一、航空發動機發展歷程

    1.1活塞式發動機時代（1903-1945）

    活塞發動機首次應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、水平直列式水冷發動機使用到“飛行者一號”飛機上進行飛行試驗，發動機的功率僅為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、穩定、可操作的重于空氣的飛行器的成功飛行。兩次世界大戰推動活塞式發動機迅速發展，并在二戰結束前后達到了技術的頂峰。發動機功率從近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15000m，飛行速度從16km/h提高到近800km/h。

活塞式發動機構造

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萊特兄弟“飛行者一號”發動機示意圖

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    20世紀30-40年代，活塞式發動機迎來全盛時期：這個時期活塞式發動機與螺旋槳構成了所有戰斗機、轟炸機、運輸機和偵察機的動力裝置。著名的活塞式發動機有：英國的梅林V型12缸液冷式發動機，功率1120kW，用于“颶風”、“噴火”和“野馬”戰斗機；美國普拉特·惠特尼公司的“黃蜂”系列星形氣冷發動機，氣缸7-28個，功率970-2500kW。然而帶螺旋槳的活塞式發動機（800km/h以下）限制了飛行速度的提高。由于發動機功率與飛行速度的三次方成正比，速度提高，發動機功率急劇增大，而飛機難以承受通過增加汽缸數目來增大功率所帶來的重量負荷。第二次世界大戰之后，活塞式發動機逐漸失去了航空領域的霸主地位。

    1.2噴氣式發動機時代（1939-至今）

    噴氣發動機面世：1913年，無壓氣機式空氣噴氣發動機面世。噴氣式發動機是一種直接反作用推進裝置，空氣和燃料經增壓燃燒后以高速噴出而直接產生反作用推力。由于噴氣發動機沒有了限制飛行速度的螺旋槳，而且單位時間流入發動機的空氣流量比活塞式發動機大得多，從而能產生很大的推力，使飛機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動機專利，屬于無壓氣機式空氣噴氣發動機，與后來的沖壓發動機基本相同。壓氣機有離心式、軸流式、組合式等多種，由后面的燃氣渦輪帶動，所以這類發動機又稱為渦噴發動機。1939年，第一架裝有渦噴發動機的飛機成功首飛。1937年，惠特爾研制出世界上第一臺離心式渦噴發動機，試驗達到推力200daN；1938年，奧海因試驗了采用軸-離心組合式壓氣機的HeS3渦噴發動機，推力400daN，推力重力比1.12；1939年，裝在德國亨克爾公司的He—178飛機上成功首飛，成為世界上第一架試飛成功的渦噴發動機。

渦噴發動機示意圖

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    渦輪噴氣發動機戰后迅速發展：20世紀50年代，加力式渦噴發動機應運而生。二戰中渦噴發動機和飛機尚處于試驗階段，并沒有發揮很大作用，直到戰后特別是20世紀50年代開始迅速發展。戰后第一批裝備部隊使用的噴氣式戰斗機是1944年美國制造的F-80和1946年蘇聯制造的米格-9。飛機速度達到聲速以后，為了突破“聲障”，在渦噴發動機上加裝了加力燃燒室，它可以在短時間內提高推力使戰斗機繼續向高空高速發展。1958年美國推出F-104戰斗機，最大飛行馬赫數2.2，使用升限17.68km。同時出現動力為J79單轉子加力式渦噴發動機，最大推力7020daN，推重比4.63。渦噴發動機在軍用戰斗機上廣泛應用的同時，也被轟炸機、運輸機、旅客機和偵察機等相繼應用。隨后在20世紀50-60年代研制出了加力式渦噴發動機，其性能參數水平為：渦輪前燃氣溫度950-1100℃，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。加力式渦噴發動機的結構不復雜且增加的結構重量不多，卻能高效地提高了發動機的推重比。

