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【聚焦】航空发动机产业链锻造与经济分析

  航空发动机是现代工业技术的极限考验,已经成为某些制造强国难以走完的最后一里路。航空发动机技术的高壁垒和高门槛是经济回报的有力保证,我们应发掘产业链溢出效应,支撑航空发动机持续研发。

  中国崛起已引起全球关注,外界关注的是中国产业和技术的崛起,是近十几年中国在超级计算机、高铁、船舶重工、核能开发、航空航天等极端制造领域的高速发展。比如神威太湖之光、天河二号先后登上世界超级计算机排行榜榜首位置,彻底打破美国、欧洲、日本在这一关键领域的传统优势,对某些国家形成严重刺激。连好莱坞大片《地心引力》也无奈地呈现一个现实,当代几个大国中,只有美国、俄罗斯、中国有或曾经有过自己的太空站,美国宇航员在太空中遭遇严重险情,最后只能求救于中国的天宫一号。

  可是,以上工业成就都不足以将中国划入世界一流制造强国的梯队。至少在一个极端制造领域航空发动机,中国距离世界一流仍旧面临巨大的技术和产业化瓶颈。

  制造强国的最后一里路

  现今,中国制造已享誉世界,但是仍处于世界产业链中低端的第四级。世界产业链第一级是美国,全球70%的知识产权都掌握在美国手里;产业链第二级是英国和法国,科技原始创新能力强大,拥有相当数量的知识产权,始终处于世界产业技术研发最前沿;产业链第三级是日本和德国,在多数工业领域拥有世界最尖端技术,但是工业体系存在不少短板。

  在普通人的想当然中,日本制造已如此强大,是世界汽车、船舶、电子、机床和工业机器人等领域最重要的核心零部件供应商,其技术实力和产业链影响力都是毋庸置疑的。但是,即使在日本制造纵横天下的20世纪80年代,即使日本GDP总量比英国、德国、法国的总和还多,仍只能屈居美国、英国、法国之后,是一个二流制造强国。

  日本整体的制造能力仍不敌美国、西欧,一个关键原因就是,日本未能在飞机制造业这个产业制高点,消除与欧美国家的差距。尤其是航空发动机,是世界航空产业链的最核心环节。

  20多年前,日本就能做到主力战机F15高达90%的国产化率,但至今日本仍不能完全将其国产化,就是卡在航空发动机上。波音公司主力机型787客机有35%的关键零部件由日本制造,机体材料是首次在民航客机中使用的碳素纤维,由东丽纺织供应;川崎重工主要制造机翼之前的部分机身,同时还提供主机翼固定后缘装置;富士重工主要制造中心翼盒,以及位于机身中部下侧用来连接机翼与起落架的强化结构;三菱重工则总装机翼。不过,没有谁会因此将日本视为一流航空工业强国,也是卡在航空产业链最核心的航空发动机上。航空发动机已经成为日本制造强国之路上永远难以走完的最后一里路。

  做好大飞机和航空发动机项目,将会革命性提升一个国家的制造业水平。汽车、船舶、机械等普通制造业,根本无法与之相比。英国现在已告别世界工厂的荣光,其GDP中金融业和媒体产业占了很大比例。但英国至今仍是当之无愧的制造强国,航空发动机产业则是英国制造强国地位的关键支撑。

  航空发动机是典型的技术和知识密集型高科技产品,被称为工业之花。美国长期把航空发动机列为仅次于核武器的第二敏感技术。军用航发领域,只有美、俄、英、法四国可以独立研制和发展一流水平的发动机技术。而民用航空发动机市场的门槛更高,目前真正具有技术和商业优势的只有美、英、法三国的四家公司:美国通用电气航空集团公司(GE航空)、普惠公司(PW)、英国罗罗公司(RR)以及法国斯奈克马公司(SNECMA)。这四家公司在全世界民用发动机市场份额接近90%。

  如今,即使中国制造业在四代航发上取得了巨大进步,但国内制造的最先进航空发动机只相当于美国20世纪90年代的技术水平,这种差距仍达到30年。直至今日,当中国希望建造自己的大型客机时,却没有一颗可用的中国心中国几乎所有民航飞机发动机都依赖进口,军用发动机则以仿研+引进为主,自主研制的型号很少。

