国防军工行业国产大飞机系列报告之一：大飞机机体结构和制造流程解析

2022年5月14日，编号为B-001J的C919大飞机从浦东机场第4跑道起飞，于9时54分安全降落，C919大飞机首次飞行试验圆满完成。这意味着，国产大飞机C919即将实现交付，进入商业化运营阶段。我们将围绕国产大飞机的机体结构与制造流程、应用材料、机载设备、航空发动机和市场空间等问题发布系列研究报告。本篇报告重点探讨大飞机的机体结构和制造流程。 ► C919性能优异，或将逐步替代波音737MAX、空客A320neo系列，市场空间巨大。 C919具有后发优势，在整体设计上采用的先进技术更多，绝大部分性能指标与波音737、空客A320持平，且价格更为实惠（C919报价0.99亿美元，后两者报价均在1亿美元以上），性价比更高。据中国商飞官网统计，C919的国内外客户达到28家，订单总数达到815架。可以认为，C919已逐步开始对波音、空客单通道飞机的替代过程。预计随着首批C919顺利交付，国航和南航等国内航空公司也将陆续引进C919。 未来20年，我国对类似C919这类窄体客机的需求量为每年平均300架左右。假设未来C919在国内能够达到三分之一的市占率，则C919飞机年平均交付量有望达到100架，对我国航空工业带来约68%的增量。 ► C919研制成功意味着我国民机技术实现集群式突破，整个民机产业链将显著受益。 大飞机是现代高新科技的高度集成，涉及新材料、现代制造、先进动力、电子信息、自动控制、计算机等众多领域，而飞机制造是战略地位突出、发展机遇巨大、带动效应极强的高端装备行业。根据美国兰德智库研究，大飞机研制及其核心技术衍射到相关产业，可以达到1∶15的带动效应。C919的出现意味着我国具备了研制一款现代干线飞机的核心能力。我国由此实现了民机技术集群式突破，形成了大型客机发展核心能力。C919商业化将推动我国民用航空制造业技术进步与产业结构的升级换代。 投资建议 C919大飞机的生产交付将推动我国航空制造业上下游快速发展、全面升级，飞机机体结构及材料供应商有望直接充分受益： 1、中航西飞：公司具有C919机体中机身（含中央翼）、外翼翼盒（含固定前、后缘）、副翼、后缘襟翼、前缘缝翼和扰流板等6个工作包的供应商资格，是民机生产主力军。 2、光威复材：碳纤维龙头企业之一，参与C919复合材料国产化替代验证。 3、宝钛股份：钛材行业龙头，大飞机钛合金板材主要供应商。 4、西部超导：国内高端钛合金棒丝材、锻坯主要生产基地之一，已通过商飞Ti6Al4V钛合金材料资质认证。 5、爱乐达：目前承接了C919机头和机身部位相关机加零部件。 受益标的还包括北摩高科、全信股份、中航机电、中航电子等公司。 风险提示 C919适航取证速度、交付进度不及预期的风险；受新冠疫情影响，民航市场需求不及预期的风险；产能建设不及预期的风险。 1.C919：交付在即，市场广阔 C919大型客机是我国首款按照最新国际适航标准自行研制、具有自主知识产权的干线民用飞机，全称为COMAC919，“C”取自中国（China）和中国商飞（COMAC）的首字母。2009年C919项目发布；2012年通过国家级初步设计评审，转入详细设计阶段；2015年完成总装下线；2017年成功首飞；2019年，6架试飞飞机全部投入试飞工作，项目正式进入“6机4地”大强度试飞阶段；2020年，中国民航上海航空器适航审定中心签发C919项目首个型号检查核准书（TIA）。目前，C919大飞机试飞取证和交付准备工作正在有序推进。 C919性能优异，直接对标波音737、空客A320系列。C919基本型混合级布局158座、全经济舱布局168座、高密度布局174座，航程4075-5555公里，将与波音737MAX系列、空客A320neo系列展开直接竞争。根据中国商飞预研总师杨志刚，C919的绝大部分性能指标与波音737、空客A320持平，甚至在气动力布局方面还优于后两者。C919具有后发优势，在整体设计上采用先进的技术更多，自动化程度更高，同时在未来的市场潜力也更具有优势。