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飞机制造行业深度报告:尖端制造,千亿市场有望逐步打开

关键词 飞机 , 制造业 , 砂轮|2020-10-09 10:05:06|来源 未来智库
摘要 1.飞机结构组成及其制造特点1.1.飞机的研制流程飞机是一个庞大而复杂飞行器系统,是人类制造的一种最复杂的高技术产品之一。现代飞机具有外形气动要求严格、设计更改频繁、产品构型众多等...

1. 飞机结构组成及其制造特点

1.1. 飞机的研制流程

飞机是一个庞大而复杂飞行器系统,是人类制造的一种最复杂的高技术产品之一。 现代飞机具有外形气动要求严格、设计更改频繁、产品构型众多等特点。现代飞机 型号的研制技术含量高、研制周期长,且研制过程耗资巨大,因此必须按照研制流 程分阶段开展论证设计和过程控制。国内通常按照分阶段、循序渐进的规律,通常 将飞机的研制过程划分为概念性设计阶段、初设计阶段和详细设计阶段。

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概念性设计阶段的任务是根据飞机的设计要求,对所要设计的飞机进行全面的构 思,形成关于飞机设计方案较为粗略的基本概念,初步确定满足设计要求的初步计方案。具体的工作内容主要包括:(1)初步选定飞机的形式,进行气动外形布局; (2)初步选择飞机的主要基本参数;(3)选定发动机和主要的机载设备;(4)初 步选择各主要部件的主要几何参数;(5)粗略绘制飞机的三面草图;(6)进行初步 的性能估算,检查其是否符合飞机设计要求所给定的性能指标;(7)对初步方案进 行修改整理,并进行评比和论证,选定最合理的方案;(8)经主管部门批准后,继 续进行下一阶段的设计工作。概念性设计阶段的工作不需要做进行大量的试验验 证,因此这一阶段的研制过程所需费用较少,但对飞机设计工作具有全局性影响的 重大决策,大多是在概念性设计阶段做出的。

初步设计阶段的任务是对概念性设计阶段确定的设计方案进行修改和补充,使其进 一步地明确和具体化,最终给出完整的飞机总体设计方案。这一阶段的主要工作包 括:(1)修改、补充和完善飞机的几何外形设计,给出完整的飞机三面图和理论外 形;(2)全面安排各种机载设备、各个系统和有效载荷;(3)初步布臵飞机结 构的承力系统和主要的承力构件;(4)进行较为详细的重量计算和重心定位;(5) 进行比较精确的气动力性能计算和操纵性、稳定性计算;(6)给出详细的飞机总体 布臵图。在初步设计阶段阶段,通常还要对飞机及其各系统进行大量的试验研究工 作,有时还需要制造全尺寸的试验样机,用于协调各系统和内部装载布臵,因此该阶段要耗费较多的时间和资金。

详细设计阶段的工作主要是进行飞机的结构设计,包括部件设计和零构件设计。设 计完成后,要给出飞机各个部件和各个系统的总图、装配图、零件图,以及详细的 重量计算和强度计算报告。此阶段的工作量很大,而且还要进行许多试验,包括静 强度试验、动强度试验、寿命试验和各系统的地面台架试验等。下一步的工作是试 制原型机和进行地面试验,包括全机静、动力试验和各系统的地面试验,如果试验 中发现问题,则要对原型机进行修改再进行试飞。试飞合格后申请设计定型,由国 家有关部门审查,发给型号合格证书,下一步则转入批量生产阶段。

1.2. 飞机结构组成及技术要求

飞机主要包括机体、发动机、机载设备和标准件及其他四大部分,机体由机头、机 身、舱门、尾翼、吊挂和雷达罩等结构部件所构成,主要保证飞机的气动外形,并 将飞机各个部分连接成一个整体,占整机总价值量的比重约为 30%;发动机作为航 空航天器的关键子系统,是保证飞机克服空气阻力向前飞行的动力源,其价值量占 比约为 25%;机载设备主要包括飞行控制系统、液压系统、燃油系统、通信系统、 导航系统等系统,是飞机的指挥中枢,用于控制和协调各部件的工作,其价值量占 比约为 30%;标准件及其他主要包括紧固件、密封件、操纵件、内饰、电线电缆和 电气通用元器件等部分,其价值量占比也为 15%。

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由于使用目的不同,飞机结构和一般的机械结构相比,具有自身的特殊要求。这些 要求可以概括为:气动要求、结构完整性要求、最小质量要求、使用维护要求、工 艺性要求、材料要求:

气动要求:飞机的机翼、尾翼和机身等部件的几何外形参数与飞机的总体性能 密切相关,上述部件的制造过程应保证构造外形满足总体设计规定的外形准确 度,不允许机翼、尾翼、机身结构有过大变形,以保证飞机具有良好的气动升 力、阻力特性以及良好的稳定性和操纵性。

结构完整性要求:飞机结构完整性是确保飞机安全寿命和高可靠性的重要条件之一,它主要包括机体结构的强度、刚度、损伤容限及耐久性等设计指标,保 证结构在承受各种规定的载荷状态下具有足够的强度,不产生不能允许的残余 变形,同时也要具有足够的刚度,以避免出现不能允许的气动弹性现象与共振 现象。

最小质量要求:飞机结构质量显著影响飞机性能的优劣,在满足飞机的空气动 力要求和结构完整性的前提下结构质量应尽可能轻,这意味着有效载荷、飞行 速度和飞行距离的增加。

使用维护要求:飞机的使用维护品质是衡量飞机性能的一项重要技术指标,良 好的维修性意味着维护成本低,或者无故障的飞行时间更长,意味着飞机的经 济性更好。飞机在结构上必须按照维修方式(定检、小修、中修)来合理确定检 查口盖的、数量及种类。同时,飞机良好的维修性也体现在结构上需要布 臵合理的分离面与各种舱口,在结构内部安排必要的检查和维修通道,增加结 构的开敞性和可达性等。

