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军工行业专题报告之导弹产业深度研究

文琳行业研究 | 致力于行业及产业研究 2020/11/15 18:01
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1、导弹系统概述

导弹的定义是依靠自身动力装置推进,由制导系统导引、控制其飞行弹道,将战斗部导向并摧毁目标的武器,属于精确制导武器,具有射程远、速度快、精度高、威力大等特点。导弹的分类方法繁多,使用较多的分类方式为按照导弹气动外形和飞行弹道分类,可分为弹道导弹与有翼导弹两大类,在每一大类下面又可以细分成诸多小类,如图 17 所示。

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其中,弹道导弹是一种沿预先设定的弹道飞行,将弹头投向预定目标的导弹。按照作战性质,弹道导弹又可分为战略弹道导弹以及战术弹道导弹两种,战略弹道导弹一般为中程、远程及洲际弹道导弹。战术弹道导弹一般为近程弹道导弹,未来弹道导弹的发展趋势主要为提高突防能力、提高命中精度、拓展全球打击能力及机动发射能力。

有翼导弹则是一种以火箭发动机或吸气式发动机为动力,机动飞行所需的法向力依靠升力部件的空气动力提供,装有战斗部的自控飞行器,按照目标种类及位置有翼导弹又可细分为面空导弹、空空导弹、面面导弹、空面导弹、反舰导弹及反坦克导弹。特点是制导精度高、机动能力强、系统组成及结构复杂,未来有翼导弹的发展方向有拓展自主化、智能化、模块化和标准化、飞行空域扩大化等。

尽管导弹的种类众多,但几乎所有种类的导弹均由战斗部、动力系统、制导系统以及弹体结构四部分构成如图 18 所示,具体各部分的功能及具体分类可见表 9。

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由于导弹的组成复杂,一般设计研制过程较长,主要包括进行科学研究和试制两个方面。而要解决试制中出现的关键问题,发展新型的具有先进水平的导弹武器系统,除了必须进行大量深入的科学研究工作, 还要在研制流程中不停的进行反复的迭代(具体流程如图 19 所示),因此导弹整体从设计到装备部队的周期一般比较长,全过程一般需要 5-15 年时间左右。

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导弹自身的性能指标主要包含三方面,飞行性能方面包括射程、飞行速度、高度以及机动性等方面;使用性能方面主要考虑发射准备时间及可靠性等;经济性要求主要涉及导弹武器生产经济要求及使用经济要求等。

2、导弹装备产业市场现状

2.1 导弹装备整机市场规模

当前,国际政治与安全局势复杂多变,不确定因素显著增加,国际安全形势面临新挑战,由于全球武器转让与政治经济、地区冲突、国际反恐等形式紧密相关,国际军贸市场整体呈现一个上升的发展态势, 据瑞典斯德哥尔摩国际和平研究所(SIPRI)2019 年发布的新版《全球军贸报告》披露,自 21 世纪初以来,全球主要武器出口国的出口额保持增长,2015-2019 年全球武器交易量较上一个周期(2010-2014 年)增长 5.48%,较 2005-2009 年增长 20%。

导弹武器由于具有不同于一般进攻性武器的突出特点,包括威力大、射程远、精度高,因此一直是国际军贸市场中的重要组成部分。同时导弹武器装备贸易受多种国际环境因素影响和制约,包括国际军贸政策法规、国际政治动向、国家安全环境和军事战略、进出口国之间的关系,以及武器自身质量和价格等。可以看出,当前全球导弹武器装备交易存在一定的波动性,年交易订单量基本处于 60-100 笔之间。自 2008 年全球金融危机爆发后,导弹交易量出现下滑,而后受到中东局势影响,印度以及沙特、伊拉克及阿联酋的导弹武器进口规模快速提升,全球导弹武器交易量也开始出现回升,并在 2013-2014 年达到顶峰。尽管随后全球导弹的交易热度再次降温,但自特朗普当选美国总统以来,美国内政外交产生的重大转折、英国脱欧带来的新变数、叙利亚局势的持续动荡,俄乌地缘政治冲突、也门地区沙特联军与胡赛武装的冲突、难民危机、宗教冲突的加速蔓延,同时 2020 年新冠疫情在全球的蔓延更是加剧了以上国际不确定因素,我们判断未来全球军贸市场交易得到进一步提高与巩固,全球导弹交易市场热度也将有望再次迎来恢复性增长。

从 2008-2017 年全球各类导弹武器装备订单量分布(见图 23)来看,反坦克导弹由于一般具有价格低廉、作战灵活的特点,交易量最高,合计可占整体导弹武器装备订单量的 65%,伴随当前中东等局部冲突的恶化,未来反坦克导弹有望继续保持导弹武器装备交易量占比最高的地位

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根据蒂尔集团(Teal Group)发布的《2018 World Missile Briefing》对导弹(包括制导武器)的预测,2019-2027 年全球导弹产量预计共计可达到 31.79 万枚,产值可达到 1300 亿美元以上。具体情况如表 10 与表 11 所示。

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具体到我国导弹市场,需求主要来源于国防需求及军贸出口需求,现状如下:

