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軍用航空領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2022-10-12

①新形勢(shì)下國(guó)防需求對(duì)裝備數(shù)量和質(zhì)量提出更高要求

2019年我國(guó)發(fā)布《新時(shí)代的中國(guó)國(guó)防》：新時(shí)代中國(guó)國(guó)防和軍隊(duì)建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)是，到2020年基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，信息化建設(shè)取得重大進(jìn)展。力爭(zhēng)到2035年基本實(shí)現(xiàn)國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化，到本世紀(jì)中葉把人民軍隊(duì)全面建成世界一流軍隊(duì)。

《新時(shí)代的中國(guó)國(guó)防》白皮書指出“中國(guó)國(guó)防開支與維護(hù)國(guó)家主權(quán)、安全、發(fā)展利益的保障需求相比，與履行大國(guó)國(guó)際責(zé)任義務(wù)的保障需求相比，與自身建設(shè)發(fā)展的保障需求相比，還有較大差距。

中國(guó)國(guó)防開支將與國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相協(xié)調(diào)，繼續(xù)保持適度穩(wěn)定增長(zhǎng)”，進(jìn)一步要求“構(gòu)建現(xiàn)代化武器裝備體系。完善優(yōu)化武器裝備體系結(jié)構(gòu)，統(tǒng)籌推進(jìn)各軍兵種武器裝備發(fā)展，統(tǒng)籌主戰(zhàn)裝備、信息系統(tǒng)、保障裝備發(fā)展，全面提升標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化水平。加大淘汰老舊裝備力度，逐步形成以高新技術(shù)裝備為骨干的武器裝備體系”。

我國(guó)現(xiàn)役軍機(jī)數(shù)量和結(jié)構(gòu)與世界空軍強(qiáng)國(guó)差距較大，升級(jí)換裝需求強(qiáng)烈。根據(jù)《World Air Forces 2021》，目前中國(guó)人民解放軍空軍是本地區(qū)最大、世界第三大空軍。盡管如此，我國(guó)與世界最高水平的空軍力量還有著較大的差距。據(jù)Flight International統(tǒng)計(jì)，截至2020年，我國(guó)軍用飛機(jī)總數(shù)3,260架，而美國(guó)軍用飛機(jī)總數(shù)達(dá)13,232架，我國(guó)軍用飛機(jī)總數(shù)與美國(guó)差距近萬架，中國(guó)軍機(jī)總數(shù)僅為美國(guó)的24.64%，絕對(duì)數(shù)量依舊不足。在細(xì)分機(jī)型方面，我國(guó)軍用飛機(jī)構(gòu)與美國(guó)存在較大差距，存在結(jié)構(gòu)性升級(jí)換裝的需求強(qiáng)烈。

根據(jù)《World Air Forces 2021》數(shù)據(jù)，目前我國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)以殲7、殲8為代表的二代機(jī)存量占比仍達(dá)42%，而美國(guó)空軍二代機(jī)已經(jīng)基本退役，目前已經(jīng)形成以F15、F16等四代機(jī)為主，F(xiàn)22、F35等五代機(jī)為輔的格局，四代機(jī)和五代機(jī)的占比分別為85%和15%。

“十四五”期間將是我國(guó)軍機(jī)結(jié)構(gòu)性升級(jí)換裝的新時(shí)期，四代機(jī)基本完成對(duì)二、三代機(jī)的替代，成為空軍戰(zhàn)斗機(jī)絕對(duì)主力，同時(shí)，五代機(jī)也有望迎來加速列裝。國(guó)防需求及力量平衡迫使我國(guó)加快升級(jí)換代，未來3-5年將迎來軍用飛機(jī)更新?lián)Q代的高峰，市場(chǎng)空間廣闊。

