购,逐步补齐了在上游原材料供应、下游机身产品(紧固件、结构件)的生产能力。

积极并购上游,获镍、钴、钛产能确保成本可控,应对原材料风险的转嫁。据上文对航空发动机产业链不同环节公司的财务分析,上游厂商CRS与中游PCC在1987年-2018年的毛利率相关系数为-0.76,呈强负相关关系。参考全球商业航空市场发展历程,近年来在下游主机厂开始实现精益生产原则向系统集成商转型后,锻造厂商与主机厂间传统的来料加工模式逐步被打破,原材料价格波动的风险随着生产责任的转移同步分享给了锻造厂商。2008年以来,PCC成本转嫁合同所占比例下降明显。

其中,锻造产品部门所受影响最大,由2008年的10.78%降至2015年的3.99%,这意味着PCC的原材料风险敞口被迫扩大。并购原材料供应商后,PCC有望实现原材料供应成本的稳定性。此外,PCC借上游并购减少供应链对外部公司的依赖。以PCC子公司——锻件巨头威曼高登的历史为例,在1970s末期,威曼高登收到了来自主机厂多型号飞机的锻造钛合金订单,海绵钛锻件需求激增。然而上游海绵钛及熔炼机的生产商对未来海绵钛的需求抱有怀疑态度,拒绝为其扩大产能,影响了威曼高登锻件生产与交付。并购上游可以使PCC内部获取原材料产能,避免因依赖外部供应导致生产受限的情况发生,也会为下游客户建立供应稳定的信心,促使订单增加。PCC通过并购上游制造“灰色地带”。

通常情况下,客户对于供应商的生产流程可见性有限,供应商生产流程的改进及内部效率的提升带来的成本节约并不会轻易向客户透露。PCC并购上游原材料供应商后,自身由原有的“客户”方转变成完全的 “供应”方,既获取了关于原材料成本与利润的内部信息,又能把上游并购锻件、铸件带来的生产效率的提升对客户保留,制造了灰色地带,保持了议价能力。

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PCC实施多次并购以实现上游材料成本可控,但从并购金额及行业地位看,2006年并购高温合金供应商Special Metals和2013年并购钛材供应商Titanium Metals较为关键。

(1)Special Metals是世界上最大、最多元化的高性能镍基、钴基合金与高温合金制造商之一,尤其在镍合金的研制、生产和供应方面处于世界领先地位。追溯其发展历程,1952年SMC的前身开创的熔炼技术是现代喷气发动机中所用高温合金开发的起点。到1996年底,SMC已拥有4500万磅真空感应熔炼能力,成为高温合金行业最大的生产商之一,巨大的市场份额、全面的产品线、专有知识和技术经验奠定了其行业领导地位。SMC共经营三个部门:高温合金锭坯和棒材部门生产各种锻造高温合金和特殊合金产品,包括钢坯、棒材和铸件,主要用于喷气发动机。其中,截至1996年,高温合金方坯产品的全球市场份额约32%(不包括中国和前苏联国家),高温合金棒材产品在北美的市场份额约为20%。粉末事业部为军用喷气发动机和最新一代大型商用喷气发动机生产粉末冶金高温合金产品,是全球最大的高温合金粉末产品独立制造商之一。

(2)Titanium Metals是世界上最大的钛制造商之一,供应了世界近五分之一的钛需求。TIMET成立于1950年,于1952年生产出世界上第一个钛锭,1955年获得了美国空军第一笔大订单,1957年开发出真空自耗电极电弧熔炼炉。目前,TIMET是少数在美国和欧洲均设有生产设施的钛供应商,运营五个分布在美国与欧洲主要航空航天、工业制造聚集处的服务中心,其专用的钛分销和增值加工设施保有了世界上最大的现货钛库存之一。

通过对SMC、TIMET的收购,PCC掌握了钛、镍、钴原料的大多数制造能力。(1)2006年,PCC以5.4亿美元收购Special Metals。在此之前,PCC虽为世界优质镍的主要用户,但除了在澳大利亚的WASA工厂的供应外,所用镍基材料均来自外部购买。对SMC的收购为公司的锻造产品业务提供了镍基坯料的内部供应,使PCC能够以更具成本效益的方式管理从镍原料到锻造产品的价值流。(2)2013年,PCC以26.1亿美元收购Titanium Metals。ATI、RTI、TIMET是美国三大钛材生产企业。本次收购后,PCC2012年第三季度钛熔制品和轧制品产量为钛业三巨头的47%,达1160万磅。PCC与子公司威曼高登此前均是TIMET主要客户,PCC对TIMET的收购促进了钛材、锻造、机身产品的供应链整合。一方面,TIMET的钛熔炼技术与PCC的锻造技术互为补充;另一方面,TIMET带来的内部钛熔炼产能在SMC的镍、钴合金基础上进一步扩展了航空零部件(主要为机身产品)生产的原料产能。