① 国防需求

国防需求方面,在我国军费保持稳定健康的增长背景下,我国武器装备已经取得了一定的进展,但根据我国在 2019 年 7 月发布的《新时代的中国国防》中的披露,我国机械化建设任务尚未完成,信息化水平亟待提高,军事安全面临技术突袭和技术代差被拉大的风险,军队现代化水平与国家安全需求相比差距还很大,与世界先进军事水平相比差距还很大。而军费构成中的装备费用占比逐年提升,表明了我国在不断加大对推进国防和军队现代化建设,深化国防和军队改革的力度。在军队全面加强练兵备战工作,加大实战化演习的背景下,导弹作为现代化军队不可或缺的消耗性武器装备,其需求有望伴随我国装备费用的稳定增长而保持稳定且持续的增长。这点通过我国导弹武器系统的装备研发制造主体之一的航天科工集团披露的数据也能得到验证,在 2016 年后,航天科工集团的航天防务及其他业务收入增速已经超越我国军费增速以及军费中的装备费用增速。

同时,在我国疫情已经取得阶段性胜利背景下,美国等少数国家一些政客或出于国内政治需要,试图转移视线、推卸责任,或者是出于意识形态的偏见等因素,将疫情政治化、污名化,制造舆论,对中国进行抹黑,中美关系持续紧张,在此背景下,我国以导弹武器装备为代表的武器装备需求也有望出现增长。

综上,我们判断,在我国武器装备研制投入大量军费,国产装备质量获得了显著的提升,并且军贸已经实现顺差,重点型号终于近年来逐步定型列装,未来十年有望成为武器装备建设的收获期;同时,伴随当前军队加大实战化演习力度,导弹武器作为消耗性武器,需求也将快速增长;另外,在中美关系紧张背景下,我国对现代化武器装备中的代表,导弹装备的需求量或将出现持续增长。

② 军贸出口

根据《中国社会科学院国际形势报告(2020)》判断,2020 年全球形势和世界格局将表现出八大趋势:全球经济进入超低利率时代、全球治理中利益博弈日趋激烈、区域和双边合作快速推进、国际战略和安全领域的东西方割裂趋势加剧、各国在网络空间的角力更加凸显、科技竞争更加激烈、核扩散风险上升、极端主义行为呈国际化趋势。在新冠肺炎疫情背景下,美国对伊朗、委内瑞拉在疫情期间仍维持制裁等事件均表明疫情并未对地缘政治冲突起到明显的缓解作用,尽管国际军贸市场的推广方面可能会受到一定的疫情影响,但从 20 世纪以来的几次重大疫情期间,国际军贸市场仍保持增长的趋势来看(见图 25),我们判断,新冠肺炎疫情对国际军贸的负面影响有限,同时,世界面临不稳定及不明确因素的增加均可能会对国际军贸产生较大的正面刺激。总体来看,我们预计,20世纪以来全球军贸的稳定增长趋势有望在未来得到延续,全球军贸增速甚至可能会出现快速提升。

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综上,我们认为,我国导弹武器装备市场需求无论从内需还是出口两方面看,都有望总体保持稳定且快速的增长。

2.2 导弹各分系统市场情况

由于构成导弹整机的部组件、元器件的种类及数量繁多,其研发生产属于系统工程。而一般属于系统工程的武器系统从研发生产到应用可以分为六个阶段、即可行性论证、方案设计、工程研制、生产定型、使用与保障以及退役与销毁六个阶段。各阶段具体工作如表 12 所示。

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具体到导弹装备,导弹全寿命周期中前五个阶段为需要投入成本阶段,其中可行性论证、方案设计、工程研制阶段投入的成本属于研发成本,而生产定型的投入成本属于生产成本、使用与保障的投入成本属于后期运维成本。从武器系统全寿命周期中各阶段投入成本的构成(见图 26)中可以看出,导弹武器系统在生产定型阶段及使用维护阶段投入成本占比较大(约 80%),而论证阶段、方案阶段及工程研制阶段(统称研发阶段)投入占比合计较小(约 20%),表明了导弹整机的研发成本仅占约 20%,而生产成本及运维成本可占到 80%。

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在生产定型阶段,如 2.1 节中所述,导弹整机主要由四部分构成,即战斗部、动力系统、制导(与控制)系统及弹体结构。以上四个分系统在导弹整体的成本占比如图 27 所示,可以看出,弹道导弹制导系统、动力系统、战斗部及其他(包括弹体结构)比例较为接近;而有翼导弹中,特别是对空目标导弹,制导控制系统成本占比较其他分系统明显更加突出,表明了伴随当前战斗机、无人机等军用航空器性能(特别是机动性)的不断提高,带动了决定导弹精确打击能力的制导系统性能要求指标的提高,而性能的提高也就直接带动了制导控制分系统的成本占比提高,我们预计,未来制导控制分系统成本占比或将持续保持在高位。

3、导弹装备产业链分析

导弹研发生产的产业链上游主要为工程研制,具体涉及到导弹的总体论证、设计(包括导弹总体设计与分系统设计)、仿真测试、试验部分,主要由航空工业、航天科技、航天科工以及兵器工业等军工集团所属相关企事业单位参与实施,同时部分科研院所、厂及民营企业参与样件的定制化研制、生产、实验, 基于图 26 可以看出,导弹制造产业链上游占导弹产业总体市场规模的 20%左右。

