现代工业皇冠上的明珠-航空发动机行业概况

一、航空发动机简介

航空发动机是为航空器提供飞行动力的装置，也是航空器的“心脏”，是保证航空器飞行性能与安全的关键部件。航空发动机的构造与运作原理高度复杂，涉及材料和机械制造等众多基础科学的交叉融合，典型的涡轮喷气发动机核心部件包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管，零部件多达 3 万多个；运作环境要求高温、高压、高转速而整体上又要求其重量轻、可靠性高、寿命长等，研发难度极高，因此被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。航空发动机是衡量一个国家科技水平、军事实力以及综合国力的重要标志之一。

二、航空发动机分类

人类最早发明的航空发动机是活塞式发动机，从 1903 年发明的第一架飞机到二战结束，活塞式发动机是当时飞机的主要动力来源。从第二次世界大战结束一直到现在，由于活塞式发动机的功率和结构已到达设计瓶颈，出于对航空发动机高功率、低重量的追求，性能更高的航空燃气涡轮发动机逐渐取缔了活塞式发动机，成为航空动力的主导者。

目前主流的航空发动机为涡轮喷气式发动机、涡轮风扇式发动机、涡轮螺旋桨式发动机、涡轮轴式发动机和螺旋桨风扇发动机，其中使用最广泛的是涡扇发动机；还有两种无压气机的发动机，冲压喷气式发动机和脉动式发动机。

三、航空发动机产业特征

航空发动机所涉及的学科和技术领域几乎涵盖各个技术领域的尖端技术，是典型的知识、技术密集的高科技产品，同时附加值极高，可同时带动电子、先进材料、特种加工、冶金、化工等产业发展，科技溢出效益极强。航空发动机产业同时具备技术门槛高、高投入、长周期、高回报等特点。

1、技术门槛高

航空发动机需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下，到达数千小时的正常工作寿命，这就使得航空发动机的研制对结构力学、材料学、气体动力学、工程热力学、转子动力学、流体力学、电子学、控制理论等学科都有极高要求。

2、高投入

每一代航空发动机的研发都需要大量经费的投入。据统计，美国在 1950-2000 年间用在航空涡轮发动机上的研究和开发投入就超过 1000 亿美元。1988-2017 年间，美国对两个项目 IHPTET（综合高性能涡轮发动机技术）和 VAATE（“通用经济可承受涡轮发动机）计划投入 87 亿美元。GE 和罗罗等公司每年科研投入就高达 10 亿美元以上。F119作为典型四代发动机，研发费用就高达 31 亿美元，而在其基础上研发的 F135 发动机，研发费用更是高达 90 亿美元。研发周期长据《航空发动机研制全寿命管理研究及建议》研究，航空发动机的生命周期一般经历三个阶段，分别是预先研究、工程研制、使用发展，其中，预先研究需要 12 年，工程研制需要 18 年，预研与研制阶段合计需要 30 年；后续才进入使用发展阶段，并大批量装备。

3、高回报

每次航空发动机技术的突破都带动了关联技术领域的进步，日本曾作过一次 500 余项技术扩散案例分析，发现其中 60%的技术源于航空产品。作为高端制造业，航空发动机对下游产业也有着巨大的带动作用：一是对机械、仪表、电子、材料、冶金、化工等上游产业发展的带动作用；二是对航空运输业、旅游业、城市交通基础设施建设、物流等产业发展的诱导作用；三是对改善国民经济各部门资源配置、提高效率等的推动作用。航空发动机产业的高投入也为各大厂商带来高回报，据中航商发测算，按照以单位重量计的价格，航空发动机、民用客机、台式计算机、汽车和船舶的比例为 1400：800：300：9：1，是工业部门目前附加值最高的产业。

四、军用航空发动机发展回顾以及未来趋势

据《航空涡轮发动机现状及未来发展综述》（焦华宾，莫松）研究，燃气涡轮发动机发明，使航空工业发生了一场革命，飞机的速度、高度和机动性出现了历史性飞跃，飞机从亚声速跨入了超声速飞行的新时代。

