低空經濟迎來研制熱潮，詳細拆解eVTOL | 研報推薦

注：原文為中郵證券《低空經濟專題之三：eVTOL詳細拆解》，分析師：鮑學博、馬強

低空經濟的熱潮還在升溫，隨著各地政策的不斷出臺，eVTOL正逐步邁向商業運營。

與此同時，eVTOL的創業項目不斷增多，但由于整個行業產業鏈較長，eVTOL的研發、量產都需要一個漫長的周期。

在名為《低空經濟專題之三：eVTOL詳細拆解》的行業深度報告里，分析師詳細介紹了eVTOL的核心組成部分。

以下為研報內容節選：

1、eVTOL迎來研制熱潮，多型飛行器有望量產

電動垂直起降飛行器（ElectricVerticalTakeoffandLanding，eVTOL）區別于常規飛機的主要技術特點，包括可以實現垂直起降、采用分布式電力推進以及運用全電/混合動力技術。

得益于電動機、電池和自動化技術的發展，與常規直升機相比，eVTOL更加低碳環保、噪聲更低、自動化等級更高，并由此產生了運行成本低、安全性和可靠性高的優勢。

隨著城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）的興起，引起了eVTOL的研制熱潮。

根據航空產業網數據，2009年-2016年，全球僅數家eVTOL企業，自2017年之后，陸續有40余家企業進入eVTOL行業。據統計，目前全球已有百余家eVTOL企業。

從eVTOL企業的地理分布上可以看到，eVTOL企業大部分集中在中國、美國、歐洲等的沿海城市，呈現出中國企業數量多，歐美企業融資額度大的特點。

從融資規?？?，根據航空產業網2024年2月6日的報告數據，eVTOL行業累計融資規模超過110億美元，其中，81%的融資額由前10的企業擁有。大部分融資資金由頭部少數企業擁有。Joby、Archer、Lilium融資規?？壳?，達到10億美元以上。

展望未來，eVTOL主機企業數量或先增后減，未來市場或向頭部集中。

2、eVTOL產業鏈：整機包含六大子系統

eVTOL產業鏈較長，主機廠主要承擔的是整機研發和集成的任務。其核心子系統主要包括機體、綜合航電系統、飛控系統、能源系統、動力系統以及電氣系統六大類。

根據Lilium給出其eVTOL成本占比，推進系統、結構和內飾、航電和飛控占主要成本。

對比同樣采用電池作為能源、采用電機作為動力的純電動汽車，和同樣需要滿足適航的大飛機的成本構成，可以看到不論是新能源車、大飛機還是eVTOL，動力系統是核心子系統之一，能源系統在電池動力中成本占比較大，航空器中航電、飛控等系統成本占比較大。

1、機體：主要采用碳纖維復材，低成本高效率的熱塑性復材或為趨勢

碳纖維復合材料是以樹脂、陶瓷、金屬等為基體，以碳纖維為增強體，復合而成的結構材料，是目前世界上最先進的復合材料之一，因其具有質輕、高強、耐腐、耐高溫等優勢，被廣泛應用在新能源、航空航天、交通運輸等領域。

其中，碳纖維復合材料以樹脂基碳纖維復合材料為主。航空航天和風力發電領域為樹脂基碳纖維復合材料最大需求端，需求占比達50%。在航空航天領域，樹脂基碳纖維復合材料常用于制造民用飛機發動機罩、副翼、阻力板以及艙門等，能夠達到減重效果。

eVTOL作為新興的交通出行載體，對飛行器的結構重量有著嚴苛的要求。

現今市面上能看到的所有eVTOL企業，幾乎無一例外的使用復合材料作為主要的機體結構，占比達到70%以上。其中，超過90%的復材為碳纖維復材，約10%的復材以保護膜的形式使用玻璃纖維增強。

研究機構Stratview報告顯示，在幾乎所有飛行汽車項目中，約75%-80%的復合材料用于結構部件和推進系統；其次是內部應用，包括橫梁、座椅結構等，占12%-14%；電池系統、航空電子設備和其他小型應用占剩余的8-12％。

在eVTOL材料需求牽引下，低成本、高效率、規?；圃焓翘祭w維復合材料的重要趨勢，熱塑性碳纖維復合材料前景廣闊。

目前熱固性復合材料在行業中仍占據主導地位，與傳統熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料成型周期短、化學成分毒性小，且具有高韌性、高抗沖和損傷容限、預浸料存儲期長、量產能力強等優點。

熱塑性碳纖維復合材料結合了碳纖維和熱塑性樹脂的性能優點，且成型后不發生化學交聯，能夠二次熔化和再成型，便于材料的回收及循環利用，解決了熱固性碳纖維復合材料使用期滿后的處理問題。

2、動力和能源系統：采用分布式電推進，能源系統以純電為主

eVTOL主要采用分布式電力推進技術（DEP）。分布式電推進飛機是隨著電動飛機發展而產生的，由電機驅動分布在機翼或者機身上的多個螺旋槳或風扇構成推進系統為飛機提供推力。DEP飛機利用推進-氣動耦合效應，大幅改善飛機空氣動力特性，減小機翼面積，從而降低飛機結構重量。多推進器的冗余能力為飛機提供更可靠的推力保障。

