低空经济迎来研制热潮,详细拆解eVTOL | 研报推荐

jh 2周前 (05-11)

注:原文为中邮证券《低空经济专题之三:eVTOL详细拆解》,分析师:鲍学博、马强

低空经济的热潮还在升温,随着各地政策的不断出台,eVTOL正逐步迈向商业运营。

与此同时,eVTOL的创业项目不断增多,但由于整个行业产业链较长,eVTOL的研发、量产都需要一个漫长的周期。

在名为《低空经济专题之三:eVTOL详细拆解》的行业深度报告里,分析师详细介绍了eVTOL的核心组成部分。

以下为研报内容节选:

1、eVTOL迎来研制热潮,多型飞行器有望量产

电动垂直起降飞行器(ElectricVerticalTakeoffandLanding,eVTOL)区别于常规飞机的主要技术特点,包括可以实现垂直起降、采用分布式电力推进以及运用全电/混合动力技术。

得益于电动机、电池和自动化技术的发展,与常规直升机相比,eVTOL更加低碳环保、噪声更低、自动化等级更高,并由此产生了运行成本低、安全性和可靠性高的优势。

随着城市空中交通(Urban Air Mobility,UAM)的兴起,引起了eVTOL的研制热潮。

根据航空产业网数据,2009年-2016年,全球仅数家eVTOL企业,自2017年之后,陆续有40余家企业进入eVTOL行业。据统计,目前全球已有百余家eVTOL企业。

从eVTOL企业的地理分布上可以看到,eVTOL企业大部分集中在中国、美国、欧洲等的沿海城市,呈现出中国企业数量多,欧美企业融资额度大的特点。

从融资规模看,根据航空产业网2024年2月6日的报告数据,eVTOL行业累计融资规模超过110亿美元,其中,81%的融资额由前10的企业拥有。大部分融资资金由头部少数企业拥有。Joby、Archer、Lilium融资规模靠前,达到10亿美元以上。

展望未来,eVTOL主机企业数量或先增后减,未来市场或向头部集中。

2、eVTOL产业链:整机包含六大子系统

eVTOL产业链较长,主机厂主要承担的是整机研发和集成的任务。其核心子系统主要包括机体、综合航电系统、飞控系统、能源系统、动力系统以及电气系统六大类。

根据Lilium给出其eVTOL成本占比,推进系统、结构和内饰、航电和飞控占主要成本。

对比同样采用电池作为能源、采用电机作为动力的纯电动汽车,和同样需要满足适航的大飞机的成本构成,可以看到不论是新能源车、大飞机还是eVTOL,动力系统是核心子系统之一,能源系统在电池动力中成本占比较大,航空器中航电、飞控等系统成本占比较大。

1、机体:主要采用碳纤维复材,低成本高效率的热塑性复材或为趋势

碳纤维复合材料是以树脂、陶瓷、金属等为基体,以碳纤维为增强体,复合而成的结构材料,是目前世界上最先进的复合材料之一,因其具有质轻、高强、耐腐、耐高温等优势,被广泛应用在新能源、航空航天、交通运输等领域。

其中,碳纤维复合材料以树脂基碳纤维复合材料为主。航空航天和风力发电领域为树脂基碳纤维复合材料最大需求端,需求占比达50%。在航空航天领域,树脂基碳纤维复合材料常用于制造民用飞机发动机罩、副翼、阻力板以及舱门等,能够达到减重效果。

eVTOL作为新兴的交通出行载体,对飞行器的结构重量有着严苛的要求。

现今市面上能看到的所有eVTOL企业,几乎无一例外的使用复合材料作为主要的机体结构,占比达到70%以上。其中,超过90%的复材为碳纤维复材,约10%的复材以保护膜的形式使用玻璃纤维增强。

研究机构Stratview报告显示,在几乎所有飞行汽车项目中,约75%-80%的复合材料用于结构部件和推进系统;其次是内部应用,包括横梁、座椅结构等,占12%-14%;电池系统、航空电子设备和其他小型应用占剩余的8-12%。

在eVTOL材料需求牵引下,低成本、高效率、规模化制造是碳纤维复合材料的重要趋势,热塑性碳纤维复合材料前景广阔。

目前热固性复合材料在行业中仍占据主导地位,与传统热固性复合材料相比,热塑性复合材料成型周期短、化学成分毒性小,且具有高韧性、高抗冲和损伤容限、预浸料存储期长、量产能力强等优点。

热塑性碳纤维复合材料结合了碳纤维和热塑性树脂的性能优点,且成型后不发生化学交联,能够二次熔化和再成型,便于材料的回收及循环利用,解决了热固性碳纤维复合材料使用期满后的处理问题。

2、动力和能源系统:采用分布式电推进,能源系统以纯电为主

eVTOL主要采用分布式电力推进技术(DEP)。分布式电推进飞机是随着电动飞机发展而产生的,由电机驱动分布在机翼或者机身上的多个螺旋桨或风扇构成推进系统为飞机提供推力。DEP飞机利用推进-气动耦合效应,大幅改善飞机空气动力特性,减小机翼面积,从而降低飞机结构重量。多推进器的冗余能力为飞机提供更可靠的推力保障。

