常州易控汽车电子股份有限公司
常州易控汽车电子股份有限公司
常州易控汽车电子股份有限公司

新利18官网登录手机版

媒体公告

航空发动机行业深度报告(中):航空发动机产业链分析

发布时间:2022-09-27 01:16:01 来源:新利18官网登录网址 作者:新利18官网手机版下载

  航空发动机全寿命周期要经历研发、制造、维护三大阶段,分别约占全寿命周期价值量 的 10%、45%、45%。

  1、研发:航空发动机的研发阶段成本占全生命周期价值量约 10%,包括设计、试验、 制造三大费用,根据《航空发动机-飞机的心脏》所述,三者占比分别为 10%、50%、 40%。根据《中国航空工业技术政策》,航空发动机研发阶段可以分为预先研究阶段和型 号研制两个阶段,研发费用分别占比 40%和 60%,其中各子阶段研发费用占比为应用 基础 4%、先进部件 26%、技术验证机 10%、型号验证机 50%、工程发展 10%。

  2、制造:航空发动机的采购阶段成本占全生命周期价值量约 45%,主要由原材料、人 工成本等其他成本构成,其中原材料占比最高达到 50%,主要包括高温合金、钛合金、 铝合金等。所谓“一代材料、一代航空发动机”,新型航空发动机的高价值主要体现在材 料端,目前先进航空发动机中高温合金用量高达 40%~60%。

  3、维修:航空发动机维修使用阶段成本占全生命周期价值量约 45%,可以拆分为:零 备件航材:51%;发动机大修和零部件修理:22%;航线%;外场更换周转件: 9%;其他:8%。

  3.1.2 按整机产业链:“原材料、零部件、分系统、整机、维修”五大环节

  1、成型工艺:分为锻造件、铸造件、钣金件、机加工件、3D 打印件等。其中锻造件价 值占比约 15-20%,此外控制系统价值占比约 15%。

  2、功能部件:各机型配套航发“高、低压涡轮”价值占比较高,其他部件根据机型不同 呈现差异化。 1)战斗机发动机:其特征是外涵道小,配有加力燃烧室,因此风扇、外机匣的价值占比 较低,加力燃烧室价值占比高,代表型号如 F100、F101,其加力燃烧室和喷管价值占比 分别为 26%、22.7%; 2)运输机发动机:其特征是无加力燃烧室,因此风扇、机匣价值占比较高,代表型号如 TF39,其风扇、机匣合记价值占比 35.3%,远高于战斗机发动机 F100 的 14.1%; 3)直升机发动机:既无加力燃烧室也无风扇,因此控制系统价值占比较高,代表型号如 T700,其控制系统及附件价值占比达到 22.5%。

  一代材料,一代新型航空发动机,航空发动机材料及其制造技术是提升航空发动机综合 性能的基石。航空发动机是在高温、高压、高速旋转的恶劣环境条件下,要求长期可靠 工作的复杂热力机械,在各类武器装备中航空发动机对材料和制造技术的依存度最为突 出。材料也促进了航空发动机的更新换代:第 1/2 代发动机的主要结构件均为金属材料; 第 3 代发动机开始应用复合材料及先进的工艺技术;第 4 代发动机广泛应用复合材料及 先进的工艺技术,充分体现了一代新材料一代新型发动机的特点。

  目前高温合金和钛合金是航空发动机的主要材料,重量分别占比 47%和 25%。不同材 料由于性能优异点不同,往往用于不同的位置,高温合金耐高温特性,主要用于发动机 热端部件;钛合金虽然密度低可加大航空发动机的推重比,但是由于工作温度不够高, 往往用于航空发动机冷端部件;合金结构钢可承受拉伸、扭转等力的作用,往往用于航 空发动机的轴件;铝合金密度低质量低,但是由于强度不够大,目前仅少量用于航空发 动机冷端部件;复合材料各方面性能优异,未来有望在新型航空发动机上得到广泛应用。

  未来趋势上,持续会有先进的新材料得到应用。总体上看,航空发动机部件正向着高温、 高压比、高可靠性发展,航空发动机结构向着轻量化、整体化、复合化的方向发展,发 动机性能的改进一半靠材料。据预测,新材料、新工艺和新结构对推重比 12~15 一级发 动机的贡献率将达到 50%以上,未来甚至可占约 2/3;在发动机减重方面的贡献率将达 到 70%。我们看到,新材料、新工艺、新结构会持续应用到航空发动机上,如先进的镍 基高温合金、树脂基复合材料(PMC)、陶瓷基复合材料(CMC)等,这就要求航空发动 机处于持续的研制、创新过程中,这也是这行业持续研发投入、高壁垒的原因所在。

  3.2.1 高温合金:先进航空发动机的基石材料,用量占比达 40%~60%

  提高航空发动机的工作温度,是提升发动机推重比的关键手段,最核心手段是应用高温 合金材料。先进航空发动机高温合金用量达到 40%~60%,被誉为“先进航空发动机 的基石材料”。新材料、新工艺对推重比 12-15 发动机的贡献将达 50%以上,从未来发 展来看,甚至可占 67%。因此发展高质量性能的高温合金材料、提高高温合金成品的工 艺水平(比如叶片精密铸造工艺从等轴晶、定向晶,向单晶工艺发展),是高温合金产业 发展必然趋势。

  高温合金从诞生起就用于航空发动机,主要用于航空发动机四大热端部件:燃烧室、导 向叶片、涡轮叶片和涡轮盘,此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。 1)涡轮盘:以变形高温合金和粉末冶金高温合金为主。涡轮盘在四大热端部件中所占质 量最大。 2)涡轮工作叶片:以单晶高温合金为主。涡轮叶片是航空发动机上工作条件最恶劣也是 最为关键的构件。 3)涡轮导向器叶片:以铸造高温合金为主。导向叶片是航空发动机上承受温度最高、热 冲击最大的零件之一,目前国际先进发动机主要使用单晶叶片。 4)燃烧室主要零部件:用量最大、最为关键的是变形高温合金。燃烧室的作用在于把燃 油的化学能释放变为热能,是动力机械能源的发源地。

  高温合金按照工艺路线分类有三大类:变形高温合金、铸造高温合金、粉末高温合金。 其中铸造高温合金根据结晶方式又可以分为:等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温 合金和单晶高温合金 3 类。其中变形高温合金应用范围最广,占比达到 70%多,铸造 高温合金占比为 20%,其余不到 10%。总体上看,变形高温合金的制造工艺难度大于 铸造母合金,因此价格上变形高温合金更高,铸造高温合金产业链的工艺难点在于后续 的精密铸造工艺,也是提升铸造合金产品附加值的重要环节。

  国内从事高温合金生产的单位分为三类,一类是特钢企业,如抚顺特钢、长城特钢、宝 钢特钢等;另一类则是研究院所,如航空材料研究院、中科院沈阳金属研究所,还有钢 铁研究总院系统的专业生产厂家钢研高纳等;还有如图南股份、江苏隆达等民企。(报告来源:未来智库)

  变形高温合金材料:主要供应商包括大型钢铁生产基地以及新兴的变形高温合金厂商。 1)大型钢铁生产基地:抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢等大型钢铁企业,生产批量较大 的合金板材、棒材和锻件; 2)新兴的变形高温合金厂商:西部超导、江苏隆达、图南股份、中信特钢、四川六合、 广大特材等新兴厂商。

  军用变形高温合金拥有极高的壁垒,铸就稳固的竞争格局,预计十四五抚钢仍占据主导 地位。高温合金的工艺为非标准化,因此对研发实力、经验积淀要求很高;下游是航空 发动机等产品也要求非常高的质量稳定性,因此高温合金行业有着非常强的市场先入壁 垒,一旦进入用户的供应链体系,一般不会轻易更换。高温合金供应要 2 步,走完科研 -验证流程、批量供货,前者时间周期很长,后者对质量稳定性、成材率要求很高,因此 我们认为“十四五”抚钢占据军用变形高温合金的主导地位不会变化。

  铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金,具有合金化程度高、 成分范围高、应用领域广阔等特点。其工艺流程较为复杂,包括精选、组装和熔炼等多 个步骤,复杂的工艺流程也使产品更加精细化。广泛应用于制造航空、航天、能源等领 域高端装备核心热部件的高温母合金、精铸件以及高温合金叶片等。

  铸造高温合金产业链中,主要企业分类: 1)铸造高温合金母合金企业:航材院、钢研高纳、中科院金属所、图南股份、江苏隆达; 2)精密铸造企业:一类是黎明、黎阳等航发体系内的精密铸造厂;另一类是钢研高纳、 图南股份、应流股份、安吉铸造、江苏永瀚等体系外的企业。 铸造母合金企业都会涉及铸造制品,母合金+精铸铸造一体化可实现内部工序高效协同 降低成本,提升产品质量,我们后续将铸造母合金+叶片/机匣等铸件统筹分析。

  粉末高温合金在我国高温合金领域应用占比约 10%,钢研高纳为该领域市场占有率达 60%。粉末高温合金是航空发动机涡轮轴、涡轮盘挡板、涡轮盘等关键热端部件的首选 材料。目前世界上只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数国家具备粉末高温合金 研发、生产能力,其中美国和俄罗斯是粉末高温合金研制和工程化应用最成功的国家, 所生产的粉末高温合金制品被用于多个型号的航空发动机。

  我国粉末高温合金产业链中,钢研院、航材院等为粉末高温合金研发做出重要贡献。其 中钢研高纳是国内最早开始研发和生产粉末高温合金制品的企业,目前已研制出 10 余 种型号,其中 FGH4091、FGH4095、FGH4096、FGH4097、FGH4098 等粉末高温合金盘 锻件满足了国家多个重点型号航空发动机的设计和应用需求,市场占有率达 60%,其余 主要厂商是航材院。近年来钢研高纳粉末高温合金业务处于快速发展阶段。

  4、高温合金供需情况:目前严重供不应求,高端航空用高温合金的有效产能远远不能满 足日益增长的市场需求,预计十四五仍然处于供不应求状态。

  1)需求端:航空发动机耗材属性+维修市场启动+远期商发、燃气轮机等提供更大市场, 预计未来 10 年国内航发高温合金市场规模 4555.5 亿元。

  军用航空发动机新机领域:我们预计未来 10 年高温合金市场规模达 869.1 亿元。前文 我们测算出未来 10 年国内军用航发新机市场规模 2897 亿元,按照高温合金价值量占航 发整机价值量 30%计算,那么未来 10 年军用航发高温合金市场规模达 869.1 亿元。 军用航空发动机维修领域:我们预计未来 10 年高温合金市场规模达 873.6 亿元。前文 我们测算出未来 10 年国内军用航发维修市场规模 2496 亿元,由于航空发动机后期维护 修理中,零备件航材、发动机大修和零部件修理成本占比超 70%,并且整机材料成本中 高温合金占比 50%以上,因此我们假设维修一次高温合金价值量占 35%。我们预计未 来 10 年军用航发维修高温合金市场规模达亿元 873.6 亿元。

  2)供给端:目前供给无法满足日益增长的需求。从高温母合金角度来看,我们预计未来 10 年军机航发高温母合金需求量接近 24 万吨,具体测算如下:前文我们已经测算出军 用航空发动机未来 10 年的新机数量,按照高温合金成品重量占发动机 50%、高温母合 金到成品的成材率 10%来计算,未来 10 年军用航发新机消耗高温母合金接近 12 万吨, 上面我们测算未来 10 年军用航发新机和军用航发维修高温合金市场空间相差不多,因 此我们预计未来军机航发高温母合金需求量接近 24 万吨,平均每年需求 2.4 万吨。

  高温合金的生产壁垒非常高,特别对军品来说名义产能并不等于实际生产能力,目前国 内军用高温合金处于供不应求状态。以抚顺特钢为例,2021 年其变形高温母合金产量、 销量分别为 5894、6049 吨,产销率超过 100%,反映下游需求的旺盛以及供应的紧张。 按照抚顺特钢在国内航空航天变形高温母合金市占率超过 80%、变形高温合金在所有高 温合金用量 70%来计算,2021 年国内航空航天高温母合金供应约 1.08 万吨。因此,我 们明确指出,军用高温合金“十四五”期间仍将处于供不应求的状态,由于其高壁垒尤 其是大批产的难度极高、周期极长,所以中期核心仍然是产能释放节奏,2022 年镍价 大幅上涨仅是短期因素。

  1)从壁垒环节来看,高温合金的研制壁垒是高于其他环节的,其中最难的环节是变形高 温合金、精密铸件。变形高温合金的研制壁垒高于下游锻造环节;铸造母合金的壁垒低 于变形高温合金,但精密铸造尤其是涡轮叶片的铸造技术壁垒极高。

  2)量的增速:消耗属性是装备链条增速的核心影响因素之一,从消耗属性角度看“高温 合金航空发动机军机”,再叠加国产替代的需求,因此高温合金产业相对于下游军机 装备增速更高。相对于军机,航空发动机的需求来自于军机放量增长,以及实战化训练 强度加大会拉动消耗;而相对于航空发动机,高温合金制成的高温件维修更换频率更高, 此外还有海外进口替代逻辑,因此高温合金产业相对于军机行业发展增速会更高。

  首先看收入增速:原则上高温合金由于有耗损维修所以收入增速相对主机会更高,但是 由于航发维修市场在 2021 年后才逐渐起来(此前规模更小),因此收入相对增速并不明 显,从历年的 CAGR 来看表现为各企业业务拓展带来的收入增速更高。如钢研高纳、图 南股份 2014-2021 年高温合金业务相关收入 CAGR 分别为 18.22%、20.29%,而 2014- 2021 年航发动力航发及衍生品业务收入 CAGR 为 11.39%。

  其次看盈利的增速:相对于下游总装,上游的材料受军品定价机制影响较小,更多是货 架产品因此拥有相对市场化的定价机制,重要的是材料更容易形成规模效应,因此高温 合金材料企业盈利弹性相对于下游总装有望更强。如图南股份、钢研高纳 2014-2021 年 归母净利润 CAGR 分别为 61.85%、15.63%,而航发动力 2014-2021 年归母净利润 CAGR 仅 3.45%,突显出上游原材料的盈利弹性强于下游总装厂。

  1)镍等原材料价格上涨对短期业绩的影响是存在的。由于俄乌战争下俄罗斯镍出口受 阻以及能源价格上涨带来的通胀效应等因素,2022 年以来镍价持续上涨,截止 4 月 28 日沪镍含税价 23.39 万元/吨,较年初上涨超过 50%,而航空航天用量的最大变形高温 合金 GH4169 含镍量约 50%,因此镍价上涨将直接影响高温合金类企业盈利能力。