纵观航空涡轮发动机的发展历程，军用航空涡轮发动机技术的发展始终引领着先进航空发动机发展方向，自 20 世纪 40 年代初以来，军用航空涡轮发动机已研制发展了四代并逐步向第五代跨越，第六第七代发动机已经在研发过程中。从发动机性能上看，推重比从第一代的 3-4 提升至第五代的 12-15，涡轮前燃气温度从第一代的 1200~1300K 发展至第五代的超 2200K。当前，美国已经开始研发第六代航空发动机，推重比更是达到 16-18；国际上已经开始预研第七代发动机。每一代航空发动机的研发都预示着更高的推重比、更高的涡轮前燃气温度、更低的油耗、更强的适用性，每一项的提升都预示着巨大的科技进步。未来随着地缘政治事件的复杂化，各国将会加强对新型航空发动机的研发，以应对更复杂的军事用途。

我国军用航空发动机与国外先进水平仍有一代的差距，大推重比产品较为单一。国外航空发动机起步时间早，第一代涡喷发动机成型于 20 世纪 40 年代，而此时，我国才刚刚开始航空发动机的研制工作。

目前，西方航空发达国家现役的主力机种都配装第三代发动机，如 F404、F110、AL-31F 等。我国部分第三代机型如歼-10 也已配装第三代发动机 WS-10。目前，我国在役的大推重比发动机以 WS-10 为主，与西方先进水平有一定差距，发动机型号单一、性能也亟须提高。在研发中的涡扇 15 预计在十四五期间量产，据 Global Security 介绍，涡扇 15 推重比可达 10，最大推力可达 16 吨，适配机型为歼 20。

五、民用航空发动机发展回顾以及未来趋势

随着经济效益和航行要求的不断提升，商用涡扇发动机从 20 世纪 60 年代 JT8D 发展到目前 Leap-X，涵道比从 1 发展至 10 级；纵观商用航空发动机的发展历程可以总结出：涵道比不断增大，油耗不断下降。20 世纪 60 年代至今风扇涵道比的发展，经历了 4 个阶段：第一阶段，20 世纪 60 到70 年代涵道比为 1-3，典型机型如 JT8D 系列；第二阶段，70 到 90 年代增大至 5-6，如JT9D、CFM 系列；第三阶段，90 年代至 2007 年，涵道比增大至 6-9，如 Trent900、GE90等；第四阶段，2008 年以后涵道比增大至 10，如 GEnx、Trent1000。当前齿轮驱动涡扇发动机 PW1000G，涵道比提高至 12，未来的开式转子涵道比会进一步加大。

我国商用航空发动机仍处于研制阶段，“长江”系列产品或将成为我国商发突破口。相比军用航空发动机，我国在民用航空发动机上与国外差距更大。目前，我国民用客机的发动机全部采购自美国 GE、美国 PW、英国 RR、CFM 等国外企业，包括我国目前研制的 C919 大飞机短期也无法完全摆脱外国发动机，采用的也是 CFM 公司的 LEAP 系列发动机。在“十三五”期间，我国商用航空发动机规划了三个产品系列：长江 500（ARJ21）、长江 1000（C919）和长江 2000（CR929）。2020 年 3 月，“长江 2000”发动机核心机C2XC-101 点火成功，8 月，已经进入整机装配阶段。“长江 1000”发动机研制进展稍快于“长江 2000”，已于 2018 年完成整机点火，2020 年 7 月开始试航取证，预计到 2025年以后可以投入使用。

六、行业格局

由于航空发动机的研发具有研发时间长、投入资金庞大、技术壁垒高等特点。当前，能够自主研制航空发动机的国家只有美国、英国、法国、俄罗斯和中国等少数国家。而且欧美等国家长期对航空发动机技术封锁，目前，航空发动机军民两用市场呈现由通用电气（GE）、罗罗、普惠等少数几家巨头公司垄断的局面。