中國航空發(fā)動機行業(yè)發(fā)展歷程及未來十年市場發(fā)展空間預測

中國航空發(fā)動機行業(yè)發(fā)展歷程及未來十年市場發(fā)展空間預測

一、航空發(fā)動機發(fā)展歷程

1.1活塞式發(fā)動機時代（1903-1945）

活塞發(fā)動機首次應用于飛行器并成功飛行：1903年，萊特兄弟把一臺改裝過的4缸、水平直列式水冷發(fā)動機使用到“飛行者一號”飛機上進行飛行試驗，發(fā)動機的功率僅為8.95kW，重量卻有81kg，功重比為0.11kW/daN。這次留空時間12s、飛行距離為36.6m的短暫飛行，是人類歷史上第一次有動力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操作的重于空氣的飛行器的成功飛行。兩次世界大戰(zhàn)推動活塞式發(fā)動機迅速發(fā)展，并在二戰(zhàn)結束前后達到了技術的頂峰。發(fā)動機功率從近10kW提高到2500kW左右，功率重量比從0.11kW/daN提高到1.5kW/daN，飛行高度達15000m，飛行速度從16km/h提高到近800km/h。

20世紀30-40年代，活塞式發(fā)動機迎來全盛時期：這個時期活塞式發(fā)動機與螺旋槳構成了所有戰(zhàn)斗機、轟炸機、運輸機和偵察機的動力裝置。著名的活塞式發(fā)動機有：英國的梅林V型12缸液冷式發(fā)動機，功率1120kW，用于“颶風”、“噴火”和“野馬”戰(zhàn)斗機；美國普拉特·惠特尼公司的“黃蜂”系列星形氣冷發(fā)動機，氣缸7-28個，功率970-2500kW。然而帶螺旋槳的活塞式發(fā)動機（800km/h以下）限制了飛行速度的提高。由于發(fā)動機功率與飛行速度的三次方成正比，速度提高，發(fā)動機功率急劇增大，而飛機難以承受通過增加汽缸數(shù)目來增大功率所帶來的重量負荷。第二次世界大戰(zhàn)之后，活塞式發(fā)動機逐漸失去了航空領域的霸主地位。

1.2噴氣式發(fā)動機時代（1939-至今）

噴氣發(fā)動機面世：1913年，無壓氣機式空氣噴氣發(fā)動機面世。噴氣式發(fā)動機是一種直接反作用推進裝置，空氣和燃料經(jīng)增壓燃燒后以高速噴出而直接產生反作用推力。由于噴氣發(fā)動機沒有了限制飛行速度的螺旋槳，而且單位時間流入發(fā)動機的空氣流量比活塞式發(fā)動機大得多，從而能產生很大的推力，使飛機的飛行速度得到極大的提高。1913年，法國工程師雷恩·羅蘭獲得第一個噴氣發(fā)動機專利，屬于無壓氣機式空氣噴氣發(fā)動機，與后來的沖壓發(fā)動機基本相同。壓氣機有離心式、軸流式、組合式等多種，由后面的燃氣渦輪帶動，所以這類發(fā)動機又稱為渦噴發(fā)動機。1939年，第一架裝有渦噴發(fā)動機的飛機成功首飛。1937年，惠特爾研制出世界上第一臺離心式渦噴發(fā)動機，試驗達到推力200daN；1938年，奧海因試驗了采用軸-離心組合式壓氣機的HeS3渦噴發(fā)動機，推力400daN，推力重力比1.12；1939年，裝在德國亨克爾公司的He—178飛機上成功首飛，成為世界上第一架試飛成功的渦噴發(fā)動機。

渦輪噴氣發(fā)動機戰(zhàn)后迅速發(fā)展：20世紀50年代，加力式渦噴發(fā)動機應運而生。二戰(zhàn)中渦噴發(fā)動機和飛機尚處于試驗階段，并沒有發(fā)揮很大作用，直到戰(zhàn)后特別是20世紀50年代開始迅速發(fā)展。戰(zhàn)后第一批裝備部隊使用的噴氣式戰(zhàn)斗機是1944年美國制造的F-80和1946年蘇聯(lián)制造的米格-9。飛機速度達到聲速以后，為了突破“聲障”，在渦噴發(fā)動機上加裝了加力燃燒室，它可以在短時間內提高推力使戰(zhàn)斗機繼續(xù)向高空高速發(fā)展。1958年美國推出F-104戰(zhàn)斗機，最大飛行馬赫數(shù)2.2，使用升限17.68km。同時出現(xiàn)動力為J79單轉子加力式渦噴發(fā)動機，最大推力7020daN，推重比4.63。渦噴發(fā)動機在軍用戰(zhàn)斗機上廣泛應用的同時，也被轟炸機、運輸機、旅客機和偵察機等相繼應用。隨后在20世紀50-60年代研制出了加力式渦噴發(fā)動機，其性能參數(shù)水平為：渦輪前燃氣溫度950-1100℃，推重比4.5-5.5，不加力耗油率0.9-1.0kg/(daN·h)，加力耗油率2.0kg/(daN·h)左右。加力式渦噴發(fā)動機的結構不復雜且增加的結構重量不多，卻能高效地提高了發(fā)動機的推重比。