产业链中游主要以导弹研制定型后的批量生产为主,其可按照元器件配套加工生产、分系统(部组件)集成、总装集成进行产业链的再次细分。其中,元器件配套加工生产及分系统(部组件)由航空工业、航天科技、航天科工、兵器工业及中国电科等军工集团所属企事业单位及民营企业参与,总装集成主要由军工集团或军方所属总装厂参与。基于图 26 可以看出,该部分占导弹产业总体市场规模的 60%左右。

产业链下游主要为导弹交付军队后的装备保障,维护延寿等构成,主要由军工央企所属企事业单位及部分民营配套企业参与。基于图 26 可以看出,该部分占导弹产业总体市场规模的 20%左右。

具体导弹研制产业链及各部分相关的上市公司可如图 28 所示。

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4、导弹装备技术发展趋势

导弹作为在当代信息化战争中的重要组成部分,导弹整机的技术发展趋势主要由导弹的作战指标需求的提升方向决定,并可以分解并建立到各个部组件、元器件配套加工生产的技术发展趋势上。

4.1 总体技术发展趋势

从导弹整机技术前景上来看,按照图 17 的分类方式,可分为弹道导弹(战略导弹)技术发展趋势以及有翼导弹(战术导弹)技术发展趋势两类去讨论。

首先,在弹道导弹方面,自海湾战争以来,弹道导弹在战争中表现出的重大功效促使世界各国高度重视并竞相发展弹道导弹制造和突防技术。参考国外弹道导弹的发展,可以将弹道导弹的技术发展趋势总结为以下几点:

(1) 总体设计方面,导弹设计更加模块化、通用化,提升导弹可改进空间,满足更多作战要求;

(2) 制导方面,通过采用复合制导方法,以继续提高弹道导弹的制导精度;

(3) 开展延寿工作,使导弹服役期不断延长;

(4) 通过使用隐身、速燃发动机、机动变轨等技术,增强导弹的突防能力;

(5) 潜射弹道导弹由于具有隐蔽性好,机动能力强,生存概率大的特点,未来将成为战略导弹的主要力量。

有翼导弹方面,由于包含的导弹种类较多,各类导弹功能及目标特性差异较大,需要分类进行讨论, 参考海外有翼导弹的技术发展趋势及国内相关学术文献研究成果,各类有翼导弹具体技术发展趋势如下:

(1) 反坦克导弹方面,主要技术发展方向为发展先进的反坦克导弹制导技术;应用先进战斗部, 以提高毁伤与突防能力;研究新的发动机推进技术;具备对多种目标的作战能力;实现软发射,以提高战场生存能力。

(2) 面空导弹方面,主要技术发展方向为具备复杂战场环境下抗干扰、抗欺骗、高毁伤等能力;利用先进制造技术取代传统制造手段,以简化生产工艺,减少使用部件,缩短供应链与开发周期,加快零部件生产与系统集成速度。

(3) 空空导弹方面,主要技术发展方向为从串行设计到一体化设计技术过渡,以更好的提高空空导弹的飞行性能;从单模导引到多模导引以提高导弹的探测能力以及抗干扰能力;从单机制导到网络制导,实现对目标实施快速精确攻击;从单一气动控制到异构多执行机构控制,提高控制响应速度及精度;提高发动机的性能;从独立制导引信到制导引信一体化。

(4) 空面导弹方面,采用先进技术,进一步增大空地导弹射程;采用模块化设计,提高空地导弹的通用性和适应性,降低成本;多模复合以及加装电子战载荷和防御载荷,加强制导精度及抗干扰能力;具备网络化能力,提升空地导弹的协同作战能力;持续重点发展性能更为优异的高超声速导弹技术。

(1) 反舰导弹方面,以巡航导弹为主,射程和飞行速度需求越来越大,隐身能力、抗干扰能力进一步增强,多任务执行能力进一步增强,系列化、通用化和小型化程度进一步加强;反舰导弹智能化水平逐步提高;反舰导弹集群化作战能力逐步增强;反舰导弹作战信息保障能力不断提高;同时大力发展高超声速导弹技术。

4.2 重点分系统技术发展趋势

本节针对几个导弹技术的总体技术发展趋势,分解到资本市场相关性较强的部分部组件及元器件,包括弹体结构分系统相关的先进材料制造及相关加工工艺、制导控制系统及相关光电元器件、动力系统及其他系统中的弹载特种电源的技术发展趋势上。

4.2.1 弹体结构分系统(先进材料制造及加工)

弹体结构主要功能是将组成导弹的各部分综合成一个整体,并使导弹形成良好的气动外形,具体包括弹身、弹翼(对有翼导弹)和舵面等部分。传统弹体结构一般采用比重小且强度大的材料,传统的材料包括铝合金、镁合金、钛合金、以及复合材料等。

