2023安徽芜湖中国低空经济创新成果展上展出的航空发动机。 (王玉实 摄)
■ 中国工业报记者 余 娜
航空发动机是各类飞行器乃至整个航空工业的 “心脏”。高温、高压、高转速下可靠、持久的运转,造就了航空发动机极高的技术壁垒,被誉为 “工业之花” “皇冠上的明珠”。
2023年,全球航空发动机呈现新的特点,环保要求不断提高、技术创新不断增强,市场需求不断增长。7月15日发布的 《2024航空发动机产业发展白皮书》 (以下简称 “白皮书”)显示,中国航空发动机行业市场规模总体呈现上涨态势,2021年中国航空发动机行业市场规模约400亿元,2022年约487亿元,2023年超过了600亿元。
据白皮书预测,在民用领域,受益于国内市场需求提升和国产航发逐渐进入市场等因素,航空发动机市场将保持景气。
“目前,国内航空发动机供应链蓬勃发展,产业链将有望孕育出大量优质的配套企业。”决策者智库一位不愿具名的研究员预测。
供应链体系的困局与破局
伴随我国第一款商用航空发动机产品——国产CJ1000A发动机将于2030年前后投入市场,CJ2000A发动机紧随其后,国产大飞机的 “心脏”有望 “破茧成蝶”。
目前,中国航空发动机的供应链体系正逐步增强。
航空发动机产业链主要包括发动机总体主机供应商、子系统配套供应商、部组件供应商、原材料供应商四个层次,涵盖研发设计、原材料、零部件、分系统、整机制造和维修保障六个环节。
其中,制造环节价值量最大,涉及领域最广,包括材料、零部件、子系统以及整体集成等。产业的发展将对电子工业、数控机床锻造、冶金、复合材料、通用部件、仪器仪表、计量检测等领域带来较大的需求拉动。国际经验表明,航空发动机产业链的产业带动比达到1:8,属于高端装备制造业。
据了解,国内航空发动机整机研制生产单位主要集中在中国航空发动机集团 (以下简称 “中国航发”),负责军民用涡喷、涡扇、涡轴、涡桨和辅助动力装置的研制生产,自主研发能力正在稳步提升。并逐步建立和完善了 “主制造商+供应商”的供应链模式,初步建立了供应商管控体系,形成了市场化的原材料、成附件及部分零组件供应链。
近几年,随着低空经济和国内通用航空产业的兴起,中国科学院工程热物理研究所、中国航天科工集团三院三十一研究所,以及诸多民营企业也加入通用航空动力研发的行列中。
白皮书显示,当前我国航空发动机产业格局极为清晰:下游主机厂方面,航空发动机已作为独立产品进行研发和生产;中游配套厂方面,受益于中国航发 “小核心、大协作”格局,大量需求外溢,民企已实现从配套向子系统的价值延伸;上游材料厂方面,材料企业需在新型号发动机预研阶段积极跟研,市场格局较为稳定。
经过数十年的航空发动机产业发展,我国已经基本形成一条功能完备的航空发动机产业链。根据决策者智库的数据统计,在沈阳、哈尔滨、西安、成都、无锡、株洲、贵阳等地形成了一定产业集群雏形。
值得关注的是,当前全球民用航空发动机基本被通用电气 (含CFM)、普惠 (PW)、罗罗 (RR)等巨头公司垄断,我国目前使用的大型商用航空发动机均来自进口。国产大型客机C919在研的CJ1000A发动机,是装配国产大飞机的唯一国产动力,但仍需数年才能达到交付状态。支线飞机 (ARJ21、新舟60等)仍全部采用进口发动机,国产中小型发动机市场占比仅在5%以内,国内民用航空发动机研制尚未形成规模化,产量小、价格高,极大制约着产业发展。
白皮书分析,中国航空发动机供应链体系困局主要体现在四个方面:商用航空发动机产业体系尚未完全构建,产品市场竞争能力不强,工业软件、基础元器件等对外依存度高,供应链管理存在较多薄弱环节。
中国航空发动机供应链体系如何破局?对此,白皮书通过调研建议,主要的供应链发力点应集中在五个方面,即筑牢主制造商核心竞争力、推动供应链补链强链、加速产业集群形成与发展、加快形成多元支持模式、培育和激发人才队伍活力。