  我们以抚顺特钢为例进行具体分析,一方面通过多种举措应对原材料价格上涨,另一方 了核心矛盾仍是扩产,长期视角下是重要战略布局窗口。

  1)产品涨价:根据我的钢铁网、钢企网,针对成本端上涨,抚钢已于 2022 年 1 月 24 日和 3 月 18 日两次提出涨价通知。第一次涨价通知:自 2022 年 2 月 1 日起接收的甲类 钢产品订单,针对合金元素含量镍+钴≧5%的产品价格上调不低于 10%;其余产品价格 上调不低干 5%。第二次涨价通知:对 2022 年 3 月 18 日零时起接收的合同订单在 3 月 17 日基价的基础上,针对所有品种的特钢产品,每含 1%钼、钒、镍分别上调 200、400、 500 元/吨。我们预计随着涨价逐步落地,大概率是航发整个产业链共同承担原材料价格 的上涨。可以参考航宇科技 2021 年报:国际原材料价格已经开始逐渐出现不同程度的 上涨,交付周期也有所延长;国内原材料供应商近期也有较为强烈的上涨预期。由此, 公司 2022 年或会面临主要原材料价格上行的现实压力。

  2)多使用库存返回钢:尽力高效回收返回钢中铬、镍、钴、钼等高价主元素,多消化积 压返回钢,抚钢于 2022 年 2 月共回收二类返回钢 1 万余吨。

  3)提升成材率:抚钢通过调整工艺路线(优化锭坯型、减少钢材头尾损失、降低精整损 耗等)来提高成材率。2022 年 2 月,一方面公司锭、坯型选用与策划符合率达到 100%;另一方面公司通过优化电渣冶炼工艺减少成品材切割量,使电渣锭成品材成材率比 2021 年平均水平提高 1.64%。

  4)核心仍然是扩产,产量持续释放带来规模效应:2022 年抚顺特钢再次发布新扩产计 划,未来随着重要生产项目和技改项目持续进展,新增产能将带来更大产量,预计 2022 年“三高一特”核心产品产量达到 7.5~8.5 万吨。我们预计随着新产能投放,在设备增 多的情况下,批产后的规模效应将快速显现。

  此前项目:为了提升公司特钢产能,公司于 2020 年 3 月 1 日和 2021 年 3 月 1 日分别 公告投资建设生产项目和投资建设技术改造项目公告,多个项目预计 2022H1 开始陆续 进入投产。

  新扩产项目:为突破公司重点产品产能瓶颈,进一步提高公司产品交付能力及产品质量, 公司拟继续投资建设相关技术改造项目,计划投资总额 10.76 亿元,主要投入提升产能 及产品质量技术改造项目、节能环保技术改造项目、信息化建设项目三大项目,建设周 期均为 2022~2023 年,将进一步提升公司产能、绿色发展水平以及高端化、信息化、智 能化发展水平,提升公司效率。

  钛合金拥有良好的耐腐蚀性、抗疲劳性及较高的比强度,并且对于减轻航发重量具有不 可替代的作用,因此被广泛应用于航空发动机的冷端部件。钛的密度比钢小 40%却有着 相同的强度,同时具备较好的耐热性、耐蚀性、弹性、抗弹性和成形加工性,已成为先 进航空发动机的主要结构材料之一,主要用于发动机的压气机盘、叶片、鼓筒、高压压 气机转子、压气机机匣、罩、轴类等冷端部件。

  目前航空发动机的钛合金重量占比已逐步增加至 25%以上。国外来看,美国第 3 代发 动机 F-100 的钛合金用量 25%,第 4 代发动机 F-119 钛合金用量已达 40%。据曹春晓 院士《钛合金在航空工业中的应用》,我国第二代航空发动机钛合金用量约 13%-15%, 第 3 代航空发动机(太行发动机)中钛合金用量达到 25%,在研的军用涡扇发动机钛用 量预计为 30%~35%,在研的商用涡扇发动机钛合金用量预计为 23%左右,未来先进军 用航空发动机放量叠加商用航空发动机将大大增加钛合金需求。

  我国军用钛材产业链完整,大致分为三大环节:1)上游资源产业:包括钛铁矿、金红石 等钛矿资源,以及由钛铁矿加工而成的人造金红石、钛渣和四氯化钛;2)中游制造加工: 包括海绵钛的还原或熔盐制取,进而熔铸钛锭和钛加工材(锻件、坯棒板管线)下游应用:锻造厂将钛加工材加工为钛结构件,最后装在航空发动机或者飞机上。

  钛合金供需情况:军用领域供不应求,低端民用领域竞争激烈。 1)需求端:国内航空航天等高端领域钛材需求量保持快速增长。目前国内钛材需求由过 去的中低端需求(低端化工、冶金和制盐等领域)逐步转向中高端需求(高端化工、航 空航天和海洋工程等领域),其中航空航天领域钛材消费近几年保持快速增长, 2017~2020 年的复合增速高达 24%,其中 2020 年更是高达 36.7%。

  我们测算未来 10 年国内航发用钛合金市场空间高达 2903.88 亿元。 军用航空发动机新机领域:我们预计未来 10 年钛合金市场规模达 579.4 亿元。前文我 们测算出未来 10 年国内军用航发新机市场规模 2897 亿元,那么按照钛合金价值量占航 空发动机整机价值量 20%计算,那么未来 10 年军用航发钛合金市场规模达 579.4 亿元。 军用航空发动机维修领域:我们预计未来 10 年钛合金市场规模达 449.28 亿元。前文 我们测算出未来 10 年国内军用航发维修市场规模 2496 亿元,由于航空发动机后期维护 修理中,零备件航材、发动机大修和零部件修理成本占比超 70%,并且整机材料成本中 钛合金占比 25%以上,因此我们假设维修一次钛合金价值量占 18%。我们预计未来 10 年军用航发维修钛合金市场规模达亿元 449.28 亿元。

  2)供给:目前国内我国现有钛材加工企业约 160 家,但主要集中在民用中低端领域, 供应高端航空发动机用钛合金的企业主要有:宝钛股份、西部超导和西部材料。其中宝 钛股份为传统龙头,产品线齐全,下游分布广泛,目前在航空航天用钛合金领域保持绝对领先地位。西部超导为棒材领域新晋龙头,其钛合金收入以军品为主。

  除航发外,钛合金对于减轻军机机体结构重量、提高结构效率等方面作用无可替代,其 应用水平已成为衡量军机先进性的重要指标。因此,钛合金产业链上公司也会伴随新型 军机的加速列装获得快速发展。由于钛合金比强度高,同时具备较好的耐热性、耐蚀性、 弹性、抗弹性和成形加工性,因此其在机体结构件如起落架部件、机身梁、框等得到广 泛应用。当前欧美各种先进战斗机和轰炸机中钛合金用量已稳定在 20%以上,2005 年 服役的美国第四代战机 F22 用钛量高达 41%,其机身主承力梁和框架采用钛合金整体锻 造而成,达到了全球战斗机和轰炸机钛用量的顶峰。曹春晓院士在“一代材料、一代飞 机”论坛中提到我国军机钛用量已由二代机 J-8 的 2%提升至四代机 J-20 的 20%。

  要持续提升航空发动机性能如高推重比、低耗油等,则必须在新材料、新工艺应用、新 结构设计等方面取得更多更大突破,对于推重比 15~20 的发动机,新材料、新工艺及 相应新结构对提高推重比的贡献将达 50~70%,使用创新型的复合材料是极其关键的 手段之一。具体如,在发动机低温部件(外涵机匣、风扇机匣等)使用树脂基复合材料 (PolymerMatrixComposites,PMC)或金属基复合材料(MetalMatrixComposites,MMC); 在 高 温 部 件 ( 火 焰 筒 、 涡 轮 导 叶 、 喷 管 调 节 片 等 ) 使用陶瓷基复合材料 (CeramicMatrixComposites,CMC)。目前复合材料已经开始逐渐应用于新一代航空发动 机结构中,如 LEAP-X、GE90 发动机风扇叶片均使用树脂基复合材料,F414、EJ200 发 动机燃烧室均使用陶瓷基复合材料等。

