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軍用航空航天概況及復(fù)合材料在軍用航空航天行業(yè)發(fā)展趨勢
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 新?lián)P新材    2023-10-19

軍工行業(yè)，是指涉及武器裝備科研、生產(chǎn)、配套的相關(guān)行業(yè)。軍工行業(yè)是國防經(jīng)濟的核心和國防力量的重要組成部分，具有系統(tǒng)復(fù)雜、綜合性強、技術(shù)上“高、精、尖”等特點，在國家工業(yè)體系中占有特殊地位。

我國是世界上少有的建立了完善軍工體系的國家，軍工行業(yè)門類齊全，與主要兵種、裝備相對應(yīng)，可以細分為陸軍裝備、海軍裝備、航空裝備、航天裝備、電子科技和核裝備六大領(lǐng)域。

軍用航空航天行業(yè)作為高端裝備制造業(yè)的代表，是國家綜合國力的集中體現(xiàn)和重要標(biāo)志，是推動國防建設(shè)、科技創(chuàng)新和經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域。

（1）軍用航空行業(yè)概況

①軍用航空行業(yè)

基本情況軍用飛機是直接參加戰(zhàn)斗、保障戰(zhàn)斗行動和軍事訓(xùn)練的飛機總稱，是軍用航空領(lǐng)域的主要技術(shù)裝備?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中，軍用飛機在奪取制空權(quán)、防空作戰(zhàn)、支援地面部隊和艦艇部隊作戰(zhàn)等方面都發(fā)揮著重要的作用。軍用飛機主要由機體、動力裝置、起落裝置、操縱系統(tǒng)、液壓氣壓系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)等組成，并有機載通信設(shè)備、領(lǐng)航設(shè)備以及救生設(shè)備等，其中，直接用于戰(zhàn)斗的飛機還有機載火力控制系統(tǒng)和電子對抗系統(tǒng)等。

A、按用途分類

軍用飛機按用途主要分為戰(zhàn)斗機、特種飛機、加油機、運輸機、武裝直升機和教練機六種類型。在軍用飛機中，戰(zhàn)斗機是裝備數(shù)量最多、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的機種，也是一個國家軍隊空中力量的核心，對于戰(zhàn)時奪取制空權(quán)、確?？罩袘?zhàn)役的勝利具有至關(guān)重要的作用。在作戰(zhàn)支援飛機方面，特種飛機、加油機、運輸機等的發(fā)展廣受重視，主要為殲擊機、強擊機、轟炸機等作戰(zhàn)飛機提供各種技術(shù)支援。

B、按飛行平臺構(gòu)造形式分類

按飛行平臺構(gòu)造形式的不同，軍用飛機主要可分為軍用固定翼飛機、軍用直升飛機和軍用傾轉(zhuǎn)旋翼飛機。具體而言，不同飛行平臺構(gòu)造形式的軍用飛機特征。

C、按是否載人分類

按是否載人的不同，軍用飛機可分軍用載人飛機和軍用無人飛機。在目前世界軍事潮流趨勢下，未來戰(zhàn)爭、沖突將朝著無人化、智能化的方向發(fā)展，無人機在未來作戰(zhàn)中將在多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。從第二次世界大戰(zhàn)期間，美國空軍將無人機作為靶機使用算起，無人機在軍事中的應(yīng)用已有 70 年的歷史，軍用無人機的發(fā)展方向由單一的情報收集、通信中繼、高空偵察等支援任務(wù)向火力打擊等主戰(zhàn)任務(wù)轉(zhuǎn)變。

②復(fù)合材料在軍用航空領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢

復(fù)合材料在多種材料上取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，尤其是碳纖維復(fù)合材料，具有比強度和比剛度高、性能可設(shè)計、易于整體成型等諸多優(yōu)異特性，相比常規(guī)金屬結(jié)構(gòu)減重 25%到 30%，廣泛應(yīng)用于飛機的機體、主翼、尾翼、機架、蒙皮及剎車片等部分，憑借優(yōu)異的強度、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等特性，對鋼、鋁、合金有較強的替代性，主要起到減重作用。