  作为世界第一制造大国,如果不能在性能先进的航空发动机上取得创新突破,那么,中国制造业转型升级的实际成效将大打折扣,制造强国的最后一里路也将变得遥不可及。

  现代工业技术的极限考验

  当前,中国制造在航空发动机上遭遇瓶颈,受困的不仅仅是中国航空工业,更是整个中国工业体系。航空发动机的超高研发、制造难度,集中考验了一国工业技术所能达到的极限。

  一台飞机发动机的外形结构就像是一个两端都开口的圆筒,其工作原理是,从前端吸入的空气经过压气机、燃烧室等一系列内部结构,变为高温、高速燃气从后端喷射出去,产生向前的反推力。因此,航空发动机需要持续在高温、高压、高速旋转的条件下工作,对研制的要求极高。

  以英国罗罗公司为A380客机生产的发动机为例。起飞时,4台发动机可以产生近18万匹马力,相当于上千辆普通家用轿车的动力,其内部最高温度在1700摄氏度以上,大大超过发动机涡轮叶片镍基合金的熔点。同时,发动机内部压力达到50个大气压,相当于3倍的蓄满水后三峡大坝底部压力,涡轮叶片就像一个冰块,在高温炉中高速旋转。这些都对发动机叶片、轴承的材料提出了严峻挑战。高品质、高水准航空发动机的重大战略意义绝不仅限于航空工业,必将牵动中国制造业整体上的转型升级。

  比如,航空发动机的一个关键零部件高可靠性、高精密度的顶级轴承,要能在高速、高温、受力复杂的条件下运转,直接影响到发动机的性能和寿命。很少有人知道,中国每年制造的价值过千亿的各类轴承,大多是中低端产品。高端轴承则主要依靠进口,高端轴承的研发、制造与销售基本上被美国、德国、日本和瑞典垄断。

  更重要是,中国的轴承技术人才青黄不接,全国高校每年仅能提供不足百名的轴承专业毕业生。目前,欧美国家航空发动机主轴承的寿命均能达到1万小时以上,国内基本在900小时以内。千亿规模的中国轴承制造业,造不出符合航空发动机技术标准的轴承,这难道不是中国制造的一大痛点吗?

  再如,航空发动机的另一关键零部件涡轮风扇叶片,对制造商的技术工艺是一种极限考验。外国公司明确禁止向中国转让航空发动机风扇叶片、高温叶片等高端制造技术,中国公司一旦获得创新突破,前面将是一片蓝海。

  无锡透平公司这样一家民营企业,在攻克航空发动机风扇叶片关键技术的同时,也在电站大型涡轮叶片国内市场综合占有率达到80%以上,形成百万等级超临界汽轮机、百万核电机组大叶片的工艺开发及制造能力。在能源领域,透平公司已成为国内三大电气公司的战略供应商,也是GE、西门子、东芝、三菱等顶级跨国公司的叶片供应商。

  航空发动机的研发制造,必将倒逼中国制造商筑牢国家工业体系的基座。国内公众往往只看到一些表面化的创新成就,对工业领域的基础创新、底层创新关注有限。

  今年4月,美国竞争力委员会发布的《2016全球制造业竞争力指数》报告认为,美国制造正在形成新的优势:在预测分析、物联网、智能产品和智能工厂等方面,美国都是世界领先,而在个人、技术、资本和公司之间建立联系、产生协同效应方面,美国的成就尤其突出,已经形成一个紧密联系的创新生态系统,并通过研发投资创造巨大价值。因此,未来五年,美国有望超过中国,重新成为全球最具竞争力的制造业大国。

  这是成体系、生态化的全新工业竞争态势,而国内凸显的应对策略是互联网+和机器换人。可惜,这不能解决中国制造业转型升级的深层次问题。一个国家产业和技术基座的牢固程度,决定其工业创新力所能达到的高度。工业领域的前沿创新,不是有钱、有气魄就能做到的。中国制造瞄准的是金字塔尖,最缺的则是那些最基础的东西,比如基础材料、核心零部件、高端数控机床以及成熟工匠等。这是一步步发展起来的,不可跳跃。

  蒸汽机古人没有想过吗?直到发明了镗床和橡胶,才真正做到实用化。有了耐高温高压的不爆裂的缸体,哈勃才发现还原法,在高温高压下合成氨、造出氮肥,大规模改善粮食产量。数码相机CT机需要高品质CCD,雷达需要高精度AD,飞机需要高强度紧固件,芯片制造需要光刻机,光刻机需要高精度的镜头和机床。