加力式渦噴發動機示意圖

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    隨后發展出的渦扇發動機，推重比高、油耗率低、機動性強，逐漸取代渦輪噴氣發動機。渦扇發動機與渦噴發動機的區別在于風扇，風扇出口氣流分成兩股，通過內外兩個環形涵道流過發動機。外涵空氣經過涵道直接排出，由于渦扇發動機總空氣流量大，排氣速度低，所以與渦噴發動機相比，推力大，推進效率高，耗油率低。渦扇發動機實質上仍屬于直接反作用式渦噴發動機。渦扇發動機先發展民用后發展軍用：世界上第一臺運轉的渦扇發動機是德國戴姆勒-奔馳于1943年4月研制的DB670。世界上第一種批量生產的渦扇發動機是英國1959年定型的康維，用于VC-10、DC-8和波音707客機，耗油率比同時期的渦噴發動機低10%-20%。此后，民用發動機主要在在高涵道比方向發展，20世紀70年代第一代推力在20000daN以上的高涵道比（4-6）渦扇發動機投入使用，開創了大型寬體客機的新時代。后來，又發展出推力小于20000daN的不同推力級的高涵道比渦扇發動機，廣泛用于各種干線和支線客機。

渦扇發動機構造

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民用渦扇發動機

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    軍用主要為低涵道比加力渦扇發動機，按照歐美的“五代”劃分方法：第一代航空發動機出現在20世紀50年代，以英國的康維發動機、美國的JT3D發動機為代表，推重比在2左右。第二代航空發動機出現在20世紀60年代，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發動機為代表，推重比在5左右。第三代航空發動機出現在20世紀70-80年代，以美國的F100、F110、F404，歐洲的RBl99、M88-3，蘇聯的RD-33和AL-31F發動機為代表，推重比在8左右。其中F100裝備了F-15，F110裝備了F-16，F404裝備了F-18，RBl99裝備了“狂風”，RD-33裝備了米格-29，AL-31F裝備了蘇-27。第四代航空發動出現在20世紀90年代，以美國的F119和歐洲的EJ200發動機為代表，推重比在10以上。其中F119裝備了F-22，EJ200裝備了“臺風”。第五代航空發動機出現在21世紀初，以美國的F135發動機和英美聯合研制的F136發動機為代表，推重比為12-13。其中F135發動機裝備了F-35。2010年以后，美國已經開展第六代航空發動機的研發，預計推重比將達到20以上，目前已取得了階段性成果，而第七代航空發動機也已經開始預研。

加力渦扇發動機

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民用高涵道比渦輪風扇發動機基本結構示意圖

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    渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機派生發展：在渦輪噴氣發動機蓬勃發展的過程中，驅動飛機螺旋槳和直升機旋翼的動力也實現了渦輪化，派生出兩種新型航空燃氣渦輪發動機—渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機。渦槳發動機相較于渦噴和渦扇發動機，有耗油率低、經濟性好、起飛推力大等特點。在第二次世界大戰中，英國開始研制本國第一臺渦槳發動機羅·羅RB.50遄達，同時美國、法國、蘇聯等國也開始發展這項技術。目前，渦槳發動機在中小型運輸機和通用飛機上仍有廣泛用途。其中加拿大普·惠公司的PT6A發動機是典型代表，功率范圍為350-1100kW。40年來，這個發動機系列已發展出30多個改型，用于144個國家的近百種飛機，共生產30000多臺。90年代英國在T56和T406的基礎上研制出新一代高速支線飛機用AE2100，功率范圍為2983～5966kW，其起飛耗油率很低，為0.249kg/（kW·h）。

渦輪螺旋槳發動機基本結構示意圖

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    渦輪軸發動機是渦輪發動機的一種，利用燃燒室產生的氣流帶動自由渦輪輸出軸功率，而不是噴氣推力。結構上類似于渦輪螺旋槳發動機，主要區別在于渦輪螺旋槳發動機傳動系統的主減速器是集成在發動機上的，而對于渦輪軸發動機，則是分離開的。渦輪軸發動機多用于直升機、坦克、水翼船等，也有摩托車制造商將渦輪軸發動機安裝在摩托車上作為發動機。第一代渦軸發動機在20世紀50年代設計，透博梅卡公司研制的功率為405kW的阿都斯特II渦軸發動機成功用在“云雀”2直升機上。第二代渦軸發動機在20世紀60年代設計，典型代表為T64-GE-6和“土地神”（Gnome）。第三代渦軸發動機是20世紀70年代設計，80年代投產，主要代表機型有馬基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM，裝備AS322"超美洲豹"、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。第四代渦軸發動機是20世紀80年代末90年代初開始研制的新一代發動機,代表機型有英、法聯合研制的RTM322、美國的T800-LHT-800、德法英聯合研制的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。

