​航空发动机是技术先进国家基础性战略产业。航空发动机是高温、高压、高转速而又要求 重量轻、可靠性高、寿命长、可重复使用、经济性好的高科技产品，研制难度很大。

航空发动机是以材料和机械制造等为基础的多学科交叉融合的结晶，它以先进性和复杂性成为 一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一，被誉为“现代工业皇冠上的明 珠”。

航空发动机行业概述

航空发动机简单可以分为两大类，活塞式发动机和空气喷气式发动机。航空活塞式发动机是依靠活塞在气缸中的往复运动使气体工质完成热力循环，将燃料的化学能转化为机械能 的热力机械，它与一般汽车用的活塞式发动机在结构和原理上基本相同，都是由曲轴、两 岸、活塞、气缸、进气阀、排气阀等组成。

航空空气喷气式发动机中，经过压缩的空气与 燃料（通常为航空煤油）的混合物燃烧后产生高温、高压燃气，在发动机的尾喷管中膨胀， 以高速喷出，从而产生反作用推力。流进发动机的空气可以是由专门的压气机进行压缩，也可以利用高速流进发动机的空气制止而产生高压来达到，因此空气喷气式发动机又可以分为无压气机和有压气机两类。

 

图｜航空发动机及其部件工作原理，来源：北航出版社

第一代涡扇发动机出现在20世纪40-50年代，以英国的康维发动机、美国的 JT3D 发动机 为代表，推重比在2左右；第二代涡扇发动机出现在20世纪60年代，以英国的斯贝MK202和美国的TF30发动机为代表，推重比在 5 左右；第三代涡扇发动机出现在 20 世纪 70-80 年代，以美国的 F100、欧洲的 RB199 和苏联的 AL-31F 发动机为代表，推重比在 8 左右；第四代涡扇发动机出现在 20 世纪 90 年代，以美国的 F119 和欧洲的 EJ200 发动机为代表， 推重比在 10 以上；第五代涡扇发动机出现在 21 世纪初，以美国的 F135 和英、美联合研 制的 F136 发动机为代表，推重比为 12-13。

未来航空发动机推重比将不断提高，根据《航空涡轮发动机现状及未来发展综述》（焦华宾等，2015 年 12 月，航空制造技术），美国已 经开启第 6 代航空发动机的研发，预计推重比将达到 16-18。

推重比是衡量战斗机发动机性能水平和工作能力的一个综合指标。提高推重比的主要实现 路径为：1）提高发动机推力（提高分子）；2）降低发动机自重（降低分母）。

IHPTET 计划的后继计划——多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划，集中关 注多用途核心机、智能发动机与耐久性三大领域。其旨在通过开发多用途发动机技术，验证其经济性，并将先进的涡轮发动机技术转化应用在型号产品上，以获得革新的性能改进。VAATE 计划中提出了技术能力经济性指标，该指标不仅关注发动机的推重比与油耗，同时还强调研制、生产和维护成本。这反映美国在推进系统技术指导思路上发生了重要变化：改变了IHPTET 计划中主要以推重比和耗油率为主的评价体系，采用经济可承受性作为评 价标准，强调向系统综合要效益。

推重比的提升与发动机热端材料性能密不可分。现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压 气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。涡轮喷气发动机仍属于热机的一种，就必须遵循热机的做功原则：在高压下输入能量，低压下释放 能量。因此，从产生输出能量的原理上讲，喷气式发动机和活塞式发动机是相同的，都需 要有进气、加压、燃烧和排气这四个阶段，不同的是，在活塞式发动机中这 4 个阶段是分 时依次进行的，但在喷气发动机中则是连续进行的。

航空发动机工作过程中的热力学循环为布雷顿循环。就喷气式发动机而言，初始状态 1 表 示大气气体状态，气体经由进气道被吸入压气机压缩的过程是 1-2 的等熵压缩过程，理想 情况下在这个阶段，空气的总熵不变，气体受压缩作用使得温度上升。气体从点 2 到点 3 是在燃烧室中进行等压加热。经过燃烧室加热后高温气体经过涡轮等熵膨胀（对应 3-4 的循环阶段），在这个过程中推动涡轮做功，自身内能下降温度降低。

