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安信军工冯福章:航空发动机国产化势在必行 关注两主线(附股)

时间:20-08-10 11:34    来源:新浪

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【安信军工-行业深度】航空发动机:飞机心脏,国之重器

安信军工冯福章(金麒麟分析师)

报告摘要

■航空发动机:飞机的心脏,国家安全的战略保障。航空发动机行业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现,也是国家安全和大国地位的重要战略保障。航空发动机具有研制周期长,技术难度大,耗费资金多等特点,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,其中军用航空发动机被美、俄、英主导。

■中国军用航空发动机:测仿起步实现自研,自主可控是大势所趋。我国航空发动机经历了“维护使用-测绘仿制-型号研制-开展预研”的反过程,当前已建立起了相对完整的发动机研制生产体系,具备了涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等类发动机的系列研制生产能力,国产发动机已装配歼击机、运输机、轰炸机等多种机型。当前我国军机发动机国产化比例已大大提高,但新型号发动机,尤其是四代发动机用的小涵道比涡扇发动机和大型运输机、轰炸机用的大涵道比涡扇发动机,技术较为落后,存在明显短板。随着军机换装列装提速,再叠加发动机国产化比例不断提高,我国军用发动机行业将迎来快速发展时期。

■航发集团成立带动产业发展,“两机”专项带来政策红利。航发集团成立,飞发分离体系正式确立,航空发动机国产化高度可期;两机专项的推出必定会给两机行业带来巨大的政策红利,将从根本上解决长期困扰我国航空发动机与燃气轮机产业的投入不足问题,在政策和资金的有利支持下,将推动我国航空发动机与燃气轮机技术赶超世界先进水平,实现历史性飞跃,我国航空发动机和燃气轮机产业将加速发展,并有望在未来打破巨头垄断进入国际市场。

■航空装备尤其新型战机换装列装带来对发动机的巨大需求。发动机是核心分系统,军用航空发动机的发展和军机发展相辅相成,而军机发展依赖于航空兵部队(包括空军航空兵、陆军航空兵、海军航空兵等,空军为主力)建设。目前我国军机尤其是战斗机数量和结构与美国有较大差距,与战略空军建设目标还有较大的差距,预计随着国防预算的倾斜以及战略空军建设的要求,我国航空装备尤其战机换装列装有望加速,带来对航空发动机的巨大需求。

■我国军用航空发动机市场:未来十年年均420亿元。全球军用航空飞机发动机市场将从2018年的162亿美元增加到2028年的250.5亿美元;预计未来十年,我国军用发动机平均每年购置经费280亿,维修费140亿,合计420亿;按各部分拆分费用,平均每年叶片161亿、零部件182亿、动力控制系统49亿。

■投资建议:我们认为,航空发动机具有极其重要的战略地位,国产化势在必行,当前军用航空发动机投资主要围绕两条主线:

①具有垄断地位的国家队主机厂:我国军用航空发动机生产由航发集团主导,当前量产的发动机型号较少,新型号一旦定型量产,具备垄断地位和稀缺性的主机厂将显著受益;

②材料、叶片等领域寻求突破的民营企业:近年来许多民营企业投身于航空发动机产业,关键技术一旦突破,将极大促进行业发展,同时也为自身打开巨大的发展空间。

■相关上市公司:航发动力、航发科技、航发控制、华伍股份、炼石航空、应流股份、海特高新、火炬电子。

■风险提示:宏观经济表现低迷,军工行业也很难独善其身;相关支持资金未按时按量下拨;军工集团发展战略调整、上市公司定位发生变化;技术与产品研制进程的不确定性。

目录

报告正文

一、航空发动机:飞机心脏,工业之花

航空发动机是飞机的心脏,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”和“工业之花”。航空发动机不仅是飞机的动力,也是航空技术发展的动力,人类在航空领域的每一次重大突破,无不与航空动力技术的进步相关;飞机的需求和发展又促使发动机向更高水平迈进,二者相得益彰。航空发动机行业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现,也是国家安全和大国地位的重要战略保障。作为一种典型技术密集型产品,航空发动机需要在高温、高压、高转速和高负载的特殊环境中长期反复工作,其对设计、加工及制造能力都有极高要求,因此具有研制周期长,技术难度大,耗费资金多等特点。目前虽然许多国家都可以自主研制生产飞机,但具备独立研制航空发动机能力并形成产业规模的国家却只有美、俄、英、法、中等少数几个。

我国商用大飞机起步较晚,民用航空动力发展更为滞后,中短期内缺乏投资机会;而军用航空发动机正处在快速自主化进程中,故本文侧重于研究和分析军用航空发动机。

1. 航空发动机分类

自1903年问世至今一百多年以来,航空发动机经历了两个主要发展时期,1903年至1945年为活塞式发动机统治时期,1945年至今是喷气式发动机时代。在喷气式发动机时代,航空上广泛应用的是有压气机空气喷气式发动机。在压气机空气喷气式发动机中,压气机是用燃烧室后的燃气涡轮来驱动,因此这类发动机又称为燃气涡轮发动机。按燃气发生器出口燃气可用能量利用方式的不同,燃气涡轮发动机分为涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴和螺旋桨风扇发动机。

2. 航空发动机发展历程

2.1. 活塞式发动机:低速、通用飞机仍在应用

活塞式航空发动机是一种往复式内燃机,通过带动螺旋桨高速转动而产生推力。为满足功率要求,活塞发动机一般由多气缸组合构成,多个缸体同时工作带动曲轴和螺旋桨转动以产生足够动力。1903-1945年,活塞式发动机作为飞机的动力装置,占据了统治地位。在两次世界大战的需求牵引下,活塞发动机不断改进完善,得到迅速发展,达到其技术的顶峰。战后随着涡轮喷气、涡轮螺桨和涡轮风扇发动机的发展,活塞发动机逐渐退出了大中型飞机领域,其被取代的主要原因:①飞行速度限制,活塞发动机外形阻力大,螺旋桨高速旋转时效率低;②工作原理限制,活塞式发动机中进气、加压、燃烧和排气四个工作阶段是通过活塞在一个气缸的往复运动分时依次进行的,每个汽缸能发出的功率受到工质温度的限制,随着功率增大,活塞发动机汽缸数增多,重量急剧增加,功重比严重降低。

但由于活塞发动机具有效率高、耗油率低和价格低廉等优点,在功率需求小于200千瓦的小型低速通用飞机上仍有一定优势。在小型公务机、农业飞机、支线和一些小型多用途运输机(森林灭火、搜索、救援和巡逻等),活塞发动机仍被广泛地采用。

2.2. 涡喷发动机:已逐步被涡扇发动机取代

涡喷发动机一般由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮以及喷管等部件组成,其中压气机、燃烧室、涡轮组成了发动机的核心机。涡喷发动机的主要流程都是在核心机中完成,包括空气的压缩、燃烧、涡轮做功等。空气经进气道进入发动机后,首先经过压气机,加压后进入燃烧室,与燃料掺混,点火燃烧,形成高温气体,高温气体膨胀驱动涡轮工作,经过涡轮后的燃气通过喷管排出而产生推力。现代战斗机需要短时间增加推力时,就在涡轮后再加上一个加力燃烧室喷入燃油,让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合再次燃烧,可使发动机的推力增加至1.5倍左右。

涡喷发动机的发展经过20世纪40~50年代马赫数1一级的第一代单轴发动机,50~60年代的马赫数2~3一级的第二代双轴加力式涡喷发动机,到70年代初用于“协和”超声速客机的Olympus 593涡喷发动机,从此再没有重要的涡喷发动机问世。虽然涡喷发动机使航空飞行进入了超声速时代,但涡喷发动机产生推力时会高速喷出燃气,高速高温燃气喷出发动机后直接散溢造成巨大的能量损失,因此涡喷发动机的经济性差、油耗高。目前除了尚未退役的部分二代战斗机用涡喷发动机外,大多数已被涡轮风扇发动机所取代,当前小型涡喷发动机主要应用于中高空无人机、靶机和弹道导弹领域。

2.3. 涡扇发动机:军民用飞机主要动力

涡扇发动机由涡轮喷气发动机发展而成,在核心机基础增加了风扇和低压涡轮。风扇转动压缩空气,经压缩的空气分为两股。外股气流平行流动,经喷管直接排出,产生推力;内股气流与普通喷气发动机一样,经过压气机、燃烧室和涡轮之后由喷管排出。外股与内股气流的流量之比称涵道比或者流量比。在核心机相同的条件下,由于涡轮风扇发动机总空气流量大,排气速度低,所以与涡轮喷气发动机相比,推力大、推进效率高、耗油率低。

涡扇发动机首先用于民用飞机,随后扩展到军用飞机。20世纪60年代出现风扇化热潮,70~80年代以后涡扇发动机高速发展,开始取代涡喷发动机成为军民用飞机的主要动力,分别向小涵道比的军用加力发动机和大涵道比的军民共用发动机两个方向发展。

(1)小涵道比涡扇发动机,战斗机用

小涵道比加力涡扇发动机兼具亚音速巡航低油耗和超音速机动性的特点,适合作为战斗机动力。战斗机用涡扇发动机涵道比为0.3-1.0,以推重比为主要发展指标。根据战斗机的性能,现役及在研的战斗机的代数可以分为五代,与之对应的航空发动机也被划分为五代。当前,发达国家装备主战机种是第三代战斗机,未来将逐步过渡到四代战机。战斗机的发动机市场主要由PW、GE、土星、SNECMA以及欧洲喷气动力公司瓜分。

(2)大涵道比涡扇发动机,军民用运输机、商用大飞机用

大涵道比发动机具有耗油率低、噪声小的特点,通常广泛用于大型民用客机、军民用运输机,例如C-5银河运输机、波音747客机。大涵道比涡扇发动机采用“三高”循环参数设计:高涵道比、高总增压比和高涡轮前温度。按照发动机所采用的循环参数与设计技术,大涵道比涡扇发动机的大致可分为四代。当前,第三代大涵道比涡扇发动机是民用客机、军民用运输机主力,四代发动机正在进入市场。

目前,在国际市场上,大型飞机发动机的研制主要依赖GE、PW和R&R三大公司,各公司发动机系列化发展,已成垄断格局,推力范围覆盖了100~500KN。而俄罗斯研制的大涵道比涡扇发动机主要配装本国生产的大型飞机。

2.4. 涡桨发动机:应用于中小型运输机和通用飞机

涡桨发动机的驱动原理与活塞式发动机基本相同,是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推进力,结合了涡喷功率大和螺旋桨推进效率高的优点。在第二次世界大战中,英国首先研制成功涡轮螺旋桨发动机,美、法、苏等国也都积极发展了这项技术。因为它耗油率低、经济性好、起飞推力大,曾得到较为充分的发展。目前在中小型运输机和通用飞机上仍有广泛用途,但由于速度、功率受限制,在大型远程运输机上,已被涡扇发动机所取代。

