2022年8月12日中航证券研究所发布证券研究报告请务必阅读正文后的免责条款部分行业评级：增持战鹰心脏，工业之花——军用航空发动机产业深度报告分析师：魏永证券执业证书号：S0640520030002邮箱：weiy@avicsec.com研究助理：杨天昊证券执业证书号：S0640121080012邮箱：yangth@avicsec.com 引言2航空发动机的概念和分类资料来源：《航空发动机——飞机的心脏》、中航证券研究所航空发动机是飞机的“心脏”，通过将化学能转化为燃气的热能为飞机提供飞行动力，在高温、高压、高转速等恶劣环境条件下长期反复使用的高度复杂和精密的热力机械装置，被誉为“工业皇冠上的明珠”。航空发动机产业是关系国家安全、经济建设和科技发展的战略产业，其发展水平已经成为衡量一个国家军事装备水平、科技实力和综合国力的重要标志，具有极高的军事价值、经济价值和政治价值。自1903年问世至今一百多年以来，航空发动机经历了两个主要发展时期，1903年至1945年为活塞式发动机统治时期，1945年至今是喷气式发动机时代。在喷气式发动机时代，航空上广泛应用的是有压气机空气喷气式发动机。在压气机空气喷气式发动机中，压气机是用燃烧室后的燃气涡轮来驱动，因此这类发动机又称为燃气涡轮发动机。按燃气发生器出口燃气可用能量利用方式的不同，燃气涡轮发动机分为涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴和螺旋桨风扇发动机。航空发动机分类及应用喷气式发动机活塞式发动机火箭式发动机空气喷气式发动机固体火箭发动机液体火箭发动机无压气机有压气机（燃气涡轮发动机）冲压式喷气发动机脉动式喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮轴发动机涡轮风扇发动机涡轮螺旋桨发动机螺旋桨风扇发动机小型、不带加力大型、带加力中小型、中等涵道、不带加力大型、小涵道、带加力大型、大涵道、不带加力高超声速导弹、空天飞机航模、低速靶机小型低速通用飞机、军用中低空无人机战斗机军用大型无人机、巡航导弹、通用飞机战斗机军民用运输机、大型客机直升机中低速运输机、通用飞机军用运输机弹道导弹、火箭火箭中小型低速通用飞机、军用中低空无人机 引言3航空发动机的概念和分类涡轮风扇发动机是当前航空发动机的主流。涡扇发动机由于其推力大、推进效率高、耗油率低等特点，广泛应用于战斗机、运输机、客机、无人机，占比在95%以上，是目前最为广泛的航空发动机。涡扇发动机内部结构主要由风扇、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部件组成。其工作原理为：外界空气进入发动机后，由风扇叶片进行初步压缩，压缩后的空气一部分进入外涵道高速排出，产生巨大推力。另一部分则进入内涵道，由压气机叶片进一步压缩后送至燃烧室。增压后的空气在燃烧室中与燃料混合加热，产生高温、高压燃气推动涡轮叶片高速旋转以带动压气机，随后气流经涡轮出口进入尾喷管，在此过程中压力降低、速度增加，从而产生反作用力，推动飞机前进。资料来源：钢研高纳招股说明书、中航证券研究所风扇压气机燃烧室高压涡轮低压涡轮涡扇发动机主要内部结构涡扇发动机工作原理 目录一、产业特点——高行业壁垒，长回报周期1.1高温、高速、高负荷工作条件，考验现代工业技术极限1.2研制周期长、资金投入大、军民通用性强二、驱动因素——军用飞机放量、实战训练耗损、国产民机突破2.1军机加速列装带动航发产业快速发展2.2实战训练耗损加剧打开维修市场2.3国产民机突破驱动商发进程三、发展现状——航发业务逐渐成熟，自主可控大势所趋3.1美俄技术领先，我国后起发力3.2我国军用航发取得实质进展，下一代产品亟待突破3.3竞争格局——整机航发集团为主，中上游逐渐市场化四、投资策略4.1投资策略4.2投资图谱 航空发动机是典型的技术密集型产品，要求重量轻、体积小、使用安全可靠、经济性好，满足在高温、高压、高转速和高负荷等苛刻条件下长期反复工作指标，因而必须设计精巧、加工精密、使用高性能材料部件，其研制是气动、燃烧、传热、控制、机械传动、结构、强度、材料等多种学科或专业综合优化的结果，也与计算机硬件能力、商用和专用设计软件、材料与工艺、测试与试验设备、数据采集与处理能力、科技管理水平等密切相关。