  应用趋势上看,先进航空发动机中使用复合材料的比重逐年提高。以 CMC 为例,根据 《航空发动机结构分析》,在 2000 年左右,CMC 材料仅占发动机总重量的 0.8%,而这 一比例在 2015 年被提高至 7.1%,且根据 GE 官方预测,未来 10 年航空发动机市场对 CMC 的需求将递增 10 倍,因此航空发动机复合材料的应用不容小觑。

  被视为取代航空发动机高温合金、实现减重增效“升级换代材料”之首选。在军用发动 机上,CMC 工作温度高达 1650℃,将成为替代航发高温合金最具应用潜力的材料;在民 用发动机上,根据英国宇航专家 AndrewWalker 教授预测,截至 2020 年飞机飞行燃油成 本还会进一步下降 29%~31%,其中 17%~19%源于发动机,特别是受益于陶瓷基复合 材料的广泛应用。

  CMC 产业链:陶瓷纤维以火炬电子为代表,CMC 材料制备商以西安鑫垚、航天科技材 料研究所等为代表。CMC 由陶瓷基体和增强纤维组成。我们可以用“钢筋混凝土”形象 地比作 CMC,陶瓷基体好比水泥,增强纤维好比钢筋,复合在一起形成 CMC。陶瓷基体 如 PCS;增强纤维如 C 纤维、氧化铝纤维、SiC 纤维、Si3N4 纤维等;复合工艺又包括 CVI、PIP、SIHP、RMI 等手段。

  树脂基复合材料是大涵道比涡扇发动机风扇端增效减重的首选材料。大涵道比涡扇发动 机风扇部件占发动机总质量较大,如涵道比为 5 的 CF6-80C2 发动机风扇质量占总质量 的 20%,涵道比为 10 的 GEnx 发动机风扇质量占总质量的 30%。根据《商用航空发动 机先进复合材料风扇叶片研究进展》,与传统的钛合金叶片相比,使用树脂基复合材料可 以将叶片数量减少约 50%,减轻重量约 66%,提高效率,减低噪声和振动。经过数十年 的发展,树脂基复合材料风扇叶片已经发展出四代,工艺水平已经由早期的热压成形发 展至如今的 3D 编制,RTM 成形。(报告来源:未来智库)

  在航空发动机中高温区域(600~800℃),使用金属基复合材料,可以大幅减少结构重 量,提高推重比。金属基复合材料是指将不同尺寸、形态(包括纤维、晶须、颗粒、纳 米颗粒等)的无机非金属(或金属)增强体添加到金属基体中形成的新型材料。例如, 罗罗公司制备的 SiCf/Ti 金属基复合材料叶环质量减少 37%,使用温度提高 10%,转速 提高了 15%;GE 公司研制的 SiCf/Ti 复合材料低压涡轮轴,通过 SiC 纤维沿轴向呈 45° 缠绕,可以使 SiCf/Ti 低压涡轮轴承受非常高的扭矩,从而替代钢制涡轮轴实现重量的大 幅减少。近年来,北京航空材料研究院、西北工业大学、中国航空制造技术研究院和中 国科学院金属研究所在 SiCf/Ti 复合材料研究方面均获得技术突破。

  4、布局航发复合材料的上市公司:主要是用于制造 CMC 的特种陶瓷纤维厂商(火炬电 子)、树脂基复合材料的预浸料厂商(中航高科)。

  武器装备的隐身是指通过控制和降低武器装备特征信号,使其难以被探测、识别、跟踪 和攻击,主要通过外形设计和使用隐身材料来实现。外形设计是通过降低武器装备的雷 达散射截面以实现隐身,但受制于战术技术指标、环境条件等方面限制导致设计难度极 大,因此隐身材料也成为了武器装备实现隐身的关键技术,其根据探测技术可分为雷达 隐身、红外隐身、可见光隐身、多频谱隐身等。

  四代机及未来军机对隐身提出较高要求,促使航空发动机隐身技术的不断发展。航空发 动机后腔体及其内部件和边缘等产生的雷达散射信号、后腔体及其热端部件和尾喷流等 产生的红外辐射信号占整个飞机尾部方向特征信号的 95%以上。此外,发动机喷管的颜 色、腔体反射及尾喷流产生的高温热态水蒸气遇冷产生的尾迹会对飞机的可见光隐身产 生较大困难。如果发动机不能实现后向的隐身,则隐身飞机无法实现全方位的隐身。

  美国先进航空发动机 F-119、F-135 已将隐身材料投入应用。航空发动机常用隐身技术 措施可分为红外隐身、雷达隐身、可见光隐身等,在发动机内外不同部件又采取不同技 术措施以实现隐身如隐身材料、风扇雷达修形、二维矢量喷管等。代表型号是美国四代 发动机 F119 和 F135,其采用了大量的隐身材料如红外隐身涂层、雷达吸波涂层等,可 在不改变结构设计的前提下降低红外辐射和 RCS(雷达截面积)。

  由于隐身材料的性能和质量在相当大的程度上决定着武器装备关键构件的使用性能和 服役周期,因此相关武器装备对于隐身材料的性能、质量的要求非常高,目前国内仅有 少数企业能够进行高性能、实战化隐身材料的研制生产。其中华秦科技是国内唯一能够 全面覆盖常温、中温和高温隐身材料设计、研发、生产的企业,在中高温隐身材料领域 处于领先地位,产品在多军种、多型号装备实现装机应用,我国从事隐身材料先相关产 品的企业还包括光启技术、佳驰电子等。

  根据结构形式,可以将航空发动机的机械部件分为:叶片类、盘类、轴类、机匣类、钣 金、齿轮、轴承等部件,根据各部件材料,可以将其分为钛合金部件、高温钢合金部件、 复合材料部件,根据各部件毛坯制备方式,可以将其分为铸造件、锻造件、钣金件等。

  典型零部件如涡轮叶片、压气机叶片、风扇叶片(以商用航发碳纤维叶片为例)等,可 以通过详细的生产流程看到其所涉及的工艺环节以及生产厂商。

  精密铸造工艺壁垒极高,也是铸造母合金产品附加值大幅提升的关键工艺环节。以图南 股份为例,2019 年其铸造母合金和精密铸件单价分别为 24.41 万元/吨和 1061.78 万元 /吨。航空发动机精密铸造的产品主要是:涡轮叶片、机匣等热端部件。

  涡扇发动机叶片按部件分为:风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片。其 1)涡轮叶片:属 于热端部件,处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位,被列为第一关键件,主 要采用主要工艺,分等轴晶/定向晶/单晶三类叶片,涡轮叶片占叶片价值比超过 60%。 涡轮叶片的性能水平,特别是承温能力,成为一种型号发动机先进程度的重要标志,在 一定意义上,也是一个国家航空工业水平的显著标志。2)风扇、压气机叶片:属于冷端 部件,采用锻造工艺成型,价值从数百元到数万元每片不等,价值量占比 30%-40%。

  涡轮叶片:由于所处温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件, 拥有极高的工艺壁垒,对质量、稳定性等指标要求非常苛刻。先进航空发动机的燃气进 口温度达 1380℃,推力达 226KN。涡轮叶片承受气动力和离心力的作用,叶片部分承受 拉应力大约 140MPa;叶根部分承受平均应力为 280~560Mpa,相应的叶身承受温度为 650~980℃,叶根部分约为 760℃。提升航空发动机的性能就必须提升其关键部件涡轮 叶片的性能。涡轮叶片的性能水平(特别是承温能力)成为一种型号发动机先进程度的 重要标志。从某种意义上说,未来发动机叶片的铸造工艺直接决定了发动机的性能,也 是一个国家航空工业水平的显著标志。