飛機減重后，一方面可以提高飛機機動性能，以提高戰(zhàn)場生存與作戰(zhàn)能力；另一方面可以節(jié)省燃油，提高飛行器的作戰(zhàn)半徑與續(xù)航能力。碳纖維復(fù)合材料是現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計制造上的最先進的結(jié)構(gòu)材料之一，復(fù)合材料用量已成為衡量飛行器先進程度的主要指標(biāo)之一。復(fù)合材料在航空裝備領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)以下特點：

A、單機復(fù)材比例上升

在軍用固定翼飛機方面，自 20 世紀(jì) 70 年代以來，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用從尾翼拓展到機翼、前機身、中機身、整流罩等多個部位。例如，美軍的 F14戰(zhàn)斗機碳纖維復(fù)合材料用量僅 1%，而 F22 和 F35 等五代戰(zhàn)斗機的復(fù)合材料用量達到了 24%與 36%，美軍的 B-2 隱身戰(zhàn)略轟炸機的碳纖維復(fù)合材料占比也達到了 38%；法國陣風(fēng)戰(zhàn)斗機的碳纖維復(fù)合材料用量達到 24%；歐洲的臺風(fēng)戰(zhàn)斗機碳纖維復(fù)合材料用量達到 24%左右，其中全機表面的 70%采用碳纖維增強復(fù)合材料。

我國軍用戰(zhàn)斗機的碳纖維復(fù)合材料使用亦呈現(xiàn)增長態(tài)勢，我國第四代戰(zhàn)斗機殲-10 和殲-11 的碳纖維用量僅為 6%和 10%，但我國第五代戰(zhàn)斗機殲-20 的碳纖維使用比例已達到 27%。隨著我國新型戰(zhàn)機的換代升級，軍機碳纖維使用比例也將不斷提升。在軍用直升機方面，直升機比固定翼飛機的工作高度低，需要面對低空濕/熱、干/寒、沙塵/雨淋、海水等惡劣環(huán)境，對材料綜合性能要求較高。

碳纖維復(fù)合材料可實現(xiàn)軍用直升機的輕量化與環(huán)境可靠性改良。二十世紀(jì) 60 年代，復(fù)合材料首先用于直升機旋翼槳葉；二十世紀(jì) 80 年代以來，第四代直升機將復(fù)合材料大幅用于機體結(jié)構(gòu)，用量占 35%-50%；二十世紀(jì) 90 代，NH-90 直升機的復(fù)合材料用量達 95%，而 S-97、V-280、H160 等直升機幾乎全部采用了復(fù)合材料。根據(jù)《我國先進復(fù)合材料產(chǎn)事業(yè)發(fā)展》公布數(shù)據(jù)，國內(nèi)直升機 Z-10 復(fù)材用量超35%，新研制的專用武裝直升機復(fù)材使用量超 50%。

未來，我國直升機復(fù)合材料的使用占比仍有較大提升的空間。在軍用無人機方面，其對復(fù)合材料的用量比例高，其快速發(fā)展將直接帶動碳纖維復(fù)材需求量上升。無人機由于具備低成本、輕結(jié)構(gòu)、高機動、大過載、高隱身、長航程的技術(shù)特點，對減重的需求較為迫切。

在固定翼飛機中，全球最先進的五代戰(zhàn)斗機普遍在 20%-40%的復(fù)合材料使用比例，相比而言，先進無人機的復(fù)合材料使用比例基本是所有航空器中最高的。如全球鷹無人偵察機的復(fù)合材料用量占比達到 65%，X-45、X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”等先進無人機的復(fù)合材料使用占比則高達 90%；我國“彩虹 4”無人機、翼龍 I-D 無人機復(fù)材使用量已經(jīng)超過 80%，與全球頂尖的無人機保持同一水平。