涡桨发动机市场主要由PWC(普惠加拿大公司)、GE、Honeywell和R&R四家公司分享,而随着空客公司的A400M大型军用运输机开始交付,为其提供动力(TP400-D6大型涡桨发动机)的欧桨国际(EPI)的市场占有率将在未来将获得明显提升。

2.5. 涡轴发动机:直升机唯一动力

涡轴发动机是直升机最主要的动力,其工作原理与涡桨发动机类似,燃气流经驱动压气机的涡轮后,再流经一个驱动减速器的自由涡轮,最后从尾喷管中喷出,减速器的输出轴与传动直升机旋翼的主减速器相连,驱动旋翼的旋转。涡轴发动机具有功重比高、油耗低等特点。涡轴发动机经过不断改进改型和更新换代,已成功研制到第四代并开始陆续投入使用。目前,直升机市场上普遍采用的是第三代涡轴发动机,仅少数直升机采用第四代涡轴发动机。

同运输机用涡扇发动机一样,直升机用涡轴发动机也有明显的军民共用的特点。涡轴发动机市场主要由GE、R&R、Turbomeca(透博梅卡)、PWC(普惠加拿大)和Klimov(克里莫夫)五家公司瓜分。

2.6. 桨扇发动机:目前仅有一款成功机型

桨扇发动机既可看作带先进高速螺旋桨的涡轮螺旋桨发动机,又可看作除去外涵道的超高涵道比涡轮风扇发动机,结合了涡轮螺旋桨发动机耗油率低和涡轮风扇发动机飞行速度高的优点,其有效涵道比为15~20。桨扇发动机克服了一般螺旋桨在飞行马赫数到达0.65后效率就急剧下降的缺点,而使推进效率较高的优越性保持到飞行马赫数0.8左右。但由于桨扇发动机噪声、振动及减速器性能差,特别是没有外涵机匣,使用安全性没有保证等问题未能得到很好的解决,桨扇发动机尚未被广泛采用,唯一投入生产的桨扇发动机是用于安-70运输机的D-27发动机。

3. 航空发动机产业特点

3.1. 基于核心机衍生发展

航空发动机的研制流程可分为预先研究、工程研制和使用发展三大阶段。

(1)预先研究阶段:为发展新型发动机提供技术储备,缩短研制周期,降低研制风险,不断提高技术水平,同时,为改进现役发动机性能、可靠性提供实用的技术成果。

(2)工程研制阶段:根据主要作战使用性能指标,研制满足装备使用要求的发动机产品。工程研制阶段结束后,将最终给出是否可以大批量装备使用的结论。

(3)使用发展阶段:是发动机全寿命科研工作的重要组成部分,发动机装备使用后应不断解决使用中暴露的技术质量问题,提高可靠性,并根据装备发展需求和新技术研究成果进行改进改型发展。

据《跨世纪航空发动机预研技术的发展》,国外航空发动机研发经费占航空科研总经费的35%,其中型号(包括型号研发、技术基础、预先发展和后续工程发展)与预研费各占科研费50%;而我国预研经费占航空发动机研发经费比重相对偏低,根据《中国航空工业技术政策》,我国航空发动机研发经费中预研只占25%左右。

航空发动机预研阶段主要展开核心机的研制,在新型发动机研制中具有十分重要的意义。核心机从物理概念讲,是在燃气涡轮发动机中由压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮组成的核心部分,它不断输出具有一定可用能量的燃气,因此又称为燃气发生器。核心机的研制是发展各种型号发动机的基础,可以增加几型发动机的通用零件数、改善互换性,大大缓减发动机研制周期长于飞机研制的矛盾,降低成本和提高可靠性。

(1)核心机系列化派生发展

国外的实践经验证明,走核心机及其派生发动机的发展道路,同时发展几型核心机,通过匹配不同的低压系统,形成一定范围的推力覆盖。GE公司在同一核心机的基础上,发展出轰炸机用的F101、F16战斗机用的F110和民用的CFM56系列发动机。前苏联的伊伏琴柯设计局于20世纪60年代中期,为了研制大推力、三转子高涵道比涡扇发动机,先进行了小尺寸的技术验证发动机D-36的研制工作,在D-36的核心机的基础上发展了D-18T三转子高涵道比涡扇发动机,D-136涡轴发动机,D-236桨扇发动机、D-336地面用燃气轮机以及D-436高涵道比涡轮风扇发动机、D-436T民用发动机。

(2)世界航空发动机预研体系

西方发达国家积极推进和实施各种研究计划。美国空军航空推进实验室于1959年向国防部提出燃气发生器计划。1965年该计划正式命名为“先进涡轮发动机燃气发生器计划”(ATEGG),开启了“核心机衍生发展”之路,ATEGG计划自启动以来已经发展了9代核心机。同时展开的联合技术验证发动机(JTDE)计划将ATEGG计划获得的核心机与其它先进低压部件组合成技术验证发动机,在真实的发动机环境中评估核心机和低压部件技术。20世纪80年代到本世纪初,美国相继提出IHPTET(综合高性能涡轮发动机计划,1987~2005,原来的ATEGG、JTDE被并入该计划)、VAATE(先进涡轮发动机计划,2003~2017)等预研项目,分别投入50亿和42亿美元。以英国为主的西欧也有与美国IHPTET计划相类似的计划——军用发动机先进技术综合验证计划ACME(Advanced Core Military Engine)和英法合作军用发动机技术计划AMET(Advanced Military Engine Technology);俄罗斯虽然经济条件有限,但其技术的发展仍可与美、英、法等国相匹敌。

与发达国家相比,我国航空发动机发展走的是一条“维护使用-测绘仿制-型号研制-开展预研”的反过程。发动机预研开始于20世纪80年代,而那时国外已经形成成熟预研体系,但此后进行的系列预研项目使我国高性能航空发动机走上“技术预研-核心机-试验验证”的高速公路。原国防科工委还组织制定了以核心机为基础的《航空发动机发展系列》,并将航空发动机核心机技术列为关键技术。

3.2. 高温高压高转速,考验现代工业技术极限

发动机虽然是飞行器的一个分系统,但其涉及的学科和技术领域之多几乎与整个飞行器相同,而且有些要求还更高。航空发动机是知识密集、多学科集成的高科技复杂热力机械,需要在高温、高速、高负荷的苛刻条件下反复工作,且技术性能、耐久性、可靠性及经济性要求日益提高。航空发动机制造涉及气动、热力、控制、材料、强度、制造等诸多学科和技术领域,是最为复杂的工程技术之一。

现代航空发动机主机内的温度达到1800~1950K,压强达到50个大气压,转速达到50000/min,这些都对发动机叶片、轴承的材料提出了严峻挑战。航空发动机部件之间的相互干扰大,上下游部件的流场和温度场的相互干扰影响了发动机工作稳定性,也增加了发动机的研制难度。航空发动机的超高研发、制造难度,集中考验了一国工业技术所能达到的极限。

3.3. 高投入长周期,伴随巨大经营风险

发动机的型号发展往往需要大量投入,一般新研涡扇发动机需要20亿美元左右,而且市场竞争激烈,发动机研制进度的拖延可能造成严重经济损失,如GE公司的F120在竞争中失利;R&R公司在RB211研制中采用当时尚不很成熟空心风扇叶片而导致公司破产等。

3.4. 壁垒门槛高,经济回报高

如美国《国家关键技术计划》所描述:这是一个技术精深得使新手难以进入的领域,它需要国家充分保护并利用该领域的成果,需要长期数据和经验的积累以及国家大量的投资。航空发动机产业因为技术极其高端,处于寡头垄断的环境中,一款成熟产品能够销售30~50年,面临的竞争威胁很小,制造商可以安心享受技术和产业链升级带来的好处,几乎不必担心竞争和市场回报问题。据日本通产省统计,按照产品单位重量创造的价值来计算,如果船舶为1、则汽车为9、电视机为50、电子计算机为300、大型飞机为800、航空发动机为1400。

3.5. 军民通用性强

大涵道比涡扇发动机的军民结合主要表现为军用运输机和大型客机发动机的相互借鉴和选用。早期的大涵道比涡扇发动机(如JT9D、CF6等)均源自美国空军的战略运输机计划。而随着民用航空的发展,大型军用运输机都不再专门研制发动机,而是直接选择成熟的民用发动机,在不经修改或稍作修改的情况下,便可用于装备加油机、运输机、预警机和其他大型军用飞机。如美国空军的C-17大型运输机配装的F117-PW-100发动机对应的民用型号就是用于波音757的PW2037发动机;美国空军的C-5“银河”运输机换发计划所采用的CF6-80C2发动机,亦是波音767、空客A300等民用客机的动力装置。

涡轴、涡桨发动机的军、民用界限则更为模糊,选装涡桨或涡轴发动机的军、民用飞机的飞行包线差别并不大,发动机的安装条件也没有实质性区别。配装涡桨发动机的运输机、初/中级教练机等机种都可以军民两用,除了专门的武装直升机外,绝大部分直升机也都是军民通用的。例如,普惠加拿大公司的PT6系列涡桨/涡轴发动机,累计产量已经超过4.4万台,其配装对象既有比奇1900、肖特330、EMB-312等支线飞机,也有贝尔212、贝尔412、S-58T、S-76B、H-76N等军、民用直升机,已经很难严格区分其军、民属性了。

二、产业格局:美俄英寡头垄断,中国从测仿到自研

1. 航空发动机产业格局

1.1. 全球寡头垄断

航空发动机是战斗机等军机的核心组成系统,属于一个国家的战略装备,因此拥有一流技术的发达国家对其他国家实行严格的技术封锁。同时由于发达国家的经济实力较强、起步较早,有能力持续投入巨额的研发资金以维护自身的领先地位。据《装备工业研究》统计,美国、英国和法国的航空发动机产业研究经费分别占其国内生产总值的0.05%,0.08%和0.06%。这也促成了航空发动机产业行业形成了金字塔形的发展格局:

①第一梯队,美国的GE和PW公司、英国的R&R公司、CFM国际公司(SNECMA与GE的合资公司)、国际航空发动机公司(IAE、R&R与PW的合资公司)以及EA公司(GE与PW的合资公司)由于其出色的航空发动机整机研制、总装集成、销售及客户服务能力位于金字塔的顶层;

②第二梯队,俄罗斯的土星公司和礼炮公司、法国的SNECMA、美国的Honeywell、德国的MTU以及意大利的AVIO公司本身也具有较完整的航空发动机整机研制能力,并在各自的技术领域具有很强实力,但由于缺乏民品或者中大型航空发动机,主要为塔尖位置公司提供大部件及核心机;