目前,如 2.4.1 节中所述,伴随当前国防对导弹实现速度、机动性、射程、生存能力及抗干扰能力等指标需求的提升,该需求分解至弹体结构分系统上,可归结为对具有更耐高温、更高强度、具有良好的吸波特性的材料需求,而这种材料相关的合成及加工工艺等技术即为弹体结构分系统发展过程中的关键核心技术,这类技术的具体发展趋势如下:

① 先进复合材料

先进复合材料(Advanced Composite Materials,ACM)在航空航天发展中具有举足轻重的地位,其主要特点是质量轻、高刚度、高强度、设计灵活等。作为主承力和次承力结构,ACM 结构件已成功应用在多种飞行器上,对飞行器的轻量化具有重要意义。据估计,21 世纪的导弹中复合材料占全弹的结构和质量的百分比为 79%和 60%,ACM 主要包括树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。树脂基复合材料方面,作为目前应用在导弹结构中最多的复合材料,它的密度是钢的 1/5、铝的 1/2。

如美国“三叉戟 -1”导弹仪器舱采用环氧树脂/碳纤维结构,共有 100 多个部件采用石墨烯纤维复合材料, 比铝合金轻 30%,减重效果显著。而经过多年发展,我国的树脂基复合材料基本实现国产化,可以满足航

空航天的发展需求,如神舟系列和风云卫星系列均使用了自主研发的环氧树脂基复合材料,减轻了整体质量,降低了发射成本。但是,某些树脂基复合材料目前的技术仅限实验室合成,远没有达到量产阶段。

金属基复合材料方面,可分为铝基、钛基、铜基、镁基和其他金属基复合材料。其中,铝基、钛基、镁基等 3 种轻金属基复合材料因为具有低密度、高比强度、抗辐射以及良好的耐磨性能和减振性能等特点,在航空航天领域有广阔的应用前景。铝基复合材料可以用于制造导弹的导引头组件、推进器组件、弹体结构组件等主要部件,实现成本的降低;镁基复合材料因其尺寸稳定性等独特的性能得到了越来越多的重视, 如 SiCp/Mg 复合材料可用于导弹尾翼及内部加强汽缸,B4Cp/Mg-Li 复合材料用于航天器天线构件;钛基复合材料作为航空器主承力部件的理想候选材料,已成功应用在涡轮发动机的叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件。目前,我国开展的相关前沿研究包括用铝基复合材料制备火箭和导弹制导系统的惯导平台构件以及用镁基复合材料制备航空航天用管接头部件等。

陶瓷基复合材料,与树脂基和金属基复合材料相比,陶瓷基复合材料具有稳定的耐烧蚀、耐腐蚀以及强韧性特点,是某些航天器关键部件材料的不二选择。例如,高超音速导弹飞行速度大于 8 马赫时,头锥瞬时温度将达到 1000℃以上。在如此极端环境下,导弹天线罩要求具备承载、透波等功能,超高温的陶瓷基复合材料则成为唯一的天线罩材料。我国在陶瓷基复合材料的研发和应用上一直处于世界前列,具有代表性的是西北工业大学为液体火箭发动机研制的 C/SiC 复合材料系列喷管已经成功通过考核,上海硅酸盐研究所研制出碳纤维增韧陶瓷基复合材料,已经用于导弹端头帽和卫星的天线窗框。针对我国在陶瓷基复合材料应用中的不足,研究重点包括:开发优质的基体和增强体材料以提高产品的热力学性能;确定陶瓷

基复合材料的疲劳性能以解决产品长期服役带来的时效问题;攻克陶瓷基复合材料与异质材料的连接难题以拓宽产品的应用领域等。

② 轻质高强的金属材料

目前,弹体结构分系统涉及到的金属材料主要包含高温钛合金、铝锂合金以及金属间化合物。

高温钛合金方面,钛合金作为具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、结合性能好、耐高温、抗蠕变等特点的材料,被广泛用于航空航天等国防领域。针对当前导弹追求高速化和小型化引起的气动热问题,导致对钛合金等主要结构材料的耐热性提出了更高的要求,因此高温钛合金成为了重点研究方向。目前,高温钛合金主要应用于导弹的舱段壳体、舵面与翼面等。我国自主研制的高温钛合金使用温度大多在 550-650℃ 之间。其中 TA12(Ti55),Ti633G 和 Ti53311S 是 3 种具有代表性的国产 550℃高温钛合金。中科院金属所、宝钛集团、北京航空材料研究院共同开发的 TA12A 合金,已经成功应用于国产先进航空发动机加力燃烧室筒体和巡航导弹弹体结构等。目前高温钛合金的研究重点在于其疲劳特性等方面。

铝锂合金方面,作为航空航天材料中发展最迅速的轻量化材料,铝锂合金的特点是低密度、高弹性模量、高比强度和比刚度。锂是最轻的金属,其与铝溶解度极高。铝锂合金代替常规铝合金,可使结构件质量减轻 10%-15%,弹性模量提高 6%,刚度提高 15%-20%。与先进复合材料相比,铝锂合金抗压强度较好, 并且防雷击,造价低。目前,我国已经具备第三代铝锂合金 2195 的生产能力,基本能够满足航空航天的材料需求。目前的研究重点在于研制新型高强、高损伤容限的铝锂合金,并解决复杂结构件的钣金成形和热处理工艺问题。