  涡轮叶片属于热端部件,主要使用精密铸造工艺,制造难度很大。高温合金的熔模精密 铸造是航空发动机和重型燃气轮机用涡轮叶片的核心制造工艺,是推进“两机专项”工 程的关键技术之一。尤其是在我国,当前熔模精密铸造技术的发展对于两机专项工程的 建设具有重要的战略意义。我国已明确提出了大涵道比大型涡扇航空发动机、F 级及 G/H 级重型燃气轮机等重点型号的研制路线图,对应的高温涡轮叶片、大型整体铸造机匣等高难度熔模精密铸件的研制将是型号成功的重要前提。 目前只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数几个国家少数厂商能够制造单晶涡轮 叶片,技术更迭慢导致弯道超车的机会较少。

  我们预计未来 10 年国内航空发动机铸造叶片市场空间 2806 亿元。叶片是航空发动机 的关键零部件,制造量占航发整机 1/3 左右,根据 Rand 统计,在三代战斗机发动机 F110 全寿命周期部件维护费用中,包括涡轮工作叶片、涡轮导向叶片和核心机在内的热端部 件占航空发动机整机维护费用的 41%,因此我们粗略估计,在航空发动机全寿命周期(包 括新机和维修)叶片价值量占发动机整机比例为 40%。再考虑铸造叶片占发动机叶片价 值量超过 60%,因此我们估计铸造叶片占航发全寿命周期价值为 25%左右。前文我们 已经测算未来 10 年国内航发市场空间为 14769 亿元,那么算得未来 10 年国内航发铸造 叶片市场空间为 3699 亿元。

  2、机匣:被称作航空发动机的“骨骼”,是航空发动机上的主要承力部件,它为发动机 核心部件如风扇、转轴、叶片、燃烧室及涡轮提供了安全的密闭空间,不同的发动机、 发动机不同部位的机匣形状各不相同,但基本特征是圆筒形或圆锥形的壳体和支板组成 的构件。一台航空发动机一般有 6~8 个机匣,包括风扇机匣、压气机机匣、燃烧室机匣、 高压涡轮机匣、低压涡轮机匣等。其中燃烧室机匣由于工作温度要求非常高且受力方式 复杂,目前主要采用整体精铸成型工艺,而其他部位机匣主要采用精锻工艺。

  与传统的锻焊成型工艺相比,整体精铸成型是燃烧室机匣的发展趋势。传统燃烧室机匣 大多采用“板材弯曲成型-锻件粗加工-焊接机加工成型”工艺,须经过多道工序,不仅由 于焊缝多而密导致变形严重、刚性差,而且制造周期长、材料利用率低、成本高。大型 整体构件超薄壁精密铸造技术是燃烧室机匣制造技术发展的方向,大大简化了零件制造 过程,仅需要一道精密铸造工序即可完成薄壁整体构件的制造,可取消许多后续加工工 序,减少零件数量、显著降造成本。整铸机匣与锻焊成形机匣相比刚度高、无焊缝, 壁厚可降至 2mm,对于降低重量、提高推重比具有重要意义。

  假设精铸机匣单价均取可参考型号情况,我们测算未来 10 年国内航空发动机新机精铸 机匣市场空间为 84 亿元。

  1)精铸叶片:主要供应商包括贵阳精铸、北京航材院、钢研高纳和航发主机厂旗下叶片 厂,其他新参与者包括应流股份、万泽股份、江苏永瀚等; 2)精铸机匣:主要包括图南股份、安吉精铸以及航发主机厂旗下铸造厂。

  从投资的角度来看,航空发动机铸造环节如精密铸件往往用于热端部件,如涡轮叶片等, 工作环境相比于锻件更为恶劣,因此其加工工艺更为复杂,对于浇铸过程控制、模壳材 料、凝固过程控制等方面均有很高的要求,造就了更高的准入壁垒,产业链上企业的竞 争格局相较于其他环节也更为稳固,获得长期增长确定性更强,有望享受更高估值溢价。

  航空发动机中的主承力结构或次承力结构件通常由锻件制成。锻造是利用锻压机械对金 属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、形状和尺寸锻件的加工 方法。根据锻件的尺寸和形状、采用的工装模具结构和锻造设备的不同,锻造主要可分 为自由锻、模锻、辗环。锻造相比于铸造,能消除金属的铸态疏松、焊合孔洞。

  1、产业空间大:航发锻件占到整机价值量的 15%~20%,预计未来 10 年我国航发锻 件市场空间 2585 亿元,具体看三大发展机遇: 1)军用航空发动机批量生产:在建设战略空军的背景下,军用飞机升级换代,进而带动 军用航发批量生产,从而带动对上游锻件需求大幅增长,此外实战化训练背景下,军用 航发维修频率增加也进一步提高了对锻件的需求。我们测算未来 10 年国内军用航发锻 件市场空间为 944 亿元。

  军用航发新机:前文我们测算未来 10 年国内军用航发新机市场规模 2897 亿元,考虑航 发锻件占到整机价值量的 15%~20%,对应军用航发新机锻件市场空间 435~579 亿元, 取中值为 507 亿元。 军用航发维修:前文我们测算未来 10 年国内军用航发维修市场规模 2496 亿元,考虑航 发锻件占到整机价值量的 15%~20%,对应军用航发维修锻件市场空间 374~499 亿元, 取中值 437 亿元。

  2)国产商用航发批产:我国商用航空发动机 CJ1000、CJ2000 处于研制定型阶段,一旦 批产将带来巨大市场。前文我们测算未来 10 年国内商用航发市场规模 9376 亿元,考虑 航发锻件占到整机价值量的 15%~20%,对应商用航发锻件市场空间 1406~1875 亿元, 取中值为 1641 亿元。

  3)国际航空零部件转包业务逐渐向中国及亚太地区转移。国际航空零部件主要采用转 包生产模式,一方面,随着中国航空零部件制造商的涌现,生产工艺和技术水平不断提 高,产品质量和稳定性能够满足国际航空发动机制造商的高品质要求;另一方面,出于 降低成本、提高盈利能力的考虑,国际航空发动机零部件转包业务逐渐向中国及亚太地 区转移,为中国及亚太地区领先的航空发动机环锻件研制企业带来了发展机遇。

  2、壁垒较高,产业格局较好:航发锻造的壁垒体现在市场准入、技术门槛较高,因此竞 争格局较好;但总体上研判技术壁垒、竞争格局上航发铸造业务或许更优。

  市场准入门槛高:航空发动机零部件性能直接影响航空发动机的性能和服役周期,航空 发动机制造商为保证航空发动机性能,通常在整机研发的同时要求航空发动机零部件生 产企业配合其进行同步研发,航空发动机零部件从研发设计、首件试制到产品定型批量 生产的周期较长,因此整个跟研体系铸就了航发锻造业务的准入门槛较高,新进入国内 航空锻造的企业从参与预研到达到批产,需要较长周期,现有企业拥有较好的先入优势。

  技术门槛高:由于航空锻件需满足高性能、长寿命、高可靠性的要求,且要求各批次产 品之间有较高的稳定性和一致性,因此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,能够掌握先进航空材料的材料变形规律与组织性能之间的关 系,产品设计和生产制造水平要求高,因此行业技术水平要求较高,属于技术密集型行 业。技术密集型行业的特征包括材料应用技术、产品制造技术和工艺水平、产品应用领 域、产品性能和精度和产品过程控制水平等方面。

  2)航空发动机锻造业务的竞争格局较好。如国内进行高性能、高精度航发环锻件生产厂 商大约 3 家,贵州安大(中航重机子公司)、派克新材、航宇科技。总体上看,国内从事 航空发动机锻造的公司主要有:中航重机、派克新材、航宇科技、航亚科技、二重万航、 钢研高纳、三角防务、西南铝业等。