工艺性要求:由于飞机零件数量多,多采用薄壁结构,开敞性差,形状和结构 复杂,尺寸大而刚度小,所以使得飞机制造困难,手工劳动量大,因此飞机结 构需要具有良好的工艺性,便于零部件的制造加工和后续飞机结构的装配。

材料要求:在保证结构具有足够的刚度、强度及抗疲劳特性的情况下,为了满 足结构质量的要求,大量采用铝合金、镁铝合金、钦合金等比强度高的金属材 料。

1.2.1. 机翼

机翼的主要功用是产生飞机在空中飞行所需的升力,同时也起到一定的稳定和操作 作用,此外机翼还可以提供一定的燃油存储空间。机翼作为飞机的主要气动面,是 主要的承受气动载荷的部件,一般由机翼主盒、襟翼、扰流片、副翼、缝翼、发动 机吊挂等部分组成,其中:副翼安装在机翼翼梢后缘外侧,是飞机的主要操作舵面, 飞行员操纵左右副翼差动偏转所产生的滚转力矩;襟翼安装在机翼后缘内侧的翼 面,可绕轴向后下方偏转,依靠增大机翼的弯度来获得升力增加;缝翼一般位于机 翼前缘,缝翼打开时既增大机翼面积又增大翼型弯度,可达到较好的增升效果。

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机翼结构形式主要根据机翼结构中主承力系统的组成形式来划分,根据主要抗弯构 件的不同,典型的受力形式有蒙皮骨架式、整体壁板式和夹层结构。主承力系统由 承受作用在机翼上的力和力矩的构件组成,通常按照强度设计的要求选择机翼结构 形式。现代飞机机翼大多采用蒙皮骨架式结构,根据其内部承力结构形式的不同, 蒙皮骨架式结构又可以分为双梁式结构、单块式结构、多墙式结构等不同类型。

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飞机机翼的质量通常占全机质量的 8%~15%,其中机翼结构质量占机翼质量的 30%~50%。在构造上,飞机机翼通常由蒙皮、骨架和接头组成,其中:接头的作用 是将机翼上的载荷传递到机身上,骨架结构分为纵向构件和横向构件,纵向构件包 括翼梁、长桁和墙,横向部件包括普通肋和加强肋,蒙皮是包围在机翼骨架外的微 型构件,用铆钉或粘结剂固定于骨架上,形成机翼的气动外形。

1.2.2. 机身

机身是指用来装载人员、货物、机载设备等,并将机翼、尾翼、发动机和起落架等 连成一个整体的飞机部件。机身结构一般由蒙皮和内部骨架组成,内部骨架包括长 桁、桁梁等纵向构件和隔框等横向构件,各结构元件的功能相应地一与机翼结构中 各元件相同。

机身通常需要承受剪力、弯矩以及沿机体轴向的轴向力和扭矩,并且机身内部需要装载货物、成员、发动机等,承受上述装载物品带来的分布载荷和集中载荷,因此 机身结构的设计一般采用刚性薄壁空间结构,从结构形式上课分为构架式结构、硬 壳式结构以及半硬壳式结构,半硬壳式结构又可分为桁梁式结构和桁条式结构两 种:

构架式机身:在早期的低速飞机上,机身的承力构架都做成四缘条的立体构架。 为了减小飞机的阻力,在承力构架外面固定有整形用的隔框、桁条和布质蒙皮 (或木制蒙皮),这些构件只承受局部空气动力,不参加整个结构的受力,机 身的剪力、弯矩和扭矩全部由构架承受,其中弯矩引起的轴向力,由构架的四 根缘条承受,垂直方向的剪力由构架两侧的支柱和斜支柱(或各对张线)承受, 水平方向的剪力由上、下平面内的支柱、斜支柱(或张线)承受;机身的扭矩, 则由四个平面构架组成的立体结构承受。构架式机身的抗扭刚度差,空气动力 性能不好,其内部容积也不易得到充分利用,只有一些小型低速飞机机身采用 构架式机身。

硬壳式机身:机身采用框架、隔框形成机身的外形,而蒙皮承受主要的应力, 硬壳式机身结构没有纵向加强件,因而蒙皮必须足够强以维持机身的刚性,其 主要问题是重量较重,现代飞机较少采用这种结构。

桁梁式机身:桁梁式机身由几根较强的大梁、较弱的桁条、较薄的蒙皮和隔框 组成。机身弯曲时,弯矩引起的轴向力主要由大梁承受,蒙皮和桁条组成的壁 板截面积较小,受压稳定性较差,只能承受一小部分弯矩引起的轴向力。 桁 梁式机身,由于采用了较强的大梁,因而可以开大的舱口而不会显著地降低结 构的强度和刚度。

桁条式机身:桁条式机身的桁条和蒙皮较强,受压稳定性好,弯矩引起的轴向 力全部由上、下部的蒙皮和桁条组成的壁板受拉、压来承受。由于蒙皮加厚, 改善了机身的空气动力性能,增大了机身结构的抗扭刚度,所以与桁梁式机身 相比更适用于较高速飞机。此外,桁条式机身的蒙皮和桁条在结构受力中能够 得到充分利用。桁条式机身各构件受力比较均匀,传递载荷时必须采取分散传 递的方法,因而机身各段之间都用很多接头来连接。

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1.2.3. 尾翼

尾翼用于保证飞机的纵向和航向的平衡与安定性,以及实施对飞机的纵向、俯仰和 航向的操纵。一般常规飞机的尾翼由水平尾翼和垂直尾翼两部分组成,水平尾翼由 水平安定面和升降舵组成,垂直尾翼由垂直安定面和方向舵组成。从本质上说,尾 翼的直接功用也是产生升力,因而尾翼的设计要求和构造与机翼十分类似,通常都 是由骨架和蒙皮构成的。根据水平尾翼和垂直尾翼布局形式的不同,常见的飞机尾 翼的布局形式包括常规式布局、T 形尾翼、V 形尾翼、无尾式布局等多种不同的形 式。