圖1-1 我國(guó)與美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)型比較

②經(jīng)濟(jì)發(fā)展有力支持軍隊(duì)建設(shè)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，國(guó)家越來越有能力發(fā)展一大批新型武器裝備，近年來我國(guó)國(guó)防支出一直保持著相對(duì)較高的增速以支持軍隊(duì)的現(xiàn)代化建設(shè)。2022年我國(guó)國(guó)防軍費(fèi)預(yù)算約為1.45萬億元，同比增長(zhǎng)7.1%，2022年3月第十三屆全國(guó)人民代表大會(huì)第五次會(huì)議批準(zhǔn)了《關(guān)于2021年中央和地方預(yù)算執(zhí)行情況與2022年中央和地方預(yù)算草案的報(bào)告》，2022年全國(guó)財(cái)政安排國(guó)防支出預(yù)算14,504.50億元，比2021年預(yù)算執(zhí)行數(shù)增長(zhǎng)7.1%，已連續(xù)7年增幅超過6%。同時(shí)，我國(guó)國(guó)防支出占GDP比例依然較低。

我國(guó)2022年軍費(fèi)預(yù)算規(guī)模雖位居世界第2位，但仍不足美國(guó)軍費(fèi)支出的1/3，且GDP占比較低，遠(yuǎn)低于世界平均水平，與軍事強(qiáng)國(guó)美國(guó)和俄羅斯相比較差距明顯。因此，國(guó)防支出依然有較大增長(zhǎng)空間。

此外，當(dāng)前的國(guó)際格局正在發(fā)生變化，我國(guó)的周邊政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境也趨于復(fù)雜，各種不穩(wěn)定因素漸現(xiàn)。為樹立和保持我國(guó)的大國(guó)地位、提高應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境變化能力，必須加大國(guó)防投入力度。由于國(guó)防戰(zhàn)略直接決定了國(guó)防軍工領(lǐng)域的資金投入規(guī)模，因此近年來我國(guó)逐年增加的國(guó)防投入為軍工制造行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的前景。

圖1-2 近年來中國(guó)國(guó)防支出及增速

資料來源：wind

（3）民用航空領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)

民航方面，當(dāng)前中國(guó)已經(jīng)成為僅次于美國(guó)的全球第二大民用飛機(jī)市場(chǎng)，截至2021年底國(guó)內(nèi)民用客機(jī)數(shù)量為3,856架，近十年來年增長(zhǎng)率維持在10%左右。根據(jù)中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心發(fā)布的《中國(guó)商飛市場(chǎng)預(yù)測(cè)年報(bào)（2020-2039年）》，預(yù)計(jì)2020-2039年我國(guó)新增民航飛機(jī)數(shù)量將達(dá)8,725架，價(jià)值約1.3萬億美元。

假設(shè)2020-2039年我國(guó)新增商用飛機(jī)需求一半左右仍需要向波音、空客等航空巨頭采購(gòu)，并按照5%的貿(mào)易補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)估算，2020-2039年我國(guó)航空零部件的國(guó)際轉(zhuǎn)包業(yè)務(wù)體量約2,080億元。

（4）飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件發(fā)展概述

一百多年來，飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造能力取得了巨大的進(jìn)步，尤其是兩次世界大戰(zhàn)及冷戰(zhàn)階段軍備競(jìng)賽對(duì)航空工業(yè)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用，推動(dòng)了大量關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用。飛機(jī)選材、用材的思想和原則主要受到飛機(jī)整體設(shè)計(jì)思想演變的影響。

早期的飛機(jī)設(shè)計(jì)僅考慮到飛機(jī)的靜強(qiáng)度要求，在設(shè)計(jì)中引入安全系數(shù)，使用載荷乘以該安全系數(shù)后作為設(shè)計(jì)載荷，所設(shè)計(jì)構(gòu)件的工作應(yīng)力應(yīng)低于構(gòu)件選材的許用應(yīng)力，即在設(shè)計(jì)載荷下不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，在使用載荷下不產(chǎn)生永久變形。這種靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想要求結(jié)構(gòu)材料要具有高強(qiáng)度和高模量指標(biāo)。隨著飛機(jī)低空高速飛行的要求越來越高，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在保證靜強(qiáng)度的同時(shí)必須有足夠的剛度，以克服大表速引起的靜、動(dòng)氣動(dòng)彈性問題。

1954年英國(guó)“彗星”號(hào)飛機(jī)空中解體事故引起了飛機(jī)設(shè)計(jì)思想的革命性轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)界改變了單純追求材料強(qiáng)度的傾向，開始重視材料的疲勞性能，強(qiáng)調(diào)材料的韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能。鋁合金和高強(qiáng)度鋼可以滿足機(jī)體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度與剛度要求，但在韌性和抗應(yīng)力腐蝕方面，鈦合金是更好的選擇，從美國(guó)近三十年空軍戰(zhàn)斗機(jī)選材上可以看到這一趨勢(shì)。