电推进技术采用电能作为动力系统的部分或全部能源,包括油电混合动力、电池、燃料电池等,通过电机驱动升力和推进装置来提供飞行器所需的部分或全部动力,并通过顶层能量管理全面优化能量利用效率,有效降低飞行噪声和污染物排放。

同时,电动力系统的功率特性对大气压力较弱的敏感性可显著增强动力系统的高原适应性,使电动垂直起降飞行器展现出较高的高原适用潜力。

目前,国内外eVTOL主要采用纯电动力。从在研项目看,对于短航程、垂直起降的航空器,采用纯电动的方案占主要份额。考虑到飞机续航能力需求,UAM市场对混合动力系统存在一定需求。

相比新能源车电池,eVTOL要求电池具有更高的能量密度。当前电池单体电芯的能量密度最高水平在300Wh/kg左右,电池包能量密度约220Wh/kg,远低于航空燃油的比能量。

由于电池的技术限制了飞行器的航程,因此,航空业对动力电池单元能量密度提出了明显高于电动汽车能量密度的要求(近期>300Wh/kg,远期目标>500Wh/kg)。

此外,eVTOL独特的运行剖面和任务循环以及苛刻的运行环境对锂离子电池系统提出了更高的要求,为了应对紧急迫降需求,要在低电量状态下(如20%SOC)依然保有高功率放电能力;为了满足空中出租业务等频繁使用场景,目前行业普遍需求在少于15分钟内充电至80%。

目前采用三元锂电,未来可能采用固态、半固态、金属电池等。

当前主流化学体系锂离子电池中,三元NCA电芯具有最佳的能量和功率性能,但成本较高、安全性较低;LFP(LiFePO4)电芯具有最高的安全性,但能量密度只有三元NCA和NCM电芯的一半;相比之下三元NCM电芯综合性能最佳,因此三元NCM电池为当前eVTOL使用最广泛的电池。

3、航电系统:飞机的中枢神经系统

1)综合航电系统

航空电子系统(Avionics),简称航电系统,是飞机上所有电子设备的总和,常被形象地称之为飞机的中枢神经系统。航电系统作为现代飞机的重要组成部分,其设计水平直接影响飞机的安全性和可靠性,同时也影响飞机的经济性和舒适性。

航电系统一般分为传感器系统(惯性导航系统、大气数据计算机、雷达、各种无线电导航接收机等)、控制系统(飞行控制系统、发动机控制系统等),以及作为人-机接口的综合电子显示系统。航空电子系统的主要功能包括飞行控制、通信、导航、监视、显示等。

不同类型的飞机根据其任务使命和应用环境不同,其航电系统的组成、功能和配置有一定区别。总体上看,航电系统主要功能是在飞机运行过程中,根据任务需要和环境特点,完成信息采集、任务管理、导航引导等基本飞行过程,为飞行机组提供基本的人机接口,保障飞机安全、可靠的完成相关任务。

通常而言,军民用飞机通用的航空电子系统主要包括:核心处理系统、通信系统、导航系统、飞行管理系统、机载维护系统。

基于飞机使用需求,通用飞机航电系统还可以扩展自动驾驶、广播式自动相关监视(ADS-B)、基于数据链的气象/交通监视、合成视景、无线电高度表、自动定向机、测距器、防撞告警系统(TCAS)、地形提示告警系统(TAWS)等功能。

在eVTOL行业,全球主流机载航电公司基本都和相关eVTOL主机厂达成合作。

2)飞控系统

飞行控制系统简称飞控系统,可以根据飞行员的操纵指令、飞机飞行状态和环境参数,控制飞机机翼、舵面等,实现飞机稳定飞行和精确机动。目前,小型无人机的飞控系统和民航飞机及军用大型无人机的飞控系统均有成熟的解决方案。

飞控系统是eVTOL最核心的子系统之一,技术难度较大。eVTOL主要依赖飞控系统实现飞行器的感知、控制和决策。

eVTOL的飞行控制技术相比小型无人机或民航飞机更加复杂,需要解决基于多旋翼垂直起降、基于常规固定翼水平飞行以及垂直-水平两种飞行模态的平稳切换等技术难题,并且平衡好eVTOL市场化过程中对飞控系统产生的轻量化、经济性、适航等现实需求。

目前的电传操纵系统主要应用于民航客机上,但是eVTOL机型的最大起飞重量多为一两吨,在整机重量、体积小得多的情况下,再加上旋翼类飞机是静不稳定的,必须在本就小巧的机身上加配飞控计算机和IMU等传感器,对飞控系统的体积和重量提出了更苛刻的要求。

eVTOL对飞控系统有低成本要求。eVTOL与传统民航客机有着明显不同的使用场景,作为一种新型的中短途空中交通工具,更侧重于在城市客运(UAM)、区域客运(RAM)、货运、个人飞行器、紧急医疗服务等非长距离场景的应用。在追求高效率的同时,还需要做到可以面向大众市场的低成本。

