?航空發動機是技術先進國家基礎性戰略產業。航空發動機是高溫、高壓、高轉速而又要求 重量輕、可靠性高、壽命長、可重復使用、經濟性好的高科技產品，研制難度很大。

航空發動機是以材料和機械制造等為基礎的多學科交叉融合的結晶，它以先進性和復雜性成為 一個國家科技水平、軍事實力和綜合國力的重要標志之一，被譽為“現代工業皇冠上的明 珠”。

航空發動機行業概述

航空發動機簡單可以分為兩大類，活塞式發動機和空氣噴氣式發動機。航空活塞式發動機是依靠活塞在氣缸中的往復運動使氣體工質完成熱力循環，將燃料的化學能轉化為機械能 的熱力機械，它與一般汽車用的活塞式發動機在結構和原理上基本相同，都是由曲軸、兩 岸、活塞、氣缸、進氣閥、排氣閥等組成。

航空空氣噴氣式發動機中，經過壓縮的空氣與 燃料（通常為航空煤油）的混合物燃燒后產生高溫、高壓燃氣，在發動機的尾噴管中膨脹， 以高速噴出，從而產生反作用推力。流進發動機的空氣可以是由專門的壓氣機進行壓縮，也可以利用高速流進發動機的空氣制止而產生高壓來達到，因此空氣噴氣式發動機又可以分為無壓氣機和有壓氣機兩類。

 

圖｜航空發動機及其部件工作原理，來源：北航出版社

第一代渦扇發動機出現在20世紀40-50年代，以英國的康維發動機、美國的 JT3D 發動機 為代表，推重比在2左右；第二代渦扇發動機出現在20世紀60年代，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發動機為代表，推重比在 5 左右；第三代渦扇發動機出現在 20 世紀 70-80 年代，以美國的 F100、歐洲的 RB199 和蘇聯的 AL-31F 發動機為代表，推重比在 8 左右；第四代渦扇發動機出現在 20 世紀 90 年代，以美國的 F119 和歐洲的 EJ200 發動機為代表， 推重比在 10 以上；第五代渦扇發動機出現在 21 世紀初，以美國的 F135 和英、美聯合研 制的 F136 發動機為代表，推重比為 12-13。

未來航空發動機推重比將不斷提高，根據《航空渦輪發動機現狀及未來發展綜述》（焦華賓等，2015 年 12 月，航空制造技術），美國已 經開啟第 6 代航空發動機的研發，預計推重比將達到 16-18。

推重比是衡量戰斗機發動機性能水平和工作能力的一個綜合指標。提高推重比的主要實現 路徑為：1）提高發動機推力（提高分子）；2）降低發動機自重（降低分母）。

IHPTET 計劃的后繼計劃——多用途、經濟可承受的先進渦輪發動機(VAATE)計劃，集中關 注多用途核心機、智能發動機與耐久性三大領域。其旨在通過開發多用途發動機技術，驗證其經濟性，并將先進的渦輪發動機技術轉化應用在型號產品上，以獲得革新的性能改進。VAATE 計劃中提出了技術能力經濟性指標，該指標不僅關注發動機的推重比與油耗，同時還強調研制、生產和維護成本。這反映美國在推進系統技術指導思路上發生了重要變化：改變了IHPTET 計劃中主要以推重比和耗油率為主的評價體系，采用經濟可承受性作為評 價標準，強調向系統綜合要效益。

推重比的提升與發動機熱端材料性能密不可分。現代渦輪噴氣發動機的結構由進氣道、壓 氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰斗機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發動機仍屬于熱機的一種，就必須遵循熱機的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放 能量。因此，從產生輸出能量的原理上講，噴氣式發動機和活塞式發動機是相同的，都需 要有進氣、加壓、燃燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發動機中這 4 個階段是分 時依次進行的，但在噴氣發動機中則是連續進行的。

航空發動機工作過程中的熱力學循環為布雷頓循環。就噴氣式發動機而言，初始狀態 1 表 示大氣氣體狀態，氣體經由進氣道被吸入壓氣機壓縮的過程是 1-2 的等熵壓縮過程，理想 情況下在這個階段，空氣的總熵不變，氣體受壓縮作用使得溫度上升。氣體從點 2 到點 3 是在燃燒室中進行等壓加熱。經過燃燒室加熱后高溫氣體經過渦輪等熵膨脹（對應 3-4 的循環階段），在這個過程中推動渦輪做功，自身內能下降溫度降低。