單位：%

資料來源：孫聰，王向明．現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)特征分析[M]．2007年6月第一版．北京：航空工業(yè)出版社，2007.06．14-18

鈦合金的使用是近二十年來飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造行業(yè)內(nèi)的新趨勢(shì)，這一革命性變化與歷史上航空業(yè)涌現(xiàn)出的歷次技術(shù)革新一樣，均以軍事需要為牽引研發(fā)應(yīng)用新技術(shù)、新材料，在成熟并達(dá)到一定經(jīng)濟(jì)性后再運(yùn)用于民用領(lǐng)域。

選用鈦合金作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)有如下四點(diǎn)：

①結(jié)構(gòu)減重。減重效果直接決定飛機(jī)綜合成本的高低。鈦合金比同等強(qiáng)度的鋼的密度低40%，用鈦合金代替鋼和鎳基合金甚至高強(qiáng)度鋼時(shí)，能夠大量減重。

②突破體積限制。當(dāng)結(jié)構(gòu)載荷比較高、采用鋁合金又受到結(jié)構(gòu)空間限制時(shí)，強(qiáng)度較高的鈦合金成為較理想的材料。波音飛機(jī)上采用非常大的鈦合金鍛件以降低結(jié)構(gòu)體積，例如波音757和747的起落架、框、梁。

③耐高溫。較高的工作溫度也是鈦合金的一大優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)鋁合金僅能適用于130～150℃，在高溫區(qū)域，采用鈦合金更適宜，可以提高結(jié)構(gòu)效率。鋼和鎳基合金也可以選用，但是這兩種材料密度都比鈦合金大。

④耐腐蝕。鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性，使其在腐蝕嚴(yán)重區(qū)域得以大量應(yīng)用。實(shí)際上鈦合金在民用飛機(jī)運(yùn)營(yíng)環(huán)境中，幾乎不會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。在易腐蝕區(qū)域，如位于廚房和盥洗室下的地板支持結(jié)構(gòu)，鈦合金可取代鋁合金用于連接座椅和地板。

早期制約鈦合金運(yùn)用的主要因素在于冶煉成本及加工成本長(zhǎng)期居高不下，以當(dāng)今世界上最為先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)美國(guó)空軍裝備的F22為例，其鈦合金使用比例高達(dá)41%，單機(jī)造價(jià)2009年時(shí)1.5億美元，以至于美軍不得不將裝備數(shù)量由計(jì)劃750架刪減至187架。隨著冶煉及鍛造技術(shù)的進(jìn)步，鈦合金使用范圍逐漸擴(kuò)大，現(xiàn)已成為飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造界的寵兒。

（5）航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤件概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，為航空器提供飛行所需動(dòng)力。航空發(fā)動(dòng)機(jī)誕生一百多年來，主要可分為兩個(gè)發(fā)展階段：活塞式螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。

二戰(zhàn)后，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)到渦輪風(fēng)扇式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程逐步走向成熟，并向低涵道比的軍用加力發(fā)動(dòng)機(jī)和高涵道比的民用發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)方向發(fā)展，現(xiàn)今已經(jīng)成為幾乎所有固定翼飛機(jī)的動(dòng)力裝置。同時(shí)，渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)也演化成渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，成為現(xiàn)代直升機(jī)的主要?jiǎng)恿x擇。

渦輪風(fēng)扇式發(fā)動(dòng)機(jī)主要由風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等幾個(gè)部分組成，各部分均呈圓周對(duì)稱狀態(tài)。動(dòng)力由風(fēng)扇及渦輪后噴氣共同提供，民航及大型亞音速飛機(jī)使用的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)主要由風(fēng)扇提供動(dòng)力，噴出的燃?xì)鈨H是輔助，軍用高速小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力則主要由渦輪后燃?xì)馓峁L(fēng)扇作為輔助動(dòng)力。