金属间化合物方面,其性能介于金属与陶瓷之间,具有耐高温、抗腐蚀、抗氧化、高强度等特性,是一种新型的结构材料和结构涂层材料。金属间化合物种类繁多,在航空航天领域得到应用的主要有 Ti-Al系、Ni-Al 系金属间化合物。目前,我国航天工业目前正试图采用 Ti2AlNb 合金替代 Ni 基高温合金制作发动机热端部件。

③ 先进的工艺技术

目前,用于导弹结构分系统的先进工艺技术主要包括近无余量成形技术、超精密加工技术、3D 打印技术及智能制造技术。

近无余量成形技术方面,是指零件在成形后,不需要加工或需很少加工就可用作结构件的成形技术。由于该技术在降低飞行器重量以及复杂零件整体化方面的独特优势,成为航空航天领域中复杂结构薄壁零件成形的关键技术。目前,比较成熟的近无余量成形技术有超塑成形(SPF)/扩散连接(DB)、熔模精密铸造等。在 SPF/DB 技术上,我国发展已有 40 多年的历史,基础研究和应用都已取得了很大发展。而熔模精密铸造方面,我国已形成了完整的铸造体系,但国内熔模精铸生产线使用的关键设备仍依靠进口,且大部分为西方国家 20 世纪 80 年代产品。因此,我国熔模精铸技术落后西方大概 30 年。因此,研制长寿命、高可靠性的熔模精铸设备是重点发展趋势。

3D 打印技术及智能制造技术方面,3D 打印用于导弹制造可以有效降低成本、提高效率。雷神公司已利用 3D 打印技术制造出 80%的导弹部件;ATK 公司成功试验了 3D 打印的高超声速发动机燃烧室;美国海军“三叉戟-2”D5 潜射导弹在 2016 年首次测试了采用 3D 打印的导弹部件。同时,智能制造也对导弹生产制造产生重大影响,目前美国导弹防御局已启动“数字化推进器工厂”项目,支持从设计到生产的数字化工厂环境;洛马公司的新一代数字化制造系统已应用于导弹生产;雷神公司采用自动导引车实现导弹及零部件的自动搬运,使用六轴机器人完成导弹导引头光学系统的装配。

4.2.2 制导控制系统及相关光电元器件(光电元器件)

制导与控制系统是导弹精确命中目标的关键,随着信息技术的快速发展以及战场对精确制导武器的广泛需求,制导与控制技术有了长足的发展。目前国内外的导弹制导控制方式关键技术大体可分为惯性制导控制、雷达制导控制、多模复合制导控制、光电制导控制、协同制导控制等 5 个技术分支,各技术分支涉及到的具体技术如图 29 所示

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在制导与控制系统中,制导系统主要依靠制导设备,涉及到的零部件包括各类导引头及惯性仪表等, 主要以军工央企所属企事业单位及民营企业参与研制,而飞行器控制系统则主要依赖于制导系统测量得到的飞行状态参数进行结算,以算法程序为主,主要以军工央企所属企事业单位设计为主。

基于各导弹制导技术相关专利发布数量来看,导弹制导控制技术发展经历了最早的惯性制导,而后出现了 SAR 制导、红外成像制导、激光三维成像制导,近年出现了目标融合识别、协同组网、量子成像雷达制导、主被动雷达复合制导的发展历程。其中,红外成像制导和激光三维成像制导是研究热点,协同制导的控制与导引律技术也是未来发展方向之一。

我们重点针对制导控制产业中的惯性制导控制以及光电制导控制,特别是制导系统部分进行详细技术发展及投资机会分析(雷达制导控制可详见报告《中航证券军工行业深度报告:电子探测系统,信息时代的“火眼金睛”》)。

① 惯性制导控制

惯性导航系统(INS)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统,是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统,该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系,根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

惯性制导控制相较于其他制导控制技术方向,具有自主隐蔽、实时连续、全天候、全时空、全地域环境敏感等特点,已成为天基、空基、海基和陆基武器装备导航定位、制导控制、瞄准定向及姿态稳定的通用核心装备,在惯性制导控制系统中,核心元器件为以陀螺仪、加速度计等为代表的惯性仪表,目前,惯性仪表具有如下发展趋势:

(1) 新兴原子自旋陀螺、核磁共振陀螺、干涉原理样机陀螺、晶体光学陀螺和高端惯性传感技术已见高精度应用端倪。而 MEMS 技术作为原子惯性系统及其有效应用高精度、高动态有机融合的基础支撑技术,同样是重点发展领域。

(2) 光学惯性传感技术以其成本寿命、精度可靠性优势已具备取代传统机械惯性陀螺传感技术倾向, 采用三轴旋转调制可有效减小常值误差,提高光学捷联惯性系统应用精度。而传统高精度机械三浮陀螺、静电超导陀螺惯性仪表依然在战略和特种需求目标任务中仍具有独特需求,发展方向为高精度,长期稳定, 基础微观量化深入综合性能提升等方面。同时,采用三轴旋转调制和电锁紧,实现不同任务剖面的平台捷联混合导航制导也可提升应用性能。