B、軍用飛機列裝、換裝提速帶動復(fù)合材料需求的持續(xù)增加

截至 2020 年 12 月底中國共有各類軍用飛機 3,260 架，同期美國、俄羅斯戰(zhàn)機規(guī)模分別為 13,232 架和 4,143 架，數(shù)量大幅超過中國。2020 年我國在役戰(zhàn)斗機 1,571 架，占我國在役飛機比例接近 50%。在機型的數(shù)量方面，2020 年我國戰(zhàn)斗機占比全球第二，但數(shù)量只有美國的一半左右；而武裝直升機、教練機、運輸機、特種任務(wù)飛機、加油機等機型的數(shù)量與美國存在巨大差距。

從戰(zhàn)斗機的代際結(jié)構(gòu)上看，中國戰(zhàn)斗機中大量存在著殲-7、殲-8 等老舊三代機型，四代機、五代機數(shù)量占比遠遠低于美國、俄羅斯兩個世界強國。殲-7、殲-8 等三代機均為上世紀(jì) 90 年代以前的主流機型，服役時間較長，未來將逐步升級為殲10、殲-16、殲-20 等四代或五代新機型，四代、五代機等先進戰(zhàn)機復(fù)材用量遠高于殲-7、殲-8 等老舊機型。此外，隨著國內(nèi)新型直升機、教練機、運輸機的成熟，相關(guān)飛機也面臨著大量的列裝、換裝需求。國內(nèi)軍機數(shù)量、質(zhì)量均有較大的提升空間，新型戰(zhàn)機的換裝、列裝將推動軍用航空復(fù)合材料需求持續(xù)增加。

C、軍用無人機市場高速發(fā)展進一步推升對復(fù)合材料的需求

2019 年-2028 年全球軍用無人機年產(chǎn)值（含采購）將逐年增長，預(yù)計至2028 年將達到 147.98 億美元，年產(chǎn)值（含采購）復(fù)合增長率約 5.36%。隨著全球安全問題與領(lǐng)土爭端不斷爆發(fā)，列裝軍用無人機成為了各國以較低成本增強自身國防實力的有效手段。

軍用無人機具有超高機動性、載彈量大、作戰(zhàn)成本低、沒有人員傷亡風(fēng)險等優(yōu)點，未來，多架軍用無人機與軍用載人飛機組成編隊，是信息化條件下提高作戰(zhàn)效能的重要趨勢。我國的軍用無人機已走出國門，據(jù) SIPRI 統(tǒng)計，2020 年我國軍用無人機出口超過以色列，排名全球第二。

目前我國出口了眾多具有打擊功能的軍用無人機型號，包括翼龍系列、彩虹系列、ASN-209、WJ-600 等，主要出口地涵蓋中東、非洲、西亞、東南亞等地區(qū)的發(fā)展中國家。這些國家現(xiàn)階段普遍缺乏軍用無人機的自主研制能力，且多數(shù)面臨著歐美等國家的無人機出口限制。軍用無人機在全球市場的需求方興未艾，未來有望帶動航空復(fù)合材料需求的持續(xù)增長。

（2）軍用航天行業(yè)概況

①軍用航天行業(yè)基本情況

航天是指載人或不載人的航天器在地球大氣層之外的航行活動，航天裝備是航天領(lǐng)域的物質(zhì)基礎(chǔ)與核心要素。從動力裝置和飛行范圍看，火箭和大部分導(dǎo)彈更接近于航天器，故將火箭和導(dǎo)彈歸至航天的范疇，即按照應(yīng)用領(lǐng)域，航天裝備包括航天器、導(dǎo)彈與火箭三大類。

A、航天器

航天器是指在地球大氣層以外的宇宙空間，基本按照天體力學(xué)的規(guī)律運動的各類飛行器，又稱空間飛行器。與自然天體不同的是，人為控制下可以改變航天器的運行軌道或?qū)⑵浠厥?。根?jù)是否載人，航天器可分為無人航天器和載人航天器。無人航天器按是否繞地球運行分為人造地球衛(wèi)星和空間探測器；載人航天器按工作方式分為載人飛船、空間站和航天飛機。