渦輪風(fēng)扇式發(fā)動(dòng)機(jī)的盤件主要包括風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪及部分型號(hào)中的燃燒室。其中，風(fēng)扇一般由鈦合金或復(fù)合材料制作，對(duì)材料的韌性及耐腐蝕、抗疲勞性能要求較高，但對(duì)耐高溫性能要求較低。多級(jí)壓氣機(jī)將空氣壓縮送入燃燒室，前部低級(jí)壓氣機(jī)一般由鈦合金制作，后部高級(jí)壓氣機(jī)由高溫合金制作。燃燒室產(chǎn)生燃?xì)夂笸苿?dòng)渦輪，渦輪再通過轉(zhuǎn)子帶動(dòng)前部風(fēng)扇及壓氣機(jī)，完成進(jìn)氣、壓縮、燃燒這一連續(xù)過程。渦輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力的核心部件，由特種高溫合金通過定向結(jié)晶、鍛造、鏜銑等復(fù)雜工藝流程制造，需要在高溫、高壓、高速轉(zhuǎn)動(dòng)中持續(xù)工作，必須具備極強(qiáng)的抗震動(dòng)、抗疲勞、耐高溫、耐腐蝕的性能，這對(duì)材料選用及制作工藝的要求極高，因而渦輪屬于構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)制造能力瓶頸的關(guān)鍵部件。

目前，制作發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的主要材料是高溫合金。一般來說，高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。

（6）鍛造工藝概述

鍛造是一種利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法，是鍛壓（鍛造與沖壓）的兩大組成部分之一。通過鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于保存了完整的金屬流線，鍛件的機(jī)械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。

（7）航空鍛造工藝與設(shè)備

現(xiàn)代航空工業(yè)已廣泛使用鈦合金、鋁合金、高溫合金用作為機(jī)體與發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料，以適應(yīng)現(xiàn)代航空器的高性能要求。由于航空用金屬部件尺寸大，且對(duì)金屬部件內(nèi)部微結(jié)構(gòu)要求高，常規(guī)的鍛造、切削、鏜銑等加工方法難以滿足工藝要求，或者會(huì)導(dǎo)致廢品率高、效率低下。為迎應(yīng)現(xiàn)代航空工業(yè)金屬部件的加工要求，大壓力模鍛液壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

早在第二次世界大戰(zhàn)以前，德國(guó)為了發(fā)展航空工業(yè)，制造戰(zhàn)斗機(jī)需要的航空鋁合金鍛件，于1934年研制了70MN模鍛液壓機(jī)，并于二戰(zhàn)期間又先后制造了300MN模鍛水壓機(jī)1臺(tái)、150MN模鍛水壓機(jī)3臺(tái)。在二戰(zhàn)激烈的空戰(zhàn)中，各參戰(zhàn)方通過實(shí)戰(zhàn)發(fā)現(xiàn)，模鍛液壓機(jī)對(duì)于空軍裝備的質(zhì)量及生產(chǎn)能力十分重要。因而，二戰(zhàn)后美蘇在獲得德國(guó)模鍛液壓機(jī)實(shí)物的基礎(chǔ)上陸續(xù)發(fā)展研制出一大批性能優(yōu)異的大噸位模鍛液壓機(jī)。

大型模鍛液壓機(jī)對(duì)于現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展十分重要，往往成為制約一國(guó)航空工業(yè)能力的瓶頸，甚至能直接決定某個(gè)飛機(jī)型號(hào)是否可行。例如，當(dāng)今世界上最大的客機(jī)A380，其使用的鈦合金起落架必須由俄羅斯750MN模鍛液壓機(jī)加工，西歐尚不具備此加工能力。

美國(guó)450MN液壓機(jī)俄羅斯750MN液壓機(jī)

注：上述圖片均來源于公開信息。我國(guó)大噸位模鍛液壓機(jī)的裝備歷史始于1967年，由中國(guó)第一重型機(jī)器廠建造300MN級(jí)模鍛液壓機(jī)，裝備于重慶西南鋁加工廠（冶金部112廠），該設(shè)備于1973年投產(chǎn)，使用至今。近年來，在國(guó)防工業(yè)迅速發(fā)展的時(shí)代背景下，我國(guó)陸續(xù)裝備了中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司800MN模鍛液壓機(jī)，以及三角防務(wù)400MN模鍛液壓機(jī)，有力地支持了我國(guó)航空工業(yè)和國(guó)防裝備的發(fā)展。