水平尾翼简称平尾,是飞机纵向平衡、稳定和操纵的翼面。平尾左右对称布臵在 飞机尾部,其翼面前半部通常是固定的,称为水平安定面,后半部铰接在安定面的 后面,可操纵上下偏转,称为升降舵。在飞行中,飞机升力的位臵会随迎角和速度 的变化而移动,飞机重心也因燃油消耗等原因而变动,通常需要通过平稳产生负升 力或正升力使飞机保持力矩平衡。飞机平尾按照相对于机翼上下位臵的不同,大致 可以分为高平尾、中平尾和低平尾三种形式。

垂直尾翼简称垂尾,起保持飞机的航向平衡、稳定和操纵作用。与平尾类似,垂尾 翼面的前半固定的部分称垂直安定面,方向舵铰接在安定面后部。垂尾的作用是保 持转弯在无侧滑状态下进行,在有侧风着陆时保持机头对准跑道,以及在飞行中平 衡不对称的偏航力矩。方向舵操纵系统中可装阻尼器,以制止飞机在高空高速飞行 中出现的偏航摇摆现象。

1.2.4. 起落架

起落架是飞机在地面停放、滑行、起飞着陆滑跑时用于支撑飞机重力、承受相应载 荷的。起落架能够消耗和吸收飞机在着陆时的撞击能量,保证飞机灵活稳定地 完成在地面上的各种操纵动作。现代飞机的起落架通常由缓冲系统、承力结构、带 充气轮胎的机轮、减振器、刹车装臵及转弯操纵机构、减摆器、收放机构等组成。 起落架的布臵形式是指飞机起落架支柱的数口和其相对于飞机重心的布臵位臵。目 前飞机上通常采用后三点式、前三点式、自行车式和多点式四种起落架布局形式:

后三点式:早期在螺旋桨飞机上广泛采用后三点式起落架。其特点是两个主轮 (主起落架)布臵在飞机的质心之前并靠近质心,尾轮(尾支撑)远离质心布 臵在飞机的尾部。在停机状态时,飞机 90%的质量落在主起落架上,其余的 10% 由尾支撑来分担。

前三点式:两个主轮保持一定间距左右对称地布臵在飞机质心稍后处,前轮布 臵在飞机头部的下方,飞机在地面滑行和停放时,机身地板基本处于水平位臵, 便于旅客登机和货物装卸。

自行车式:前轮和主轮前后布臵在飞机对称面内(即在机身下部),重心距前 轮与主轮几乎相等。为防止转弯时倾倒,在机翼下还布臵有辅助小轮。这种布 臵型式由于起飞时抬头困难而较少采用。

多点式:起落架的布臵形式与前三点式起落架类似,飞机的重心在主起落架之前,但其有多个主起落架支柱,一般用于大型飞机上。采用多支点式可以使局 部载荷减小,有利于受力结构布臵;还能够减小机轮体积,从而减小起落架的 收放空间。

根据起落架缓冲器和传递载荷的方式的不同,飞机起落架的结构设计可分为构架式 起落架、支柱式起落架、摇臂式起落架等不同形式:

构架式起落架:通过承力构架将机轮与机翼或机身相连,承力构架中的杆件及 减振支柱都是相互铰接的,它们只承受轴向力而不承受弯矩。因此,这种结构 的起落架构造简单,质量也较轻,在过去的轻型低速飞机上用得很广泛,但由 于构架式起落架其难以收放,现代高速飞机基本上不采用。

支柱式起落架:减振器与承力支柱合二为一,机轮直接固定在减振器的活塞杆 上,减振支柱上端与机翼的连接形式取决于收放要求,分为悬臂式和撑杆式两 类。对收放式起落架,撑杆可兼作收放作动筒,扭矩通过扭力臂传递,也可以 通过活塞杆与减振支柱的圆筒内壁采用花键连接来传递。这种形式的起落架构 造简单紧凑,易于放收,而且质量较轻,常用于起落架较长、跑道路面较好、 受前方撞击较小的飞机上。

摇臂式起落架:机轮不与缓冲支柱直接相连,通过可转动的摇臂与减振器的活 塞杆相连,减振器也可以兼作承力支柱。这种形式的起落架对垂直撞击、前方 撞击以及刹车等均有不同的缓冲能力,缓冲器只承受轴向力,不承受弯矩,因 而密封性能好,可增大减振器的内部充气压力,以减小减振器的尺寸,克服了 支柱式的缺点,在现代飞机上得到了广泛的应用。

1.3. 飞机结构的工艺特点

飞机结构的基本特点是外形与构造复杂、零件数目多,尺寸大、刚性小,归纳起来 其主要特点包括如下几点:

构造复杂,零件多:一辆载重汽车包括发动机在内有 3000 多个零件,而一架 飞机仅壳体上的零件就有 10000 至 100000 件不等,其中还不包括几百万件的 螺钉、铆钉等标准件。如某型轰炸机仅重要附件就有 8100 种,以及 320 多台 电子电气装臵、长 2400mm 的液压管路和长 100km 左右的导线。因此,要求有 广泛的协作体系,许多零件、附件、成件、仪表设备都要有专厂供应。

外形复杂,尺寸大:飞机的骨架和蒙皮大多具有不规则的曲面形状,在尺寸上, 大型运输机 C-5A 翼展长达 68m,机身全长 75m,因此决定了零件、组合件、 部件的尺寸也较大,如 B747 机翼上一块整体壁板长达 34m,A380 超临界外翼 下整体壁板的长度也达到了 33m。

精度要求高,刚度小:由于气动力性能的要求,大部分机体构件的外形准确度 一般都在 10 级精度范围内。如 L-1011 飞机的复杂曲面蒙皮壁板,最大尺寸为 2.5mX12m,成形误差要求小于 0.3mm。在满足性能要求的前提下,飞机的质 量越轻越好,多采用刚度小的薄壁结构,一些零件在自重状态都会引起结构变 形。