③第三梯队,具有强大的航空发动机零部件加工制造能力,包括日本的三菱重工、川崎重工、石川岛播磨重工和韩国的三星科技公司等。

1.2. 军民协调发展

世界大型航空发动机企业也非常重视军民航空发动机的协调发展。一个企业如果单纯依靠军用航空发动机很难长期生存,必须辅以民机和燃机的高额利润来维持运转。世界发动机产业格局早期以军机为主,军民用航空发动机的销售额比约为4:1。这种情况当前已出现了根本性的转变,2017年,GE军民用航空发动机的销售额比约为1: 5.2,R&R为1: 3.5。

1.3. 主承包商-供应商发展模式

在打造行业巨头的同时,航空发动机行业逐步形成了主承包商-供应商发展模式。 以R&R公司为例,至少从2004年开始,就只生产其最终产品所有零部件中附加值最高的30%,而将余下的70%转包出去,从而在风险可控的前提下,尽可能地降低发动机全部零件的制造与采购成本。R&R公司认为具有竞争力的核心零部件必须自行生产;非核心零部件如果有足够的竞争力也会自行生产;竞争性不强的核心零部件生产必须受控,即在合作伙伴企业或合资企业中进行生产;不是核心零部件,竞争性又不高的零部件则完全可以进行外部采购。

2. 军用航空发动机市场寡头垄断,美俄占比超八成

2.1. 军用航空发动机:美俄英占九成

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有中美俄英法等国家,军用航空发动机被美俄英主导。我国由于航空发动机研制起步较晚,目前军用航空发动机进展较民用航空发动机更快,但仍落后于美英法等国家,而俄罗斯航空工业发展长期以军用为主,民用航空发展失衡,故在民用航空发动机方面也相对落后。

根据2017年《WORLD AIR FORCE》统计,对全球装备数量前十的战斗机、运输机和直升机进行统计:

①按产地分,美、俄、英三国分别占比为55%、27%、9%,合计91%;

②战斗机装备数量前三发动机厂商为GE、ODK、PW、,占比分别为42%、34%、14%;

③运输机装备数量前三发动机厂商为R&R、PW、ODK,占比分别为39%、37%、21%;

④直升机装备数量前三发动机厂商为GE、阿维科·莱卡明、ODK,占比分别为50%、17%、11%;

⑤三种机型合计,装备数量前三发动机厂商为GE、ODK、PW,占比分别为35%、27%、16%。

2.2. 美国:以引进起家,通过”调控”式竞争推动发展

美国是公认的当今航空发动机技术最为先进的国家,但美国的航空发动机也是以引进英国发动机技术起家的。美国通过政府主导的”调控”式竞争推动航空技术进步,从1984年到1989年,美国空军每年都要将F-16发动机的订单在普惠和通用之间进行分配,每年的份额都有所不同,这导致两家公司每年的激烈竞争。但如果把6年间的总份额累计来看,两家公司基本上是平分秋色。作为竞争的统筹规划者,美国军方在研发和采购过程中并未由于竞争的存在而节约多少资金,但通过对竞争的有效统筹,美国空军从更优秀的厂商那里获得了性能更优、更为可靠且维护性更好的喷气发动机。从上世纪八十年代至今,美国凭借其在发动机遥遥领先的技术和地位,成为全球航空大国和军事大国。

2.3. 俄罗斯:整合重组发动机企业形成竞争力

俄罗斯前苏联航空发动机产业也以仿制起步,二战后与欧美强国处于同一水平。前苏联鼎盛时期建立了强大的航空工业体系,形成了“设计单位百花齐放,生产单位三强并立”的格局。随着苏联的解体,由于缺乏资金,许多在研和预研项目被取消,一批国有航空发动机设计局和批量厂被民营资本和海外资本收购。这直接导致俄罗斯民用航空发动机产品几乎完全退出国际市场。为了扭转这一现状,一向以铁腕著称的普京总统上台后,对国内的航空发动机产业进行了铁腕改革。

从2007年开始进行了3个阶段的航空发动机行业改革与重组:

①2007年整合国内航空发动机行业的资源,成立4个控股公司:“礼炮航空发动机联合体”、 “留里卡-土星航空发动机联合体”、克里莫夫股份公司、萨马拉航空发动机制造中心;

②2008年,把4个控股公司整合成立联合发动机制造集团控股公司(ODK),ODK整合了俄罗斯发动机行业85%以上的资产,已经成为俄罗斯航空发动机的领军企业;

③2013年,将ODK旗下多家企业进行专业化整合,根据不同的产品线,成立了4个发动机部,分别是军机发动机部、民用飞机发动机部、直升机发动机部和燃气轮机部。

值得一提的是,在对发动机产业整合过程中,俄罗斯开始吸纳社会资本参与航空发动机产业的发展。

3. 国产军用航空发动机的自主之路

3.1. 国产军用航空发动机发展历程

我国航空发动机的研制是在新中国成立后一片空白的基础上发展起来的,从最初的修理、仿制、改进改型到今天可以独立设计制造高性能航空发动机,走过了一条十分艰辛的发展道路。

(1)仿制和改进

上世纪50年代,中国航空发动机工业从零起步,走过了一条充满荆棘的道路。1956年,中国第一台涡喷-5发动机根据苏联BK-1φ发动机的技术资料在沈阳仿制成功,此后很长一段时间,中国航空发动机都以仿制和改进为主,例如涡喷-6、涡喷7和涡喷8。

(2)部分自主设计

进入上世纪70年代,我国开始对航空发动机进行了部分的自主设计,如基于涡喷-7研制的涡喷-13系列发动机和基于英国斯贝MK202的涡扇-9系列发动机。其中,涡喷-13于1985年开始装机试飞,满足了歼-8Ⅱ飞机研制进度的要求。

(3)拥有自主知识产权

直至2002年,国产涡喷-14”昆仑”发动机定型,中国才首次走完了自行研制的全过程,也一跃成为继美、俄、英、法之后的第五个航空发动机生产国。2005年12月,涡扇-10也就是俗称的”太行”发动机研发成功,成为我国首个具有自主知识产权的高性能大推力涡扇发动机。

经过60多年的发展,我国已建立了相对完整的发动机研制生产体系,具备了涡桨、涡喷、涡扇、涡轴等类发动机的系列研制生产能力。国产发动机主要装配在歼击机、强击机、轰炸机、歼击轰炸机等主战飞机上,只有少量三代战机装的是进口发动机。运输机方面,运-7、运-8等运输机使用的涡桨发动机全部国产化。直升机方面,随着直-9、直-8、直-10等整体技术的成熟,在引进的基础上实现涡轴-8、涡轴-6、涡轴-16发动机的系列化发展,为我国快速扩大的国产直升机群提供了可靠的动力来源。

3.2. 航发集团:军用航空发动机制造国家队

2016年8月28日,中国航空发动机集团公司成立大会在京举行。作为中央管理的国有特大型企业,中国航发注册资本人民币500亿元,是实施航(金麒麟分析师)空发动机专项的责任主体,由国务院、北京市人民政府、中国航空工业集团公司、中国商用飞机有限责任公司共同出资组建,是国有控股的集团公司。

航发集团的成立,将研制周期长于一般机体的发动机独立于整机制造之外,使之不受制于整体飞机制造的限制,从而具备了更大的灵活性。航发集团的成立标志着我国航空发动机产业将形成全新格局,对我国航空工业未来发展具有重要意义。航发集团将建立“小核心、大协作、专业化、开放式”的研发生产体系,真正走出一条从基础研究到关键技术突破,到战略性航空发动机产品研制的自主创新研制的发展道路,同时也带动我国科学技术和工业技术水平的提升。

3.3. 民营企业:积极投身航空发动机领域,以零部件配套为主

航空发动机高投入、长周期,经营风险大,对一般民营企业构成较高的壁垒和门槛。近几年来,随着国家“两机”专项的实施,军民融合政策的深入推进,再加上资本市场助力,我国发动机逐步形成“小核心、大协作、专业化、开放式”的模式,民营企业逐步成为一支不可忽视的力量。

当前民营企业主要从零部件切入航空发动机领域,且多为同国际巨头合作,许多企业利用灵活的机制,引进国际知名专家队伍,定制国际先进的专业化设备,在高温合金材料制备、精密铸造、叶片机加等方面承担了多项航空发动机和燃气轮机科研生产任务。虽然目前尚没有可以独立制造发动机整机的民企,但未来可能性依然存在。

3.4. 中国航空发动机与燃气轮机两机专项

过去,我国对于航空发动机研制工作的艰巨性、长期性和高投入认识不足,与发达国家在这两方面资金投入上差距巨大。为支持第四代发动机的研制和开展推重比 15~20 一级的先进军用发动机关键技术研究,美国的 IHPTET 计划在1988~2003 年的15 年中总计投资 50亿美元。而我国1980~2000 年实施的两项高性能发动机预研计划,20年的总投入只有美国一年经费的几分之一,专项资金匮乏是制约我国航空发动机发展的重要因素。

在这一背景下,从2011年开始,国家对航空发动机与燃气轮机启动调研与论证,突破瓶颈后逐渐被提上日程。2017年3月,航空发动机与燃气轮机两机专项启动,在两机专项资金与政策的支持下,航空发动机体系将有能力自主筹备研发方案,大规模开展预研项目,切实做到“动力先行”,将有望缩小我们与欧美国家的差距。根据人民网报道,大致测算到2020年我国航空发动机产业规模将达1000亿元,航空发动机与燃气轮机重大专项未来投资力度或在3000亿元以上。

两机专项的推出必定会给两机行业带来巨大的政策红利,将从根本上解决长期困扰我国航空发动机与燃气轮机产业的投入不足问题,在政策和资金的有利支持下,将推动我国航空发动机与燃气轮机技术赶超世界先进水平,实现历史性飞跃。我国航空发动机和燃气轮机产业将加速发展,并有望在未来打破巨头垄断进入国际市场。

三、军用航空发动机产业链

航空发动机产业链包括研发设计、原材料制备、零部件制造、分系统制造、整机装配、整机试验和维修保障等环节;我国目前已基本建立了完整的航空发动机研制和生产体系。

1. 整机

军用发动机研制以航发集团主导,自研太行发动机已量产。军用发动机方面,太行发动机目前主要用于装备中国第三代战斗机,其性能指标与美军F-16战机F110发动机相当,这意味着未来太行发动机有可能逐步取代俄制AL-31F,装备歼-10、歼-11、歼-15、苏-27等战机。当前涡扇-10处于量产过程,且质量稳定性提升,适合我国四代、五代机的涡扇-15发动机仍在研制过程中,但距离正式配装还较为遥远。我国短期内很难摆脱依赖进口发动机局面,国产发动机竞争力不足的现象将长时间存在。