  3、航空发动机锻造是典型的重资产生产模式,规模效应下盈利能力突出。重资产行业的 企业具有相对刚性的固定资产折旧,在企业收入规模还没起来或者萎缩的时候,会导致 净利率水平大幅下降;而在行业复苏之时,叠加行业低谷时期低端产能的出清,优秀企 业的营收规模与市占率都会提升,此时仍是相对刚性的固定资产折旧,规模效应下盈利 弹性会凸显。

  1)相对稳定的固定资产折旧,带动盈利能力提升。航空发动机锻造行业需要巨额启动成 本用于购买先进生产设备、熟练劳动力等,呈现出重资产行业特征。比如中航重机 2013~2021 年均有相当体量的资本性支出,对应后续每年均有 3 亿元左右体量的折旧与 摊销;此外派克新材和航宇科技每年也有相对刚性的固定资产折旧。因此,当行业迎来 景气周期之时,企业在收入端的快速提升会显著正向影响企业的净利润率。

  2)扩产相对于铸造更为简便更容易带来规模效应强,带动盈利规模提升。当航空发动机 进入大批量生产阶段,锻造环节一方面更容易形成大批量生产(相对材料端扩产更简便、 相对铸造端业务发展更顺畅),另一方面规模效应下可以带来突出的盈利水平,因此中航 重机、派克新材、航宇科技的归母净利润增速自 2020 年备战以来明显提速。

  与上游变形高温合金相比:锻件产品主要生产流程包括加热、锻压、热处理、机加工、 性能检测等环节,所需要的主要设备为锻压机、辗环机、热处理炉,相对来说扩产更加 简便。而变形高温合金由于需要经过“真空感应+电渣重熔+真空自耗”三联熔炼工艺, 除了精锻机、机床等设备外,还需要真空感应炉、电渣重熔炉、真空自耗炉等设备。 与精密铸件相比:精密铸件往往用于热端部件,如涡轮叶片等,工作环境相比于锻件更 为恶劣,因此精密铸件产品加工的工艺更为复杂,对于浇铸过程控制、模壳材料、凝固 过程控制等方面均有很高的要求。而锻件业务的工艺流程相对更加简单,因此业务发展 也更为顺畅。

  4、锻造行业未来展望:目前我国航空航天领域锻造类企业呈现较强的盈利能力,但长期 来看原材料如高温合金等涨价顺势向下游锻造环节传导是必然趋势,且行业内众多企业 已开始进行大规模的募投扩产,产业链竞争格局仍然值得思考。

  1)毛利率:直接材料作为最主要的营业成本,是影响锻造企业毛利率的核心因素。我们 详细拆分 2021 年中航重机、派克新材、航宇科技三家企业航发锻件相关业务的营业成 本,直接材料均是最为主要的营业成本,分别占比 75%、79%、83%。此外制造费用均 为第二大营业成本,航宇科技招股书将委外加工、折旧、燃气动力等均归为制造费用, 按照此方法分类,2021 年中航重机、派克新材、航宇科技航发锻件相关业务中制造费用 占比分别为 14.5%、9.4%、8.9%。

  2)直接材料:航空发动机锻件主要材料为高温合金,对应上游镍资源,因此镍价波动会 先影响上游材料企业,再影响中游锻造企业。2019Q1 至 2019Q3 镍价出现较大幅度上 涨(2019 年 1 月 2 日为 10440 万美元/吨,2019 年 9 月 30 日为 17570 万美元/吨),对 应 2019(1-9)抚顺特钢高温合金平均售价同比增长 10.78%,反映到 2019 年中航重机 和航宇科技航发锻件相关业务的直接材料占营收比分别提升 1.6、1.7pct(派克新材 2019 年航空航天锻件一期项目生产设备以及机物料消耗等增加导致制造费用占比大幅提升)。

  3)制造费用:随着收入规模增长,规模效应下制造费用占比不断下降,给毛利率以正向 影响。如中航重机锻造产品制造费用占营收比由2017年的19.9%降至2021年的14.5%, 派克新材航空航天锻造产品制造费用占营收比由2019年的14.7%降至2021年的9.4%, 航宇科技航空锻造产品制造费用占营收比由 2017 年的 18.2%降至 2021 年的 8.9%。

  4)竞争格局展望:目前我国航发锻造参与企业较多,陆续很多公司上市后都在积极扩产, 锻造产业的盈利模式很好但带来的是竞争者较多,因此锻造企业可以将航发作为基本盘, 不断在军机、航天导弹、新能源如风电/核电等领域逐步拓展带来新的业绩增长点。

  钣金件是将金属薄板(6mm 以下)通过手工或模具冲压使其产生塑性变形,形成所希 望的形状和尺寸,并可进一步通过焊接或少量的机械加工形成更复杂的零件。与锻件、 铸件不同的是,钣金件是一种冷加工工艺,包括剪、冲/切/复合、折、铆接、拼接、成型 等,其显著特征就是同一零件厚度一致,该方法生产效率高、原材料消耗少、生产成本 低,而且可以有效改善材料的组织和力学性能,具有重量轻、强度高、导电、成本低、 大规模量产性能好等特点。

  目前钣金件主要用于航空发动机的火焰筒、喷管等部位。 1)火焰筒:整环结构中前后各有一个法兰用于安装固定,中间为均匀壁厚、带有一定曲 率的薄壁结构(壁厚通常小于 2mm),传统的锻件+机加工的工艺路线成本高、加工周期 长,而且随着壁厚减薄,零件刚度下降,加工变形问题越来越突出。因此目前中间均匀 壁厚部分采用钣金成形,前后法兰采用锻件+机加工制备。 2)喷管:作为航空发动机中的重要零件,其成形质量直接影响发动机的性能和安全。由 于钣金件生产成本低、生产效率高,可以成形出空间结构复杂的零件,因此这类零件大 多采用钣金成形的工艺方法。(报告来源:未来智库)

  机加工指通过机械设备对工件的外形尺寸或性能进行改变,从而得到所希望得到的零部 件的过程。机加工是航空发动机中如叶片、叶轮、机匣、盘轴类等高附加零部件加工成 型前的最后一道工序,其作用是进一步提升零部件的精细程度,在整个生产制造中处于 关键环节,且加工难度很大一旦出现误差将造成整个零件报废。

  航空发动机零部件对机加工精度要求极高,机加环节材料切除率高达 60%以上。虽然 数控加工技术与设备已成为航发零部件机加的主流方式,但由于现代航发广泛采用难加 工材料且对加工精度要求极高,导致机加环节毛胚材料切除率极大,典型如机匣、压气 机风扇、整体叶盘等零件毛坯均为整体模锻件,其外轮廓极其复杂,造成锻造毛坯余量 大且分布不均匀,导致机加环节材料切除率高达 60%以上。

  我国从事航发零部件机加工企业主要以航发集团旗下单位为主。由于航发零部件对于加 工精度要求极高,目前参与单位主要包括航发动力、航发科技、爱乐达等。航发动力作 为我国航发龙头,在设备、人员等方面均具有明显优势,其机加工艺在国内处于绝对领 先水平。航发科技主营两机零部件,内贸产品直接配套某主机厂,市占率达到 100%; 国际转包业务具备 30 余年发展历史,形成了机匣、叶片、钣金、轴类产品专业制造平 台,与 GE、RR 等全球两机巨头形成长期稳定合作关系。此外,民营企业如爱乐达也向 航发集团提供零部件但其主要收入来源以军机为主。未来趋势上,我们预计随着航发集 团小核心大协作的深度推进,部分优秀民营企业或有望承接航发机环节外溢订单。

