【航空航天】軍用航空航天概況及復合材料在軍用航空航天行業發展趨勢
我國是世界上少有的建立了完善軍工體系的國家，軍工行業門類齊全，與主要兵種、裝備相對應，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域。
軍用航空航天行業作為高端裝備制造業的代表，是國家綜合國力的集中體現和重要標志，是推動國防建設、科技創新和經濟社會發展的戰略性領域。
01軍用航空行業概況
①軍用航空行業
基本情況軍用飛機是直接參加戰斗、保障戰斗行動和軍事訓練的飛機總稱，是軍用航空領域的主要技術裝備?，F代戰爭中，軍用飛機在奪取制空權、防空作戰、支援地面部隊和艦艇部隊作戰等方面都發揮著重要的作用。軍用飛機主要由機體、動力裝置、起落裝置、操縱系統、液壓氣壓系統、燃料系統等組成，并有機載通信設備、領航設備以及救生設備等，其中，直接用于戰斗的飛機還有機載火力控制系統和電子對抗系統等。
A、按用途分類
軍用飛機按用途主要分為戰斗機、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，戰斗機是裝備數量最多、應用最廣、發展最快的機種，也是一個國家軍隊空中力量的核心，對于戰時奪取制空權、確保空中戰役的勝利具有至關重要的作用。在作戰支援飛機方面，特種飛機、加油機、運輸機等的發展廣受重視，主要為殲擊機、強擊機、轟炸機等作戰飛機提供各種技術支援。
B、按飛行平臺構造形式分類
按飛行平臺構造形式的不同，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旋翼飛機。具體而言，不同飛行平臺構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，未來戰爭、沖突將朝著無人化、智能化的方向發展，無人機在未來作戰中將在多領域被廣泛應用。從第二次世界大戰期間，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用已有 70 年的歷史，軍用無人機的發展方向由單一的情報收集、通信中繼、高空偵察等支援任務向火力打擊等主戰任務轉變。
②復合材料在軍用航空領域應用的發展趨勢
復合材料在多種材料上取長補短，產生協同效應，尤其是碳纖維復合材料，具有比強度和比剛度高、性能可設計、易于整體成型等諸多優異特性，相比常規金屬結構減重 25%到 30%，廣泛應用于飛機的機體、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，以提高戰場生存與作戰能力；另一方面可以節省燃油，提高飛行器的作戰半徑與續航能力。碳纖維復合材料是現代飛行器結構設計制造上的最先進的結構材料之一，復合材料用量已成為衡量飛行器先進程度的主要指標之一。復合材料在航空裝備領域的應用呈現以下特點：
A、單機復材比例上升
在軍用固定翼飛機方面，自20世紀70年代以來，碳纖維復合材料的應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戰斗機碳纖維復合材料用量僅 1%，而F22和F35等五代戰斗機的復合材料用量達到了24%與36%，美軍的B-2 隱身戰略轟炸機的碳纖維復合材料占比也達到了38%；法國陣風戰斗機的碳纖維復合材料用量達到 24%；歐洲的臺風戰斗機碳纖維復合材料用量達到 24%左右，其中全機表面的 70%采用碳纖維增強復合材料。
我國軍用戰斗機的碳纖維復合材料使用亦呈現增長態勢，我國第四代戰斗機殲-10和殲-11的碳纖維用量僅為6%和10%，但我國第五代戰斗機殲-20 的碳纖維使用比例已達到27%。隨著我國新型戰機的換代升級，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、海水等惡劣環境，對材料綜合性能要求較高。
碳纖維復合材料可實現軍用直升機的輕量化與環境可靠性改良。二十世紀 60 年代，復合材料首先用于直升機旋翼槳葉；二十世紀 80 年代以來，第四代直升機將復合材料大幅用于機體結構，用量占35%-50%；二十世紀 90 代，NH-90直升機的復合材料用量達 95%，而 S-97、V-280、H160 等直升機幾乎全部采用了復合材料。根據《我國先進復合材料產事業發展》公布數據，國內直升機Z-10復材用量超35%，新研制的專用武裝直升機復材使用量超50%。
未來，我國直升機復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，其對復合材料的用量比例高，其快速發展將直接帶動碳纖維復材需求量上升。無人機由于具備低成本、輕結構、高機動、大過載、高隱身、長航程的技術特點，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斗機普遍在 20%-40%的復合材料使用比例，相比而言，先進無人機的復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合材料用量占比達到 65%，X-45、X-47B、“神經元”、“雷神”等先進無人機的復合材料使用占比則高達 90%；我國“彩虹 4”無人機、翼龍 I-D 無人機復材使用量已經超過 80%，與全球頂尖的無人機保持同一水平。
B、軍用飛機列裝、換裝提速帶動復合材料需求的持續增加
截至2020年12月底中國共有各類軍用飛機3,260架，同期美國、俄羅斯戰機規模分別為 13,232 架和 4,143 架，數量大幅超過中國。2020 年我國在役戰斗機 1,571 架，占我國在役飛機比例接近 50%。在機型的數量方面，2020年我國戰斗機占比全球第二，但數量只有美國的一半左右；而武裝直升機、教練機、運輸機、特種任務飛機、加油機等機型的數量與美國存在巨大差距。
從戰斗機的代際結構上看，中國戰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、五代機等先進戰機復材用量遠高于殲-7、殲-8 等老舊機型。此外，隨著國內新型直升機、教練機、運輸機的成熟，相關飛機也面臨著大量的列裝、換裝需求。國內軍機數量、質量均有較大的提升空間，新型戰機的換裝、列裝將推動軍用航空復合材料需求持續增加。
C、軍用無人機市場高速發展進一步推升對復合材料的需求