分析布雷顿热力学循环 可以看出，3点的温度越高，气体在涡轮前内能越高，在经过涡轮时膨胀做功也越多，进而推动发动机产生更大的推力。这一点的温度也叫涡轮前温度，是航空发动机的重要设计参数，目前喷气发动机普遍能到 1400K 以上，一些战斗机搭载的发动机涡轮前温度能到 2000K 左右，对发动机热端材料及冷却系统设计提出了挑战。因此，动力领域对工作温度 要求的提升将带动相关材料的升级换代。

图｜热机卡诺循环热熵曲线，来源：《热工学》

航空发动机产品特点及核心壁垒概述

第一，高投入、高回报。航空发动机研制正朝着不断追求更高的综合性能的方向发展，其研制难度逐渐增大，所需的研制费用必然大大提高。根据《航空发动机研制降低费用、缩短周期技术综述》（李华文 等，【航空发动机】，2006 年 4 月），国外 80 年代水平的各类航空发动机的研制经费一般需 5~20 亿美元。美国在 1988~2005 年期间实施的 IHPTET 计划中共投入 50 亿美元，在后来 的 VAATE 计划中 15 年内共投入 37 亿美元。

第二，研制周期长。全新研制一型跨代航空发动机比全新研制同一代飞机时间长一倍。根据《基于“结构—材 料—工艺”一体化大工程观理念的课程建设研究》（牛序铭，【工业和信息化教育】，2021 年 6 月），飞机研制周期一般为 8 年左右，而高性能的航空发动机研制周期长达 15~20 年的 时间（其中包括预先研究）。GE 公司的经典三代涡扇发动机 F110 由成熟的 F110 核心机发展 而来，其研制也耗费了 6 年的时间。我国第一台自主设计研发的涡喷发动机“昆仑”耗费 了整整 15 年的时间；第三代军用大推力涡扇发动机“太行”的研制花费了 18 年之久。

图｜航空发动机研制流程

航空发动机的试验验证十分严苛。为确保研制的发动机能可靠工作，需对发动机进行大量 的主要零部件试验和整机试验，以考核设计、制造与选材等方面是否满足要求。

第三，服役周期长+耗材属性明显。航空发动机寿命的衡量一般按照小时数或循环数来计算。飞机完成一次从起飞到着陆的过 程，被称为发动机完成一次工作循环。发动机每工作一个循环，就经历了从启动到高速运 转再到关闭的过程，这意味着许多部件受力经历了从零到最大再到零，长此以往，材料就 会出现疲劳。航空发动机工作寿命往往由材料的疲劳性决定，疲劳性是指使用中因受各种 应力的反复作用而产生疲劳，使制品的物理机械性能逐渐变坏，产生裂口、生热、剥离、 破坏等，以致最后丧失使用价值的性能，因此具有耗材属性。

当前航空发动机工作寿命普遍小于飞机服役期限。根据美国国防部数据，以五代战斗机 F-22 为例，其发动机为 F119 涡轮风扇发动机，发动机总寿命超过 10000 小时。目前美国空军 的飞行员每人每年的训练时间为 300 小时，如果每一架单座战机都配备 2 名飞行员，F-22 每年在空中的飞行时间是 600 小时，则每 18 年需要更换一次发动机。F-22 的预期服役时 长为至少 40 年，并且 F-22 采用双发动机设计，那么在预计服役期限内，至少需要更换 4 台 F119 发动机。

基于高风险的特点，各航空发动机巨头纷纷倾向于基于自身技术特点走出一条航空发动机 产品的系列化、衍生化发展道路。由高压压气机、燃烧室和高压涡轮组成的发动机核心机， 包括了推进系统中温度最高、压力最大、转速最高的组件，其成本和周期在发动机研制中 占比重大，是发动机研制主要难点和关键技术最集中的部分。发动机研制过程中发生的 80% 以上的技术问题都与核心机密切相关。