(3) MEMS 固体振动陀螺有望实现高精度极限和高端应用,成为未来高端 MEMS 惯性传感器发展趋势。多源复合、多元阵列式惯性微系统也有助于对实现不依赖 GPS 的自主导航、同时降低成本、提高精度,推动战术武器制导智能化的进程。

(4) 新功能材料的产生、新兴精密超精密制造的发展、人机智能微应力的集成以及微观量化标准规范,推动了高精度高可靠长寿命、快速反应、小型轻质低成本、大动态抗高过载、适应多元复杂苛刻环境的惯性传感器不断进步发展,从而满足智慧导航控制的需求。

(5) 动态、过载、电磁、温度等极端条件和多要素复合模拟仿真、综合激励测试试验,交付评估, 加强试验理论、机理、方法、设备技术研究已成制约惯性技术发展的瓶颈和亟待解决的问题。

② 光电制导控制

如图 29 所示,当前光电制导控制主要构成包括红外成像制导、激光三维成像制导以及多高光谱成像制导三部分。而在光电制导控制中,导引头是兼具自主搜索、识别与跟踪目标的复杂功能,能够持续输入目标信息并给出制导控制指令的核心部组件,其可以确保导弹武器系统不断地跟踪目标,进而实现对目标的精确打击。

在红外制导控制中,红外导引头可利用红外探测器识别、捕获和跟踪目标辐射能量实现自动寻的的制导装置,由于红外导引头在精度、抗干扰性、隐蔽性和效费比等方面具有很大优势,己经成为导弹广泛采用的目标敏感装置之一。近年来,随着以机器学习为基础的图像识别、日标跟踪等人工智能技术以及光电子技术、计算机技术和网络信息技术的深入发展,红外导引头在成像制导方面得到很大的提升,为了更好地适应未来信息化电子战环境,红外导引头目前的技术发展方向主要为具备更强的红外探测能力、更快的图像实时处理速度和更敏锐的电子感知能力。其中,红外成像探视技术、自动目标识别技术、图像实时处理技术等均是现阶段各个国家围绕提高导弹武器系统智能化水平和抗干扰能力的重点发展方向。另外,伴随海陆空天联合作战网络,各类导弹等精确制导武器都需要制冷和非制冷的先进红外传感器,共同的需求特点包括更大规模的阵列、更小的像元间距、更高的灵敏度以及更低的功耗,同时,红外探测器低成本也势在必行,所以非制冷红外探测器未来市场将更为广阔。

在激光三维成像制导中,主要采用主动成像制导方式,通过激光扫描,对目标进行成像,再与预先装定在导引头中的待打击目标的激光成像特征进行匹配分析,自动识别并跟踪打击目标。主动式激光导引头独特的工作机制使其具备较高的角度、距离、速度分辨率,具有抗干扰能力强、获取信息量大、灵敏度高等特点,但其受制于硬件发展水平,在武器装备的实际应用中并不多。其关键技术主要包括高灵敏度探测接收、目标成像识别等,同时,非扫描成像技术也可解决传统扫描成像帧率低、视场小、体积大等问题,其研究重点是 APD 阵列、PIN 阵列光电二极管探测器和集成信号处理器,以及利用其他成熟的阵列成像器件,采用新的工作体制实现非扫描三维成像。另外,激光导引头中的激光探测类器件在未来应用中,对于器件、技术单元集成化要求较高,构成激光光源、探测单元和信号处理单元一体化也是其重要的发展趋势。

多高光谱成像制导则主要应用于反隐身领域,通过采用多波段高光谱探测来更多地获取目标的多维度信息以实现目标识别,同时也有利于区分目标和诱饵,提高制导抗干扰水平,目前该项制导已应用于国内外新一代空空导弹等领域,多高光谱成像制导的核心技术在于多传感器信息融合,发展趋势在于从硬件上采用高速微处理器和并行处理技术、软件上发展更加有效的特征级、决策级算法等。

4.2.3 动力系统

导弹动力系统是提供导弹飞行动力的系统,动力系统主要由发动机及推进剂两部分组成,其中推进是能源,发动机是能量转化装置。本节将重点针对发动机的技术发展趋势进行分析,目前导弹的发动机主要可以分为应用于弹道导弹的大型固体火箭发动机、应用于战术导弹的中小型固体火箭发动机以及吸气式发动机(包含涡轮发动机、冲压发动机等)、新体制组合发动机(TBCC、RBCC)等。

① 大型固体火箭发动机

大型固体火箭发动机的应用领域主要包含弹道导弹及运载火箭中,技术发展具有共同性,本节将主要以运载火箭用大型固体火箭发动机的技术发展趋势作为主体进行分析,得到的结论对弹用大型固体火箭发动机技术发展趋势同样具有参考性。

