「行研」基金经理吐血整理的军用航空发动机研究报告

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我国军用航空发动机经过半个世纪追赶，历经引进、测仿、改进、创新四个阶段，近年逐渐迎来历史上最好的发展时期。据航发动力 2021 年半年报，公司科技研发工作有力推进，三代机工艺不断趋于成熟；四代机关键技术能力大幅提升；五代机预研技术持续突破瓶颈。当前阶段拉动航空发动机配套企业需求的主要为军用航空发动机。

航空发动机被称为“工业皇冠上的明珠”，工况恶劣、体系复杂度高、技术难度大，研制周期极长，需要经过零件、部件、整机级的多种、多轮试验验证，配套企业接入壁垒极高。航空发动机锻件供应商需要处理钛合金、高温合金等加工难度大的材料，对企业的设备能力、资金实力、技术、管理能力都提出了较高要求。

撰写|李俊杰

编辑|张展

01航空发动机行业简介

航空发动机分类

航空发动机主要分为涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞发动机和电动机等类型，其中涡喷、涡扇、涡轴和涡桨发动机主要用于中大型飞机，而活塞发动机和电动机目前多用于小型飞机和无人机。

涡喷、涡扇、涡轴和涡桨发动机无论从单体价值、技术难度、结构复杂度等方面都显著高于活塞发动机和电动机，其中涡扇发动机较为常见。

大国重器 ，寡头垄断

产业发展历史

研制 、批产周期极长

据美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）2002 年发表的研究报告，综合考虑 F100，F404，F414 和 F119发动机的研发过程，一型发动机研发项目理论上需要 10 年以上，15 亿美金研制经费，以及 14 台整机试车用发动机，9 台飞行测试发动机，试验时数长达11000多小时。

主力商用发动机产品发展历程

航空发动机研制全寿命管理

02 核心加工工艺

铸造和锻造工艺

在新一代航空发动机性能的提高中，制造技术与材料的贡献率为 50%~70%，在发动机减重方面，制造技术和材料的贡献率占70%~80%。

随着航空发动机大量采用新材料和结构越来越复杂，加工工艺呈现以下三个特点：1）材料难加工，切除率大；2）形状与结构复杂；3）加工精度高。

锻件在飞机机体结构和发动机结构中重量占比分别为20％~35％和30％~45％。

锻造工艺特点：力学性能优异，减重效果显著，加工工艺复杂，加工设备专业，应用场景广泛。

在加工超大型环件时，传统的自由锻工艺受到空间的限制不能锻造，环形轧制是唯一工艺方法。

精密模锻是制造压气机叶片常用的先进加工方式之一。叶片精锻是在普通模锻基础上发展起来的一种净成形技术。

精锻生产更加完整地保持了金属流线的连续，增加了叶片的强度和承载能力，在很大程度上提高了叶片的性能和寿命，同时节约了昂贵的材料。

据《叶片精密锻造技术的发展现状及其展望》，精密锻造叶片减少机加工余量达 90%，美国、奥地利所生产的热精锻叶片占叶片总生产量的80%~90％。

低端产能过剩，高端需求释放

技术壁垒高

航空锻件要求高性能、长寿命、高可靠性，且要求各批次性能稳定、一致，从而要求企业在材料成形与性能控制的基础研究和应用研究领域有较深的认识。航空锻造企业不但需要具备深厚的材料和锻造理论知识，还需要进行大量的计算分析、工程试验验证和长期的工程实践。

设备和资金壁垒高

航空锻造具有投资大、建设周期长的特征，属于典型的资本密集型行业。以大型模锻机为例，据《大型航空模锻件的生产现状及发展趋势》，截止 2010 年全球仅有 40 余台 100MN 级以上模锻机，其中 70%左右集中在在美、俄、法。资金投入方面，进口大型设备单位价值昂贵，例如据派克新材招股说明书，1 台 7000 吨自由锻液压机价值 9000 万元，一台精密碾环机价值 1.2 亿元。

行业集中度高

由于航空发动机具有高技术、高投入、高风险的行业特点，进入门槛高，行业集中度较高。据 Flight Global 报告，2020 年全球商用航空发动机市场以交付量口径统计，CR3（赛峰、普拉特·惠特尼、通用动力）为 88%。航空发动机主机厂对供应商考核程序复杂，考察周期较长，一旦合作又往往保持稳定，因此航空发动机锻造行业集中度较高。