竞争优势具体如下： （1）技术领先。采用近年来的新材料、新技术，并全面按照国际民航规章和适航标准开展设计研制并进行适航审定，从安全性、气动性、风洞试验等角度来说都更具优势。 （2）更具经济性、舒适性、环保性。飞机燃油消耗、座公里直接使用成本比现有同类飞机低，经济性特点突出；采用加宽客舱和座椅宽度、配备新的机载设备等手段来改善舒适性；视野设计比同类型的宽，更能保证行驶安全；选用新型发动机满足噪声和污染物排放的要求，提高环保性。 （3）价格更为优惠，性价比高。空客A320和波音737MAX系列飞机的单价都超过了1亿美元。而根据东航定增公告显示，C919报价为0.99亿美元（折合人民币为6.53亿元）。并且，目录单价是制造商对外公开的价格，一般实际的成交价会根据谈判结果打一定比例的折扣。在公告中就提出，本次拟引进的飞机实际合同价格经订约各方按公平原则磋商后厘定，低于产品目录所载的价格。 首架交付机首次试飞圆满完成，C919商业化运营在即。2022年5月8日下午，首架交付机也就是07号飞机在浦东机场第五跑道进行了中、低速滑行测试。5月10日，东航发布定增预案，其中包括4架C919大飞机。5月14日，编号为B-001J的C919大飞机从浦东机场第4跑道起飞，于9时54分安全降落，标志着中国商飞公司即将交付首家用户的首架C919大飞机首次飞行试验圆满完成，商业化运营在即。 C919订单超800架，商业化潜力巨大。据中国商飞官网统计，C919的国内外客户达到28家，订单总数达到815架。可以认为，C919已逐步开始对波音、空客单通道飞机的替代过程。预计随着首批C919顺利交付，国航和南航等国内航空公司也将陆续引进C919。根据航空工业发展中心发布的《民用飞机中国市场预测年报（2021-2040）》，中国市场来看，预计2021-2040年间将需要补充7646架客机，其中窄体客机需求量达5276架，而窄体客机中，以波音737、空客A320和C919为代表的150座级窄体客机需求量预计4031架，占飞机总需求量的52.7%；全球市场来看，预计未来20年全球需要窄体干线客机近2.95万架，其中150座级的需求量达22300架。假设C919未来20年在国内窄体客机市场中市占率达三分之一，则仅中国市场的年需求将达近90架，再考虑到海外市场，则C919的年均销量有望达到100架。 C919研制成功意味着我国民机技术实现集群式突破，整个民机产业链将显著受益。大飞机是现代高新科技的高度集成，涉及新材料、现代制造、先进动力 、电子信息、自动控制、计算机等众多领域。飞机制造是战略地位突出、发展机遇巨大、带动效应极强的高端装备行业，一直被誉为“现代制造业的明珠”。根据美国兰德智库研究，大飞机研制及其核心技术衍射到相关产业，可以达到1∶15的带动效应。C919的出现意味着我国具备了研制一款现代干线飞机的核心能力。我国由此实现了民机技术集群式突破，形成了大型客机发展核心能力。C919商业化将推动我国民用航空制造业技术进步与产业结构的升级换代。 2.飞机结构及其特点 2.1.飞机结构介绍 飞机主要由机身、机翼、尾翼、起落架、动力装置、机载设备、控制系统等部分组成，其中机身、机翼及尾翼等部件构成飞机的主体结构。 2.1.1.机身 机身结构包括前机身、中机身、中后机身、后机身、短舱、尾撑等筒形结构，主要用于装载人员、货物、燃料、武器、各种仪器设备和其他物资等，同时将机翼、尾翼、发动机和起落架等部件连接在一起。 机身是整架飞机的受力基础，其承受的载荷主要有装载力、其他部件的力、增压载荷和气动载荷。普通框承受蒙皮传入机身周边的空气动力以及因机身弯曲变形引起的分布压力；加强框将装载的质量力和其他部件上的载荷经接头传到机身结构上的集中力加以扩散并传给蒙皮；长桁和桁梁承受机身弯曲时产生的轴力；蒙皮构成机身的气动外形，并保持表面光滑，承受局部空气动力。 2.1.2.机翼 机翼一般由机翼主盒、襟翼、副翼、前缘缝翼、扰流片、发动机吊挂等部分组成。 