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2019年我国航空机电系统制造产业发展特点及未来发展趋势分析

发布时间:2019-10-09  来源:立鼎产业研究网  点击量: 108 

航空机电系统是指执行飞行保障功能的飞机系统的总称。主要作用是用于实现飞机机械电力保障功能,它几乎包括飞机上除机体、发动机、武器和航电任务系统之外的所有系统,分布在机身各处,包括燃油系统、液压系统、电源系统、航空电力系统、环境控制系统、防护救生系统、悬挂发射系统、机轮刹车系统、二次动力系统、货运系统、空投空降系统等。

飞机机电系统


资料来源:公开资料

一、机电系统制造产业特点

我国机电系统产业特点主要有三方面:一是市场集中度高;二是典型的军民融合行业;三是生产产能受机械制造性能限制。

一是市场集中度较高,民用市场主要集中在美国机载系统巨头公司中。机电产品由于其特殊的产品特性使其产业集中度高。一方面机电产品具有细分品类多,涉猎范围广,军品具有小批量多批次的特点;另一方面设计复杂度高,专业性强、技术含量高。因此需要大量的前期投入,以及较大的规模效应才能形成盈利。国内外机载系统的集中度都非常高,全球民用市场主要集中在美国少数几家公司中,而我国军用机电系统95%以上的市场份额来自于中航机电。

二是典型的军民融合领域,民用市场空间广阔。在机电系统领域,85%以上的军事核心技术同时也是民用关键技术,美国80%以上生产军用航空品的企业同时也在生产民用航空品,如典型的美国联合技术公司、帕克公司、利勃海尔公司,都是军民结合发展,突破军用品技术壁垒的同时直接向民用航空品市场蔓延。此外,可基于航空核心能力进行非航空领域的产业拓展,如航空座椅、客舱系统向大交通领域延伸拓展,为铁路交通、汽车等提供座椅、客舱设施;机载液压系统向汽车领域,发展汽车系统中汽车转向、汽车传动;航空环控技术向制冷设备,研发变频空调压缩机发展等等。国外机电系统制造企业大多军民结合发展成熟,我国机电系统制造企业正处于向航空和非航空领域拓展民品市场的军民融合阶段。

三是机电系统制造产业属于技术含量较高的机械加工行业,(立鼎产业研究中心)发展受机械制造特点限制,供给难以满足需求。机械制造业具有以离散为主、流程为辅、装配为重点的特点,设备制造的生产方式一般为由单独的零部件组成最终产成品,属于典型的离散型工业。生产过程中各部件制造周期长短不一、产品加工工艺路线杂乱、资源产品调配复杂,因此根据产品需求设计生产工艺来布置生产线灵活度低,并且需要层层检验和安全验证才能投入使用,导致产品生产制造的时间漫长,所以适应市场的能力弱。在一型飞机中,航空机电系统的研制周期一般占飞机研制周期的三分之一以上。同时,机械加工的准确性为机械制造的质量保证提出挑战。在实际机械加工过程中,零部件的外形几何参数与理论状态下的外形几何参数必定产生不同程度的误差,零部件表面也会形成不同的粗糙度,随着研发水平的提高对机械加工的质量要求越来越高,加工误差不可避免,只能通过一些技术及工艺上的措施来控制加工零部件的误差在一定允许的范围内,这很大程度上限制了机械制造产品的质量和生产率。因机械制造行业零散性、生产线灵活度差、适应市场能力弱、质量和产率受限的限制,国内机电系统制造商面对大量订单时表现力不从心,订单积压问题较为严重,机电系统市场供不应求。

二、未来发展趋势

——航空机电系统技术发展方向:综合化、多电化

机电系统将向综合化、多电化、智能化和能量优化方向发展。我国第五代战斗机要满足隐形要求并具有超音速巡航能力、超机动能力和超级信息优势,商用客机现代化进程也逐步加快,这些都对机电系统的重量、体积和可靠性以及在二次能源的产生、传输和利用上的效率提出了更高的要求,传统航空机电系统独立、分散的格局已难以适应,不断推进机电系统向综合化、智能化、多电化和能量优化方向发展,形成对全机能量的全面综合管理和技术支撑。目前,国外已经实现了机电系统能量、功能、物理和控制方面的综合,在综合化方面取得了较大进展,机电系统的综合化也正是发达国家下一代武器装备的重要技术领域。