航空发动机的超高研发、制造难度，考验现代工业技术极限。航空发动机是一个高门槛、极具技术壁垒、新手难以进入的尖端技术领域。一、产业特点——高行业壁垒，长回报周期1.1高温、高速、高负荷工作条件，考验现代工业技术极限资料来源：《振兴航空动力，实现民族梦想》、中航证券研究所世界先进航空发动机涡轮进口温度已超过1700°C，而且，其热端零部件还要承受燃油燃烧的化学反应高温现役民用发动机的增压比最高已达52，在研的则高达60高压大中型涡扇发动机涡轮转速最高达到15000r/min，小型涡轴发动机的涡轮转速达到50000～60000r/min。高转速产品特点民用航空发动机最长机上寿命已超过40000h，其中热端零件寿命达到40000h、冷端零件寿命可达70000h，空中停车率达到每1000飞行小时0.002～0.02次高可靠性极端苛刻工作环境涉及气动力学、传热学、材料力学、理论力学、流体力学、断裂力学、弹性力学等学科；内部物理、化学现象复杂，目前仍不能完全从理论上进行详细准确的描述设计难涡轮叶片在高转速下承受的离心力相当于承受一百多千牛的载荷；涡轮叶片使用的镍基合金材料熔点仅为1200°C，而其周围的燃气温度达到1700°C材料难制造的精细性上要求非常苛刻，这种精细性不仅体现在对尺寸精度、形位公差、配合间隙的要求很高，还体现在对显微组织、表面完整性、残余应力、机械加工变质层等方面制造难研制特点维修的核心技术包括前处理技术、表面完整性修复技术、性能及形变恢复技术、寿命预测评估及考核验证技术等维修难研制所需的部件试验验证大约需要100000h，子系统级试验验证大约需要40000h，整机级试验验证大约需要10000h的地面和高空模拟试验，以及2000h的飞行试验试验难知识密集、多学科集成极具壁垒研制周期长资金投入大军民通用性强5 研制周期长——航空发动机研制周期长，预研和工程研制阶段长达30年。航空发动机的研发周期包括基础预研、工程验证机研制和改进改型等多个阶段，一般比飞机研制时间长一倍以上。战斗机发动机全新研制周期（从最初的方案设想到全面生产）一般为9-15年。20世纪80年代以来，由于技术领域又取得了重要进展和技术要求的不断提高，国内外发动机研制周期又略有增长，即从型号验证机到设计定型17-19年，第四代发动机研制周期比第三代发动机研制周期明显延长。一、产业特点——高行业壁垒，长回报周期1.2研制周期长、资金投入大、军民通用性强资料来源：《航空发动机研制全寿命管理研究及建议》、国外战斗机发动机的发展与研究、中航证券研究所典型战斗机发动机研制周期统计航空发动机研制周期代次发动机型号类型研制周期第3代F100全新从1969年JTF22验证机研制到1974年F100-100交付使用共5年从1969年JTF22验证机研制到1985年F100-220交付使用共16年F110改型从60年代中期F101发动机研制到1986年F110交付使用历经20年从1976年设计到1986年投入使用共10年F404全新从1972年燃气发生器验证到1979年投入生产共8年AL-31F全新从1976年研制开始到1984年交付空军使用共9年第3.5代EJ200全新从1982年XG40验证机技术验证到1999年设计定型共17年从1987年EJ200发动机设计到1999年设计定型共12年M88全新从1979年验证机设计到1997年投入使用共18年从1986年研制型发动机设计到1997年投入使用共11年第4代F119全新从1983年PW5000发动机详细设计到2002年最初使用交付共19年从1991年工程和制造研制到2002年交付使用共11年F135改型从1996年方案演示与验证到2011年投入使用共15年6 资金投入大——现代航空发动机的研发需要动用举国之力完成。