分析布雷頓熱力學循環 可以看出，3點的溫度越高，氣體在渦輪前內能越高，在經過渦輪時膨脹做功也越多，進而推動發動機產生更大的推力。這一點的溫度也叫渦輪前溫度，是航空發動機的重要設計參數，目前噴氣發動機普遍能到 1400K 以上，一些戰斗機搭載的發動機渦輪前溫度能到 2000K 左右，對發動機熱端材料及冷卻系統設計提出了挑戰。因此，動力領域對工作溫度 要求的提升將帶動相關材料的升級換代。

圖｜熱機卡諾循環熱熵曲線，來源：《熱工學》

航空發動機產品特點及核心壁壘概述

第一，高投入、高回報。航空發動機研制正朝著不斷追求更高的綜合性能的方向發展，其研制難度逐漸增大，所需的研制費用必然大大提高。根據《航空發動機研制降低費用、縮短周期技術綜述》（李華文 等，【航空發動機】，2006 年 4 月），國外 80 年代水平的各類航空發動機的研制經費一般需 5~20 億美元。美國在 1988~2005 年期間實施的 IHPTET 計劃中共投入 50 億美元，在后來 的 VAATE 計劃中 15 年內共投入 37 億美元。

第二，研制周期長。全新研制一型跨代航空發動機比全新研制同一代飛機時間長一倍。根據《基于“結構—材 料—工藝”一體化大工程觀理念的課程建設研究》（牛序銘，【工業和信息化教育】，2021 年 6 月），飛機研制周期一般為 8 年左右，而高性能的航空發動機研制周期長達 15~20 年的 時間（其中包括預先研究）。GE 公司的經典三代渦扇發動機 F110 由成熟的 F110 核心機發展 而來，其研制也耗費了 6 年的時間。我國第一臺自主設計研發的渦噴發動機“昆侖”耗費 了整整 15 年的時間；第三代軍用大推力渦扇發動機“太行”的研制花費了 18 年之久。

圖｜航空發動機研制流程

航空發動機的試驗驗證十分嚴苛。為確保研制的發動機能可靠工作，需對發動機進行大量 的主要零部件試驗和整機試驗，以考核設計、制造與選材等方面是否滿足要求。

第三，服役周期長+耗材屬性明顯。航空發動機壽命的衡量一般按照小時數或循環數來計算。飛機完成一次從起飛到著陸的過 程，被稱為發動機完成一次工作循環。發動機每工作一個循環，就經歷了從啟動到高速運 轉再到關閉的過程，這意味著許多部件受力經歷了從零到最大再到零，長此以往，材料就 會出現疲勞。航空發動機工作壽命往往由材料的疲勞性決定，疲勞性是指使用中因受各種 應力的反復作用而產生疲勞，使制品的物理機械性能逐漸變壞，產生裂口、生熱、剝離、 破壞等，以致最后喪失使用價值的性能，因此具有耗材屬性。

當前航空發動機工作壽命普遍小于飛機服役期限。根據美國國防部數據，以五代戰斗機 F-22 為例，其發動機為 F119 渦輪風扇發動機，發動機總壽命超過 10000 小時。目前美國空軍 的飛行員每人每年的訓練時間為 300 小時，如果每一架單座戰機都配備 2 名飛行員，F-22 每年在空中的飛行時間是 600 小時，則每 18 年需要更換一次發動機。F-22 的預期服役時 長為至少 40 年，并且 F-22 采用雙發動機設計，那么在預計服役期限內，至少需要更換 4 臺 F119 發動機。

基于高風險的特點，各航空發動機巨頭紛紛傾向于基于自身技術特點走出一條航空發動機 產品的系列化、衍生化發展道路。由高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪組成的發動機核心機， 包括了推進系統中溫度最高、壓力最大、轉速最高的組件，其成本和周期在發動機研制中 占比重大，是發動機研制主要難點和關鍵技術最集中的部分。發動機研制過程中發生的 80% 以上的技術問題都與核心機密切相關。