锻件价值占比测算

03 产业链分析

发动机结构图

产业链概览

产业链价值逐渐向下游转移

整机制造

在航发产业链中，发动机的整机和系统制造是最关健的一步。发动机的核心枝术及总装集成、客户销售、后续的发动机大修与零部件更换等环节都被整机制造商所控制，整机制造商负责整体设计，承担研发风险，利润也相对最高。国内则以航发动力为主导，航发动力是航发整机制造的永制单位，产品全谱系履盖。航发动力集成了我国航空发动机整机的几乎全部型号，在产品的量价二维体系中最为稳定，将享受确定性溢价。

叶片锻造及铸造

叶片是航空发动机的最核心部件，它的制造占据了整个发动机制造30%以上的工作量。叶片是发动机中数量最大的一类零件，具有壁薄易变形的特点，并且其所承受的工况十分恶劣。目前金属材料和先进复合材料是航空发动机叶片制造的两大类主要材料，如何高效、高质量地对其进行加工已经成为了目前叶片制造行业研究的重点之一，也是制造出高性能航空发动机的关键。辅以表面处理技术来完成叶片的高品质制造。

动力控制系统

随着航空发动机技术的日益进步，其性能不断地提高，燃油和控制系统也由简单到复杂发展，从液压机械控制发展到全权限数字电子控制(FADEC),发动机状态监视和故障诊断系统归入发动机控制系统，并且防喘控制也越来越受到专家的关注。目前国际市场上以英美为主导，我国从80年代初进行了FADEC系统的研究，并取得了较为瞩目的研究成果。在动力控制系统方面，我国的航发控制已处于国内市场垄断地位，公司是国家航空动力控制系统及产品研制、生产基地，已经构建了较为完整的航空发动机燃油与控制系统专业体系，拥有国家一流专业科研人才，科研实力雄厚。

零部件

按毛坯提供方式可以分为锻造件：目前航空发动机的零部件锻件毛坯占毛坏总重量的一半以上，航空发动机的风扇和压气机叶片、盘、轴、齿轮和部分机匣零件采用锻造工艺。国内以中航重机为主占据国内航空制造市场60%的份额；铸造件：航空发动机涡轮叶片和部分机匣采用铸造工艺，其中以涡轮铸造技术最为先进。精密铸造制坯是铸造领域主要的发展方向；钣金件：发动机的燃烧室、喷灌机匣以钣金件为主。在航空发动机铸件领域，常规铸件和非单晶叶片铸造以中航重机为主。

高温合金

按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和钻基。按生产方式可分为特造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金。按强化机理可分为碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。高温合金一般应用于四大领域。新型的先进航空发动机中，高温合金用量占发动机总重量的40.60%以上主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件，此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。高温合金行业需要依托强大的生产和研发技术方能保障企业的正常运行，同时还涉及产品认证的问题，尤其是军品认证周期长、审核严，故高温合金行业的准入门槛高，行业内企业少，国内目前的主要厂商有钢研高纳、ST抚钢、图南股份。

陶瓷基复合材料及钛合金

陶瓷基体可为氨化硅、碳化硅等高温结构陶瓷，这些陶瓷材料具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，但其致命的弱点是比较脆，容易出现裂纹甚至断裂。而采用高性能纤维与陶瓷基体复合，就可以显著提高陶瓷韧性和可靠性。只有具备这样优良韧性的材料才具备在发动机涡轮叶片上使用的条件。目前国内厂商有火炬电子等企业。钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属，强度高、耐蚀性好、耐热性高。根据加入的元素不同，钛合金的属性也不同。主要应用于压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳等零件部位。宝钛股份、西部超导继续稳居行业前列。

04 商业机会及风险提示

军用航空发动机市场空间测算

军用航空发动机主要包括新增市场和存量维护保养市场：

存量维修和保养市场方面：航空发动机每运行一段时间（50-100个小时）需要进行一次专检，检查易损件和承力件以及油滤油泵的性能，飞行600-1000小时再进行一次大修，更换部分易损承力部件，一台发动机设计寿命要比实际寿命小。

一般航空发动机整个生命周期大修次数为3次左右，第一次大修周期约为600小时，大修的间隔时间逐次递减，一般间隔时间是上一次的80%，航空发动机后续维修和保养费用较高。

各主要环节产品及主要公司

航空发动机上游至下游分别为原材料、零部件、组件、分系统、整机等环节。涉及钛合金、高温合金、复合材料、锻造、铸造、机加、试验、总装等多项业务，随着国家对航空发动机产业的大力发展，国内产业链已经趋于完整。

在长期高景气度下，产业链各环节中的主要公司有望迎来收入、利润的高速增长。

上市公司一览表

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