渦輪軸發動機簡圖

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    渦輪軸發動機在50年代初期出現之后逐漸代替了直升機的活塞式發動機。目前，在200kW以上的動力裝置中，渦輪軸發動機已經占據了統治地位。在較小功率的動力裝置中，仍有少數使用活塞式發動機。渦輪軸發動機作為直升機的動力裝置，與活塞式發動機相比，主要的優點是重量輕，體積小。例如，同樣為功率600kW左右的渦輪軸發動機的重量還不到活塞式發動機的三分之一。其次，渦輪軸發動機沒有往復運動的機件，產生的振動和噪音較少。但是，渦輪軸發動機的單位燃油消耗率較高。以小型的發動機為例，渦輪軸發動機與活塞式發動機之間相差約30%。而且在制造成本方面，小型渦輪軸發動機比較昂貴，因而在民用小型航空裝備領域，競爭力并沒有比活塞式發動機高。

    概括起來，航空發動機的發展主要分為兩個階段：前40年（1903-1945）為活塞式發動機的統治時期。后80年（1939-至今），航空燃氣渦輪發動機取代了活塞發動機，開創了噴氣式發動機時代，先后發展出了直接產生推力的渦噴發動機和渦扇發動機，并派生發展出了輸出軸功率的渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機。

    二、航空發動機未來市場空間預測

    我國未來軍用航空發動機市場前景廣闊：目前中國人民解放軍空軍是本地區最大、世界第三大空軍，擁有2500多架飛機（不包括無人機和教練機），1700多架戰斗機(包括戰斗機、戰略轟炸機、戰術轟炸機、多任務戰術攻擊機)。同時，中國人民解放軍空軍正在縮小與西方空軍在飛機性能、電子戰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，其軍用機總數量占據了全球數量的25%，俄羅斯位列第二占據8%，而中國僅占6%。我國戰斗機及攻擊機保有量為美國同類機型的約1/2，運輸機保有量約為1/6，教練機保有量約為1/7.75，直升機總保有量約為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，同時我國人口總數為美國的四倍。

中、美、俄三國目前軍用飛機數量對比

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    老舊替換及新增需求大，預計未來十年軍用航空發動機需求1500億元：當前，我國軍用戰機正處于由三代向四代過渡的關鍵時期，我們認為未來十年年現有絕大部分老舊機型將退役，配備渦扇-10系列發動機的殲-10、殲-16、殲-15將成為空中裝備主力，運-20、直-20、殲-20、殲-31也將有一定規模列裝，轟炸機、預警機及無人機等軍機也會發生較大幅度的數量增長及更新換代，這將為發動機帶來強勁的需求。未來10年內，中國軍方飛機可能需要超過10000臺各類發動機，發動機總需求或可達1500億元。

    單通道噴氣客機將是民航市場主要機型，未來十年民用發動機需求可達5000億元：近十年來，中國運輸行業持續高速增長，特別是航空運輸，占交通運輸業比重越來越大；旅客周轉量年均增長率為12.7%，遠高于其他交通運輸方式。為適應航空運輸業的快速增長，中國客機機隊規模（包含港澳臺地區）不斷擴大。截至2017年底，中國客機機隊規模達到3522架（包含港澳臺地區），其中，渦扇支線客機47架，單通道噴氣客機2852架，雙通道噴氣客機623架。過去十年，中國客機機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，50座級的支線客機大量退役，轉由90座級渦扇支線客機填補市場需求。未來二十年，預計中國機隊年均增長率為5.3%，旅客周轉量年均增長率為6.5%，預計中國將交付9008架客機。至2037年，中國的旅客周轉量將達到3.9萬億公里，占全球的21%。到2037年，中國機隊規模將達到9965架，其中單通道噴氣客機6656架，雙通道噴氣客機2343架，噴氣支線客機966架。預計未來十年民用發動機需求可達5000億元左右。

中國未來10年軍用航空發動機市場空間預測

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中國未來10年民用航空發動機市場空間預測

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    相關報告：智研咨詢發布的《2020-2026年中國航空發動機行業投資潛力分析及投資前景評估報告》