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千亿投资,十年计划,航天发动机产业将迎来重大突破!

 航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械,作为飞机的心脏,不仅是飞机飞行的动力,也是促进航空事业发展的重要推动力。

数据显示,我国航空发动机行业营业收入由2016年222.2亿元增至2019年252.1亿元,年均复合增长率4.3%。2021年我国航空发动机行业营业收入可达266.1亿元。

未来十年,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,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。

如何把握本次行业“快车道发展”新时期,对于航空航天领域发展尤为重要,今天哈工创投将带大家深度解读航空发动机板块的未来投资机会。

中国航空发动机现状

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。

图:中国航空发动机集团坚持自主研制发展战略、深耕军民两个市场,资料来源:中国航发集团官网

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。

图:中中美军用发动机代差 20~30 年、商用发动机代差 15~20 年,资料来源:《高涵道比涡轮风扇发动机发展综述》、浙商证券研究所

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。

航空发动机产业特点

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。

图:美国航空发动机基础预研总经费中政府投入占 2/3 以上,资料来源:《航空发动机的研究和发展投资规律探讨》、浙商证 券研究所

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。

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。

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。

图:近年来全球航空涡轮发动机年产值约在 700 亿美元附近,资料来源:《航空发动机产业现状与趋势》、浙商证券研究所

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。

图:航空发动机市场拉动四级结构式产业链的发展,资料来源:《航空发动机产业现状与趋势》空天界、浙商证券研究所

未来发展趋势

1.新一代的难变形材料、轻质合金、复合材料应用步伐加快 

航空发动机的不断发展,对环件制造技术提出了更高的技术经济要求。一方面,各种新型难变形材料、轻质合金、复合材料的应用日益广泛,迫切需要科学的工艺设计手段以确保工艺质量;另一方面,对环件的尺寸精度、冶金质量、生产成本和生产周期的要求更加严格。新的金属材料和复合材料的研发,能够让航空发动机零部件重量更轻、强度更高、耐热和耐腐蚀性更好。未来“更强”、“更耐热”、“更轻”、“更便宜”的新材料让未来的航空发动机推力更大、更省油、更可靠、更耐久、更便于维修、成本更低。

2.制造工艺从单一学科向多学科交叉方向发展

为了适应和满足高端装备发展对产品高性能和个性化需求,航空发动机锻件的研制和开发过程将与以信息技术、新材料技术为代表的高新技术相互融合,跨学科融合发展,实现先进材料成形制造技术和制造工艺突破,推动产品结构和产业的优化升级。一方面,通过计算机技术、数字控制技术的融入和新材料的应用,提高锻件性能指标,满足高端装备发展的需求。另一方面,通过信息化软件和信息化技术的应用,可以缩短锻件设计、制造周期,大大提高生产效率。

3.环件制造技术向着大型化、精密化、数字化等方向发展

大涵道比航空发动机向着“大风扇、小心脏”方向发展,为适应航空发动机的研制需求,航空锻件也向着大型化、精密化方向发展,环件制造技术向着大型化、精密化、自动化、数字化、柔性化发展。

4.绿色制造发展趋势下,发展先进材料精密成形制造工艺的重要性日益突出 

绿色制造主要包括产品轻量化、工艺精密化两个方面,产品轻量化主要是指通过使用先进材料,实现锻件结构尺寸的减少,减少材料用量,达到减重的效果;工艺精密化主要是指发展精密成形制造工艺,包括近净成形制造工艺、复杂异形环件精密轧制技术等。绿色制造是工业转型升级的必由之路,绿色制造也成为锻造行业发展的必然趋势。

结语

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%,其中前十年主要受益于军用的放量,之后民机开始开始接力,带来规模持续增长的新引擎。

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。未来,这些产业将极大促进行业发展,为航空航天领域打开巨大的发展空间。

 

 

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