近年国家持续推进军民融合项目开展,鼓励民企参与军工产品竞争,开始引入市场竞争机制,军工产品生产逐步与市场接轨。客户对军工产品及服务质量提出了更高的要求,这进一步加剧了国内军工企业与有实力、有资质民企间的竞争。虽然目前尚没有可以独立制造发动机整机的民企,但未来可能性依然存在。同时我国也在海外积极寻求并购机会,如中航国际于2011年收购美国大陆航空活塞发动机公司。

商用航空发动机方面,商发成立,尚不具备自主研制能力,目前主要承接外国公司转包业务。商发公司于2009年成立,目标是提供商用大涵道比涡扇发动机系列产品及相应服务,商发总经理冯锦璋2017年8月透漏,“长江1000(CJ-1000A)”发动机将近期完成总装下线,装配C929的“长江2000(CJ-2000)”发动机也正在进行大部件、大单元体的试制和试验。我国民用发动机起步晚,发展道路也将更加漫长。

2. 原材料

根据Global Commercial Aero Turbofan Engine Market数据,镍合金、钛合金和特钢是航空发动机的主要材料,分别占比40%,30%及25%。陶瓷基复合材料等新兴材料,因其优良属性而在未来有着巨大的应用空间。

2.1. 高温合金:先进发动机的基石

高温合金一般是指以铁、镍、钴为基体元素,能在应力及高温(600℃以上)同时作用下,依然具备良好工作性能的金属材料。航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关,高温合金是推动航空发动机发展的最为关键的结构材料。军用航空发动机通常可以用其推重比来综合地评定发动机的水平。提高推重比最直接和最有效的技术措施是提高涡轮前的燃气温度,因此高温合金材料的性能和选择是决定航空发动机性能的关键因素。随着航空装备的不断升级,对航空发动机推重比的要求不断提高,发动机对高性能高温合金材料的依赖越来越大。

高温合金主要用于发动机四大热端部件:燃烧室、导向器、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。

高温合金行业需要依托强大的生产和研发技术方能保障企业的正常运行,同时该行业无论军品和民品均涉及到产品认证问题,特别是军品的认证,周期长,审核严,可以说为该行业构筑了天然的进入壁垒,国内外能够形成较为完善产业链的国家也仅有美国、英国、德国、法国、俄罗斯和日本等少数国家,从事高温合金的企业全球范围内也仅有50家左右。

美国在高温合金研发以及应用方面一直处于世界领先地位,年产量约为50000吨,其中近50%用于民用工业。欧盟国家中英、德、法是世界上主要的高温合金生产和研发代表,英国是世界上最早研究和开发高温合金的国家之一。日本则在镍基单晶高温合金、镍基超塑性高温合金和氧化物晶粒弥散强化高温合金领域取得较大的突破,近年来,日本一直致力于研发新型的耐高温合金,并成功开发出了在1200℃高温下依然能保持足够强度的新合金。

经过50多年发展,我国已经形成了比较先进,具有一定规模的生产基地。国内厂商主要包括钢研高纳、抚顺特钢、齐齐哈尔特钢、宝钢特钢、长城特钢、中科三耐、图南股份、炼石航空、应流股份和万泽股份等企业,这些大型钢企拥有大吨位冶炼设备以及变形加工能力,主要生产在航空航天领域用量最大的变形高温合金,因此在大批量生产高温合金母合金、板、棒、锻材上有很大的优势。

2.2. 钛合金:低密度、高强度

钛合金是以钛为基体加入其他元素组成的合金,根据所掺杂的元素(铝、钼、钒、锆等金属)不同,钛合金可以拥有不同的特性。由于钛合金具备优良的力学性质和化学性质,可以满足先进飞机发动机高可靠性和长寿命的要求,同时能在500℃高温下长期工作,在发动机的中等温度部位(如压气机)可取代高温合金和不锈钢,主要应用于压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管、压气机叶片、轮盘和机匣等零件部位。

国际领域主要的钛合金生产商有美国钛金属公司(Titanium Metals Corporation)、俄罗斯(VSMPO-AVISMA)、日本东邦钛公司(Toho Titanium)、住友公司尼崎分公司等,在技术上拥有较大优势。在军用领域,由于准入条件限制,这些企业与国内企业并无竞争关系;国内市场集中度很高,2014年我国生产航空航天领域用钛销售量合计4861吨,其中宝钛股份、西部超导和西部材料(002149)三家企业继续稳居行业前三甲,占比合计81%。

2.3. 陶瓷基复合材料:制造高推重比航空发动机的理想材料

陶瓷基复合材料(CMC)是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料,具有密度低、耐高温、高温抗氧化性能优异的显著优势。对于航空发动机来说,提高涡轮前燃气温度是提高发动机推力的主要技术途径,但是目前的涡轮前燃气温度已经逐步接近高温合金自身的熔点,温度上升空间很小,因此需要有替代材料。陶瓷基复合材料具有耐高温特性,可用于热端构件。研究表明陶瓷基复合材料可将涡轮前燃气温度在现有的基础上提高300K以上。同时陶瓷基复合材料密度小,有利于发动机减重。

CMC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。

①对于军用发动机:提高推重比、降低服役成本是研制焦点。现有推重比10一级的发动机涡轮进口温度达到1500℃,如F119涡轮进口温度达到1700℃左右;正在研制的推重比12~15的发动机涡轮进口平均温度超过1800℃。然而,目前耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度在1100℃左右,且必须采用隔热涂层以及设计最先进的冷却结构。因此,现有的高温合金材料体系(镍基等)已接近其使用温度的极限,难以满足先进航发的热结构用材需求;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。

②对于民航发动机:降低油耗、提高发动机使用寿命是研制焦点。以Boeing-787为例,使用超过50%的先进复合材料,油耗下降了20%左右。根据英国宇航专家Andrew Walker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。

国外CMC在航空发动机的应用层面已逐渐打开,呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。短期应用目标为:尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等;中期应用目标为:低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等;远期应用目标为:高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等。CMC在国外已成功应用于多款发动机型号并实现工程化生产,将成为航空发动机制造的主流趋势,市场空间巨大。国内CMC增强纤维材料研制单位有:厦门大学、国防科技大学;并且均通过产-学-研形成以下纤维供应商:火炬电子、苏州赛菲及宁波众兴新材。国防科大是国内最早研制SiC纤维的单位,已形成SiC纤维体系化的发展格局,综合性能达到或接近国外同类产品水平;厦门大学特种陶瓷先进材料实验室从2002年底开始研发SiC纤维,目前已经制得连续SiC纤维。

国内CMC材料制备商:西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司、西安超码科技有限公司、中航复合材料有限责任公司等多家公司公司均有CMC相关业务。根据张立同院士2006年在第十四届全国复合材料学术会议上的论文中的表述“我国已经打破国际封锁,自主攻克了碳化硅陶瓷基复合材料构件批量制造技术,但是由于缺少高性能SiC纤维,目前只能用碳纤维代替”判断,碳化硅纤维的量产将直接推动相关CMC材料的量产,进而推动我国碳化硅陶瓷基复合材料的大量应用。

3. 零部件

航空发动机的主要零部件按其功能可以分为叶片、轮盘、轴、齿轮、钣金件和机匣等(叶片为发动机重要部件,下文中单独列出)。零部件按毛坯提供方式可以分为锻件、铸件和钣金件。

(1)锻件

锻造是指对金属坯料施加压力,使其产生塑形变形的工艺。航空发动机风扇和压气机叶片、盘、轴、齿轮和部分机匣零件采用锻造工艺。①叶片锻造技术随着航空发动机工艺制造技术的发展,形成了与其他零件不同的叶片无余量精锻工艺,精锻叶片叶身不需要切削技工,只需要砂带磨削、化学铣削或精抛光;②其他盘、轴、齿轮和机匣等零件锻件以涡轮盘锻件工艺最为先进,由普通的锻造、等温锻造发展为等温锻造粉末盘。 

(2)铸件

铸造是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中,待其冷却凝固后,获得零件或毛坯的方法。航空发动机涡轮叶片和部分机匣采用铸造工艺,其中以涡轮铸造技术最为先进。早期涡轮叶片采用变形高温合金锻造实心叶片,随着发动机涡轮前温度的提高,叶片冷却结构越来越复杂,精密铸造高温合金涡轮叶片替代了锻造涡轮叶片。涡轮叶片铸造工艺经历了等轴晶、定向晶到单晶的发展历程。晶粒在各方向上尺寸相差较小的晶粒为等轴晶,平行排列的柱状晶组织称为定向晶,单个晶体为单晶,单晶可以通过选用不同的材料和控制结晶过程获得。

(3)钣金件

钣金是将一些金属薄板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,燃烧室和喷管机匣以钣金件为主。

目前在航空发动机锻件领域,英国、美国、德国和日本走在世界前列,技术实力雄厚,依托高端的生产设备及先进的加工工艺,能够生产出大尺寸、高精度、高性能的产品,占据着高端市场。主要厂商有DONCASTERS、FIRTHRIXSON、FRISA和SCOTFORGE等公司。国内企业目前技术实力有所欠缺,主要生产厂商是中航重机,其占据国内航空锻造市场60%的份额,另外还有贵州航宇科技等厂商也从事锻件生产,钢研高纳也从事一部分难变形高温合金和粉末冶金盘等高端锻件生产。

在航空发动机铸件领域,常规铸件和非单晶叶片铸造以中航重机和航发动力为主;单晶叶片的铸造主要以研究机构为主,比如沉浸于这个领域已久的航材院、金属所等材料研究。近几年不少民企也积极进入这个领域,逐渐成为这个领域不可忽视的一股力量,比如万泽股份、应流股份、炼石航空等公司。

4. 叶片

叶片是航空发动机关键零件,它的制造量占整机制造量的三分之一左右,是发动机中数量最大的一类零件。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件,如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。

航空发动机叶片按部件分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片。按运动方式又分为动叶和静叶。风扇和压气机的静叶称作整流器叶片,而涡轮的静叶称作导向器叶片,涡轮盘上的动叶就是工作叶片。金属材料叶片按工艺类别分,压气机叶片主要采用精密锻造工艺,涡轮叶片主要采用精密铸造工艺(高压级单晶、低压级定向晶)。

4.1. 民用涡扇发动机风扇叶片

随着民用涡扇发动机风扇叶片涵道比增加直径逐渐增大,风扇叶片减重成为了发展重点。为了降低风扇噪声,民用涡扇发动机风扇一般为单级低压比设计,出口温度低,适合用于低温环境的低密度高比强度的树脂基复合材料实心叶片正在替代钛合金空心叶片成为主流。