大型固体火箭发动机是大型/重型运载火箭助推级的首选动力,也是固体运载火箭的主要动力装置, 其发展一直备受各世界主要航天大国的关注。纵览世界各主要航天强国在大推力固体火箭发动机方面的研制历程,发展趋势包括:固体火箭发动机直接用作大型运载火箭芯级动力受到各国重视;整体式固体发动机发展取代百吨级装药量分段式固体发动机趋势明显;复合材料结构件在大型固体火箭发动机的应用日益加重。具体到我国大型固体火箭发动机技术发展上,虽然我国在大型固体火箭发动机方面已取得不错进展, 但相较于美国、欧洲、印度均已实现直径 3m 级大型固体火箭发动机工程应用的现状,还有一定差距。国内已经试车成功的最先进固体发动机在外径、长度和整体质量上,均不如印度的 S-200 助推器,因此我国仍需在装药技术、复合材料壳体技术以及喷管技术等三个方面进行技术攻关。

装药技术方面,技术目标在于实现创新装药技术,实现大吨位装药。具体技术发展路径包括从设备入手,例如发展连续装药技术,建立连续装药生产线;或者从工艺入手,借鉴分段式装药的经验,在现有设备基础上,创新装药形式。

复合材料壳体技术方面,技术目标在于大直径复合材料壳体技术,实现大尺寸壳体缠绕。具体关键技术包括在于具有比强度大、比模量高以及材料性能的可设计性等优点的纤维增强复合材料研制上。

喷管技术方面,技术目标在于长时间、大流量喷管技术,实现大尺寸喷管制造。具体关键技术包括大型固体火箭发动机喷管的大尺寸喉衬的成型技术;柔性摆动喷管关键技术。

② 中小型固体火箭发动机

在战术导弹中,中小型固体火箭发动机是战术导弹飞行的主要动力装置之一,其质量和尺寸可以占到导弹质量和尺寸的 50%-80%,是导弹武器实现中、远程防空反导和精确打击的关键技术基础,其性能直接关系到导弹武器作战效能和威慑力。目前,防空反导、远程精打、未来智能导弹的发展对固体发动机的推进剂能量、质量比和调控能力等方面的要求越来越高,而发动机服役环境却越来越严酷,对固体发动机低易损性和环境适应性的需求日趋迫切,这都给固体发动机的研制提出了更高要求。目前,固体火箭发动机的发展可以归结为高能化、轻质化、可控化和低易损 4 个方向。

高能化方面,体现在固体火箭发动机能量水平仍需要提高,实现固体火箭发动机高能化的关键技术包括:推进剂采用新型高能或超高能物质;创新成型工艺,引入纳米含能材料;基于高比强度壳体材料和耐烧蚀喷管材料的高压强发动机技术;建立固体发动机高压强下的性能计算模型等。

轻质化方面,体现在基于轻质高效的能量管理能力上。关键技术途径包括:发动机燃烧室与封头或喷管一体化设计研究以及制造成型技术;固体发动机开展带装药缠绕一体化关键技术;高强碳纤维的工程化应用和新型壳体材料的开发;多脉冲固体发动机的柔性脉冲隔离装置(软隔舱)。

可控化方面,体现在固体火箭发动机可控化的发展正在从开环控制向闭环控制,从开关式向连续可调式方向发展,能量管理方式也从预设式到随控式方向发展,向着高精度、快响应的方向发展。具体技术途径包括:高功率密度驱动装置和高精度控制算法等方面;开展可多次启停固体发动机研究;装药结构优化设计、喉部调节装置研制、高压力指数固体推进剂研制等。多脉冲发动机的多次点火技术。

低易损方面,体现在固体发动机低易损技术从组件级往整机级发展。关键技术包括有效集成钝感固体推进剂和复合材料壳体等组件级低易损性实施途径,开展固体发动机整机级低易损性研究;固体装药的尺寸效应和发动机组件间的相互影响研究;发动机整机层面的失稳机理研究以及扩稳技术;通过环境危险实时感知与主动扩稳相结合等技术,研制主动安全的固体发动机。

除此以外,为了支撑战术导弹实现智能化,固体发动机需要在智能可控、弹道最优、高安全性、能量自装配、状态感知、智能制造、免维护等方面深入发展。

目前,俄罗斯、美国等已经在可控化和低易损方面实现了战术导弹武器装备的服役,走在了中小型固体发动机发展的前列。尽管国内相关技术也日益成熟,但较之俄、美仍存在一定的差距,需要逐个突破推

进剂和热防护原材料、新型装药工艺、可调燃气阀门、压力闭环控制、有效扩稳等关键技术,加速工程化进程,为我国战术导弹的跨越式发展提供技术支撑。

③ 吸气式发动机

弹用吸气式发动机可以细分为亚音速导弹使用的涡轮喷气或涡轮风扇发动机(统称为涡轮发动机)、以及冲压发动机两大类。

涡轮发动机方面,小型涡轮喷气和涡轮风扇发动机可为高亚音速、中远程导弹提供理想的巡航动力,是各军事强国竞争的焦点。弹用涡轮发动机具有成本低、寿命短、尺寸小、转速高、增压比低、容积热强度大、起动和点火方式多样等特点,已被广泛应用于巡航、反舰和空地等多种战略与战术导弹。针对这类传统涡轮喷气和涡轮风扇发动机,如何在最低限度满足性能要求的前提下,进一步降低成本、减少油耗、简化结构仍将是今后重要的发展方向。另一方面,目前的涡轮喷气和涡轮风扇推进技术经过几十年的发展已日趋完善,在系统结构和材料耐温能力的制约下,欲大幅提升性能十分困难。以螺桨风扇发动机、脉冲爆震涡轮发动机为代表的新型动力装置,在循环效率、燃油消耗或系统结构等方面具有潜在优势,若能够突破现存的技术瓶颈,则有望取代涡轮喷气和涡轮风扇发动机,成为未来导弹的巡航动力。