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PCC围绕实现产业协同及成本可控目的,积极向下游产业链拓展,但在重视客户基础的机加环节,以并购方式实现下游拓展,可达到在较短时间内快速获得客户基础及相关行业经验的目的。主机厂供应链演变发生后,部分机加厂商与主机厂之间逐步呈现了建立长期战略伙伴关系的趋势。通过向下游并购,PCC不仅能够直接获取机加厂商长期经营的客户基础,密切与主机厂的联系,还获得了成为一级供应商的可能性。此外,产业链向下游的延伸使企业边界得到拓展,有利于PCC纵向、横向整合。

对下游机加供应商的收购使PCC在原有铸件、锻件的基础上将生产范围逐步扩大至紧固件、小型部件、大型复杂结构件,在航空业的话语权与竞争力均随之增强。收购后整合所能带来的效益也是PCC向下游拓展的原因之一。通过纵向整合, 机身产品部门紧固件生产的采购活动优先在PCC内部解决,既降低了制造成本,又能加强机身产品的品控。数据表明,2007年后,三大部门间关联交易占总销售额的比例呈现明显上升趋势。而通过横向整合,对于航空发动机、起落架等同一飞机部位不同加工工艺的掌握也能形成协同效应,给予PCC向下游延伸的动力。

回顾PCC下游机身产品部门并购史,可以将其分为紧固件收购与结构件收购两大部分。据美国证券交易委员会网站上所公布的PCC历年年报,在紧固件端,2003年,公司以5.86亿美元收购航空航天关键紧固件制造商SPS Technologies,是PCC Fasteners平台的开端;2005年,PCC完成对Air Industries的收购,其产品主要为钛和镍基合金制程的螺栓等;2006年,PCC收购制造航空铆钉和盲螺栓的Cherry Aerospace,填补紧固件产品的空白;2011年,公司收购PB Fasteners-Assets,进一步实施紧固件产品线的拓展。

在结构件端,2011年,PCC以9亿美元收购精密结构件二级供应商Primus International,为公司创立了Aerostructures平台作为后续结构件收购的跳板;2012年,PCC依次并购了先进航空结构件供应商Centra Industries、 Klune Industries及Synchronous Aerospace;2014年,PCC完成对大型复杂机械部件一级供应商Aerospace Dynamics International的收购,此次收购后ADI所用的锻件、铸件、紧固件都归属PCC提供;2015年,PCC成功并购Noranco,它是用于航空发动机、起落架及机身的复杂机加工和制造部件的主要供应商。经过多次收购后,PCC在下游机加工领域所掌握的加工工艺日趋丰富完善。产业链延伸叠加纵横一体化,生产效率提升与议价能力的增强提高PCC盈利能力。伴随机身产品部门紧固件与结构件生产线不断扩张,该部门的营业利润率也从2004年的7%上升至2015年30.20%。步入下游并购中后期,在进行了合理有效的横、纵向整合后,PCC各部门的利润率同步呈现平稳增长的趋势,业绩向好,这在一定程度上归结于产业链整合后PCC生产效率的改善,以及全产业链模式上公司市场地位提升带来议价能力的增强。

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材料厂CRS:产能为核心,多因素决定较稳格局

公司介绍:钢铁厂出身的特种合金和合金钢材料供应商

钢铁厂出身的特种合金和合金钢材料供应商。CRS出身于1889年创立的Carpenter Steel Company,此后专注于各种钢材的生产,并受益于20世纪初新兴汽车行业对钢材的蓬勃需求;20世纪60年代布局包括高温合金、钛合金等的特种合金业务线;公司目前业务线已剥离大部分的普通钢生产,主要产品为高温合金、钛合金、特种钢,以及其他特种合金。公司业务涉足领域包括航空国防、一般工业、能源、交通和医疗等。CRS核心市场是航空和国防,近5年平均营收占比达到55%,因此主要材料产品用于制造航空飞机相应部件,比如高温合金材料出售给中游部件加工企业制造飞机发动机的热端零部件(涡轮盘、叶片等),钛合金材料用于制造机身结构件以及发动机冷端零部件。

主要营收来自特种合金(52%),历史营收增速波动较大,毛利率与净利率存在较大波动。CRS核心业务部门为特种合金经营部门(SAO)和高性能工程产品部门(PEP),SAO主要包括镍基高温合金、钛合金和合金钢等产品,PEP主要包括集团分销业务、部分钛合金业务、粉末制造业务等,属于集团差异化业务。其中,SAO业务部门的营收以特种合金为主,近5年平均占比达到63%,占比公司整体营收达到52%,其余为合金钢产品;PEP业务营收仅占公司全部营收的20%。从公司历史营收和归母净利润规模来看,公司营收和归母净利润波动较大,营收正负波动极值均超过/达到30%,而归母净利润波动在个别年份(2001年)更高;此外,2010年以后的归母净利润规模不及2005~2008年的水平,营收规模整体有微弱上升,2020年营收达到22亿美元。从盈利质量来看,公司毛利率相对较为稳定,毛利率水平整体有微弱的下降表现。但净利率波动相对较大。