经过数十年技术积累的GE和Snecma公司,已经基本完成了在复材风扇方面的专利布局。英国罗-罗公司目前正将目光从其涡扇发动机上长期应用的钛合金空心风扇叶片移开,转而研制碳纤维增强复合材料风扇叶片。该公司与吉凯恩集团(GKN)一起碳纤维风扇叶片试验件,有望在2020年前应用于TRENT-XWB之后的下一型新发动机。我国对3D编织结构/RTM工艺成型的大量研究始于20世纪90年代初,在航空发动机叶片上的应用更是最近几年才开始。

4.2. 军用涡扇发动机风扇叶片和压气机低压级叶片

军用小涵道比涡扇发动机为了在迎风面积限制条件下提高外涵流量,一般采用多级高压比设计,叶片直径和工作环境与压气机前几级基本相当,材料与工艺的选用基本相同,主要选用钛合金空心叶片,目前钛基复材空心叶片正在研发中。

空心叶片主要采用超塑性成型/扩散连接技术(SPF/DB)。超塑性成型/扩散连接技术是金属毛坯在一次加热过程中同时完成扩散连接和超塑性成形的组合方法。超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂的现象;扩散连接是指在一定的温度和压力下,经过一定时间,连接界面原子间相互扩散,实现的可靠连接。

钛合金空心叶片超塑性成型/扩散连接技术(SPF/DB)由R&R公司首先研发成功,应用于RB211发动机上,随后PW公司也开发了此项技术。PW公司目前正在研制连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料风扇叶片。我国扩散连接技术还仅仅局限在实验室基础研究和小批量生产之间,目前涡扇-15发动机采用实心钛合金风扇叶片。

4.3. 压气机高压级叶片

压气机高压级叶片直径逐渐减小,主要采用实心叶片。随着压气机级数增多,压气机叶片工作温度逐渐提高,材料选用由钛合金变为变形高温合金。另外,在高压压气机末级,新型轻质耐高温Ti-Al合金将逐渐取代变形高温合金。

高压压气机叶片生产多采用精锻制坯,磨削技术精密加工成型。精锻叶片可以更完整地保持金属流线的连续,精锻叶片余量小、强度高、加工周期短、寿命长。 

目前在航空发动机预叶片锻件领域,英国、美国、德国和日本走在世界前列,技术实力雄厚,依托高端的生产设备及先进的加工工艺,能够生产出大尺寸、高精度、高性能的产品,占据着高端市场。国内企业目前技术主要生产厂商是航发动力、无锡透平叶片有限公司和无锡航亚科技股份有限公司。

4.4. 涡轮叶片

在航空发动机中,涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件,并被誉为“王冠上的明珠”。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。

涡轮低压级叶片工作温度相对涡轮高压级叶片温度较低,主要采用定向结晶铸造镍基高温合金。新型轻质耐高温Ti-Al和陶瓷基复合材料也已经在部分机型上成功应用。

推比10一级的涡轮高压级叶片工作温度达到1700℃,主要采用耐温1150℃的第三代镍基单晶铸造高温合金,空心气膜冷却结构和陶瓷涂层的使用提高了涡轮叶片基体材料的耐温水平。美国IHPTET计划开发的高温度基体材料-镍铝基单晶铸造高温合金也处于工程应用阶段。单晶高温合金已经发展到了第五代,当前主要应用为第三代。

目前单晶叶片的研制,美国、法国、英国和俄罗斯走在世界前列,美国的Howmet公司、GE公司、PCC公司以及Allison公司,英国RR公司,法国的SNECMA公司,俄罗斯的SALUT发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零件。国内企业目前主要单晶叶片生产商是航发动力下属贵阳航发精密铸造有限公司。另外,民营企业也在进入叶片铸造市场,主要包括万泽股份、炼石航空、应流股份和江苏永瀚。

5. 动力控制系统

随着航空发动机技术的不断进步和性能的不断提高,燃油与控制系统也由简单到复杂,并由液压机械控制发展到全权限数字电子控制(FADEC)。20世纪70年代初,英国开始研制数字式电子控制(FADEC)系统。美国等国家也继而纷纷进入,美国后来居上,一直处于比较领先的地位。我国从80年代初就进行了FADEC系统的研究工作,已取得了很大的进展。

动力控制系统核心部件控制器方面,航发控制作为行业龙头,已经垄断军用航空发动机控制系统领域市场份额。国内海特高新、晨曦航空等民营企业也具备一定的技术实力,试图进入市场。

动力控制系统其他部件如电缆、传感器、电机、元器件等方面,军工股上市公司有中航机电、湘电股份、航天电器、中航光电,民营企业上市公司有火炬电子、高华科技。

四、军用航空发动机价值拆分和市场空间

1. 军用航空发动机价值拆分

军用航空发动机的设计思想已出现三次跳越式的转变:

①从重视性能到重视五性(适用性、可靠性、维修性、测试性、保障性)的转变;

②从重视采购费用到全寿命周期费用的转变;

③从重视效能或全寿命周期费用到二者的统一,即重视经济可承受性的转变,经济可承受性已成为现代军用航空发动机设计体系中不可缺少的重要组成部分,是各种新型号研制发展初期就必须考虑的重要指标。

航空发动机价值链条由从研发设计到售后服务的一系列环节组成。研制成本主要是在发动机演示、验证、工程制造和发展过程中产生的非重复性费用。生产成本主要是第250台发动机的成本。使用维护成本主要是直接维修成本和燃料成本。

发动机是飞机上的重要部件,一般而言,其价值占整机价值的20-30%,机型越小,发动机价值占比越高,机型越大,发动机价值占比越低。

1.1. 按生命周期拆分

航空发动机全寿命周期要经历研发、制造、使用维护三个阶段。研发阶段又分为预先研究阶段和型号研制阶段。根据中国行业研究网数据,在全寿命周期中,研发、制造、维护的比例分别为10%~20%、40%、50%左右。在和平时期,由于武器系统服役的时间更长,发动机的寿命达到15~25年,维护费用在发动机整个生命周期内的总费用占比越来越大。

(1)研发阶段

据《航空发动机-飞机的心脏》所述,航空发动机研发阶段费用按成本构成拆分,设计费用占比10%、试验费用占比50%、研发阶段制造费用占比40%。根据1990年编制的《中国航空工业技术政策》,航空发动机研发阶段按研制流程拆分,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)制造阶段

航空发动机制造成本(不含控制系统)主要由原材料成本和劳动力成本两部分组成,分别占比在40%-60%,25%-35%。航空发动机使用的原材料主要是高温合金、钛合金,两者价值占比分别在35%、30%左右。高温合金涉及的主要材料是镍、钴金属,钛合金主要是钛。发动机应用的其他材料还包括铝合金、钢等。

(3)维护阶段

航空发动机维护费用约一半用于购买航材,发动机大修和零部件修理费用占比22%,航线维修费用占比10%,租赁备发费用占比5%,外场更换周转件费用占比9%,发动机管理费用占比3%。在修理的发动机零部件中,热端部件是其重点,占大修费用的70%以上。

1.2. 按部件价值拆分

航空发动机制造商根据部件分配任务,因此有必要对部件价值进行拆分。一般而言,无论战斗机、或运输机用发动机,高、低压涡轮的价值占比都最高。对于战斗机发动机,其外涵道很小,有加力燃烧室,因此,风扇、外机匣的价值占比较低,但加力燃烧室、控制系统占比高;对于运输机发动机(客运、货运、军用),外涵道大,无加力燃烧室,因此,风扇、外机匣的价值占比高,控制系统占比较低;直升机发动机中,控制系统、减速机构的占比较高。根据兰德公司统计,三代战斗机发动机F110全寿命周期部件维护费用分析,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发动机整机维护费用的41%

2. 军用航空发动机价值拆分和市场空间测算

2.1. 全球军用航空发动机市场

据《THE GLOBAL MILITARY AIRCRAFT ENGINES MARKET 2018-2028》测算,全球军用航空发动机市场年复合增长率为4.47%,市场规模将从2018年的108亿美元增加到2028年的167亿美元,加上维修经费后,全球军用航空发动机市场从2017年的162亿美元增加到250.5亿美元。其中战斗机、运输机、直升机的占比分别为60.3%、17.4%和13.9%。

2.2. 中国军用航空发动机市场

军用航空发动机的发展和军机发展相辅相成,而军机发展依赖于航空兵部队(包括空军航空兵、陆军航空兵、海军航空兵等,空军为主力)建设。

(1)战略空军转型,军机换装列装提速

我国空军起步晚、底子薄,老旧机型比例高,代际差距严重,运输机、轰炸机、直升机等短板明显。2015年首次将空军定位为战略军种,空军建设由“国土防御”向“空天一体、攻防兼备”的战略转变,成为了新装备加速发展和列装的主要驱动力。2018年11月11日,我国空军公布了建设强大的现代化空军路线图,指出到2020年基本跨入战略空军门槛,初步搭建起“空天一体、攻防兼备”战略空军架构,构建以四代装备为骨干、三代装备为主体的武器装备体系,不断增强基于信息系统的体系作战能力;到2035年初步建成现代化战略空军,具备更高层次的战略能力。在新时期战略空军建设目标下,由“防”转“攻”,将信息化作为发展方向和战略重点,大力发展先进战斗机、战略运输机/轰炸机,提高纵深攻击能力、远程投送/打击能力和立体攻防能力,弥补代际差,尽快实现代际换装,提高信息化、自动化程度。

从军用飞机总量和代次比例看,我国军用飞机在总量以及先进飞机数量上与美国相比均存在较大差距,仍有很大上升空间。根据《World Air Forces 2020》数据,美国军用飞机有13266架,而我国仅3210架,数量是我国的4.1倍;从战斗机总量看我国仅为美国的60.33%;另外,我国三代半及四代战机占总量比例极低,与以四代装备为骨干、三代装备为主体的武器装备体系还有很大差距,与美国相比存在结构劣势,难以达到覆盖我国领土巡航的要求,距离战略空军目标尚远。

战斗机:我国战斗机代际落后,更新换代需求迫切。据《world Air forces 2020》数据,美现役战斗机均为较为领先的三代机和四代机,占比分别为85%和15%,而我国二三四代机分别为561、656和15架,仍有近50%的二代机亟需替代。另外,当前美国战斗机仅有重型(48%)和中型(52%),而我国战斗机中轻型战斗机占比仍然较高(46%)。