核心机衍生发展发动机产品的主要方式有以下几种：一是核心机不动，改低压部件；二是改变流道件或者改变高压轴转速，例如 F110-GE-100 发动机与 F110-GE-129 发动机；三是核心机加减级；四是核心机按比例缩放，例如，英国罗罗公司的遄达 800 发动机与遄达 900 发动机。

航空发动机高技术、寡头垄断下的衍生化发展模式，确保了一旦以一款成熟的系列产品进入市场，接下来就有望享受 30-50 年的持续稳定盈利。采用衍生化的发展路线，一是可以 继承原始机型的优点；二是降低新技术台阶的跨度，从而节省经费、缩短周期、降低风险。

航空发动机发展前景分析

我国军机在数量上与美国存在较大差距，总量提升需求显著。按各个细分机型来看，战斗机是我国军机中的主力军，总数为 1571 架，但数量不到美国同期的60%，且其他机型的数量都远落后于美国，我国未来军机总量提升需求显著。

除军机数量外，我国军机在先进性上也与美国有较大差距，预计两国军机质和量的差异将驱动军机规模扩张和产品升级。我国军机目前处于更新换代的关键时期，预计未来老旧机型将逐渐退役，新型战机将加速列装；特种飞机、运输机等军机也将有较大幅度的数量增长及更 新换代的需要。我国空军目前正在向战略空军转型，未来10 年带来军机需求规模约 1.95 万亿元。

当前我国军用飞机正处于更新换代的关键时期，未来 10 年现有绝大部分老旧机型将退役，歼-10、 歼-11、歼-15、歼-16 和歼-20 等将成为空中装备主力，新一代先进机型也将有一定规模列装运输机、轰炸机、预警机及无人机等军机也将有较大幅度的数量增长及更新换代需要。

假设 2021-2030 年二代机全部替换为三代机，且战斗规模按机种结构达到美国的 1/2，我们 预计未来十年中国军机将有 1.95 万亿元的市场空间。根据《World Air Forces 2021》，2020 年我国共有歼-10、歼-11、歼-15、歼-16 系列战机 620 架，歼-20 系列战机 19 架，作战支 援飞机 115 架，大型运输机 264 架，武装直升机 405 架，通用运输直升机 902 架，结合前 瞻产业研究院对 2021-2030 年中国军机需求规模及市场空间预测情况，2030 年市场规模将 达到 19508 亿元。

全球客机市场空间广阔，中国及亚太地区交付预计快速增长。根据中国商飞公司市场预测 年报（2020-2039），2019 年全球喷气式机队共有客机共 23856 架。

从全球历史交付量而 言，以空客为主的欧洲市场和以波音为主的北美市场占总市场的份额较大，分别占比全球 总份额的 20.27%和 27.99%。中国和亚太地区（除中国）分别占比 16.62%和 16.02%，中 国已成为亚太地区接近半数以上的客机交付国家。预计 2020-2039 年中国及亚太地区将在 民航领域快速发展，占据全球约 41.6%的客机交付量。

未来 20 年，民用客机全球市场空间将达万亿级别。据中国商飞预测，2020-2039 年全球将有40664 架新机交付，价值约5.96万亿美元，用于替代和支持机队的发展。其中，涡扇支线客机交付量为 4318架，价值约为 0.23 万亿美元；单通道喷气客机交付量为29127架，其占交付总量三分之二以上，价值约为 3.44 万亿美元；双通道喷气客机交付量将达 7219 架，总价值约为 2.30 万亿美元。到 2039 年，预计全球客机机队规模将达 44400 架，是现 有机队的 1.86 倍。

2020-2039 年，我国国产民用机型市场总规模可达到 13323 亿美元。结合民航飞机成本构成中发动机 占比 22%，按美元汇率为 1：6.5 计算，我们预估未来20年民航发动机市场总规模为 19052.21 亿元，年均接近千亿。

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