隨后發(fā)展出的渦扇發(fā)動機，推重比高、油耗率低、機動性強，逐漸取代渦輪噴氣發(fā)動機。渦扇發(fā)動機與渦噴發(fā)動機的區(qū)別在于風扇，風扇出口氣流分成兩股，通過內外兩個環(huán)形涵道流過發(fā)動機。外涵空氣經(jīng)過涵道直接排出，由于渦扇發(fā)動機總空氣流量大，排氣速度低，所以與渦噴發(fā)動機相比，推力大，推進效率高，耗油率低。渦扇發(fā)動機實質上仍屬于直接反作用式渦噴發(fā)動機。渦扇發(fā)動機先發(fā)展民用后發(fā)展軍用：世界上第一臺運轉的渦扇發(fā)動機是德國戴姆勒-奔馳于1943年4月研制的DB670。世界上第一種批量生產的渦扇發(fā)動機是英國1959年定型的康維，用于VC-10、DC-8和波音707客機，耗油率比同時期的渦噴發(fā)動機低10%-20%。此后，民用發(fā)動機主要在在高涵道比方向發(fā)展，20世紀70年代第一代推力在20000daN以上的高涵道比（4-6）渦扇發(fā)動機投入使用，開創(chuàng)了大型寬體客機的新時代。后來，又發(fā)展出推力小于20000daN的不同推力級的高涵道比渦扇發(fā)動機，廣泛用于各種干線和支線客機。

軍用主要為低涵道比加力渦扇發(fā)動機，按照歐美的“五代”劃分方法：第一代航空發(fā)動機出現(xiàn)在20世紀50年代，以英國的康維發(fā)動機、美國的JT3D發(fā)動機為代表，推重比在2左右。第二代航空發(fā)動機出現(xiàn)在20世紀60年代，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發(fā)動機為代表，推重比在5左右。第三代航空發(fā)動機出現(xiàn)在20世紀70-80年代，以美國的F100、F110、F404，歐洲的RBl99、M88-3，蘇聯(lián)的RD-33和AL-31F發(fā)動機為代表，推重比在8左右。其中F100裝備了F-15，F(xiàn)110裝備了F-16，F(xiàn)404裝備了F-18，RBl99裝備了“狂風”，RD-33裝備了米格-29，AL-31F裝備了蘇-27。第四代航空發(fā)動出現(xiàn)在20世紀90年代，以美國的F119和歐洲的EJ200發(fā)動機為代表，推重比在10以上。其中F119裝備了F-22，EJ200裝備了“臺風”。第五代航空發(fā)動機出現(xiàn)在21世紀初，以美國的F135發(fā)動機和英美聯(lián)合研制的F136發(fā)動機為代表，推重比為12-13。其中F135發(fā)動機裝備了F-35。2010年以后，美國已經(jīng)開展第六代航空發(fā)動機的研發(fā)，預計推重比將達到20以上，目前已取得了階段性成果，而第七代航空發(fā)動機也已經(jīng)開始預研。

渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機派生發(fā)展：在渦輪噴氣發(fā)動機蓬勃發(fā)展的過程中，驅動飛機螺旋槳和直升機旋翼的動力也實現(xiàn)了渦輪化，派生出兩種新型航空燃氣渦輪發(fā)動機—渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機。渦槳發(fā)動機相較于渦噴和渦扇發(fā)動機，有耗油率低、經(jīng)濟性好、起飛推力大等特點。在第二次世界大戰(zhàn)中，英國開始研制本國第一臺渦槳發(fā)動機羅·羅RB.50遄達，同時美國、法國、蘇聯(lián)等國也開始發(fā)展這項技術。目前，渦槳發(fā)動機在中小型運輸機和通用飛機上仍有廣泛用途。其中加拿大普·惠公司的PT6A發(fā)動機是典型代表，功率范圍為350-1100kW。40年來，這個發(fā)動機系列已發(fā)展出30多個改型，用于144個國家的近百種飛機，共生產30000多臺。90年代英國在T56和T406的基礎上研制出新一代高速支線飛機用AE2100，功率范圍為2983～5966kW，其起飛耗油率很低，為0.249kg/（kW·h）。