机翼是飞机升力的主要来源，同时具有布置弹舱和油箱、收容起落架的功能。另外，在机翼后端上还安装有用于改善起降性能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼，在机翼前缘安装有用于增加升力的前缘缝翼。飞机通过控制前缘缝翼和后缘襟翼往下展开到不同的卡位，来改变机翼弯度和面积，以增加或减少飞机起降时的升力及阻力，从而避免过长的滑跑距离。 2.1.3.尾翼 尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，主要用于保持飞机在飞行中的稳定性，控制飞机的俯仰、偏航等飞行姿态。 尾翼的内部结构与机翼十分相似，通常都是由骨架和蒙皮构成，但它表面尺寸一般较小，厚度较薄，在构造形式上有一些特点。一般来说，水平尾翼由固定的水平安定面和可偏转的升降舵组成，垂直尾翼由固定的垂直安定面和可偏转的方向舵组成。 为了改善跨声速和超声速飞行器在高速飞行中的纵向操纵性，许多超音速飞机都将水平安定面与升降舵合二为一，设计成整体可偏转的全动平尾。 2.1.4.起落架 起落架主要由机轮、承力支柱、减震器、收放机构、转弯操纵机构等组成，是飞机起飞、着陆、滑跑、地面移动和停放所必需的支持系统，尤其是在降落阶段，它能够承受、消耗和吸收巨大的瞬间撞击能量。起落架对于材料强度、韧性等方面的要求较高，其性能的优劣直接关系到飞机的使用安全。 2.2.飞机装配单元 为了解决飞机大型复杂部件难以直接整体制造的问题，同时满足良好的开敞性和可维护性，飞机机体在制造过程中一般被分解为许多大小不同的装配单元，相邻装配单元之间的对接结合处会形成分离面，一般可分为两类： 2.2.1.设计分离面 设计分离面是根据构造上和使用上的要求而确定的。如飞机的机翼，为便于运输和更换，需设计成独立的部件；如襟翼、副翼或舵面，需在机翼或安定面上作相对运动，也应把它们划分为独立的部件；又如战斗机机身后部装有发动机，为便于维修、更换，就把机身分成前、后机身两个部件。 设计分离面之间一般都采用可卸连接（如螺接、铰接等），而且一般要求它们具有互换性。 2.2.2.工艺分离面 飞机结构的划分不仅要满足构造和使用上的要求，还必须同时满足生产工艺上的要求。工艺分离面就是为了合理地满足制造过程的要求，按部件进行工艺分解而划分出来的。部件划分为段件后形成的工艺分离面，既可以增加平行装配面，缩短装配周期，又有助于改善装配工作的开敞性，提高装配质量；部件、段件进一步划分为板件后形成的工艺分离面，为提高装配工作的机械化和自动化程度创造了条件。 工艺分离面之间一般采用不可卸连接（如铆接、胶接、焊接等），待装配成部件后，工艺分离面会随之消失。 以机翼为例，机翼中段上、下壁板与机翼前梁、机翼后梁之间的分离面属于工艺分离面，采用不可卸连接；襟翼、副翼与机翼之间的分离面属于设计分离面，采用可卸连接。 2.3.飞机结构特点 飞机结构具有零件多、尺寸大、刚性差、精度高、形状复杂、结构复杂等特点。 零件多：从铆钉、螺栓到桁、肋、框、梁，再到座椅、引擎，飞机由众多零部件组成，比如一架波音737飞机就包含大约600万个零部件。 尺寸大：大型飞机的整体壁板长达30米左右，毛坯重3-4吨，大型机身整体框约6米*3米，毛坯重约2吨，必须配置大型机加机床和相应的装卸、搬运等设备。 刚性差：飞机零件大部分是由板材和型材制成的薄壁构件，刚性较差，在车削、锻造、焊接等加工过程中容易发生加工变形。 精度高：飞机的飞行寿命一般在9万小时左右，机身之间的装配精密程度对飞机的使用寿命有较大影响。比如，C919各机身段与段之间空隙距离的精度达到0.03-0.05毫米。此外，若蒙皮与贴合的骨架之间有较大的装配间隙，就会发生很大的装配应力，会导致飞机强度和寿命的降低。 形状复杂：飞机整体结构件多数为板块状，其轮廊外形部位一般与飞机机体复杂的外形有关，如梁、框、肋等平面零件周边外形角度变化较大，因此，加工的开敞性差，工作量大，