2019年中國航空發(fā)動機(jī)行業(yè)發(fā)展歷程及未來十年市場發(fā)展空間預(yù)測[圖]

    一、航空發(fā)動機(jī)發(fā)展歷程

    1.1活塞式發(fā)動機(jī)時代（1903-1945）

    活塞發(fā)動機(jī)首次應(yīng)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(jī)使用到“飛行者一號”飛機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)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(jī)迅速發(fā)展，并在二戰(zhàn)結(jié)束前后達(dá)到了技術(shù)的頂峰。發(fā)動機(jī)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(dá)15000m，飛行速度從16km/h提高到近800km/h。

活塞式發(fā)動機(jī)構(gòu)造

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萊特兄弟“飛行者一號”發(fā)動機(jī)示意圖

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    20世紀(jì)30-40年代，活塞式發(fā)動機(jī)迎來全盛時期：這個時期活塞式發(fā)動機(jī)與螺旋槳構(gòu)成了所有戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和偵察機(jī)的動力裝置。著名的活塞式發(fā)動機(jī)有：英國的梅林V型12缸液冷式發(fā)動機(jī)，功率1120kW，用于“颶風(fēng)”、“噴火”和“野馬”戰(zhàn)斗機(jī)；美國普拉特·惠特尼公司的“黃蜂”系列星形氣冷發(fā)動機(jī)，氣缸7-28個，功率970-2500kW。然而帶螺旋槳的活塞式發(fā)動機(jī)（800km/h以下）限制了飛行速度的提高。由于發(fā)動機(jī)功率與飛行速度的三次方成正比，速度提高，發(fā)動機(jī)功率急劇增大，而飛機(jī)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(fù)荷。第二次世界大戰(zhàn)之后，活塞式發(fā)動機(jī)逐漸失去了航空領(lǐng)域的霸主地位。

    1.2噴氣式發(fā)動機(jī)時代（1939-至今）

    噴氣發(fā)動機(jī)面世：1913年，無壓氣機(jī)式空氣噴氣發(fā)動機(jī)面世。噴氣式發(fā)動機(jī)是一種直接反作用推進(jìn)裝置，空氣和燃料經(jīng)增壓燃燒后以高速噴出而直接產(chǎn)生反作用推力。由于噴氣發(fā)動機(jī)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(jī)的空氣流量比活塞式發(fā)動機(jī)大得多，從而能產(chǎn)生很大的推力，使飛機(jī)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(jī)專利，屬于無壓氣機(jī)式空氣噴氣發(fā)動機(jī)，與后來的沖壓發(fā)動機(jī)基本相同。壓氣機(jī)有離心式、軸流式、組合式等多種，由后面的燃?xì)鉁u輪帶動，所以這類發(fā)動機(jī)又稱為渦噴發(fā)動機(jī)。1939年，第一架裝有渦噴發(fā)動機(jī)的飛機(jī)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(jī)，試驗(yàn)達(dá)到推力200daN；1938年，奧海因試驗(yàn)了采用軸-離心組合式壓氣機(jī)的HeS3渦噴發(fā)動機(jī)，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(jī)上成功首飛，成為世界上第一架試飛成功的渦噴發(fā)動機(jī)。

渦噴發(fā)動機(jī)示意圖

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    渦輪噴氣發(fā)動機(jī)戰(zhàn)后迅速發(fā)展：20世紀(jì)50年代，加力式渦噴發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。二戰(zhàn)中渦噴發(fā)動機(jī)和飛機(jī)尚處于試驗(yàn)階段，并沒有發(fā)揮很大作用，直到戰(zhàn)后特別是20世紀(jì)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(jī)是1944年美國制造的F-80和1946年蘇聯(lián)制造的米格-9。飛機(jī)速度達(dá)到聲速以后，為了突破“聲障”，在渦噴發(fā)動機(jī)上加裝了加力燃燒室，它可以在短時間內(nèi)提高推力使戰(zhàn)斗機(jī)繼續(xù)向高空高速發(fā)展。1958年美國推出F-104戰(zhàn)斗機(jī)，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(zhuǎn)子加力式渦噴發(fā)動機(jī)，最大推力7020daN，推重比4.63。渦噴發(fā)動機(jī)在軍用戰(zhàn)斗機(jī)上廣泛應(yīng)用的同時，也被轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、旅客機(jī)和偵察機(jī)等相繼應(yīng)用。隨后在20世紀(jì)50-60年代研制出了加力式渦噴發(fā)動機(jī)，其性能參數(shù)水平為：渦輪前燃?xì)鉁囟?50-1100℃，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(jī)的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜且增加的結(jié)構(gòu)重量不多，卻能高效地提高了發(fā)動機(jī)的推重比。