美国空军率先开展一系列机电系统综合研究计划。随着飞机的现代化进程,要求机电系统在二次能源的产生、传输和利用上更为高效,同时又要保证机电系统重量轻,体积小,系统性能、可靠性和维护性高。为此,美国空军从20 世纪80 年代开始以能量为主线实施了一系列机电系统综合研究计划:首先从机电系统控制入手,开展了公共设备管理系统(UMS)计划,实现机电系统控制层面的综合;进而从热管理和二次能源优化方面入手,相继开展了“热油箱”燃油热管理系统计划、多电飞机(MEA)计划、子系统综合技术演示验证计划,实现子系统级功能综合;目前又着眼于下一代高能武器装备的整机能量管理需求,开展了飞行器能量综合技术(INVENT)计划和能量优化飞机(EOA)计划,实现飞机能量综合与优化。

机电系统综合发展重点有:机电综合管理技术、自适应动力与热管理系统技术、高性能电作动技术以及燃油热管理系统。

1)机电综合管理技术是以综合控制性能最优为设计理念,开展机电综合管理系统需求分析,进行基于模型的机电综合管理系统顶层设计与仿真技术研究,提出机电综合管理系统总体要求、系统体系结构、关键功能/部件初步需求,构建机电综合管理系统设计以及验证评估环境。随着机电系统的综合化发展,机电综合管理朝着智能化方向发展,并在更高层次上与飞行控制、发动机管理、任务系统进行一体化设计。

2)动力与热管理系统(PTMS)把辅助动力、环境控制统组合成一个系统,对涡轮机械系统和电力管理系统作了集成,把辅助动力装置、应急动力装置、闭式空气循环环境控制系统和开关磁阻启动/发电机综合在一个轴上,同一涡轮既可以提供动力又可以提供冷却,从而减轻重量、缩小体积、提高可靠性。PTMS 能够在整个飞行包线内为主发动机提供起动电源,为飞机提供冷却,并在主系统发生故障时提供应急电源,目前已成功应用于F35 战机。自适应动力与热管理系统(APTMS)源于动力与热管理系统(PTMS)APTMS 作为下一代动力与热管理系统,最大特点是具有自适应性,可根据不同工况调整其工作模式,自动选择最佳动力源和热沉源,从而到达整体效率最高、成本最低的目的。在APTMS 中,引气不再是唯一的动力源,闲置电功率也被当作动力源使用。APTMS 处于冷却模式时,向飞机航电设备提供的电功率很小,系统有大量闲置电功率,因此APTMS智能地让电机转为使用闲置电功率驱动系统,减少了燃油的消耗,提高了飞机能量利用率。

3)高性能电作动技术(HPEAS)是实现能量优化飞机的关键子系统之一。(www.leadingir.com)其核心部件机电作动器(EMA)与传统液压作动器相比具有绝对优势。关键技术包括:减轻功率和重量要求的金属氧化物半导体控制技术;实现电动环控系统、冷却风扇和燃油泵的脉宽调制电动机变速控制技术及微处理机技术;具有容错能力的机电作动器和电静液作动器,以及高压直流稀土永磁无刷电机和开关磁阻电机等。

4)燃油热管理系统通过环控系统的液冷热交换器、液压系统热交换器和润滑系统热交换器等,利用燃油作为整机热载荷的热沉,从而实现对机电系统的燃油热管理,减小了系统重量,提高了整个飞机性能。

F-35 战斗机是第一个采用多电技术的战斗机,具有综合化、多电化特征的机电系统。F-35 战斗机是第一个采用多电技术的战斗机,具有综合化、多电化特征的系统包括分布式供电系统、动力与热管理系统、风扇函道散热器、内置起动发电机、电液作动器、电储能器等,其中组合动力包、电液作动器、风扇函道散热器等都是首次应用。动力与热管理系统实现了辅助动力系统、应急动力系统、环境控制系统、燃油系统、电力系统等飞机机电功能子系统的综合化,减轻重量,缩小体积,提高了可靠性,这种动力热管理系统对涡轮机械系统和电力管理系统作了集成,同时取消了用于提供维修电源和冷却的地面保障车辆,能够在整个飞行包线内为主发动机提供起动电源,为飞机提供冷却,并在主系统发生故障时提供应急电源。

A380 采用基于飞机总线网络架构下的综合机电系统,是第一个采用多电技术的客机。A380 飞机是第一个采用多电技术的客机,总发电功率是910kVA,采用液压作动器、电液作动器和电备份液压作动器的组合方案,使飞机的设计更为简单,地面保障设备减少,飞机性能大为提高。A380 是第一个采用固态功率控制的辅助配电系统和集成安全监视系统的民用飞机。此外,A380 还采用由霍尼韦尔公司和希斯帕诺苏泽公司合作研制的以电为动力的推理反向作动器系统。A380 是基于飞机总线网络架构下的机电系统综合,但是其综合方式特点主要还是以系统功能为原则,各个机电系统相对独立,采用航电综合化网络互联作为传输的中枢。