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纵向扩张高门槛+产品标准化+以经验为核心的壁垒确定寡头格局

高温合金市场集中度相对下游较分散,美国主要企业高温合金营收规模差异不明显。排除国内公司,全球有至少20家主流高温合金产商,分布在德国、英国、美国、日本和俄罗斯。以美国为例,其代表企业为HAYN(Haynes International)、CRS(Carpenter Technology Corporation)、ATI(ALLEGHENY TELEDYNE INC)和Special metals(PCC子公司),主要供应量来自前述公司。对HAYN、CRS和ATI主要企业2010-2020年的营收进行拆分,可以看出ATI的高温合金系列产品的年营收规模较其他主要供应商稍高,平均营收在19亿美元左右;比CRS平均10亿美元的高温合金年营收高出9亿美元。排除ATI比其他企业产业链更长的因素——ATI不仅生产并出售高温合金材料,还加工高温合金出售部件级锻件和精密铸件给下游发动机企业,但HAYN和CRS主要聚焦于高温合金材料的出售;ATI高温合金材料营收和CRS相当,平均年营收在10-14亿美元之间。

ATI和CRS高温合金年营收高于HAYN,主要系钢铁厂出身,具备产能优势。ATI在1938年由Allegheny钢铁公司和Ludlum钢铁公司合并而成,CRS在1889年作为钢铁公司而被创立,而Haynes1912年以镍、钴合金制造出身。因此,ATI和CRS金属工业生产基础较强,原料提纯和母合金成形加工设备规模更大。从机器设备原值来看,ATI和CRS各年的水平明显高于HAYN,CRS在2001~2007年间机器设备原值平均为11亿美元,而HAYN仅为0.97亿美元。此后,ATI发展自己的高温合金锻件和精密铸件部件级产品,并进行了系列重大收购增强锻造和铸造实力——2009年收购Crucible Compaction Metals和Crucible Research,增强其粉末冶金业务能力,2011年收购大型锻造企业Ladish,以及2014年收购精密铸件公司Dynamic Flowform;因此公司设备产能规模逐渐与CRS拉开差距。

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商业模式带来的规模差异直接导致上游高温合金企业和中游部件加工企业持续性经营所需现金流资本性投入存在巨大差异。对比HWM、CRS和ATI现金流投资活动中的资本支出可以发现,每年HWM用于资本支出的现金显著高于高温合金企业CRS和ATI,2001-2020年平均资本支出为ATI的9倍。同时,反观三者经营活动的产现能力,HWM的经营活动现金净流量比ATI及CRS较高,2001-2020年HWM年平均经营活动现金净流量为ATI的17倍。

高温合金企业产现能力的明显弱势,一方面决定了高温合金企业现有商业模式尚不足以支撑中游部件加工企业高资本支出商业模式的持续性,另一方面也限制了高温合金企业以持续性收购的形式进军中游部件加工。对比ATI和另一中游部件加工龙头PCC金额较大的收购事件可以看到,收购中游部件加工企业所需的资金量普遍显著高于收购上游高温合金企业。以ATI独立上市以来最大收购案Ladish为例,该收购案金额是2009年ATI经营活动现金净流量的3.7倍,也直接导致ATI2010年公司现金净流量由上一年的2.4亿美元变到-2.8亿美元。

原料冶炼除杂要求高、工艺参数的控制主要依赖于经验的积累,且工艺控制动作繁琐。原料冶炼环节对最终高温合金性能有关键影响,该环节一方面要制造强化相以保障产品的强度;另一方面则要特别注意杂质的控制和消除,硫、铅、锡等低熔点杂质会集降低晶体间的联系,在高温下造成晶体的松散,导致高温合金的形变恶化和显著的脆性状态(如铸锭破裂、毛胚分层、横向裂纹产生);杂质控制要求很高,杂质含量超过很低的规定范围,即可造成显著破坏,以危害最大的铅杂质为例,合金中含有0.005%的铅即可发生形变恶化。

以真空感应电弧熔炼(VAR)为例,原料冶炼技术的发展主要采用数值模拟和实物解剖分析相结合的方法确定工艺最佳参数;也即是通过前期大量的试产取得数据,以样本数据对一定范围的参数影响进行模拟预测,基于预测指导再进行试产,通过解剖分析产品的内部组织结构最终确定最佳的工艺参数。实际生产需要考虑电流、熔化速度、冷却条件、材料的特性、冶炼时间等多种因素;而且整个冶炼过程的时间长,需要在不同冶炼时间段加入不同的物料,全流程控制动作多,且不同合金牌号的控制动作标准不一样,新牌号合金意味着新工艺参数的探索。

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(来源:未来智库)

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