  要设计和制造出好的航空发动机,本质要的是材料和加工工艺精度。看看欧美国家的发动机产品,真是艺术品一样的美感,里面加工的零部件每个拿出来都非常好看、极其精密。

  美国科技强国地位的核心支撑,绝不只是谷歌、苹果、微软或Facebook,那只是美国工业基础发展之下长出来的市场之花。美国工业体系的核心是通用电气(GE)、霍尼韦尔、应用材料、陶氏化学、杜邦、英特尔、高通、IBM、波音、西科斯基,以及美国随时可以调用技术和人才的欧盟、日本公司。

  壁垒和门槛是经济回报的有力保证

  不可否认,航空发动机是一流经济强国的标准配置。何谓经济强国?就是这个国家的核心产业有很高壁垒,核心技术有很高门槛,制造出来的高端产品别国只能望其项背甚至望尘莫及,而壁垒和门槛是经济回报的有力保证。

  很多国家都追求在制造业的激烈竞争中胜出,但是,多数国家都逃不过竞争有害健康的魔咒。回顾历史,根本不需要任何过人的聪明才智,任何一个普通人都能预见到一些行业将来会有极其惊人的增长,比如1910年代的汽车行业、1930年代的航空行业和1950年代的电视机行业。但是,这些行业后来极速增长的同时,也导致极度激烈的竞争格局,结果逼死了几乎所有进入这些行业的企业。即使幸存下来的企业也只好遍体鳞伤血流不止地退出战场。

  在高度竞争性的制造业领域胜出,当然很风光,但最佳策略是尽量避开直接竞争。目前,信息技术和虚拟设计的发展能在很大程度上降低研发成本。现在,可以用计算机推演千百种方案进行比较,取得最佳方案后,再变为实体设计与实体制造,开发出新产品,再验证修正完善。这就可以大大缩短研发周期,节约研发资金。新产品定型后,再用计算机推演得出最佳制造过程,从而安排实体制造的工艺及生产。信息化和工业化的高效融合,加速了技术和产业的升级换代,但这带来的未必全是福音。

  单纯从经济意义上讲,航空发动机产业链的有效构建,也能很完美地解决制造业的两大悖论:

  制造业的技术升级悖论恶劣的商战环境往往使制造商享受不到技术升级的好处,技术升级带来的效率提升,通常伴随着激化的市场竞争,技术升级的好处最终都流向消费者,制造商却被迫承受技术和设备升级的高昂成本。

  制造业的产业链升级悖论产品端的创新加速导致制造环节和供应链被动应付,比如精密电子产品的生命周期不断缩短,制造商和供应链只得快速跟进调整,这个过程代价昂贵并且疲于奔命。

  航空发动机产业因为技术极其高端,处于寡头垄断的环境中,一款成熟产品能够销售30-50年,面临的竞争威胁很小,制造商可以安心享受技术和产业链升级带来的好处,几乎不必担心竞争和市场回报问题。

  为何航空发动机的市场鲜有竞争,利润率极高?航空发动机是一项涉及空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合性系统工程,到现在都还不能从理论上给予详尽而准确的描述,只能依靠大量的实际发动机试验。一款航空发动机设计制造出来,必须做大量的试验进行验证,以充分暴露问题。包括零件试验、部件试验、系统试验、核心机试验、整机试验等,一级一级往上做,一项都不能少。

  美国、英国在航空发动机的研发过程中,地面试验时间在10000-16000小时,飞行试验时间在5000小时以上。试验累积不到一定时数,就无法知道达不达标。试验暴露出来的问题,改进之后还要继续试验。有些就是破坏性试验,比如民用飞机发动机中的风扇包容试验和鸟撞试验,试验需要损毁整台发动机,一款飞机发动机的整个研发过程中大概要损毁50-100台样机。

  实际发动机试验是必须要大量烧钱的,从20世纪50年代到本世纪初,美国大约在航空发动机的基础研究方面投入超过1000亿美元。正如美国《国家关键技术计划》所描述的:这是一个技术精深得使新手难以进入的领域,它需要国家充分保护并利用该领域的成果,需要长期数据和经验的积累以及国家大量的投资。