加力式渦噴發(fā)動機(jī)示意圖

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    隨后發(fā)展出的渦扇發(fā)動機(jī)，推重比高、油耗率低、機(jī)動性強(qiáng)，逐漸取代渦輪噴氣發(fā)動機(jī)。渦扇發(fā)動機(jī)與渦噴發(fā)動機(jī)的區(qū)別在于風(fēng)扇，風(fēng)扇出口氣流分成兩股，通過內(nèi)外兩個環(huán)形涵道流過發(fā)動機(jī)。外涵空氣經(jīng)過涵道直接排出，由于渦扇發(fā)動機(jī)總空氣流量大，排氣速度低，所以與渦噴發(fā)動機(jī)相比，推力大，推進(jìn)效率高，耗油率低。渦扇發(fā)動機(jī)實(shí)質(zhì)上仍屬于直接反作用式渦噴發(fā)動機(jī)。渦扇發(fā)動機(jī)先發(fā)展民用后發(fā)展軍用：世界上第一臺運(yùn)轉(zhuǎn)的渦扇發(fā)動機(jī)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(chǎn)的渦扇發(fā)動機(jī)是英國1959年定型的康維，用于VC-10、DC-8和波音707客機(jī)，耗油率比同時期的渦噴發(fā)動機(jī)低10%-20%。此后，民用發(fā)動機(jī)主要在在高涵道比方向發(fā)展，20世紀(jì)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(jī)投入使用，開創(chuàng)了大型寬體客機(jī)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(jī)，廣泛用于各種干線和支線客機(jī)。

渦扇發(fā)動機(jī)構(gòu)造

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民用渦扇發(fā)動機(jī)

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    軍用主要為低涵道比加力渦扇發(fā)動機(jī)，按照歐美的“五代”劃分方法：第一代航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代，以英國的康維發(fā)動機(jī)、美國的JT3D發(fā)動機(jī)為代表，推重比在2左右。第二代航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發(fā)動機(jī)為代表，推重比在5左右。第三代航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)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(jī)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(fēng)”，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(jì)90年代，以美國的F119和歐洲的EJ200發(fā)動機(jī)為代表，推重比在10以上。其中F119裝備了F-22，EJ200裝備了“臺風(fēng)”。第五代航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在21世紀(jì)初，以美國的F135發(fā)動機(jī)和英美聯(lián)合研制的F136發(fā)動機(jī)為代表，推重比為12-13。其中F135發(fā)動機(jī)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(jī)的研發(fā)，預(yù)計推重比將達(dá)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(jī)也已經(jīng)開始預(yù)研。

加力渦扇發(fā)動機(jī)

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民用高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

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    渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和渦輪軸發(fā)動機(jī)派生發(fā)展：在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)蓬勃發(fā)展的過程中，驅(qū)動飛機(jī)螺旋槳和直升機(jī)旋翼的動力也實(shí)現(xiàn)了渦輪化，派生出兩種新型航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)—渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和渦輪軸發(fā)動機(jī)。渦槳發(fā)動機(jī)相較于渦噴和渦扇發(fā)動機(jī)，有耗油率低、經(jīng)濟(jì)性好、起飛推力大等特點(diǎn)。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(jī)羅·羅RB.50遄達(dá)，同時美國、法國、蘇聯(lián)等國也開始發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)。目前，渦槳發(fā)動機(jī)在中小型運(yùn)輸機(jī)和通用飛機(jī)上仍有廣泛用途。其中加拿大普·惠公司的PT6A發(fā)動機(jī)是典型代表，功率范圍為350-1100kW。40年來，這個發(fā)動機(jī)系列已發(fā)展出30多個改型，用于144個國家的近百種飛機(jī)，共生產(chǎn)30000多臺。90年代英國在T56和T406的基礎(chǔ)上研制出新一代高速支線飛機(jī)用AE2100，功率范圍為2983～5966kW，其起飛耗油率很低，為0.249kg/（kW·h）。

渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

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    渦輪軸發(fā)動機(jī)是渦輪發(fā)動機(jī)的一種，利用燃燒室產(chǎn)生的氣流帶動自由渦輪輸出軸功率，而不是噴氣推力。結(jié)構(gòu)上類似于渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，主要區(qū)別在于渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)的主減速器是集成在發(fā)動機(jī)上的，而對于渦輪軸發(fā)動機(jī)，則是分離開的。渦輪軸發(fā)動機(jī)多用于直升機(jī)、坦克、水翼船等，也有摩托車制造商將渦輪軸發(fā)動機(jī)安裝在摩托車上作為發(fā)動機(jī)。第一代渦軸發(fā)動機(jī)在20世紀(jì)50年代設(shè)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(jī)成功用在“云雀”2直升機(jī)上。第二代渦軸發(fā)動機(jī)在20世紀(jì)60年代設(shè)計，典型代表為T64-GE-6和“土地神”（Gnome）。第三代渦軸發(fā)動機(jī)是20世紀(jì)70年代設(shè)計，80年代投產(chǎn)，主要代表機(jī)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(jī)是20世紀(jì)80年代末90年代初開始研制的新一代發(fā)動機(jī),代表機(jī)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(jī)簡圖