从飞机结构特点分析中可以看出,总休上飞机主要是由结构件和蒙皮两大部分组成 的。飞机的整体框、整体梁、整体肋、接头和整体壁板等都是典型的飞机结构零件, 其主要加工方法为机械的切削加工,毛坯常用锻件和铸件,主要的加工方式有毛坯 的切割,零件的车削、铣削、磨削、钻削、刨削等,涉及的加工设备及工装主要有 车床、铣床、磨床、钻床、刨床,以及相应的车刀、铣刀、磨削砂轮、钻头、刨刀 及相配套的夹具等。飞机的框、肋、析条、蒙皮等都是典型的飞机钣金类零件,钣 金类零件是用板料或型材通过塑性成形工艺制造出来的,主要的成形工序有:毛坯 下料、弯曲成形、拉深成形、轧压成形、旋压成形等,钣金成形工艺装备有毛坯下 料设备和成形设备,前者如剪床、冲裁模具、数控下料机床、等离子切割、高压水 刀切割及激光切割等,后者主要有普通/数控冲床、蒙皮拉形机床、型材拉弯机床、 数控闸压机床及数控弯管机床等,此外钣金成形需要模具。

2. 飞机结构制造与装配

2.1. 飞机制造工艺装备

工艺装备简称“工装”,飞机工艺装备是指飞机制造国产所需的夹具、模具、量具 和工位器具的总称。由于飞机产品的结构和工作环境不同于一般机械产品,所以在飞机制造过程中除了采用各种通用机床、常用工具和试验设备外,还须针对不同的 零件、组合件、部件制造专用工艺装备,利用这些专用工艺装备用于对工件进行加 工成形、装配安装、测量检查,以及在工艺装备之间进行协调移形。工艺装备证飞机零件、部件的质量,提高劳动生产率,降低人劳动强度,实现安全生产都有 重要作用。

飞机工艺装备是飞机制造的必备装备,也是飞机制造工程中的一项关键技术,飞机 企业的工艺装备的技术水平反映了企业的制造技术水平。SU-27 飞机全机采用的工装备总数达到 61881 项,其中标准工艺装备 687 项,生产用工艺装备 61194 项。 参考国外飞机制造的情况,工艺装备的费用占总研制费用的 16.5%至 19.5%,设计 制造周期占飞机研制周期的 1/3 左右。

飞机制造过程中常用工艺装备可分为标准工艺装备和生产工艺装备两类。标准工艺 装备用于协调、制造其它工艺装备的依据,如标准样件、标准量规、标准模型、结 合样板、辅助量规、标准控制图和赋予总体或部分协调制造信息的数学模型(也称 数字化标准工艺装备,可视为制造数据集的一种)。生产工艺装备用于制造、装配 及安装产品所使用的工艺装备,如型架、精加工台、模具、型胎、钻模、铣切夹具、 组合夹具、检验夹具、地面设备和试验设备等。包括生产最终产品的装配工装、检 验夹具和吊运设备。

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标准工艺装备以 1:1 的真实尺寸来体现产品某些部位的几何形状和尺寸的刚性实 体,作为用于制造、检验和协调生产的工艺装备的模拟量标准,是保证生产用的工 艺装备之间、产品部件和组件之间的尺寸和形状协调与互换的重要依据。标准工艺 装备必须具有足够的刚度,以保持其尺寸和形状的稳定性,同时应比生产用工艺装 备具有更高的准确度。标准工艺装备的种类可分为标准样件、标准量规、标准平板 等,其中标准样件又可分为安装标准样件、表面标准样件和反标准样件。

由于飞机结构不同于一般机械,在飞机的装配过程中,不能单靠零件自身形状和尺 寸的加工准确性来装配出合格的部件,而须采用一些特殊的装配工艺装备。装配工 艺装备是一类专用生产装备,在完成飞机产品从零组件到部件的装配以及总装配过 程中,用以控制其形状几何参数且具有定位功能。装配型架是装配工艺装备中主要 的一类,按其用途或工作性质可划分为装配型架、对合型架、精加工型架、检验型 架等,按装配对象的连接方法,又可将装配型架划分为铆接装配型架、胶接装配型 架、焊接装配型架等,其中铆接装配型架数量最多。

2.2. 飞机钣金零件成形

钣金零件是组成现代飞机机体的主要部分,一般占飞机零件总数的一半以上。据统 计,一架中型飞机上的钣金零件达 60000 件,制造工时约占整架飞机总工时的 15%, 飞机钣金零件的制造直接影响飞机的整机质量和生产周期。典型的飞机钣金零件有 蒙皮、隔框、壁板、翼肋、导管等,飞机钣金零件具有尺寸大、厚度薄、刚度小、 形状复杂、精度要求高的特点。一架飞机的钣金零件总数虽然很多,但同种零件的 数量却很少,而且材料的品种较多,因而飞机钣金零件的生产特点为品种多、批量 小、制造方法多样化。

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飞机钣金零件主要包括具有气动外形的零件、骨架零件、内装零件等几个类别,具 有气动外形的零件要求要有准确、光滑、流线的曲面形状,骨架零件要求零件能以 最小自重保有最高的结构效率,所有钣金零件要求在规定的使用和储存期限内具有 要求的强度、刚度以及抗疲劳、抗腐蚀和耐热等物理、化学性能。飞机钣金零件不但形状复杂,而且需要使用多种比强度高和耐热、抗腐蚀的材料,其中用量最大的 是硬铝、超硬铝和防锈铝合金,钛合金因其比强度高、耐热和耐腐蚀性好的特点, 在钣金零件用料占比不断提高。

从成形方法上分,飞机钣金零件可分为挤压型材零件、板材零件和航空管件零件三 种。挤压型材零件通常是飞机骨架零件,包括桁条、大梁以及框肋的缘条等,可 进一步细分成压下陷型材、压弯型材、滚弯型材、绕弯型材、拉弯型材、复杂型型 材等类别。板材是飞机钣金零件中的重要类别,钣金成形零件中 80%以上都需要先 裁剪成毛料然后成形,根据板材零件特征的不同,又可细分为平板零件、板弯型材 零件、拉深零件、蒙皮零件、整体壁板零件和落压零件等不同类型。航空管材零件 其特点是外形复杂、质量要求高、弯曲方法多、端头加工复杂、表面处理方法多以 及需做气密、强度试验等,可具体细分为扩口弯曲导管、无扩口弯曲导管、滚波卷 边弯曲导管、异形弯曲导管和焊接管等类型。