渦輪軸發(fā)動機是渦輪發(fā)動機的一種，利用燃燒室產生的氣流帶動自由渦輪輸出軸功率，而不是噴氣推力。結構上類似于渦輪螺旋槳發(fā)動機，主要區(qū)別在于渦輪螺旋槳發(fā)動機傳動系統(tǒng)的主減速器是集成在發(fā)動機上的，而對于渦輪軸發(fā)動機，則是分離開的。渦輪軸發(fā)動機多用于直升機、坦克、水翼船等，也有摩托車制造商將渦輪軸發(fā)動機安裝在摩托車上作為發(fā)動機。第一代渦軸發(fā)動機在20世紀50年代設計，透博梅卡公司研制的功率為405kW的阿都斯特II渦軸發(fā)動機成功用在“云雀”2直升機上。第二代渦軸發(fā)動機在20世紀60年代設計，典型代表為T64-GE-6和“土地神”（Gnome）。第三代渦軸發(fā)動機是20世紀70年代設計，80年代投產，主要代表機型有馬基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM，裝備AS322"超美洲豹"、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。第四代渦軸發(fā)動機是20世紀80年代末90年代初開始研制的新一代發(fā)動機,代表機型有英、法聯(lián)合研制的RTM322、美國的T800-LHT-800、德法英聯(lián)合研制的MTR390和俄羅斯的TVD1500，用于NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66"科曼奇"、PAH-2/HAP/HAC"虎"和卡-52。

渦輪軸發(fā)動機在50年代初期出現(xiàn)之后逐漸代替了直升機的活塞式發(fā)動機。目前，在200kW以上的動力裝置中，渦輪軸發(fā)動機已經(jīng)占據(jù)了統(tǒng)治地位。在較小功率的動力裝置中，仍有少數(shù)使用活塞式發(fā)動機。渦輪軸發(fā)動機作為直升機的動力裝置，與活塞式發(fā)動機相比，主要的優(yōu)點是重量輕，體積小。例如，同樣為功率600kW左右的渦輪軸發(fā)動機的重量還不到活塞式發(fā)動機的三分之一。其次，渦輪軸發(fā)動機沒有往復運動的機件，產生的振動和噪音較少。但是，渦輪軸發(fā)動機的單位燃油消耗率較高。以小型的發(fā)動機為例，渦輪軸發(fā)動機與活塞式發(fā)動機之間相差約30%。而且在制造成本方面，小型渦輪軸發(fā)動機比較昂貴，因而在民用小型航空裝備領域，競爭力并沒有比活塞式發(fā)動機高。

概括起來，航空發(fā)動機的發(fā)展主要分為兩個階段：前40年（1903-1945）為活塞式發(fā)動機的統(tǒng)治時期。后80年（1939-至今），航空燃氣渦輪發(fā)動機取代了活塞發(fā)動機，開創(chuàng)了噴氣式發(fā)動機時代，先后發(fā)展出了直接產生推力的渦噴發(fā)動機和渦扇發(fā)動機，并派生發(fā)展出了輸出軸功率的渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機。

二、航空發(fā)動機未來市場空間預測

我國未來軍用航空發(fā)動機市場前景廣闊：目前中國人民解放軍空軍是本地區(qū)最大、世界第三大空軍，擁有2500多架飛機（不包括無人機和教練機），1700多架戰(zhàn)斗機(包括戰(zhàn)斗機、戰(zhàn)略轟炸機、戰(zhàn)術轟炸機、多任務戰(zhàn)術攻擊機)。同時，中國人民解放軍空軍正在縮小與西方空軍在飛機性能、電子戰(zhàn)等廣泛能力方面的差距。盡管如此，我國與世界最高水平的空軍力量還有著巨大的差距。美國作為目前世界上空軍力量儲備最大的國家，其軍用機總數(shù)量占據(jù)了全球數(shù)量的25%，俄羅斯位列第二占據(jù)8%，而中國僅占6%。我國戰(zhàn)斗機及攻擊機保有量為美國同類機型的約1/2，運輸機保有量約為1/6，教練機保有量約為1/7.75，直升機總保有量約為1/5.7。雖然從排名角度僅相差兩名，但是從兩國擁有軍用飛機保有量總量來看我國的空軍力量僅為美國的四分之一，同時我國人口總數(shù)為美國的四倍。

老舊替換及新增需求大，預計未來十年軍用航空發(fā)動機需求1500億元：當前，我國軍用戰(zhàn)機正處于由三代向四代過渡的關鍵時期，我們認為未來十年年現(xiàn)有絕大部分老舊機型將退役，配備渦扇-10系列發(fā)動機的殲-10、殲-16、殲-15將成為空中裝備主力，運-20、直-20、殲-20、殲-31也將有一定規(guī)模列裝，轟炸機、預警機及無人機等軍機也會發(fā)生較大幅度的數(shù)量增長及更新?lián)Q代，這將為發(fā)動機帶來強勁的需求。未來10年內，中國軍方飛機可能需要超過10000臺各類發(fā)動機，發(fā)動機總需求或可達1500億元。

單通道噴氣客機將是民航市場主要機型，未來十年民用發(fā)動機需求可達5000億元：近十年來，中國運輸行業(yè)持續(xù)高速增長，特別是航空運輸，占交通運輸業(yè)比重越來越大；旅客周轉量年均增長率為12.7%，遠高于其他交通運輸方式。為適應航空運輸業(yè)的快速增長，中國客機機隊規(guī)模（包含港澳臺地區(qū)）不斷擴大。截至2017年底，中國客機機隊規(guī)模達到3522架（包含港澳臺地區(qū)），其中，渦扇支線客機47架，單通道噴氣客機2852架，雙通道噴氣客機623架。過去十年，中國客機