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    渦輪軸發(fā)動機(jī)在50年代初期出現(xiàn)之后逐漸代替了直升機(jī)的活塞式發(fā)動機(jī)。目前，在200kW以上的動力裝置中，渦輪軸發(fā)動機(jī)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(jī)。渦輪軸發(fā)動機(jī)作為直升機(jī)的動力裝置，與活塞式發(fā)動機(jī)相比，主要的優(yōu)點(diǎn)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(jī)的重量還不到活塞式發(fā)動機(jī)的三分之一。其次，渦輪軸發(fā)動機(jī)沒有往復(fù)運(yùn)動的機(jī)件，產(chǎn)生的振動和噪音較少。但是，渦輪軸發(fā)動機(jī)的單位燃油消耗率較高。以小型的發(fā)動機(jī)為例，渦輪軸發(fā)動機(jī)與活塞式發(fā)動機(jī)之間相差約30%。而且在制造成本方面，小型渦輪軸發(fā)動機(jī)比較昂貴，因而在民用小型航空裝備領(lǐng)域，競爭力并沒有比活塞式發(fā)動機(jī)高。

    概括起來，航空發(fā)動機(jī)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(jī)的統(tǒng)治時期。后80年（1939-至今），航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)取代了活塞發(fā)動機(jī)，開創(chuàng)了噴氣式發(fā)動機(jī)時代，先后發(fā)展出了直接產(chǎn)生推力的渦噴發(fā)動機(jī)和渦扇發(fā)動機(jī)，并派生發(fā)展出了輸出軸功率的渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和渦輪軸發(fā)動機(jī)。

    二、航空發(fā)動機(jī)未來市場空間預(yù)測

    我國未來軍用航空發(fā)動機(jī)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(jī)（不包括無人機(jī)和教練機(jī)），1700多架戰(zhàn)斗機(jī)(包括戰(zhàn)斗機(jī)、戰(zhàn)略轟炸機(jī)、戰(zhàn)術(shù)轟炸機(jī)、多任務(wù)戰(zhàn)術(shù)攻擊機(jī))。同時，中國人民解放軍空軍正在縮小與西方空軍在飛機(jī)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(jī)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(jī)及攻擊機(jī)保有量為美國同類機(jī)型的約1/2，運(yùn)輸機(jī)保有量約為1/6，教練機(jī)保有量約為1/7.75，直升機(jī)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(jī)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。

中、美、俄三國目前軍用飛機(jī)數(shù)量對比

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    老舊替換及新增需求大，預(yù)計未來十年軍用航空發(fā)動機(jī)需求1500億元：當(dāng)前，我國軍用戰(zhàn)機(jī)正處于由三代向四代過渡的關(guān)鍵時期，我們認(rèn)為未來十年年現(xiàn)有絕大部分老舊機(jī)型將退役，配備渦扇-10系列發(fā)動機(jī)的殲-10、殲-16、殲-15將成為空中裝備主力，運(yùn)-20、直-20、殲-20、殲-31也將有一定規(guī)模列裝，轟炸機(jī)、預(yù)警機(jī)及無人機(jī)等軍機(jī)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(jī)帶來強(qiáng)勁的需求。未來10年內(nèi)，中國軍方飛機(jī)可能需要超過10000臺各類發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)總需求或可達(dá)1500億元。

    單通道噴氣客機(jī)將是民航市場主要機(jī)型，未來十年民用發(fā)動機(jī)需求可達(dá)5000億元：近十年來，中國運(yùn)輸行業(yè)持續(xù)高速增長，特別是航空運(yùn)輸，占交通運(yùn)輸業(yè)比重越來越大；旅客周轉(zhuǎn)量年均增長率為12.7%，遠(yuǎn)高于其他交通運(yùn)輸方式。為適應(yīng)航空運(yùn)輸業(yè)的快速增長，中國客機(jī)機(jī)隊規(guī)模（包含港澳臺地區(qū)）不斷擴(kuò)大。截至2017年底，中國客機(jī)機(jī)隊規(guī)模達(dá)到3522架（包含港澳臺地區(qū)），其中，渦扇支線客機(jī)47架，單通道噴氣客機(jī)2852架，雙通道噴氣客機(jī)623架。過去十年，中國客機(jī)機(jī)隊一直保持增長趨勢。近四年，出于多種因素的考慮，航空公司更傾向于選擇大座級的支線客機(jī)，50座級的支線客機(jī)大量退役，轉(zhuǎn)由90座級渦扇支線客機(jī)填補(bǔ)市場需求。未來二十年，預(yù)計中國機(jī)隊年均增長率為5.3%，旅客周轉(zhuǎn)量年均增長率為6.5%，預(yù)計中國將交付9008架客機(jī)。至2037年，中國的旅客周轉(zhuǎn)量將達(dá)到3.9萬億公里，占全球的21%。到2037年，中國機(jī)隊規(guī)模將達(dá)到9965架，其中單通道噴氣客機(jī)6656架，雙通道噴氣客機(jī)2343架，噴氣支線客機(jī)966架。預(yù)計未來十年民用發(fā)動機(jī)需求可達(dá)5000億元左右。

中國未來10年軍用航空發(fā)動機(jī)市場空間預(yù)測

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中國未來10年民用航空發(fā)動機(jī)市場空間預(yù)測

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    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國航空發(fā)動機(jī)行業(yè)投資潛力分析及投資前景評估報告》