B787 是商用大型喷气式飞机中的第一款近乎的“全电飞机”。波音787 采用具有开创性的多电技术使飞机结构发生了根本性变化,它们包括:首次启用了电刹车系统,将环控系统由传统的发动机引气系统驱动改为电驱动,取消了发动机气压起动系统等功能子系统,机翼防冰采用电加热系统,大多数液压作动器的动力靠电力提供。B787 堪称商用大型喷气式飞机中的第一种近乎的“全电飞机”,其机电综合管理系统具有较高的信息融合量,采用开放式结构的中央计算机而不是传统的数十个独立的总线,控制整个飞机的航空电子和通用系统;服务于公共核心资源解算系统,并以此可与任务管理、座舱、飞控/推进系统等飞机

机电系统未来将向综合化、多电化方向发展,机电系统占比有望提升。在国际市场上,军用飞机、民用飞机都在展开机电系统综合化、多电化技术革新,我国C919 国产大飞机的总承包商中国商飞也专门多电综合研究部门,可以说,全电飞机是未来任何飞机机型的研发蓝图。未来随着机电系统技术的不断进步,有望打破传统机电系统各自独立的格局,向系统综合化,功能齐全化的方向发展,机电系统的价值占比有望进一步提升至20%-25%左右。

——国家机载重大专项资金投入将超百亿元。机载重大专项已处于研究中,涉及金额约160 亿元。机载专项是继大飞机专项、两机专项后的又一个国家专项投入,旨在加速我国机载设备产业的发展。中航机载系统有限公司正式成立,该公司由隶属于中国航空工业集团有限公司的中航机电系统有限公司以及中航航空电子系统有限公司合并而来,成立机载公司的原因之一就是为了使机载重大专项有一个明确的承载主体。机载系统公司成立后,机载重大专项的推出将进一步从资金和政策层面加大对机载产业发展的扶持。

航空机电系统入选为《中国制造2025》重点发展领域,政策支持助力机电系统技术提升。由于航空机电系统对战斗机性能具有重要意义,对液压传动技术、高性能传感器技术和精密机械制造技术等中国制造业技术也具有推动作用,我国出台了较多相关政策对机电系统进行大力支持。《中国制造2025》重点领域发展路线图指出,我国将重点发展航空机载设备与系统技术,重点产品包括航电系统、飞控系统和机电系统。按照路线图设定的目标,2020 年初步建立“系统、设备和器件”三个层次的航空设备与系统配套体系;建立长期、稳固、高质量和可信赖的航空材料和元器件配套体系和完整的产业链。到2025 年实现国内干、支线飞机机载产品市场占有率30%;通用飞机机载产品市场占有率50%;在关键航空机载设备与系统领域培养若干个系统级供应商;实现航空材料和元器件自主保障。航空机电系统入选为《中国制造2025》重点发展领域,其技术发展或将获得国家重大专项支持,预计我国会加大对航空机电技术的研发投入,机电产业有望迎来战略发展期。

C919 打开民机市场,带动机电系统打破国外垄断。目前,我国民机国产化水平依旧较低,民用航空市场基本由空客和波音形成双垄断格局。但随着C919 首飞成功,截至2018 2 月,已累积获得815 架订单。目前国产航空机电系统在民航领域占比较低,机电产品大多依赖国外进口,2018 8 1 日宣布的C919 大飞机主起落架关键锻件国产化的全部实现为机电系统打破国外垄断带来新希望,未来民用航空机电系统的国产化进程将在民机国产化的带动下逐渐加快。

我国制造商借助外企合资参与C919机电系统供应,切入民航商业市场。中航机电借助C919 项目建立了民机项目组织管理体系,组建了电源、高升力等系统工作团队,包括中航机电与汉胜合资成立的西安中航汉胜为C919 提供电源系统,庆安集团和美国穆格公司合作研制高升力系统。陕航电气近年不断加强与UTASGE 航空、霍尼韦尔、穆格和赛峰等国际知名企业的合作,签订了“新舟”700 项目合作意向书,正式成为一次配电系统供应商。通过与美国联合技术航空系统公司(UTAS)合资组建西安中航汉胜航空电力系统有限公司,成为C919项目电源系统工作包的中方牵头单位,参与C919 飞机电源系统研制与生产。2015 年,陕航电气通过收购美国联合技术公司转让的65%股权,使原参股的厦门汉胜合资公司正式成为全资子公司,并更名为厦门中航秦岭宇航有限公司,打造了具有国际竞争力的发电机核心部件深度维修和整体维修的民航维修平台。庆安公司与德国TechSAT 公司、法国Nexeya 公司签订战略合作备忘录,主要针对机载系统,尤其是包括飞控系统、作动系统、舱门与滑梯系统在内的机电系统进行研发合作,提升公司航空产品研制和技术研究效率,为未来发展奠定技术。

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