  更重要是,航空发动机的可靠成品制造出来,需要经受长期的市场考验并收回研发成本。有丰厚市场回报的技术领先,才是高价值、可持续的。技术成功但市场失败,往往会引发财务危机。

  上世纪末,日本政府启动了一个YSX计划(大飞机制造计划),可是在还没取得实际的技术突破之前,就宣告计划失败。日本国土狭小,加上发达的高铁网络,日本人在国内能使用几架喷气式客机呢?没有市场支撑的航空制造业,如何生存下去?更不用想,获得持续的收入和利润用于长远的技术研发。

  战后的日本制造在钢铁、石化、汽车、机电等所有产业上都拥有能够实现量产化的本土市场,在制造技术上通过重新发明,不断推出创新产品,赢得了广阔市场。然而,这些经验在大飞机计划上却无法通用。

  日本这一本土市场劣势恰恰是中国航空制造业的最大优势。中国发展大飞机产业,有两项优势:一是有着庞大的市场容量,二是有政府和强大国力的扶持。中国国土辽阔,经济持续增长,已成为全球增长最快的航空市场。中国发展大飞机产业根本无需依赖全球订单,而且在国内地盘能获得一些保护性的准入待遇。

  发掘产业链溢出效应

  一架民航客机动辄数亿乃至十多亿元人民币,发动机就占总费用的三分之一。而其全寿命的维修费用,更是三倍于其购买价格。要真正做到自主可控,需要集中财力做大量实验,通过各种实验把航空发动机的整体水平提升。

  中航工业董事长林左鸣曾有一个重要观点:搞航空发动机,一定要学会做别的,什么赚钱做什么,才能把发动机发展起来。这个意思是说,要通过发掘产业链溢出效应,支撑航空发动机的持续研发。这已是很多高端工业领域获得持续创新突破的重要路径。

  在中国、韩国大量造船企业出现生存危机的当下,日本日立造船是怎么驾驭船舶工业的?与航空工业类似,造船业属于知识、资本密集型产业,世界上没有几个国家能参与进来。因为造船业需要大量的设备投资,回收成本的周期特别长,一定要技术实力雄厚+连续多年盈利,才能驾驭好这个产业。

  多年以来,日本造船企业可以靠环保产业大赚其钱。这恐怕很少有人知道。处理没有公害的垃圾,需要很先进的锅炉。日立造船公司销售额的30%都是垃圾处理设备。建造一艘油轮造价为60亿日元,而大型垃圾处理设备一台就是100亿日元,这是非常大的生意。

  很多人以为高科技就一定是赚钱的,其实,很多高科技是通过持续赔钱做深度研发逐渐培育赢利点的。而且世界上主要航空发动机制造商,都通过业务互补为航空发动机及设备研发提供资金支持。全世界搞航空发动机的,几乎没有单打一的。英国罗罗公司早期是生产劳斯莱斯汽车的,2003年将其卖给了宝马公司,此后罗罗公司再没有开发一型像样的新发动机,靠吃老型号过日子。而GE(通用电气)的产品线十分广阔,不仅研制航空发动机,还做电梯、空调,都是赚钱的,用这些业务来保证发动机的持续研发。发展航空发动机一定要会玩资本市场,只有赚到钱才能把发动机干起来。目前,全球前100大军工企业80%以上是上市公司。

  航空发动机的产业链条非常长,将带动冶金、化工、电子、材料、高温涂料、电控系统等相关产业,需要民间科技公司配合协同进取,并统一构建质量控制体系。任何一个零部件,哪怕一个螺丝钉,用在飞机发动机上,都要经过无数次试验测试,确保品质安全。

  过去,中国必须仰仗公共资金来推进本国的极端制造,而欧美和日本真正的工业实力主要植根于私营企业。缺少民间公司的创新支持,中国的产业崛起会很快达到极限。有大量民间科技公司参与的航空发动机全产业链立体布局,才能真正形成长远的创新优势。外界从未真正理解产业链垂直整合的优势所在,并非外界通常所想的低成本和快捷的材料供给,而是掌握着可以随时跟进前沿科技创新、组合出优势产品的技术能力。

  所以,中国航空工业才特别强调深度军民融合,通过发展更多赚钱的业务组合互补反哺航空工业的新技术投入,而新技术再溢出到民用领域,形成良性循环。

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