“我们要形成三种能力:第一,自主创新能力。进一步完善我国先进航空发动机设计体系和数值仿真系统,不断提高自主创新的研发能力。第二,材料制造支撑能力。通过基础研究和重要材料的工程化应用研究,建立航空发动所需的先进材料和制造工艺谱系。第三,试验测试保障能力。”在近日举办的GTF2024第十一届航空发动机和燃气轮机聚焦大会暨展览会上,中国工程院院士、航空动力专家、北京航空航天大学教授刘大响说。
智能化、绿色化下的创新与升级
从全球发展趋势来看,智能化、绿色化赋能航空发动机产业高质量、可持续、创新发展,因此智能制造、绿色航空也是我国航空发动机制造业落实创新驱动发展、实现转型升级和跨越式发展的关键举措。
中信证券日前发布的研报称,航空发动机产业属于 “两机专项”国家重点项目,是未来最有发展潜力的细分领域之一,预计将迎来至少5-10年黄金发展期。当前,我国航空发动机产业已进入型号研制加速期,后续新型号的加速迭代也将有望拉动航空发动机产业的快速发展。
随着工业机器人、柔性化制造等技术的日趋成熟,智能制造已成为日、美、欧等航空制造强国的重点发展目标。自20世纪90年代起,航空制造强国纷纷斥巨资提出和实施了智能制造相关的战略计划,以加强智能制造的技术创新。
通用电气 (GE)公司制造工厂以超级材料、高端设备、先进工艺、高度自动化为基础,通过工业互联网将工业生产和服务要素进行横向和纵向集成,以实现高效的人与机器效率的优化和对市场需求的高度自适应。罗罗 (RR)公司围绕智能制造制定了分阶段发展战略,普惠 (PW)公司于2012年就实施了智能制造单元战略。
智能制造是我国航空发动机制造业落实创新驱动发展、实现工业转型升级和跨越式发展的关键举措。目前,国内龙头的航空发动机制造企业,正在数字化生产线的基础上,探索智能制造生产线建设,抢占新一轮产业竞争的制高点。
绿色航空、碳减排成为全球航空发动机发展趋势,技术途径包括航空电气化、氢能、可持续燃料等。
白皮书指出,通过近十年的技术发展,绿色航空的重点是飞行器用航空发动机绿色化技术的变革和创新。当前航空发动机绿色化发展主要分为两个技术路线:一是以多电、混合动力、全电等为代表的航空电气化技术;二是以氢能、可持续航空燃料 (SAF)为代表的可持续能源技术。
上海交通大学机械与动力工程学院教授、博导、副院长李玉阳表示,航空业脱碳呼唤变革性技术,主要脱碳路径包括新燃料 (氢、氨、SAF)、新构型 (全电、混动)。轻质高效储氢技术是氢涡轮的关键技术瓶颈,储氨用氢、氨氢融合是在翼高效储氢的可行方案之一。他建议,未来需要进一步开展氨裂解强化、氨氢融合燃烧调控、混动系统多学科优化等研究,从而推动氨氢融合未来航空动力技术的应用。
出于绿色环保和经济发展的需要,除航空煤油之外,发展新的能源也成为当前的研究重点。
“新能源技术的引入将推动航空航天技术的创新,如电动飞机、太阳能无人机等新型航空器的出现。”中国民用航空飞行学院民航安全工程学院万恒成说。
在万恒成看来,太阳能无人机、核能航空发动机发展时间较短且相关技术不够成熟,新燃料航空发动机是极具前景的航空发动机技术,但也具有成本高等问题。电动飞机目前也仅能满足最低的使用要求,未来发展也面临很多技术挑战。生物燃料航空发动机方面,在未来一段时间内,可持续航空燃料将成为替代传统航空燃油的首选。燃料电池航空发动机具有诸多环境优势,且效率远高于传统航空发动机,未来燃料电池有望取代飞机上的多个发电系统。
作为一种绿色环保的能源解决方案,SAF近年来在全球航空领域受到广泛关注,成为航空产业可持续发展的重要选择。
“SAF是中短期内民航实现 ‘双碳’目标的首选能源路径,氢能有可能在本世纪下半叶与SAF竞争。在基准价格高于传统航煤的情况下,需要政策和市场共同发力推动SAF的应用。”中国民航大学党委副书记、校长丁水汀建议。