B、導(dǎo)彈

導(dǎo)彈，又稱制導(dǎo)導(dǎo)彈或制導(dǎo)火箭，是一種由噴氣發(fā)動機或火箭發(fā)動機等動力裝置實現(xiàn)制導(dǎo)飛行的遠程武器，憑借打擊精度高、運行速度快、射程遠、威力大、可實現(xiàn)縱深目標(biāo)打擊等特性，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮著愈來愈重要的作用。

導(dǎo)彈由瞄準(zhǔn)/制導(dǎo)系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)、發(fā)動機和彈頭（戰(zhàn)斗部）四個系統(tǒng)組件組成，在戰(zhàn)爭中由裝甲設(shè)備、發(fā)射車、發(fā)射井、飛機、艦船、潛艇等裝備作為載具與發(fā)射平臺，起到直接殺傷軍事目標(biāo)的效果。導(dǎo)彈的分類方法繁多，按飛行方式分類，可分為彈道導(dǎo)彈與巡航導(dǎo)彈；按作戰(zhàn)任務(wù)分類，可分為戰(zhàn)略導(dǎo)彈與戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈；按射程分類，可分為洲際導(dǎo)彈、遠程導(dǎo)彈、中程導(dǎo)彈與短程導(dǎo)彈。我國實戰(zhàn)化軍事演練已實現(xiàn)常態(tài)化，導(dǎo)彈訓(xùn)練彈與靶彈的使用有效地降低了國防訓(xùn)練成本。

導(dǎo)彈訓(xùn)練彈復(fù)刻對應(yīng)實彈的尺寸重量、氣動外形與制導(dǎo)系統(tǒng)等特征，二者最大的區(qū)別為訓(xùn)練彈不含戰(zhàn)斗部。訓(xùn)練彈的動力裝置也與實彈存在差異，它可以在距目標(biāo)一定距離時自動減速制動，關(guān)鍵零部件回收后可重復(fù)使用。

C、火箭

火箭是依靠火箭發(fā)動機提供推進力的飛行器。它自身攜帶全部推進劑，不依賴空氣或其他工作介質(zhì)產(chǎn)生推力，可以在稠密大氣層內(nèi)外飛行，是實現(xiàn)航天飛行的運載工具。按照動力能源，火箭還分為化學(xué)能火箭、電能火箭、核能火箭、太陽能火箭及光子火箭等。其中，化學(xué)能火箭是最常用的類型，它又分為液體推進劑火箭、固體推進劑火箭和固-液混合推進劑火箭?；鸺幕窘M成部分有推進系統(tǒng)、箭體結(jié)構(gòu)和有效載荷。

推進系統(tǒng)是火箭飛行的動力源，主要由火箭發(fā)動機、燃燒劑箱、氧化劑箱等組件組成；箭體結(jié)構(gòu)的作用是裝載火箭的所有部件，使之組合為一個整體，通常由有效載荷整流罩、儀器艙、推力結(jié)構(gòu)、尾翼等組件組成；有效載荷指火箭所要運送的物體，軍用火箭的有效載荷是戰(zhàn)斗部，科學(xué)研究火箭的有效載荷是各種精密儀器，運載火箭的有效載荷則是各種航天器。

火箭發(fā)動機可以在離地面任意高度上工作，是目前航天飛行唯一的動力裝置?；鸺l(fā)動機包括發(fā)動機、燃料或推進劑、輸送燃料或推進劑的系統(tǒng)以及其他附件、儀表、安裝支架等，要求特殊的材料、結(jié)構(gòu)形式和冷卻措施來保證其在高溫、高壓和高飛行速度的惡劣條件下可靠工作。