核心機衍生發展發動機產品的主要方式有以下幾種：一是核心機不動，改低壓部件；二是改變流道件或者改變高壓軸轉速，例如 F110-GE-100 發動機與 F110-GE-129 發動機；三是核心機加減級；四是核心機按比例縮放，例如，英國羅羅公司的遄達 800 發動機與遄達 900 發動機。

航空發動機高技術、寡頭壟斷下的衍生化發展模式，確保了一旦以一款成熟的系列產品進入市場，接下來就有望享受 30-50 年的持續穩定盈利。采用衍生化的發展路線，一是可以 繼承原始機型的優點；二是降低新技術臺階的跨度，從而節省經費、縮短周期、降低風險。

航空發動機發展前景分析

我國軍機在數量上與美國存在較大差距，總量提升需求顯著。按各個細分機型來看，戰斗機是我國軍機中的主力軍，總數為 1571 架，但數量不到美國同期的60%，且其他機型的數量都遠落后于美國，我國未來軍機總量提升需求顯著。

除軍機數量外，我國軍機在先進性上也與美國有較大差距，預計兩國軍機質和量的差異將驅動軍機規模擴張和產品升級。我國軍機目前處于更新換代的關鍵時期，預計未來老舊機型將逐漸退役，新型戰機將加速列裝；特種飛機、運輸機等軍機也將有較大幅度的數量增長及更 新換代的需要。我國空軍目前正在向戰略空軍轉型，未來10 年帶來軍機需求規模約 1.95 萬億元。

當前我國軍用飛機正處于更新換代的關鍵時期，未來 10 年現有絕大部分老舊機型將退役，殲-10、 殲-11、殲-15、殲-16 和殲-20 等將成為空中裝備主力，新一代先進機型也將有一定規模列裝運輸機、轟炸機、預警機及無人機等軍機也將有較大幅度的數量增長及更新換代需要。

假設 2021-2030 年二代機全部替換為三代機，且戰斗規模按機種結構達到美國的 1/2，我們 預計未來十年中國軍機將有 1.95 萬億元的市場空間。根據《World Air Forces 2021》，2020 年我國共有殲-10、殲-11、殲-15、殲-16 系列戰機 620 架，殲-20 系列戰機 19 架，作戰支 援飛機 115 架，大型運輸機 264 架，武裝直升機 405 架，通用運輸直升機 902 架，結合前 瞻產業研究院對 2021-2030 年中國軍機需求規模及市場空間預測情況，2030 年市場規模將 達到 19508 億元。

全球客機市場空間廣闊，中國及亞太地區交付預計快速增長。根據中國商飛公司市場預測 年報（2020-2039），2019 年全球噴氣式機隊共有客機共 23856 架。

從全球歷史交付量而 言，以空客為主的歐洲市場和以波音為主的北美市場占總市場的份額較大，分別占比全球 總份額的 20.27%和 27.99%。中國和亞太地區（除中國）分別占比 16.62%和 16.02%，中 國已成為亞太地區接近半數以上的客機交付國家。預計 2020-2039 年中國及亞太地區將在 民航領域快速發展，占據全球約 41.6%的客機交付量。

未來 20 年，民用客機全球市場空間將達萬億級別。據中國商飛預測，2020-2039 年全球將有40664 架新機交付，價值約5.96萬億美元，用于替代和支持機隊的發展。其中，渦扇支線客機交付量為 4318架，價值約為 0.23 萬億美元；單通道噴氣客機交付量為29127架，其占交付總量三分之二以上，價值約為 3.44 萬億美元；雙通道噴氣客機交付量將達 7219 架，總價值約為 2.30 萬億美元。到 2039 年，預計全球客機機隊規模將達 44400 架，是現 有機隊的 1.86 倍。

2020-2039 年，我國國產民用機型市場總規模可達到 13323 億美元。結合民航飛機成本構成中發動機 占比 22%，按美元匯率為 1：6.5 計算，我們預估未來20年民航發動機市場總規模為 19052.21 億元，年均接近千億。

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