2019 年-2028 年全球軍用無人機年產值（含采購）將逐年增長，預計至2028 年將達到 147.98 億美元，年產值（含采購）復合增長率約 5.36%。隨著全球安全問題與領土爭端不斷爆發，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、作戰成本低、沒有人員傷亡風險等優點，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效能的重要趨勢。我國的軍用無人機已走出國門，據 SIPRI 統計，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、東南亞等地區的發展中國家。這些國家現階段普遍缺乏軍用無人機的自主研制能力，且多數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合材料需求的持續增長。
02軍用航天行業概況
①軍用航天行業基本情況
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，航天裝備是航天領域的物質基礎與核心要素。從動力裝置和飛行范圍看，火箭和大部分導彈更接近于航天器，故將火箭和導彈歸至航天的范疇，即按照應用領域，航天裝備包括航天器、導彈與火箭三大類。
A、航天器
航天器是指在地球大氣層以外的宇宙空間，基本按照天體力學的規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將其回收。根據是否載人，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、導彈
導彈，又稱制導導彈或制導火箭，是一種由噴氣發動機或火箭發動機等動力裝置實現制導飛行的遠程武器，憑借打擊精度高、運行速度快、射程遠、威力大、可實現縱深目標打擊等特性，在現代化戰爭中發揮著愈來愈重要的作用。
導彈由瞄準/制導系統、飛行系統、發動機和彈頭（戰斗部）四個系統組件組成，在戰爭中由裝甲設備、發射車、發射井、飛機、艦船、潛艇等裝備作為載具與發射平臺，起到直接殺傷軍事目標的效果。導彈的分類方法繁多，按飛行方式分類，可分為彈道導彈與巡航導彈；按作戰任務分類，可分為戰略導彈與戰術導彈；按射程分類，可分為洲際導彈、遠程導彈、中程導彈與短程導彈。我國實戰化軍事演練已實現常態化，導彈訓練彈與靶彈的使用有效地降低了國防訓練成本。
導彈訓練彈復刻對應實彈的尺寸重量、氣動外形與制導系統等特征，二者最大的區別為訓練彈不含戰斗部。訓練彈的動力裝置也與實彈存在差異，它可以在距目標一定距離時自動減速制動，關鍵零部件回收后可重復使用。
C、火箭
火箭是依靠火箭發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產生推力，可以在稠密大氣層內外飛行，是實現航天飛行的運載工具。按照動力能源，火箭還分為化學能火箭、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、箭體結構和有效載荷。
推進系統是火箭飛行的動力源，主要由火箭發動機、燃燒劑箱、氧化劑箱等組件組成；箭體結構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、推力結構、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斗部，科學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動機包括發動機、燃料或推進劑、輸送燃料或推進劑的系統以及其他附件、儀表、安裝支架等，要求特殊的材料、結構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復合材料在軍用航天領域應用的發展趨勢
在導彈與運載火箭上，碳纖維復合材料被大量使用于導彈彈頭、殼體、發射筒與火箭助推器、防護罩、發動機殼體等結構部件，可以減輕結構質量，加大射程并提高落點的精確度。以固體發動機戰略導彈為例，一、二、三級發動機殼體每減輕結構質量1kg，將相應地增加射程0.6km、3.0km和16.0km。碳/碳和碳/酚醛復合材料是彈頭和發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異的熱力學性能，維持良好的氣動外形，減少非制導誤差。
例如，美國 MX 戰略導彈的發射筒長22.4m、直徑2.5m，選用碳纖維/環氧樹脂復合材料時的結構質量僅為21噸，較采用高強度鋼時的結構質量減輕超80%。我國陸基洲際導彈東風-31彈頭使用了碳纖維增強復合材料，潛射洲際彈道導彈巨浪-Ⅱ的發動機噴管采用的是碳-碳復合材料。
此外碳纖維復合材料作為美國、日本以及法國研制固體發動機時的主要選擇，在美國“三叉戟”－2導彈、“戰斧”式巡航導彈、“大力神”－4 火箭、法國的“阿里安娜 2”型火箭、日本的 M－5 火箭等發動機殼體上皆能尋覓到它的身影。
此外，碳纖維復合材料常用于人造衛星結構體、太陽能電池板和天線中。衛星結構中主要采用具有一定強度的高模量碳纖維復合材料，在大幅度減輕衛星結構質量的同時，其良好的尺寸穩定性可以滿足衛星在太空環境中對材料熱膨脹系數的特殊要求。
03行業市場規模
我國軍用航空航天市場保持持續增長的態勢。隨著我國軍用飛機、導彈、運載火箭、衛星在基礎技術、產品譜系與產業體系等方面的建設不斷完善，我國航空航天應用技術不斷突破，促進行業市場規模穩步提升。根據中研普華研究院發布數據，2019-2021年我國航空航天市場規模分別達到了7,894億元、8,340億元和8,933億元，復合增長率達6.38%。
復合材料在航空航天裝備領域占有極為重要的地位，涵蓋熱結構、防熱、透波、隔熱、結構等多個材料體系，可以滿足航空航天裝備對超輕質、高強韌、抗沖擊等結構一體化的要求，而其中最有代表性的是碳纖維復合材料，具有比強度和比剛度高、性能可設計、易于整體成型等諸多優異特性，是支撐航空航天科技發展的關鍵材料。
根據Research And Markets發布的市場分析報告，預計全球航空航天復合材料在2020-2025年間復合年增長率為10.5％，到2025年，全球航空航天復合材料市場規模預計將達到410億美元。根據賽奧碳纖維發布的市場報告，2018-2021年期間，我國航空航天領域樹脂基碳纖維復合材料需求量從1,538噸增長到3,077噸，復合增長率達到26.01%，銷售收入從107.69億元增長到215.38億元，復合增長率達25.99%，均保持了較高的增長勢頭。