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2.3. 飞机结构件切削加工


过去飞机机体主要部分都由钣金零件装配而成,随着飞机性能的不断提高整体结构 日益增多。由于整体框、梁、肋的出现及整体壁板结构的广泛应用,机械加工零件 的类型和品种日益增加,在某些类型飞机的生产中,机械加工零件所占劳动量比重 已超过钣金成形零件。整体结构件与铆接结构相比有如下优点:(1)在气动性能方 面,外形准确和对称性好;(2)在强度方面,刚性好,比强度高,可减轻质量 15%-20%; (3)气密性好;(4)可大大减少零件和连接件数量;(5)装配后变形小,使部件 成本降低 50%左右。

飞机整体结构件已成为构成飞机机体骨架和气动外形的重要组成部分,它们品种繁 多、形状复杂、材料各异。为了减轻质量而进行的等强度设计,往往要在结构件上 形成各种复杂型腔,因和比一般机械零件相比整体结构件加工难度大,制造水平要 求高,形位精度要求高,而且有严格的质量控制和使用寿命要求,例如壁板、梁、 框、座舱盖骨架等结构件是由构成飞机气动外形的流线型曲面、各种异形切面、结 合槽口、交点孔组合而成的复杂实体。目前飞机上常见的整体结构件有整体壁板、 整体梁类零件、整体框肋类零件、整体骨架类零件、接头类零件等。

飞机整体结构件具有批量小、品种多、协调关系复杂,要求制造设备精度高、自动 化水平高、生产效率高、具有柔性等特点,目前飞机整体结构件主要采用数控加工 的制造方式。对于形状较简单的结构件,采用三轴或四轴数控机床就可以进行加工, 对于形状复杂的结构件,受刀具与零件相对位臵的限制,采用三轴或四轴数控机床 则需要多次装卡才能完成零件的加工,目前对复杂零件采用五轴联动加工技术是现 代航空零部件数控加工的发展趋势。

飞机整体结构件使用的主要材料有铝合金、合金结构钢、钛合金和复合材料等,在 早期的飞机制造业中铝合金是飞机结构的主要材料,用量一般占飞机总质量的 70% 至 80%左右,随着飞机制造业的发展以及新材料的出现,铝合金材料在飞机结构中 的应用逐渐减少。目前飞机整体结构件大多为金属材料制成,其毛坯料大多采用模 锻和预拉伸厚板材,后续经过切削加工、校正、成形等工艺流程制成结构制品,最 终经过表面光整加工、表面热处理等工序形成最终的整体航空结构件。

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2.4. 飞机的装配

2.4.1. 飞机部段划分

为了满足飞机的使用、维护以及生产工艺上的要求,整架飞机的机体可分解成许多 大小不同的装配单元。首先,飞机的机体可分解成若干部件,如某歼击机的部件包 括:前机身、后机身、机翼、襟翼、副翼、水平尾翼、垂直安定面、方向舵、前起 落架和主起落架等。有些部件还可分解成段件,如机翼分解为前缘段、中段和后段, 有的部件或段件可再分解为板件,板件是由部件或段件的蒙皮以及内部骨架元件的 一部分所组成的,如机翼中段的上、下壁板,后机身的上、下板件和左、右侧壁板 等。

飞机机体结构划分为许多装配单元后,两相邻装配单元间的对接结合处就形成了分 离面,飞机机体结构的分离面一般可分为设计分离面和工艺分离面两类:

设计分离面:飞机部件之间、部件与可拆卸件之间形成的分离面。如为便于机 翼的运输和更换,需将机翼设计成独立的部件;襟翼、副翼或舵面,需在机翼 或安定面上做相对运动,也应划分为独立的部件;为便于歼击机机身后部发动 机的维修、更换,需要把机身分成前、后机身两个部件。设计分离面都采用可 卸连接(如螺栓连接、铰链接合等),而且一般要求它们具有互换性。

工艺分离面:为满足制造和装配过程的需要,需将部件进一步分解为更小的装 配单元,这种装配单元之间的分离面称为工艺分离面。由部件划分成的段件, 以及由部件、段件再进一步划分出来的板件和组合件,它们之间的界面都是工 艺分离面,工艺分离面之间一般都采用不可卸连接,如铆接、胶接、焊接等。

2.4.2. 飞机部件装配

由于飞机部件的构造复杂,零件及连接件数量多,大多数零件在自身重量下刚度较 小,而组合的外形又有严格的技术要求,因此其装配内容繁多、工作量大,在装配 过程后期,机体结构比较封闭、劳动条件较差。因此在飞机成批生产时,通常将部 件进一步划分为段件,段件再进一步划分为板件、组合件等各种装配单元,简化部 件或段件装配型架结构,使装配工作分散、工作环境开敞从而缩短装配周期,改善 装配工作的劳动条件。

部件装配过程大致可划分成以下几个阶段:组合件、板件装配;段件、部件装配。 按照分散装配原则划分出来的板件、组合件的铆接工作可以通过机械化或自动化的 手段,提高连接质量和劳动生产率。段件和部件的装配可按工艺归纳为三组:(1) 为非板件化结构的段部件,通常由许多分散的单个零件和较小的组合件装配而成, 而且需要复杂的、比较庞大笨重的装配型架;(2)板件化的段部件,主要由装配或 加工成的板件和组合件装配而成,而所用的段部件装配型架较简单,而且扩大平行 工作面和实现装配工作机械化的可能性较大;(3)分成段件的部件,实质上是预先 装配好的各段连接,以及分离面处各系统的连接工作。

2.4.3. 飞机总装配

飞机总装配是部件装配过程的延续,是飞机装配工作的最后阶段。飞机总装配的任 务是根据飞机图纸、技术条件及生产使用说明书的规定和要求,将部件装配车间移 交的各段件、部件对接成完整的一飞机,将各专业厂提供的发动机、各种仪表、设 备和附件等安装在飞机上,用各种导管、电缆、拉杆等连接成系统,进行调整、试 验和检验,最后将飞机送交工厂试飞车间,作地面及空中试飞。