冲压发动机方面,采用冲压式发动机的导弹由于可以实现全程有动力巡航,具有响应速度快、突防能力强、弹道机动不引起过大的速度损失、末端速度较高等独特优势,是未来飞行器的颠覆性发展方向之一。其中,超声速燃烧冲压发动机(简称超燃冲压发动机)被认为是目前实现飞行器在大气层内高超声速飞行的最佳动力装置,由于其良好的经济性与结构简单性,已经成为 21 世纪航空航天领域研究的重点之一。我国自 1980-1990 年中期就已开始超燃研究,90 年代后期至今,随着国家大量资金的投入,超燃冲压发动机的地面试验设施逐渐完善,超燃研究进一步深入与细化,涌现出大量研究成果,并突破了一些超燃冲压发动机关键技术。但同美国、英国、俄罗斯、法国、澳大利亚以及日本等国的研究状况相比,我国的高超声速推进技术在研究手段、设备建设、经费投入和人才培养等方面还有很大的差距,仍需要围绕超燃冲压发动机在推进系统设计、测量技术与飞行试验、材料与结构、飞行控制等关键技术上加强研究、寻求突破,

为超燃冲压发动机的广泛应用铺平道路。总体来看,超燃冲压发动机技术发展上的关键技术主要仍在于对相关基础科学的问题研究。包括火、火焰传播与火焰稳定、碳氢燃料的详细化学反应机理及壁面热防护等。

4.2.4 弹载 电源

导弹电源系统是导弹的重要组成部分,是导弹能够正常工作的保障。导弹电源系统通常由一次电源、二次电源以及电源控制电路等构成,具有响应时间快、功率密度大、高可靠、工作环境严酷、体积小、质量轻、耐贮存等特点。

目前,伴随热电池和电力电子器件水平的不断提高,为导弹电源系统的性能提高提供了有效的保证。电源系统性能的提高主要体现在大功率、小体积、小质量、快速的起动反应时间、高效率、以及低噪声等方面,同时,随着电源系统功能的不断增强,特别是涉及到火工品的点火控制功能,对导弹的安全性有至关重要的影响,因此需要电源系统具备自检功能。采用常规的模拟电路很难实现,同时会造成接口和电路的复杂性,降低可靠性。未来的导弹电源系统中将会采用智能化数字系统如 DSP,实现对电源系统的自检, 保证电源系统安全、可靠。

总体来看,随着导弹技术的不断发展和需求的不断提高,导弹电源系统将向数字化、智能化、小型化、多功能的方向发展。

5 导弹产业投资机会分析

综合以上分析,关于导弹产业投资,我们有如下判断及建议:

(1) 在当前国际形势处于百年未有之大变局背景下,全球新冠肺炎疫情的蔓延将加剧大国关系间的不确定性,而对导弹产业市场而言,无论从内需还是出口两方面看,导弹装备都将保持稳定且快速的增长。该增长也将传导至导弹产业链中上游领域,兑现至相关企业业绩。

新知达人, 军工行业专题报告之导弹产业深度研究

(2) 目前,导弹整机研发、集成、制造的投资项目标的较少,民营上市公司包括高德红外等。标的较少的主要原因为导弹产业参与主体,航天科工集团及航天科技集团在导弹整机相关科研院所、厂的资产证券化程度较低,同时,作为历史悠久的军工央企,我国导弹整机研发、集成、制造的核心技术基本沉淀于航天央企相关单位,导弹整机单位一般又属于国防军工中最高等级(一级)保密企业,资质壁垒与技术壁垒均较高。因此建议重点关注伴随我国航天科技或航天科工集团所属相关优质企事业单位的资产证券化进程产生的投资机会。

(3) 在各类战术导弹中,制导控制系统(及其相关零部件)成本占导弹总体成本比例较高,附加值较高,且涉及到的市场标的最多,上市公司包括高德红外、大立科技、新光光电及红相股份等。其中,应当重点关注 2.4.2.2 节中提出的,在惯性器件及光电制导设备上拥有符合当前技术发展趋势,与相关航天央企单位具有稳定的供应关系、且能够切实解决与当前导弹产业中面临技术痛点相关核心技术的企业项目。

(4) 弹体结构、电源分系统产业中存在较多上市公司标的。其中,弹体结构标的主要集中在弹体结构用原材料领域,上市公司包括光威复材及中简科技等,建议可以重点关注拥有 2.4.2.1 节中提到的弹用先进材料发展趋势相关核心技术的项目标的;弹载电源产业上市公司包括航天长峰及新雷能等,建议关注与相关航天央企单位存在密切、稳定供给关系、且成本控制良好的相关项目标的。

(报告观点属于原作者,仅供参考。作者:中航证券,张超)


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