20世纪80年代初，美国军方和航空工业界高层决策部门预测：在叶轮机气动热力学、耐高温轻质材料和新颖结构设计及控制技术等方面已取得和将要取得巨大进步，在保持已经达到的可靠性和耐久性前提下，可以为大幅提高发动机性能提供可靠的技术基础。因此，在1987年，美国空军发起，海军、陆军、国防部先进技术预研计划局、NASA和7家主要发动机制造商参与制订并实施了综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）预研计划。一、产业特点——高行业壁垒，长回报周期1.2研制周期长、资金投入大、军民通用性强资料来源：国外战斗机发动机的发展与研究、中航证券研究所美国军方和NASA对IHPTET预研计划的投资覆盖领域综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）预研计划的管理体系IHPTET指导委员会海军陆军空军国防先进研究项目局国家航空航天局工业界顾问组威廉姆斯国际公司普惠公司GE航空发动机公司艾利逊先进技术开发公司特里达因公司联信发动机公司部件技术专家小组机械系统排气系统燃烧室验证机控制系统风扇/压气机涡轮相关技术专家小组节约费用结构计算流体力学材料军用特有技术军用关键技术共用技术民用关键技术民用特有技术低观测性弯掠气动技术先进材料桨扇-涵道风扇回热•材料高温涡轮CFD设计低污染燃烧噪声控制•喷管高转速金属基化合物转子先进控制多级动力涡轮多种燃料•进气道变循环气动/冷却技术短舱阻力污染控制热力循环稳定性处理先进轴承先进齿轮箱短寿命发动机对转技术轻重量结构/制造高压比增压级推力矢量先进燃烧军方军费NASA和能源部经费工业部门经费7 资金投入大——航空发动机的发展是一项复杂的系统工程，技术难度大、研制周期长，需要大量的经费投入。据统计，1950—2000年美国在航空涡轮发动机上的研究和开发投入超过1000亿美元。1988—2017年，美国“综合高性能涡轮发动机技术”(IHPTET)和“通用经济可承受涡轮发动机”(VAATE)两项计划共投入87亿美元。GE、罗罗和赛峰近年来在航空发动机领域的科研投入每年都超过10亿美元。一、产业特点——高行业壁垒，长回报周期1.2研制周期长、资金投入大、军民通用性强资料来源：《振兴航空动力，实现民族梦想》、国外战斗机发动机的发展与研究、中航证券研究所典型战斗机发动机研制费用统计代次发动机型号类型研制周期第3代F100全新1969-1974年，F100原型发动机研制费用为4.57亿美元；1980-1985年，改进费用6.6亿美元F110改型F101/B-1发动机研制费用6.21亿美元F101DFE开始研制到其F110发动机交付使用，5.48亿美元F404全新YJ101发动机的总研制经费可能高达1亿美元左右F404发动机全面研制费用为3.36亿美元第3.5代M88全新M88-2发动机研制费用达17亿美元，工业化费用达2.63亿美元第4代F119全新进入EMD（工程、制造与发展）阶段前，美国空军投资18.32亿美元；从1991年进入EMD阶段到2001年，追加投资24.65亿美元F135改型推进系统F135发动机投资为60亿美元典型航空发动机研发投入（亿美元）6042.9719.634.3611.6911.17010203040506070F135（F35）F119（F22）M88（阵风战斗机）F404（F18）F110（F15/F16）F100（F15/F16）8 代次GE航空集团惠普公司验证核心机验证发动机验证核心机验证发动机第1代X370GE1STF200的核心机STF200第2代GE14的核心机GE14JTF22的核心机JTF22第3代GE23的核心机GE23PW685PW690第4代GE29的核心机GE29的核心机PW699第5代XTC-45GE37（XTE-45）XTC-65XTE-65第6代XTC-76XTE-76XTC-66XTE-66第7代XTC-77XTE-77XTC-67XTE-67第8代VAATE第1阶段第9代VAATE第2阶段第10代VAATE第3阶段军民通用性强——基于核心机系列化研制模式，军民一体化推动航空产业发展。由高压压