轰炸机:远程轰炸机力量薄弱,短板短期较难补齐。我国空军当前的主力轰炸机型是批量列装的轰-6,存在机体设计落后、航速/航程低、载弹量不足等诸多缺陷,从其本身来看只是一款中型轰炸机,并不是合格的战略轰炸机。而且考虑到我国的战略环境,仅拥有中远程轰炸机远远不够,不能从根本上弥补我国空军的战略打击和战略威慑短板。我国缺少远程战略轰炸机,需要一款突防能力的洲际战略轰炸机。

运输机:运-20列装,战略运输机取得长足进步。大型运输机、加油机、预警机和战略轰炸机等大飞机是战略空军的基石,相比美俄等军事强国,我国大型运输机/加油机/预警机列装极为有限,远程隐形轰炸机更是空白,打造战略空军任重而道远。运-20是中国自主研发的新一代重型军用运输机,已列装部队,将成为我军重要的一款运输机型,根据world Air forces 数据,美国运输机数量最多达945架,俄罗斯居第二为424架,印度第三为250架,中国为224架,位于第四。大型运输机方面,我国伊尔-76和运20分别为22和7架,共计29架。美军C17为222架,俄罗斯伊尔76和伊尔78共计110架。我军同美军有200余架的差距,我们预计,运-20将迎来快速列装部署,基于运-20平台的预警机、加油机项目也将不断推进。

直升机:陆军转型“立体防攻”战略提升军用直升机需求量,在研10吨级通用直升机为未来主要看点。未来空中打击力量将是陆军主要配置的主要战斗力,陆航部队是我军建设“立体防攻”的重要力量。根据美国詹姆斯敦基金会的报告显示,此轮军改之前我军共有7个陆航旅和5个陆航团,到2017年5月已扩编为11个陆航旅和1个陆航团。由于陆航兵在现代作战中的特殊性,预计我军将进一步扩建陆航部队。

(2)我国军机发动机市场,未来十年年均420亿

结合以上分析,参考目前中美军机的数量和结构差距,考虑到更新换代和新增需求,我们认为战斗机、运输机、直升机、特种飞机、教练机未来十年的增量分别为961架、236架、897架、89架和334架。我们按照存量和增量两部分,对未来十年我国军用航空发动机市场进行测算,为了简化计算,我们将存量飞机分为换发1次和2次两部分,增量飞机分为不换发和换发1次两部分,发动机单价取可参考型号价格。经测算,未来十年,我国军用发动机购置经费共2799亿,维修经费1400亿,合计4199亿;平均每年购置经费280亿,维修费140亿,合计420亿。按各部分拆分费用,平均每年叶片161亿、零部件182亿、动力控制系统49亿。

五、投资机会分析

1. 主机厂:国产化进程加速,受益于自研型号放量

①受益于军机列装提速,叠加发动机国产化比例提升。当前我国军机发动机国产化比例已大大提高,但新型号发动机,尤其是四代发动机用的小涵道比涡扇发动机和大型运输机、轰炸机用的大涵道比涡扇发动机,技术较为落后,存在明显短板。随着军机换装列装提速,再叠加发动机国产化比例不断提高,我国军用发动机行业将迎来快速发展时期。

①军用航空发动机整机制造,航发动力具有垄断地位,一旦新型号突破将显著受益。我国军用航空发动机生产由航发集团主导,而航发动力具备涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等全种类军用航空发动机生产能力,是我国三代主战机型国产发动机唯一供应商,极具稀缺性。当前我国量产的发动机型号较少,一旦WS-15、WS-20等型号定型量产,航发动力将显著受益。但军用航空发动机研制厂所分离,设计以科研院所主导,主机厂并不具备设计研发能力,这也是国内发动机主机厂和国际寡头的主要差距之一。

②商用航空发动机起步太晚,中短期投资价值不大。预计国产CJ1000-A于2022年装备C919大型客机,用于窄体客机的CJ-1000系列于2018年实现验证机达标,2022~2025年完成适航取证;用于宽体客机的CJ-2000系列计划2020年完成技术预研,2022年完成试验验证机达标,2025~2030年完成适航取证;而针对小型支线客机的CJ-500系列市场需求量有限,短期内不会启动。

2. 民营企业:材料、叶片等领域寻求突破

航空发动机行业高投入、长周期、高风险,民营企业技术和资金实力相对有限,想要有所作为是极为困难的。正因如此,在发动机产业中逆流而上的民营企业就显得难能可贵,而在引进、吸收国外先进技术的基础上,同时在国家政策的大力支持下,不排除民营企业中会有明星升起闪耀。

大部分民营企业避开难度大周期长的整机研制,从材料、叶片等领域寻找机会。如火炬电子大胆前瞻布局陶瓷基复合材料,应流股份、炼石航空则力求在关键部件叶片上寻求突破。近年来许多民营企业投身于航空发动机产业,这部分民营企业,是我国航空发动机行业中机动灵活的有生力量,关键技术一旦突破,将极大促进行业发展,同时也为自身打开巨大的发展空间。

六、风险提示

宏观经济表现低迷,军工行业也很难独善其身;

相关支持资金未按时按量下拨;

军工集团发展战略调整、上市公司定位发生变化;

技术与产品研制进程的不确定性。

七、重点个股

1. 航发动力:我国发动机制造龙头企业

公司在发动机整机制造行业处于垄断地位,具备涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等全种类军用航空发动机生产能力,是我国三代主战机型国产发动机唯一供应商。公司主要产品包括WS-9(秦岭)系列发动机整机,以及WS-10(太行)发动机约35%零部件。WS-10是我国第三代军用发动机的代表型号,经过多年发展,目前已应用到歼-11B、歼-16等机型。航空发动机研制技术壁垒极高,在两机专项、飞发分离等有利的宏观环境下,公司核心主业有望保持稳健增长。2019年公司实现营收(252.1亿,+9.13%),归母净利润(10.77亿,+1.27%)。

军机换代渐入高峰(金麒麟分析师),民机需求快速增长。

在军机领域,我国与美国军机数量和结构都有较大的差距,根据《world Air forces》数据,我国当前军机数量仅为美国的1/4,结构来看,我国目前二代机占比仍高达46%,而美国早已淘汰二代机,三代机占比达85%。2018年11月11日,我国空军公布了建设强大的现代化空军路线图,指出到2020年基本跨入战略空军门槛,初步搭建起“空天一体、攻防兼备”战略空军架构,构建以四代装备为骨干、三代装备为主体的武器装备体系,不断增强基于信息系统的体系作战能力;到2035年初步建成现代化战略空军,具备更高层次的战略能力。预计我国将逐步淘汰二代机,以三代机为主体向四代转变,三代机、大型运输机等各类机型将陆续批量交付。

在民机领域,国际民用航空市场窄体客机用大型涡扇发动机已发展了四代,宽体客机用大型涡扇发动机发展了三代,民用大功率涡桨发动机、民用涡轴发动机已经发展了四代,耗油率不断降低、首翻期不断延长,产品经济性不断提高;用于中小型多用途的小功率民用涡桨发动机在经济性、安全性等方面不断提高;用于教练机/特种作业飞机(直升机)的民用航空活塞发动机产品成熟且已大众化。国内民用航空市场空间巨大,随着我国经济的持续增长以及现有城市规模的扩大与新城市群的产生,中国航空工业发布的《2019~2038年民用飞机中国市场预测年报》,预计未来20年,中国民用航空市场需要补充7630架价值超过1万亿美元的客机,预计到2030年,我国将成为世界第一大单一国家航空运输市场。受中美贸易形势不确定性增加、发达国家制造业回流以及新冠疫情等因素影响,对公司外贸转包生产带来一定风险。根据公司年报显示,随着公司国际化发展思路的转变,公司将重点开拓整机及单元体制造、新产品研发、维修服务等技术附加值和经济附加值较高的业务领域。

随着国产发动机的发展,有望实现国产替代。根据中国商飞官网显示,C919和 CR929订单分别为 1015 架和 200 架,预计未来市场空间巨大,公司有望实现国产替代。

风险提示:军机换代更新不及预期,民用航空市场发展不达预期。

2. 航发科技:外贸业务稳步增长,内贸需求逐步增强

公司主要承接国际知名航空发动机公司的委托加工业务,以及国内航空发动机零部件的研制生产。为集中精力完成“内贸航空及衍生产品”和“外贸产品”两大业务,公司逐渐收缩民品业务,实现公司产品结构的优化升级。2019年公司实现营收(33.84亿,+43.11%),归母净利润(0.23亿,+107.45%)。

并入中国航发集团,加强协同发展效应。根据公司2017年6月6日公告,航空工业按照国务院国资委关于中国航发组建方案的要求,将发动机控股100%股权转让给中国航发。本次收购完成后,中国航发间接持有航发科技36.02%股权。2017年公司内贸航空营收同比增长56.4%,预计依托于航发集团平台,公司国内航空业务有望实现进一步增长。

注重国际转包产品结构,着力提高盈利能力。公司转包业务经过30多年的发展,已经形成机匣、叶片、钣金、轴类产品的专业制造平台,并成为多家国际知名发动机公司在亚太区的重要甚至是唯一的供应商。公司2017和2018年外贸营收分别同比下降9.64%和12.08%,主要因为公司更加关注由“量”到“质”,主动放弃附加值较低、技术价值较差的产品,着力开发利润高技术含量高的产品,由零部件、短期订单向单元体、长期协议发展。而2019年公司外贸收入同比增长37.24%。

根据前瞻产业研究院数据统计,每台航空发动机平均有三万个以上的零部件,其中70%以上都依靠外部采购,降低发动机的零部件制造和采购成本。航空发动机零部件质量决定着整机的质量,因此整机厂商通常对外贸转包企业进行较长考核及认证,一种型号产品需要通过生产设备配置、小批量试产、技术工艺管理改进、批量生产等多个考核过程。目前我国在全球航空发动机零部件的外贸转包市场中所占份额较小,未来仍存在较大的市场空间。

推动内、外贸业务深度融合快速发展。公司坚持瘦身健体、推进AEOS等各项工作,大力推进改革调整同时将继续坚持聚焦主业、军民融合的发展思路,以内贸航空及衍生产品科研生产为主线,同步发展国际国内两大市场。公司作为我国军用发动机的重要配套企业,有望受益于两机专项及军机列装放量对发动机的加速需求。

风险提示:国际转包业务的变动风险,国内军机列装不达预期。

3.航发控制:国内军用发动机控制系统主要配套企业

公司主要从事发动机控制系统及衍生产品、国际合作和非航民品三大类业务,控制系统包括航空发动机控制系统、燃气轮机控制系统等,国际转包业务主要为国外航空企业提供联合设计开发和转包业务。2019年公司实现营收(30.93亿,+12.6%),控制系统、国际转包、非航民品营收占比分别为82.01%、12.15%、5.85%,整体实现归母净利润(2.81亿,+8.47%)。