飞机总装配难以实现大规模的机械化以提高生产效率,劳动量一般占飞机制造总劳 动量的 8%一 15%,周期所占百分比可达 20%。此外,飞机总装配占用的生产面积 大,要求使用高度和跨度较大的厂房。在成批生产中,飞机总装配采用流水生产的组织形式,在总装时基准部件沿着流水线移动,其他部件、系统、设备、附件等在 总装的不同阶段安装到飞机上去,进行调整和试验,最后总装出整架飞机。

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为节省总装工作占用的生产场地,提高总装工作的效率,主流的飞机制造企业通常 采用移动式装配生产线,移动式装配生产线能实现飞机高质量、低成本和快速响应 的制造。在装配流程的设计上,最主要考虑生产节拍的要求,均衡分配各站位的工 作量并确定人员配臵,产品在生产线上以固定的时间频率移动,保障飞机总装生产 能够以固定的节拍进行。此外,在移动式生产线的工艺布局上,既要考虑装配工作 的工艺流程,也要按有利于移动生产的原则安排物料、工位器具、工具车、看板等 生产资料的布臵。

在飞机总装配中通常在生产线布臵若干装配站,必须在机上安装调试的工作称为装 配站工作,不在机上的总装配工作称为工作台工作。飞机总装配流水作业的基础就 是安装、调试工作的节奏化,所以组织流水生产就是将机体对接及安装、调试等工 作划分为许多工序,然后根据飞机结构将必须在机上工作的若干工序组合成一个任 务,而完成该任务的时间应等于或倍比于流水线生产的节奏时间,这个任务就是某 装配站上的工作内容。

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飞机总装配工作结束后,由机场车间与总装配车间共同检查飞机的总装配质量,检 查飞机的外表情况、仪表和设备的成套性,进行车间分工的某些试验工作,包扩飞 机电气、无线电、操纵、液压等各系统检验与试验,加注燃油、滑油开展发动机试 车试验,并在试飞合格后将飞机移交给订货方。

3. 飞机制造业的行业特点

飞机制造业是交通运输设备制造业中的一部分,主要包括零部件制造和整机制造两 大类别。飞机制造是一个非常复杂的先进技术制造业,涉及 70 多个学科和大部分 工业产业。一架大飞机一般由 300-500 万个零部件组成,主要包括机体、发动机、 航电设备、机电设备和标准件(电线电缆、电器通用器件)五大部分,因此飞机制 造业主要包括机体制造、发动机制造、核心机载设备制造(航电和机电设备)和标 准件制造,其中发动机制造和机载设备制造属于核心设备制造。除此之外,航空材 料也是飞机制造业的重要组成部分,钢、铝、铝锂合金、钛和复合材料是飞机机体 和主要结构件部分的构成材料,其中 30%以上的飞机材料仍使用铝合金,但复合材 料的使用比例逐渐扩大,未来将达到 23%-25%。

飞机制造业是高新技术最集中的高端制造业:航空产品复杂度高,比如美国波音 747 零部件共 600 多万个;我国的运七支线客机零部件 55 万多个;19 座以下小型 飞机至少需要 10 万个的零部件。产品精度也很高,飞机零部件的技术参数达到 10-7 量级,相比较,一辆汽车的零部件技术参数为 10-4 量级。发达国家如美国、日本、 韩国等国,已经将飞机及其零部件制造列为高技术产业,我国在 2006 年也将飞机 制造业列为了优先发展的高技术行业。

飞机制造业是高投入、高收益和高风险并存的行业:由于航空产品的技术含量、复 杂度和精度都很高,因而在研发过程中需要大量的资金投入作支撑。军机研制经费 高,美国为其第三代军机 F-15 投入 17.5 亿美元,为隐身战斗机 F-117A 投入 20 亿 美元,F-22 总花费高达 130 亿美元。同时,民机的研发费用也很高,比如空客 A320 花费 20 亿美元,波音 777 投入了 50 亿美元。 高投入带来高收益,如 F-16 的售价为 1840 万美元,F117A 售价 4600 万美元,B-2-售价高达 5.1 亿美元,A-320 售价 3800 万美元,波音 777 售价 1 亿美元以上。高技术含量、高投入、高收益伴随的 必然是高风险。飞机研制周期很长,一般来说,从预研到交付长达 5 年,因而需要 持续的资金支持作为保障。同时,只有保证充足的销售额才能获利,比如,空客 A-300 花费了 20 年时间进行生产,在交付 1100 架的时候才达到盈亏平衡。

飞机制造业有很高的产业带动作用:根据发达国家的经验,飞机制造业的投入产出 比在十年后大约是 1:80,技术转移比是 1:16,就业拉动比是 1:40,一个机型500 多 个一级配套企业,有 3000-5000 个二级配套厂商,这样金字塔式的供应链使得航空 工业的发展产生了巨大的规模式效应,对城市经济和区域经济产生一系列的辐射作 用,引领着整个产业结构的阶梯式发展。

飞机制造业需要规模庞大的产业配套:飞机制造的产业链很长,包括与飞机有直接 配套关系的飞机本身和随机器材(地面设备和工具),以及与飞机制造过程配套的 制造设备、工艺设备、检测设备和材料等。航空产品复杂度很高,涉及 70 多个学 科和大部分的工业领域,因此需要规模巨大的产业配套,如波音 747 由 100 多万个 零部件构成,需要上万个配套企业进行协同生产;波音 787 大约有 400 万个零部件, 其中 90%的零部件生产分包给了 40 多个国家的合作伙伴,自己仅生产尾翼以及进 行最后的组装。

4. 中国飞机制造业发展历程(略)

新中国成立之前,中国基本没有自己的飞机制造业,国内只有几家小型飞机修理厂。 1949 年之后,中国的飞机制造业经历了从修理到制造、从仿制到自行研制、从自主 发展到国际合作的成长过程,并逐步建立起自己的飞机制造业。自主研制成功了 Y7、MA60、Y8、ARJ21 等民用飞机,同时飞机制造业企业加强了国际合作,从转 包飞机零部件到承担国外整机总装生产,转包生产零部件涉及波音 737、747、757 和空中客车 A310、A320、A330/340 和 ATR42/72 等。