  3D 打印(增材制造)是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制 造技术。传统的减材制造方式即在锻造、铸造后使用车、铣、刨、磨等方式对材料进行 切削加工,批量化制造零部件,已有 300 多年历史。3D 打印作为颠覆传统制造方法的新 制造技术,利用增材制造方法,采用材料累加方式,利用三维设计数据在一台设备上快 速而精确地“自下而上”的“自由”制造出任意复杂形状的物品,目前仅 30 多年历史。

  3D 打印成品具备诸多优点,但是目前产业尚不够成熟。与传统的锻造、铸造+机加工制 造方式相比,3D 打印的金属零部件具备轻量化减重、实现复杂内腔结构、实现零件整体 化功能集成、实现修复与再制造等优点,但是由于其仅仅经过 30 多年的发展,因此目前 在应用的广度、深度、成熟度等方面均存在较大的差距。尤其对于技术要求非常高的金 属 3D 打印,需要考虑前期的优化设计、设备的技术水平及稳定性、打印效率、成本价 格、批量化的实际经验等众多因素。目前 3D 打印产业链并没有像传统加工制造产业那 样,在各个细分领域都有专业公司提供对应服务,全球巨头如 Stratasys、3DSystems、 GE 增材、EOS 等均通过自主研发、持续并购等方式,加速布局 3D 打印全产业链。

  由于 3D 打印的金属零部件具备轻量化、可实现复杂内腔结构等优点,因此适合应用于 航空发动机机匣、叶片等零部件。对于机匣、燃烧室喷嘴、叶片等零部件,由于其内部 结构复杂、生产周期长、生产过程质量控制难度大,再加上下游航发对零部件质量及稳 定性要求极高,因此 3D 打印是非常适合生产航发零部件的制造方法。目前国内 3D 打印 龙头铂力特已经将 3D 打印应用至航空发动机的机匣、喷嘴和叶片,其中喷嘴已经实现 批量化供货。

  铂力特是国内最具产业化规模的 3D 打印企 业,覆盖 3D 打印全产业链,包括原材料、设备、定制化产品服务和工艺设计开发,下游 涉及航空航天、工业机械、能源动力、轨道交通、汽车制造、船舶制造、电子工业、模 具制造及医疗研究等领域。公司在国内航空航天3D打印金属零部件领域具备高市占率, 客户包括中航工业下属单位、航天科工下属单位、航天科技下属单位、航发集团下属单 位、中国商飞、中国神华能源、中核集团下属单位、中船重工下属单位以及各类科研院 校等,还成为空客金属 3D 打印服务合格供应商。

  航空发动机控制系统要保证发动机工作稳定、安全可靠,达到各种工作状态控制规律的 要求,是航空发动机的核心部件,被称为“发动机的心脏”。根据《航空发动机控制系统 设计技术》,控制系统应在各种大气条件下优化发动机性能和可适用性,精确的控制燃油 流量和位置角度,实现由发动机启动、加速、减速、稳态工作和加力程序直到发动机停 车。此外,控制器应提供熄火监测和调整功能,失速和喘振检测及其恢复,自动调整和 补偿发动机性能恶化,检测故障和隔离故障,以及自动排除起动悬挂和防止起动过热。

  航空发动机控制系统的发展历程大致可分为初始、成长、电子化、综合化 4 个发展阶段。 发动机控制系统由 20 世纪 50 年代简单的液压机械控制,历经电子控制式,再发展到现 代的 FADEC 全权限数字电子控制技术,并向智能/分布式控制方向发展。随着航空发动 机控制系统的不断精进与技术迭代,内部设计的也愈加复杂,可调的部件越来越多,发 动机输入和输出参数的数量不断增加,控制变量将从 10~12 个增至 20 多个,这也对控 制器的计算能力、逻辑功能、控制精度提出了更高的要求。

  1、初始阶段:液压机械控制。早期航空发动机仅有一个燃油流量作为控制变量,控制系 统核心部件是液压机械或液压气动式的燃油控制器,主要采用液压机械式开环控制技术, 飞行员根据飞行高度和速度,手动操作油门位置,直接驱动燃油计量阀,调节燃油流量。 由于系统结构相对简单,机械液压控制系统的精度不高,仅适用于中低空航空发动机。

  2、成长阶段:液压机械+电子控制。随着发动机性能及控制系统功能不断提升,低精度 的液压机械式控制已无法适应,迫切需要监视装置来确保发动机时刻处于安全工作状态。 电子控制器(EEC)应运而生,用于发动机飞行包线内转速和温度的保护,并时刻监控发 动机状态,保证推力控制精确。代表产品如 F100-PW 发动机的数字电子式发动机控制装 置、F101-GE 模拟电子式推力增强器风扇温度控制装置、АЛ-31Ф 的综合电子调节器等。

  3、电子化:全权限数字电子控制(FADEC 系统)。FADEC 作为当今航空发动机控制系 统主要研究与应用方向,其使得发动机控制技术、精度、范围达到了新高度。FADEC 主 要包括发动机电子控制器(EEC)、液压机械装置(HMU)、传感器、作动器、活门等,所 有的控制由计算机进行,再通过电液伺服机构输出液压机械装置及各个活门、作动器等。

  1)从技术原理层面来看,FADEC 系统一般包括转速、压力、温度等多个控制回路,每 个控制回路根据相应的输入闭环计算出控制输出以对发动机进行控制。电子控制器作为 核心部件,根据发动机工作过程的转速、温度、压力等参数及外部条件和控制系统内部 参数的变化,通过控制律计算,产生控制信号,经过电子控制器输出处理电路,输出给 液压机械装置,将电信号转换为液压信号,驱动相应作动器,以改变燃油流量、导叶角 度、放气开度等。飞机油箱来油经过低压泵增压后,进入主燃滑油散热器进行热交换, 再回到燃油泵后通过主燃油滤进入高压泵再次进行增压,高压泵出口油则分为两路,一路经自洗油滤和伺服燃油加热器后进入液压机械装置(HMU)的伺服燃油系统,按照 EEC 指令控制燃油计量系统和作动部件;另一路进入液压机械装置的燃油计量系统,计量后 的燃油经过燃油流量传感器和喷嘴油滤后进入喷嘴向燃烧室供油。

  2)从实际应用层面来看,20 世纪 90 年代起双通道 FADEC 系统已经成为航空发动机 的标准控制系统,FADEC 系统已经成为新研航空发动机的典型特征。20 世纪 70 年代 美国制定了全权限数字电子控制技术研究计划,在 PW-F100 发动机监控用的数字电子式 发动机控制装置基础上,用数字电路和软件实现了液压机械装置的全功能控制,并于 1983 年完成了飞行验证计划,验证了 FADEC 技术的优越性。FADEC 系统可使飞行员无 约束的操作并提供自我保护装置,在可控制参数、系统功能性、可靠性、维护性等领域 全方位优于液压机械式及电子控制式系统。

  4、综合化:智能分布式控制。20 世纪 90 年代,FADEC 控制系统强大功的能促进了智 能分布式控制技术的发展,仿真分析和样件试验表明,相对于集中式控制系统,分布式 控制系统具有提高系统可靠性、维修性,减轻系统重量,降低全寿命期内成本等优点。 但智能分布式控制系统投入实际应用同样面临许多难点,如高温电子元器件的开发和大 功率伺服电机小型化等技术难题。

  航空发动机控制系统竞争格局:航发集团旗下控制系统研产单位均具备浓厚的历史底蕴 与技术累积,几乎垄断我国军用航发控制系统市场份额且有望长期保持。国内军用航发 控制系统主要由航发集团旗下航发控制旗下 4 家子公司与中航动控研究所(614 所)共 同研制生产。614 所作为控制系统总体所主要从事控制系统中的软件、电子控制器等研 制生产工作,其产品作用主要是发出控制指令信号。航发控制主要从事航空发动机控制 系统中关键机械液压执行机构的研制生产,是执行指令信号的关键硬件,软硬件相辅相 成密不可分,共同构成一个完整的控制系统。除航发集团外,部分民营企业如晨曦航空、 海特高新等也试图进入抢占市场份额。