国内军用发动机控制系统龙头企业,有望受益于两机专项及军机加速列装。发动机控制系统是发动机的重要管理系统,决定着发动机的性能和可靠性。公司作为国内主要航空发动机的控制系统研制生产企业,在军用发动机控制领域保持领先地位,与国内各发动机主机单位均保持密切合作关系。公司拥有航空动力控制系统国家级技术中心,并积累了控制系统中各类燃油泵及调节器的研制和批产能力。同时公司是国家两机专项的实施者之一,我们预计公司自主产品研制和生产能力建设将进一步提高。

国际转包业务稳步推进,与多家国际著名企业建立良好合作关系。公司常年深耕国际转包业务,和国际知名厂商GE、霍尼韦尔等建立了长期稳定的伙伴关系。公司主要为国外客户提供民用航空精密零部件生产服务,如民用飞机的控制系统零部件、航空发动机摇臂、航空发动机燃油控制系统的装配和调试等。公司持续深化与罗罗、斯奈克玛、MOOG、GE等客户的合作关系,稳定按期交付率和产品质量,提高合作层次。2019年公司国际转包业务实现营收3.76亿元,同比增长19.3%。

坚持“小核心、大协作”科研生产模式。公司将全力开展航空发动机控制系统的研制生产与维修工作,以两机专项为重点,强力推进航空动力控制系统和燃机产品等重点型号研制任务;持续推进供应链管理,按照“小核心、大协作”的科研生产模式,发展外部合格供应商;同时公司将加快推进民用航空研制业务,按节点分步完成民用航空动力控制系统的研制交付任务。公司作为我国军用发动机的重要配套企业,有望受益于两机专项及军机列装放量对发动机的加速需求。

风险提示:军机列装不及预期,国际转包业务发展不达预期。

4. 华伍股份:被忽略的航空制造优质公司,成飞、成发的核心配套商

从制动器制造向制动器、航空航天军工“双引擎”发展。

公司是目前国内生产规模大、产品品种全、行业覆盖面广,并具备较强自主创新能力的工业制动器专业生产商和工业制动系统解决方案提供商,公司年报显示:公司市场占有率长期保持在40%以上,稳居行业之首。航空航天军工领域,公司旗(金麒麟分析师)下安德科技是成飞、成发的核心配套商,受益成飞产能扩充及成发重点发动机型号的上量。长沙天映的军用无人机维修业务表现出较好成长性。公司2019实现营业收入10.74亿元,同比增长16.04%。实现归母净利润7820.63万元,同比大幅增长178.66%,主要系2018年对园林公司股权回购款单项计提大额坏账导致低基数;剔除资产减值损失的影响,19年同口径净利润仍增长迅速。

国内的工业制动器龙头,正成为具竞争力、跨越多领域的全球制动龙头企业。公司是目前国内生产规模大、产品品种全、行业覆盖面广,并具备较强自主创新能力的工业制动器专业生产商和工业制动系统解决方案提供商。产品大量广泛应用于港口、轨道交通、风力发电、冶金、矿山及建筑机械、水利电力工程、船舶及海洋重工、石油钻采等行业,预计2020年公司制动器业务受益风电、港口设备等行业将保持较高增速。1)风电市场份额稳居前列,年报显示,公司客户涵盖了国内主要风电设备主机厂商,其中包括金风科技、湘电股份、广东明阳、上海电气、华锐风电等,且是国内唯一一家西门子风电全球合格供方。2020年风机行业的景气度将继续提升,公司年报显示,新增装机容量有望提高至25-28GW。近年来公司风电产品业绩表现良好并确立了竞争优势地位,2019年公司风电业务量价齐升,重点客户如金风科技、远景新能源等订单均有所增加,预计风电制动器业务发展趋势继续向好;2)港口方面,公司是国内港机龙头企业振华重工制动器的首选供应商,产品通过配套振华重工等主机厂商,出口到全球92个国家和地区,港机制动产品成为国内同行业的技术和质量标杆;3)轨道交通制动领域,公司在有轨电车制动这一细分市场领域已经拥有多条线路交付业绩,地铁市场也在逐渐实现市场突破,预计2020年铁路基建有望加码,公司将受益于铁路装备行业加快发展的良机。

公司航空航天军工领域旗下有安德科技和长沙天映。安德科技是成飞、成发的核心配套商,受益成飞产能扩充及成发重点发动机型号放量。安德科技主营发动机机匣及反推装置及航空零部件设计加工业务,主要为成发、中航工业旗下的成飞、西飞等大型军工企业提供配套及服务。长沙天映从事军用无人机维修业务,表现出较好成长性。

1)全资子公司安德科技是航发科技、成飞集团等重要客户的重要供应商,安德科技自主研发的机匣及反推装置已经列入某型号涡扇发动机重要配套零部件。航空工业成飞为我军提供四代隐身战机等主战航空装备,成飞产量逐年提升,多机型批产平行推进,尤其四代隐身战机正处于快速爬坡上量的阶段,生产压力巨大,预计产线不断扩充,随之带来的工艺装备等需求大幅增加,公司目前在成飞工艺装备领域已是头部供应商,占有较高市场份额,核心受益这一进程。另外,公司主打的某大型涡扇发动机机匣及反推装置市场需求将有望放量增长。某航空发动机一举改变了目前我国运输机、轰炸机依靠国外发动机的现状,随着国产发动机的成熟,我们预计今年以及后续将迎来大批量的新装和换装需求,安德科技作为重要配套供应商较好受益。安德科技2019年度实现收入0.86亿元,同比下滑24.4%,实现净利润0.32亿元,同比下滑13.03%。2019年因厂址搬迁,业绩受到一定影响,但两大主机厂客户成飞、成发需求旺盛,2020年已经恢复,公司将受益成飞、成发的高景气。

2)控股子公司长沙天映从事军用无人机维修业务,受益武器装备无人化趋势,公司率先卡位无人机维修市场,具备增长潜力。继2016年收购四川安德科技后,2018年公司又通过资本运作取得了长沙天映51%的股权。公司年报显示,长沙天映为国内目前唯一一家具有军机维修资质的民营企业,同时也是“贵飞联合体”的核心成员单位,作为从事军机维修的专业企业,将充分受益军用无人机维修行业发展需求。报告期内,批量完成无人机维修任务,并向客户成功批量交付。2019年,长沙天映实现营收0.82亿,净利润0.18亿。

投资建议:公司工业制动器领域与航空航天军工领域的双引擎发展。工业制动器领域,公司是目前国内生产规模大、产品品种全、行业覆盖面广,并具备较强自主创新能力的工业制动器专业生产商和工业制动系统解决方案提供商,下游风电、港口设备等增长迅速;航空航天军工领域,公司旗下安德科技是成飞、成发的核心配套商,受益成飞产能扩充及成发重点发动机型号的上量。长沙天映的军用无人机维修业务表现出较好成长性。

风险提示:成飞产线扩充不达预期;航空发动机业务不及预期、工业制动器市场开拓不达预期

5. 炼石航空:收购Gardner,战略布局航空制造全产业链

公司原主营业务为钼、铼及其他有色金属矿产的开发和冶炼,2013年后积极拓展航空制造相关产业发展,逐步设立成都航宇、中科航发、朗星无人机等公司。2017年公司实施对英国Gardner 100%股权的收购事项,航空业务成为公司主要业务。2019年公司实现营收(19.8亿,+23.55%),归母净利润(-15.45亿,主要是公司对并购Gardner公司形成的商誉计提减值112,097.45万元。其次,根据《陕西省秦岭生态保护条例》,炼石矿业后续经营存在很大的不确定性,计提资产减值36,391.79万元),本年度营收主要来源于所收购的Gardner公司,19年收入18.64亿元,并收到政府补助2.80亿元。

公司子公司陕西炼石矿业有限公司的产品主要是钼精粉,钼精粉市场近年来一直不太景气,炼石矿业也未给公司带来效益,其经营收入占比也越来越小。根据《陕西省秦岭生态保护条例》,炼石矿业《采矿许可证》存在无法再获得续期的情况。由于目前陕西省政府及相关部门仍未有对关停企业的具体措施和政策出台,解决和应对措施仍需继续沟通。

依托原材料优势,构建航空制造全产业链。公司托自身独有的铼金属资源逐步构建“铼元素-高温合金-单晶叶片-航空零部件-航空发动机-大型无人机整机”产业链。成都航宇累计承接预研、在研、在役重点机型复杂单晶叶片的研发及生产任务10余项。公司2019年年报显示,自2018年底至今,成都航宇陆续与客户签订订单累计9422.26万元。成都航宇目前仍在积极推进海外市场的开拓。中科航发未来将建成满足新版国军标要求750kg推力涡扇发动机总装线,郎星无人机从事高级别大吨位系列军/民用无人机研制,到2025年将达到年产无人机60架的能力并具备完善的无人机系统运行服务能力。

现金收购Gardner,拓展全球业务版图。2017年6月,公司实施完成对英国Gardner 100%股权的收购事项。其主要是制造加工各种航空器相关精密零部件、结构件等,包括飞机的机翼前缘表层、发动机相关部件、起降设备、油泵罩等核心部件以及翼桁,机翼表层,翼梁,超大型机翼骨架,飞机地板横梁和座椅导轨等。其生产的零部件主要应用于宽体/窄体商用客机、直升机、引擎、其他飞行器、工业产品等。此外,Gardner还提供一系列增值服务,包括配套物流和快速车间服务等。其中收入占比最大为宽体/窄体商用客机应用的零部件。主要客户为空中客车,其他还有GKN、湾流、皮拉图斯、RUAG、赛峰集团、Spirit、Triumph等航空航天领域的企业,2019年公司的经营收入主要来自于全资公司Gardner。

风险提示:单晶叶片发展不及预期,传统采矿业务停业风险。

6. 应流股份:“两机”叶片有望量产,铸造龙头终成航空核电精兵

公司主要产品为泵及阀门零件、机械装备构件等,应用在航空、核电及国防军工等高端装备领域。2017年公司的单晶叶片通过燃气轮机公司的审核和验证。2019年公司继续保持传统业务领域优势地位,同时突破了航空发动机和燃气轮机高温合金热端部件、核能核电新材料及零部件核心技术瓶颈,实现工矿油气、航空两机、核能装备各业务板块齐头并进,经营业绩再创新高。2019年,公司实现营收(18.6亿,+10.66%),归母净利润(1.31亿,+78.67%)。