②復(fù)合材料在軍用航天領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢

在導(dǎo)彈與運載火箭上，碳纖維復(fù)合材料被大量使用于導(dǎo)彈彈頭、殼體、發(fā)射筒與火箭助推器、防護罩、發(fā)動機殼體等結(jié)構(gòu)部件，可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，加大射程并提高落點的精確度。以固體發(fā)動機戰(zhàn)略導(dǎo)彈為例，一、二、三級發(fā)動機殼體每減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量 1kg，將相應(yīng)地增加射程 0.6km、3.0km 和 16.0km。碳/碳和碳/酚醛復(fù)合材料是彈頭和發(fā)動機噴管喉襯及耐燒蝕部件等的重要防熱材料，在燒蝕過程中保有優(yōu)異的熱力學(xué)性能，維持良好的氣動外形，減少非制導(dǎo)誤差。

例如，美國 MX 戰(zhàn)略導(dǎo)彈的發(fā)射筒長 22.4m、直徑 2.5m，選用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料時的結(jié)構(gòu)質(zhì)量僅為 21 噸，較采用高強度鋼時的結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕超80%。我國陸基洲際導(dǎo)彈東風(fēng)-31 彈頭使用了碳纖維增強復(fù)合材料，潛射洲際彈道導(dǎo)彈巨浪-Ⅱ的發(fā)動機噴管采用的是碳-碳復(fù)合材料。

此外碳纖維復(fù)合材料作為美國、日本以及法國研制固體發(fā)動機時的主要選擇，在美國“三叉戟”－2導(dǎo)彈、“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈、“大力神”－4 火箭、法國的“阿里安娜 2”型火箭、日本的 M－5 火箭等發(fā)動機殼體上皆能尋覓到它的身影。

此外，碳纖維復(fù)合材料常用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線中。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中主要采用具有一定強度的高模量碳纖維復(fù)合材料，在大幅度減輕衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時，其良好的尺寸穩(wěn)定性可以滿足衛(wèi)星在太空環(huán)境中對材料熱膨脹系數(shù)的特殊要求。

（3）行業(yè)市場規(guī)模

我國軍用航空航天市場保持持續(xù)增長的態(tài)勢。隨著我國軍用飛機、導(dǎo)彈、運載火箭、衛(wèi)星在基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品譜系與產(chǎn)業(yè)體系等方面的建設(shè)不斷完善，我國航空航天應(yīng)用技術(shù)不斷突破，促進行業(yè)市場規(guī)模穩(wěn)步提升。根據(jù)中研普華研究院發(fā)布數(shù)據(jù)，2019-2021 年我國航空航天市場規(guī)模分別達到了 7,894 億元、8,340 億元和 8,933 億元，復(fù)合增長率達 6.38%。

復(fù)合材料在航空航天裝備領(lǐng)域占有極為重要的地位，涵蓋熱結(jié)構(gòu)、防熱、透波、隔熱、結(jié)構(gòu)等多個材料體系，可以滿足航空航天裝備對超輕質(zhì)、高強韌、抗沖擊等結(jié)構(gòu)一體化的要求，而其中最有代表性的是碳纖維復(fù)合材料，具有比強度和比剛度高、性能可設(shè)計、易于整體成型等諸多優(yōu)異特性，是支撐航空航天科技發(fā)展的關(guān)鍵材料。

根據(jù) Research And Markets 發(fā)布的市場分析報告，預(yù)計全球航空航天復(fù)合材料在 2020-2025 年間復(fù)合年增長率為 10.5％，到 2025 年，全球航空航天復(fù)合材料市場規(guī)模預(yù)計將達到 410 億美元。根據(jù)賽奧碳纖維發(fā)布的市場報告，2018-2021 年期間，我國航空航天領(lǐng)域樹脂基碳纖維復(fù)合材料需求量從 1,538 噸增長到 3,077 噸，復(fù)合增長率達到26.01%，銷售收入從 107.69 億元增長到 215.38 億元，復(fù)合增長率達 25.99%，均保持了較高的增長勢頭。