4.1. 1951 年—1954 年:从修理到制造

4.2. 1955 年—1976 年:从仿制到自行研制

4.3. 1977 年—至今:从自主发展到国际合作

5. 中国飞机制造业发展现状

航空工业的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志之一,许多发达国家将航 空工业作为支柱性产业大力发展,发展中国家也积极采取措施扶持本国航空工业参 与世界竞争。我国已经将航空工业作为战略性新兴产业的重要组成部分重点扶持, 并通过实施大型飞机重大专项,推动我国民用航空工业实现快速发展。此外,我国 也制定了一些了扶持航空工业发展的产业政策,支持民用飞机产业发展、推动航空 工业军转民的战略转变、促进航空工业国际合作与外贸进口、引导非公有制资本进 入国防科技工业建设领域,并鼓励非公有制企业参与军民两用高技术开发及其产业 化。随着上述政策的逐步落实,一批民营企业进入航空零部件制造领域,打破了我 国航空工业原有相对封闭、自给的经营体制。

我国航空零部件产业已经基本建立独立自主的工业体系,在推动国防装备现代化转 型升级、促进通用航空发展方面起到了关键作用。在国民经济快速发展、各项改革 不断深化的备件下,国内军用飞机面临升级换代的迫切需求,民用航空运输业迅速 发展也带动民用飞机市场急剧扩大,航空工业也迎来了前所未有的发展机遇。目前 我国军用和民用航空工业进入快速发展时期,技术水平明显提升,航空零部件基础 能力建设进一步加强,此外航空工业的国际合作不断深化,与世界先进水平间的差 距不断缩小,并逐步形成军民结合、寓军于民的产业发展格局。

飞机制造业通常采取“整机制造商—多级供应商”的制造模式。产业链的第一级为 整机制造商,主要从事产品设计、总装制造、市场营销、客户服务和适航取证环节; 第二级为关键航空子系统制造商,所提供的子系统包括机体、发动机、航空电子等 主要机载设备;第三级主要包括众多为产业链上层的整机与子系统制造商提供零部 件与材料的供应商。航空航天零部件制造是航空航天制造业的基础性子行业,是实 现航空航天材料向关键子系统和整机制造转变的重要环节,具有产品门类繁多、工 艺路线复杂和产品精密度高的特点。从军民融合与资产专用性角度,零部件制造业 较专用子系统及整机组装,在不同机型及军民应用领域之间具有更广泛的通用性及 下游市场;同时,由于零部件产品的高度定制化,零部件制造商易与整机及子系统 制造商形成较深入的合作关系。

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当前我国航空制造产品仍然以军用飞机为主,中航工业集团基本垄断国内所有军机 型号的生产。中航工业集团公司设有航空武器装备、军用运输类飞机、直升机、机 载系统、通用航空、航空研究、飞行试验、航空供应链与军贸、专用装备、汽车零 部件、资产管理、金融、工程建设等产业。中航工业集团下辖 100 余家成员单位, 覆盖了从研发设计、零部件制造到子系统与整机组装的全产业链,其中整机制造企 业主要包括沈飞集团、成飞集团、洪都航空、西飞集团、哈飞集团等,产品涵盖歼 击机、歼击轰炸机、轰炸机、运输机、教练机、侦察机、直升机、强击机、通用飞 机、无人机等飞行器,以及空空、空面、地空导弹。

我国飞机制造业历经数次战略性和专业化重组,目前形成了以中航工业及其下属单 位、以及中国商飞为主的制造格局,各企业依据自身实力和技术研发格局,承接不 同类型航空器产品的研发和制造。围绕航空工业的产业布局,我国航零部件制造行 业形成了内部配套企业为主,科研机构、合资企业和民营企业有效补充的市场竞争 格局。

6. 中国飞机制造市场

6.1. 军用飞机制造市场

空军是现代化战争中的战略军种之一,先进战机作为我国空军主战装备亟待批量列 装。军用航空器主要包括战斗机(又称歼击机)、攻击机(又称强击机)、轰炸机、 武装直升机、军用运输机、预警指挥机、空中加油机、侦察机、教练机和无人机等。 在军用航空领域,由于世界格局不断变化、周边环境中仍存在不确定及不稳定因素, 我国持续保持相对较高的国防投入,进行军队体制改革以适应国防和军队战略要 求,提升军队战斗力。根据财政部发布的《关于 2019 年中央和地方预算执行情况 与 2020 年中央和地方预算草案的报告》,2019 年我国国防预算将增长 6.6%,达到 12684.08 亿元。国防投入持续增加,其中空军作为重要的战略军种之一,其现代化 建设进入快车道,决定军用航空领域市场需求将在一段较长周期内持续旺盛。

我国军机总量与美国存在较大差距,对标世界一流军队,军机增补空间很大。截至 2019 年底,美国拥有军用飞机 13266 架,占比 25%,数量居全球第一;其次是俄罗,数量达 4163 架,占比 8%;我国拥有军机数量为 3210 架,占比约为 6%,其中 战斗机 1603 架、直升机 903 架、运输机 276 架、教练机 366 架、特种飞机 111 架, 同美国存在较大差距。建设一流军队已成为国家发展战略,对标美国,我国军机尤 其是先进战机在数量上存在很大增补空间,以“20 系列”为代表的国产先进战机进入批产列装阶段,订单有望加速释放,带动我国航空产业景气度进一步提升。从 战斗机的代际结构上看,中国战斗机中大量存在着歼-7、歼-8 等老旧二代机型,三 代机、四代机数量占比远低于美国、俄罗斯两个世界强国。J-7、J-8 等二代机均为 上世纪 90 年代以前的主流机型,服役时间较长,未来将逐步升级为 J-10、J-16、J-20 等三代半或四代新机型。此外随着国内新型直升机、教练机、运输机的成熟,相关 飞机也面临着大量的列装、换装需求。