拓展航空领域表现不俗,“两机”叶片有望量产。公司2010年开始布局,恰逢十三五国家大力发展“两机(航空发动机和燃气轮机)”战略出台,主攻“两机”先进材料和核心零部件取得不俗成就。在两机领域,公司产品为国内多个型号航空发动机和燃气轮机配套,是中国航发集团以外为航空发动机配套的极少数企业之一。公司是国家两机重大专项参与单位、国家重点研发计划牵头单位,建有高性能合金制备及成形技术国家地方联合研发中心、安徽省技术创新中心。掌握航空冶金和特种精密铸造核心技术、长寿命航空发动机叶片、大尺寸燃气轮机空心定向叶片、航空发动机复杂结构薄壁机匣等关键技术。

设立应流航源、收购嘉远智能,持续布局军工产品供应链。应流航源是应流股份的全资子公司,主要从事航空发动机零部件、燃气轮机零部件及航空新材料的研发和生产,每年提供500万件产品发往全球30多个国家。根据公司2018年3月3日公告,应流航源于今日收到《装备承制单位注册证书》,为公司进一步开拓军工市场奠定坚实基础。另外应流股份于2016年收购霍山嘉远智能100%股权,实施“船舶和海洋工程装备关键设备高温合金及耐腐蚀合金部件产业化项目”、“航空发动机高温合金零部件产业化能力提升项目”,提升高端零部件数控及加工技术水平。

三代核电进展顺利,招标密集有望释放产能。公司是国内少数具备核一级主泵泵壳研制能力和资质的企业之一。目前公司已经完成华龙一号、CAP1400、CAP1000 等堆型的国产化核岛核一级主泵泵壳的研发,打破垄断,正批量生产交付。公司自主研制、生产的燃料贮存格架用中子吸收板顺利通过国核工程有限公司专家验收。本次产品交付是中国首个CAP1000核电机组格架用中子板实现国产化,标志着国产化核燃料贮存格架用中子吸收板已经开始进入批量供货阶段。自主化三代技术关键设备捷报频传,海外项目进展顺利,央视重提“核电国家名片”释放重大信号,未来核电有望密集招标,显著增厚公司利润。

非公开募集资金,盈利能力有望提升。2019年,公司采用非公开发行股票方式,向特定对象非公开发行人民币普通股(A股)股票54,207,745股,募集资金 61,580.00万元,扣除发行相关费用后,实际募集资金净额为60,531.84万元,募集资金用于高温合金叶片精密铸造项目和偿还银行借款。本次非公开发行完成后公司净资产规模增加,资产负债率也有所降低,进一步提升了公司的盈利能力。

风险提示:主要原材料价格波动,核电后市场发展不达预期。

7. 海特高新:航空产业加速布局,半导体与高端装备制造不断突破

高端装备制造业务拓展顺利,公司有望长期受益。

2019年公司高端装备研发与制造业务受益于产品逐步实现批量列装,实现收入(0.88亿元,+45.33%),毛利率49.55%,同比提升9.36pct,预计主要因军品业务逐渐上量所致,后续伴随军品订单有望逐渐增多,或仍有上升空间。

多项产品进入批量生产阶段,2020年规划产值、利润预计大幅增长。当前公司完全自主产权ECU系统已有4型产品列装客户,产品性能突出可靠;某型直升机电动救援绞车产品已通过定型并批量列装客户,将广泛应用多型号运输直升机,填补了国内空白,根据我们此前直升机报告,仅以直-20为例,伴随我军陆航部队的扩编,预计未来3年军用直升机缺口将至少有500架;多型号直升机氧气系统已列装客户,技术达到国际先进、国内领先水平;重点型号发动机维修将进入批量维修阶段,国产化自主保障项目获得重大进展,完成特殊维修市场突破,且具备较大市场空间。伴随新型号装备逐步列装,上述产品当前已进入批量生产阶段,公司有望长期受益。此外根据年报,公司2020年将承担重点型号发动机科研任务,对公司发展与转型均具有重要意义,同时公司将进一步对产线及工艺流程进行再造以提高生产效率,满足重点型号装备的迫切需求,根据投资者关系记录及年报,2019发动机和APU维修能力增长较快,年装备维修量已达历史峰值,2020年规划产值、利润预计将同比大幅增长。

以军为主,以民为辅,三代半导体业务进展顺利

公司半导体业务主要由子公司海威华芯承担,2019年海威华芯受益于市场拓展情况良好,实现收入(0.89亿元,+263.55%),毛利率49.50%,同比提升14.60pct,或因公司产品良率逐步提升所致,预计仍有一定上升空间。公司当前虽仍处于亏损状态,但预计伴随公司军品民品业务逐步完成市场开拓,有望实现扭亏为盈并成为公司业绩重要支撑,根据投资者关系,公司2020年1月份仅军品订单就已达到全年指定任务的20%,预计全年业绩将继续保持高增长。

2019年公司完成了重点工艺产品化及市场化转变,军民品实现同步发展。军品方面,已实现纵向及横向突破,横向看,公司已拓展一百多个重要客户,其中包括航空航天、通信等领域的核心客户;纵向看,公司2019年取得18个军品定向项目,排名靠前,且预计将在未来半年到两年周期内完成科研任务并全部转化成量产,成为科装部门定型项目。此外根据投资者关系,公司已是卫星领域航天相关单位核心供应商,在芯片端公司已和相关单位签署相关合同,包括代工以及直接供应芯片两种模式,将助力射频芯片的自主可控及国产替代进程。2019年公司半导体业务军品占比过半,对公司产品技术能力奠定强有力基础,为公司拓展民品领域打下坚实基础。民品方面,公司在5G宏基站射频氮化镓产品已通过可靠性验证,5G芯片生产能力达到foundry级验证标准,具备晶圆量产代工能力;成功开发硅基氮化镓技术并实现小规模量产,良品率已达国内一流水平,在电力电子领域海威华芯是国内少数能批量供货的公司之一,且硅基氮化镓是新产品,利润率较大。根据年报,公司“6吋第二代/第三代半导体集成电路生产线项目”目前已经完成建设并正式通过验收,公司产能有望得到进一步提升,2020年公司将进一步加大在滤波器及SiC MOSFET产品方向的研发并扩大已量产产品产能,把握宏基站及微基站的建设机遇,预计伴随公司产能利用率与投片率提升以及应用市场逐渐扩大,未来半导体业务有望保持持续增长。

亚太龙头三方培训中心,客改货业务或将是未来业绩新增长极

公司新增沈阳基地,培训中心数量达到4个,并与30多个航司保持稳定业务关系,处于亚太地区第三方培训领域龙头地位。此外根据投资者关系记录,安胜公司已交付A320NEO、波音737NG模拟器,并正在完成737MAX研发,预计将于2020年5-6月交付,根据年报及公告,公司是国内唯一具备同时为波音及空客制造D级模拟机的企业,同时正积极进入国产大飞机模拟机研制领域,并中标上海飞机设计研究院ARJ21系列飞机在回路飞行仿真试验平台视景系统项目,中标金额930万元,完成了在国产飞机制造相关试验、测试等领域的突破。飞机大修方面,公司2019年完成110架次大修及交付,18架次喷漆业务,因国家对环保要求较高,公司产能具备一定稀缺性。在飞机客改货方面,根据年报,目前是全球唯一拥有B737-700客改货改装方案的服务商,并计划2020年中期取得波音737-800客改货STC的FAA认证开展客改货业务,当前全球波音737共有6000架,预计未来10年将有1500架的客改货需求,客改货业务有望成为未来业绩重要增长点,公司将积极准备迎接未来大增长周期。

投资建议:公司业务反转进入全面上升通道,不仅高端装备制造业务跟随型号列装上量节奏快,而且微电子业务经过多年投入布局,在国产替代化、5G即将进入大规模商用背景下,产能利用率不断提升,将成为公司未来的重要业绩增长点。

风险提示:高端装备制造业务订单不及预期;微电子板块拓展不及预期;航空培训及客改货业务拓展不及预期

8. 火炬电子:军用MLCC龙头,布局特种陶瓷材料开启新成长

火炬电子主要布局“新材料、电容器、贸易”三大业务,布局高性能特种陶瓷材料,开启新成长。公司于2015年定增募投8.265亿元用于CASAS-300特种陶瓷材料产业化项目,该特种陶瓷材料作为增强纤维特别适用于制备陶瓷基复合材料(CMC)。2019年,公司实现营收(25.69亿,+26.92%),归母净利润(3.81亿,+14.49%)。

火炬电子供应特种陶瓷材料填补国内空白,将充分受益新兴行业的快速成长。CMC具有耐高温(工作温度高达1650℃,远高于镍基高温合金的1100℃)、密度低(仅为金属合金的1/3,强度却是其2倍)、高温抗氧化性能优异等突出优势,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。三大航发制造商之一GE已明确将CMC作为未来发展的核心技术,并且一直在加大CMC投产力度。根据GE公司官方预测,未来10年航空发动机市场对CMC的需求将递增10倍。CMC属于禁运军事敏感物资,国内供应商十分稀缺,仅有火炬电子、苏州赛菲及宁波众兴新材等3家。

军用MLCC龙头,众多新产品放量形成新的业绩增长点。公司作为军民用高端电容器的龙头企业,充分受益于军用装备信息化建设、工业装备智能化发展趋势、电子产品消费升级等带来的电容器产品需求扩增;此外,钽电容、脉冲功率陶瓷电容、超级电容等产品都将形成新的业绩增长点。同时公司电容器代理业务主要以全球知名电容器厂商太阳诱电、AVX、KEMET等原厂的产品为主。受智能手机等消费需求带动,下游客户需求持续增长。在竞争愈发激烈的代理行业,火炬电子拥有的资金和资源优势将继续巩固、行业地位将继续强化,并由此可获得稳定的现金流、把握电子元器件技术发展前沿。代理业务先期介入部分自产业务的民品目标客户,为自产业务民品业务的开拓提供基础。

公司已完成3条陶瓷材料生产线的建设,可释放5吨/年的产能;另外三条生产线已完成纺丝、交联工序调试工作,但热解炉、热处理炉生产和交付周期较长,相关设备受供应商产能排期影响,交付时间延后。经决定,将项目延期至2020年9月,预计全部达产将形成10吨/年的产能。根据公司发布的可行性报告,按特种陶瓷材料单价5.6万元/kg、10吨/年产能输出计算,预计新增营业收入5.29亿元/年,新增净利润3.05亿元/年,相当于再造一个火炬电子。

风险提示:特种陶瓷材料市场规模不及预期;研制进展不及预期。

成员介绍

■ 冯福章,北京科技大学博士,安信证券副所长、军工行业首席分析师,2007年进入证券行业,一直从事机械和军工行业研究,2014-2019年连续六年新财富军工第一名。

■ 花超,上海交通大学硕士,六年航天某总体部工作经历,曾从事导弹武器总体工作,2019年新财富军工行业第一名核心成员。

■ 王晗,厦门大学海洋物理学、经济学双学士,南京大学经济学硕士。

 

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