  航发整机是航发链条中产业地位最稀缺、技术壁垒最高的环节。航空发动机整机涵盖产 品全寿命周期的设计、制造、总装、试车整套技术和发动机综合服务保障能力,由于技 术壁垒高、研制周期长、准入门槛高等特点导致航空发动机整机环节的切入难度极大, 当今世界能够独立研制航空发动机并形成产业规模的也仅仅只有中、美、俄、英、法等 五国,因此我们看到无论是全球还是国内,航发总装企业都处于寡头垄断/垄断地位,叠 加经济回报好的特点导致航发总装企业的成长确定性高。

  我国航空发动机整机科研生产制造主要集中于航发集团,航发动力是我国军用航空发动 机唯一总装上市公司。我国军用航空发动机整机主要集中于航发动力旗下西航集团、黎 明公司、南方公司和黎阳动力四大航发核心资产,其产品几乎涵盖国内所有型号航空发 动机,具备涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞等全谱系军用航空发动机生产能力。国内航 空发动机整机制造商还包括成发公司、兰翔机械厂等,但主要发动机型号如涡扇-10 及 其改进改型号均由航发动力制造。商用航空发动机主要由中国航发商发负责研制。

  1、对于航空发动机产业增速的判断:我国军用航发已进入主力型号批产提速、新型号密 集定型批产、航发后端维修市场不断打开的黄金成长期。航发动力作为我国军用航发唯 一总装上市公司,其发动机业务营收规模几乎代表我国军用航空发动机的市场空间,对 应 2021 年总市场规模约 319 亿元。展望后续,2021 年中报 248 亿元大额预收款直 接锁定未来 3-5 年订单,航发整机将迎来高确定性的高成长,我们预计“十四五”期间 整个航空发动机产业复合增速有望达到 25%左右,具体可参考代表公司航发动力、航 发控制的经营目标以及关联交易。

  1)关联交易:航发动力 2022 年向关联方销售商品、提供劳务值为 207.25 亿元,较 2021 年预计值同比提高 26.98%,较 2021 年实际值同比提高 25.94%;航发控制 2022 年向 航发集团系统内销售商品、提供劳务值为 43.3 亿元,较 2021 年预计值同比提高 30.15%, 较 2021 年实际值同比提高 39.46%。

  2、对航发动力盈利能力的判断:过去受制于产品良率、产业链配套不完善等因素导致毛 利率持续下滑。回顾 2011-2021 十年间公司航发及衍生产品毛利率变化趋势,2015 年 黎明公司新产品交付以来航发动力航发及衍生产品毛利率持续下滑,其主要原因是航空 发动机制造难度较大,新产品工艺处于爬坡期,导致公司产品良率较低以及在售后服务 方面承担一定费用,如 2017-2021 年航发动力成本中专项废用、废品损失同比增速分别 为 52.8%、25.05%、14.56%、11.52%、7.64%。此外,航发集团成立于 2016 年,“小 核心、大协作”的科研生产体系仍然处于加速建设状态。

  3、展望未来,我们预计随着规模效应的释放、小核心大协作、军品定价机制改革的深度 推进,航发动力产业链链长地位将凸显,盈利能力有望在 2022 年迎来向上拐点。

  1)航空发动机是典型的制造业,交付量的持续增加会带动毛利率不断提升。以英国 RR 公司为例,2007-2013 年间公司军用航发交付数量逐年递增累计交付 4955 台,期间营 收 CAGR 为 7.56%,但营业利润率由 2007 年的 11.89%提升至 2013 年的 16.9%,我们 预计这足以说明航空发动机拥有很强的规模效应。也如航发动力 2021H1 半年报所述“三 代机工艺不断趋于成熟”,未来产品良率的提升将有效拉动公司盈利能力。

  2)小核心大协作科研生产体系深度推进,带动航发供应链不断成熟。在航发集团小核心 大协作思路下推进非核心业务转移使得核心业务更为聚焦,持续优化供应链布局,有利 于主机单位降造和管理成本。航发产业链上的“大协作”如图南股份 2021 年 7 月 年设立子公司沈阳图南,开展航空用中小零部件自动化加工产线项目建设,预计达产后 年产能可达 50 万件(套),目前项目已完成备案和环评,即将进入设备安装和调试阶段。 此外,2022 年 4 月航发动力与钢研高纳成立合资公司西安钢研高纳航空部件公司。

  3)军品定价机制改革预期下主机单位净利润率有望突破 5%上限。根据 2019 年颁布实 施的《军品定价议价规则(试行)》,军队执行采购需采取公开招标、邀请招标、竞争性 谈判、单一来源、询价五种方式。由此可见,军品定价模式已由传统的成本加成(军品 价格=定价成本×(1+确定利润率))逐步向目标价格管理(军品价格=军品议价成本+目 标成本*确定利润率+激励约束利润)转变。我们预计随着我国军品定价机制改革的深度 推进,企业通过提高自身运营效率和成本管控能力有望获得更高利润率,如中航沈飞 21Q2、21Q3、22Q1 单季度销售净利润率均突破 5%,分别达到 5.96%、5.61%、6.55%。

  4)航发动力或有望作为链长对产业链进行管控。由于过去我国航发产业并没有形成十 分完善的配套供应体系,再叠加行业极高的准入门槛,导致部分环节如高温合金等供给 紧缺,呈现出寡头垄断格局。我们预计随着我国航发产业链的日趋完善,部分新进入市 场者如西部超导、江苏隆达等有望参与到航发用高温合金领域,逐步形成市场化的竞争 格局,有利于主机厂对上游供应商的产品质量与价格进行管控,实施降本增效。(报告来源:未来智库)

  航空发动机是典型的消耗性武器装备,全生命周期约进行四次大修。《航空发动机寿命控 制体系和寿命评定方法》一文中统计了不同翻修次数的 35 台次发动机性能测试情况,伴 随外场飞行时间和大修频次的增长,发动机推力和耗油率均呈现下滑趋势,而面临五次 大修的军用航发性能显著下滑,几乎达到满足使用条件的临界点,因此在实际应用中军 用航发进行四次大修较为常见。一方面因为四次大修后发动机可靠性、安全性、性能衰 减及修理经济性等指标仅基本满足军用航发定寿指标要求,五次大修难以满足定寿标准 及使用要求;另一方面则是随着航发翻修次数增长,其修理难度越来越大,修理经济性 变差,第五次大修成本较前四次大修成本平均值提高 35%,修理费效比明显降低。

  以航空发动机盘、轴、叶片、机匣为代表的高价值零件是航发历次大修中更换频更换频 率最高的零件。根据《航空发动机寿命控制体系和寿命评定方法》,发动机盘、轴、叶片、 机匣是影响使用安全性的重要零件,因此其总体换件率也较高,具体来看,上述零件首 次大修更换率为 9.8%,二次大修为 11.91%,三次大修为 12.38%,四次大修为 14.74%, 整体呈现出逐次递增趋势。其中中介机匣、低压涡轮机匣、加力作动机匣因为大应力区 出现裂纹,焊接区补焊次数、裂纹长度超标无法修理等原因导致报废换件量较高;叶片 类零件由于工作环境恶劣出现裂纹、变形、磨损等情况超出修理标准报废。

  目前国内军用航发维修市场参与者主要包括航发动力以及部队修理厂 5719 等,航发动 力凭借技术实力、产品认知等多方面优势未来有望占据主导地位。航发动