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我国空军目前正在向战略空军转型,未来 10 年带来军机需求规模约 1.98 万亿元。 当前我国军用飞机正处于更新换代的关键时期,未来 10 年现有绝大部分老旧机型 将退役,歼-10、歼-11、歼-15、歼-16 和歼-20 等将成为空中装备主力,新一代先进 机型也将有一定规模列装,运输机、轰炸机、预警机及无人机等军机也将有较大幅 度的数量增长及更新换代需要。

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按照飞机机身零部件占到飞机总价值量的 30%计算,预计 2021-2030 年十年间我国 军机列装带来的航空零部件的市场规模约为 6000 亿元,按照加工服务费用占零部 件价值的 15%计算,航空零部件生产制造服务市场空间约为 900 亿元,年均约为 90 亿元。

6.2. 民用飞机制造市场

航空工业是典型的知识密集型、技术密集型行业,产业链长、国际分工程度高、市 场容量大是国际航空工业的突出特征。随着经济全球化和区域经济一体化趋势愈加 明显,我国航空工业融入世界航空产业链已经是大势所趋。航空工业作为参与国际 化分工深入的行业之一,其健康发展可以有效带动国内企业参与国际竞争,充分利 用国际国内两个市场、两种资源,分享世界经济发展带来的成果。目前国际航空转 包生产大致分为 3 个层级。美国、欧洲、日本属于第一阵营,以参与设计研发、工程制造、大部件集成为主,利润率较高;中国大陆、韩国、墨西哥、突尼斯等属于 第二阵营,以机体结构件的制造为主,利润率一般;俄罗斯、印度等属于第三阵营, 大多处于零组件供应商层级,利润率较低。经过多年的积累,我国已基本掌握世界 先进的数控加工技术和大型飞机机翼制造关键技术,具有复合材料加工、特殊工艺 制造、大型钣金零件成型加工能力。

随着我国现代制造业的发展,民用航空国际转包已经发展到新的高度。我国民用航 空事业起步较晚,并且在零部件的生产中,大都是以国际转包的形式为先进的民用 飞机提供零部件产品。近些年来,我国航空企业一直通过国际航空转包生产以及大 量合资企业建设的方式,不断提升国际主力机型结构部件、金属型材、金属零部件 等方面的生产能力和产品质量,逐步成为世界航空产业重要的组成部分,提升了国 际化发展能力。我国的航空零部件转包最初主要是通过“三来加工”的形式出现,即 客户来图、来料和来样,企业根据客户的图纸对零部件进行生产和装配。在国际转 包业务配套过程中,国内航空零部件生产企业的技术实力明显得到提升,业务规模 不断扩大。

目前中国民机国际转包规模较之美国、欧洲、日本仍有很大差距,甚至低于韩国。 2014 年,全球民机转包生产市场规模约 250 亿美元,其中日本承接的转包生产规 模占比约 13-17%,韩国约 8.3%,而我国占比仅 6.5%。而同期我国民机采购数量占 波音空客交付总量的比例高达 16.64%。我国现有的民机国际转包体量远低于发达国 家所获得的国际贸易补偿的平均标准。究其原因,一方面我国航空零部件的国际转 包业务中,除西子航空等极个别公司直接承接了空客等整机厂的少量订单外,均由 中航工业及其下属公司总揽承包并分包,但中航工业作为我国航空事业的中坚力 量,主要精力更多投向自主机型的研发及生产;另一方面,民营企业虽有较强的国 际转包业务承接意愿,碍于波音、空客一级供应商认证的严苛条件,民营企业极难 直接从波音、空客取得订单。未来伴随着波音、空客国际采购趋势的加深和国内航 空零部件制造主体的多元化特征凸显,一批实力雄厚、工艺完整、技术质量过关的 民营企业将可能获得波音、空客一级供应商认证,突破现有制造格局。公司作为航 空零部件制造领域的优势民营企业,随着自身加工实力和产品质量的不断提升,将 优先受益于行业格局的调整。

从上世纪 80 年代开始,全球航空行业景气度持续上升,航空客运量持续走高,各 国对飞机的需求量保持持续增长。根据《中国商飞公司市场预测年报(2019-2038)》, 未来二十年,全球航空旅客周转量将以平均每年 4.3%的速度递增,预计将有 45,459 架新机交付,价值约 6.6 万亿美元。同时,根据波音公司发布的《商业市场展望 (2018-2037)》,在地区发展分布方面,亚太地区需求最为强劲,未来 20 年预计新 增 16,930 架,市场价值达 2.67 万亿美元,成为全球最大的航空市场。根据《中国 商飞公司市场预测年报(2019-2038)》,到 2038 年中国机队规模将达到 10,344 架, 未来二十年,中国航空市场将接收 50 座以上客机 9205 架,价值约 1.4 万亿美元(约 10 万亿人民币)。按照我国对外采购干线飞机数量及最低 5%的贸易补偿标准,以及 国产飞机已取得订单的情况,按飞机零部件约占飞机总价值 30%的比例测算,我国 民用航空零部件国际转包市场规模约 1000 亿元。

以 ARJ21 和 C919 为代表的国产民航飞机批产在即,有望打开航空零部件国内分包 市场空间。我国继运-10 后自主研制的第二种大型客机 C919 已于 2017 年 5 月实现首飞。目前 C919 客机市场前景看好,全国人大代表、C919 大型客机总设计师吴光 辉在今年两会期间表示,目前 C919 的全球客户达到 28 家,订单总数达到 815 架, 中航工业及下属成飞民机、沈飞民机等承担了 C919 大部分机身部件的生产工作, 预计占飞机总价值量 15%左右。此外,截止 2020 年 3 月我国 ARJ21、新舟 60 和新 舟 600、新舟 700 分别获得订单 724 架、524 架(根据 2016 年的 343 架推测)和 285 架,按照各自售价及零部件占飞机总价值 30%左右的比例计算,国产飞机已有 订单可为零部件制造带来分包收入约为 1600 亿元。

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(报告观点属于原作者,仅供参考。作者:东北证券,陈鼎如、刘中玉)

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