与民航客机动辄几百万美金的飞控系统预算不同,eVTOL的飞控系统提供商需要让产品和服务匹配eVTOL的成本结构。

小型的电子零部件甚至车规级部件的使用、更先进的仿真系统、MBD(ModelBasedDesign)等新技术及工具的引进使得更低成本的飞控系统成为可能。

适航要求飞控系统需要具有高可靠性。适航要求eVTOL主机厂必须选择可适航的高可靠性的飞控系统。

3)导航系统

导航系统是飞行器核心子系统之一,不仅为飞行器提供姿态、方位、速度和位置的信息,还提供飞行器的加速度和角速率,用于飞机的正确操纵和控制。

导航系统的最关键的指标是精度和可靠性,这两个指标的提升一般有个途径:

采用更高级别的传感器,提升传感器的精度和可靠性;

采用组合导航,组合多种不同工作原理的传感器,形成一套可靠性和精度都远高于单一传感器的组合导航系统。

目前eVTOL主流方式,是采用MEMS传感器、GNSS等,通过数据融合算法提升性能和鲁棒性以满足飞机对于导航系统的要求,eVTOL导航系统有低成本要求,体积、重量、功耗等限制下技术难度较高。传统航空产业的组合导航系统过于昂贵,动辄上百万的价格无法满足eVTOL成本结构的需求。

同时,eVTOL飞机空间和电量有限,对组合导航系统的体积和功耗要求比传统民航高。低沉本要求和体积、重量、功耗等限制下,开发适合eVTOL的组合导航技术难度较高。

此外,eVTOL飞行空域较民航客机更加复杂,有更多干扰因素,机队规模和密度也会大幅度提升,对单机智能化提出了更高要求。

4)通信系统

在民航飞机中,航空空地通信系统按服务对象的不同,可分为驾驶舱通信系统、客舱通信系统;按通信体制不同,可分为基于卫星中继模式的空地通信系统、基于ATG地面基站模式的空地通信系统。

低时延、高稳定的通讯链路是保障eVTOL航空器在复杂城市低空环境下安全运行的有效前提条件。相比较甚高频通信系统(VHF)、卫星通信等传统航空通信方式,地面移动通信中的5G毫米波蜂窝数据链路在低成本、高可靠、广覆盖等方面具备突出优势。eVTOL在低空空域飞行,更适合于基于5G/5G-A地面通信基站的通信模式。

未来,随着卫星互联网的发展,地面基站与卫星互联网可协同满足eVTOL对通信的需求。

5)大气数据系统

飞行器大气数据传感技术是用于测量表征飞行器运动与来流空气相互关系的,包括飞行器运动时所处的静态大气压力(静压)、来流冲击压力(总压),所处环境的大气温度,机体与气流之间的夹角(攻角、侧滑角)等。飞行器的速度和压力高度等关键飞行参数依赖于这些压力测量,因此,大气数据必须要准确可靠。

6)健康和使用监测系统

健康和使用监测系统(HUMS)是一个集机载航空电子设备、直升机故障诊断与预测算法、地面维护支持与管理于一体的系统。

HUMS在直升机中用于监测轴承和其他关键部件的状况,通过提供故障预警,允许操作员在其他计划维护活动期间主动更换组件,从而提高安全性并减少停机时间,其主要由机载设备和地面配套设备两部分组成。

HUMS系统主要功能包括:数据采集与监控功能、旋翼锥体动平衡及机身振动监测功能、传动系统振动健康监测功能、发动机健康监测功能、使用监测功能、超限告警功能、记录直升机规定的各类超限告警信息以及实时数据传输功能等。

7)感知和避撞系统

飞行器在城市环境中飞行时,一些高层楼宇和建筑物将不可避免的对飞行过程产生影响,需要考虑城市低空域复杂场景下的飞行安全问题。

eVTOL可以载人飞行,在系统设计上需要考虑乘客安全,除了通过保障飞行器结构的可靠性外,飞行器是否具备避障功能也是决定安全性的关键因素。

8)其他机载系统或设备

紧急定位发射器:紧急定位发射器(EnergencyLocatorTransmitter,ELT)用于飞机遇险后发射搜救信号,帮助搜救人员确定事故位置并展开针对性的救援。

无线高度计:无线电高度计(RadioAltimeters)输出的高度数据是飞行中的重要参数之一,该数据用于着陆飞行阶段。

3、eVTOL配套商:传统航空头部供应商先发优势显著

载人飞行器具有严格的适航审定要求,传统航空头部供应商拥有丰富的经验积累和适航取证经验,先发优势显著。

国外eVTOL主机厂如Lilium、Vertical、Eve等多与传统航空头部供应商合作,以加快自身产品研发和适航取证。

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