電推進技術采用電能作為動力系統的部分或全部能源，包括油電混合動力、電池、燃料電池等，通過電機驅動升力和推進裝置來提供飛行器所需的部分或全部動力，并通過頂層能量管理全面優化能量利用效率，有效降低飛行噪聲和污染物排放。

同時，電動力系統的功率特性對大氣壓力較弱的敏感性可顯著增強動力系統的高原適應性，使電動垂直起降飛行器展現出較高的高原適用潛力。

目前，國內外eVTOL主要采用純電動力。從在研項目看，對于短航程、垂直起降的航空器，采用純電動的方案占主要份額?？紤]到飛機續航能力需求，UAM市場對混合動力系統存在一定需求。

相比新能源車電池，eVTOL要求電池具有更高的能量密度。當前電池單體電芯的能量密度最高水平在300Wh/kg左右，電池包能量密度約220Wh/kg，遠低于航空燃油的比能量。

由于電池的技術限制了飛行器的航程，因此，航空業對動力電池單元能量密度提出了明顯高于電動汽車能量密度的要求（近期＞300Wh/kg，遠期目標＞500Wh/kg）。

此外，eVTOL獨特的運行剖面和任務循環以及苛刻的運行環境對鋰離子電池系統提出了更高的要求，為了應對緊急迫降需求，要在低電量狀態下（如20%SOC）依然保有高功率放電能力；為了滿足空中出租業務等頻繁使用場景，目前行業普遍需求在少于15分鐘內充電至80%。

目前采用三元鋰電，未來可能采用固態、半固態、金屬電池等。

當前主流化學體系鋰離子電池中，三元NCA電芯具有最佳的能量和功率性能，但成本較高、安全性較低；LFP（LiFePO4）電芯具有最高的安全性，但能量密度只有三元NCA和NCM電芯的一半；相比之下三元NCM電芯綜合性能最佳，因此三元NCM電池為當前eVTOL使用最廣泛的電池。

3、航電系統：飛機的中樞神經系統

1）綜合航電系統

航空電子系統（Avionics），簡稱航電系統，是飛機上所有電子設備的總和，常被形象地稱之為飛機的中樞神經系統。航電系統作為現代飛機的重要組成部分，其設計水平直接影響飛機的安全性和可靠性，同時也影響飛機的經濟性和舒適性。

航電系統一般分為傳感器系統（慣性導航系統、大氣數據計算機、雷達、各種無線電導航接收機等）、控制系統（飛行控制系統、發動機控制系統等），以及作為人-機接口的綜合電子顯示系統。航空電子系統的主要功能包括飛行控制、通信、導航、監視、顯示等。

不同類型的飛機根據其任務使命和應用環境不同，其航電系統的組成、功能和配置有一定區別?？傮w上看，航電系統主要功能是在飛機運行過程中，根據任務需要和環境特點，完成信息采集、任務管理、導航引導等基本飛行過程，為飛行機組提供基本的人機接口，保障飛機安全、可靠的完成相關任務。

通常而言，軍民用飛機通用的航空電子系統主要包括：核心處理系統、通信系統、導航系統、飛行管理系統、機載維護系統。

基于飛機使用需求，通用飛機航電系統還可以擴展自動駕駛、廣播式自動相關監視（ADS-B）、基于數據鏈的氣象/交通監視、合成視景、無線電高度表、自動定向機、測距器、防撞告警系統（TCAS）、地形提示告警系統（TAWS）等功能。

在eVTOL行業，全球主流機載航電公司基本都和相關eVTOL主機廠達成合作。

2）飛控系統

飛行控制系統簡稱飛控系統，可以根據飛行員的操縱指令、飛機飛行狀態和環境參數，控制飛機機翼、舵面等，實現飛機穩定飛行和精確機動。目前，小型無人機的飛控系統和民航飛機及軍用大型無人機的飛控系統均有成熟的解決方案。

飛控系統是eVTOL最核心的子系統之一，技術難度較大。eVTOL主要依賴飛控系統實現飛行器的感知、控制和決策。

eVTOL的飛行控制技術相比小型無人機或民航飛機更加復雜，需要解決基于多旋翼垂直起降、基于常規固定翼水平飛行以及垂直-水平兩種飛行模態的平穩切換等技術難題，并且平衡好eVTOL市場化過程中對飛控系統產生的輕量化、經濟性、適航等現實需求。

目前的電傳操縱系統主要應用于民航客機上，但是eVTOL機型的最大起飛重量多為一兩噸，在整機重量、體積小得多的情況下，再加上旋翼類飛機是靜不穩定的，必須在本就小巧的機身上加配飛控計算機和IMU等傳感器，對飛控系統的體積和重量提出了更苛刻的要求。

eVTOL對飛控系統有低成本要求。eVTOL與傳統民航客機有著明顯不同的使用場景，作為一種新型的中短途空中交通工具，更側重于在城市客運(UAM)、區域客運(RAM)、貨運、個人飛行器、緊急醫療服務等非長距離場景的應用。在追求高效率的同時，還需要做到可以面向大眾市場的低成本。

與民航客機動輒幾百萬美金的飛控系統預算不同，eVTOL的飛控系統提供商需要讓產品和服務匹配eVTOL的成本結構。

小型的電子零部件甚至車規級部件的使用、更先進的仿真系統、MBD（ModelBasedDesign）等新技術及工具的引進使得更低成本的飛控系統成為可能。

適航要求飛控系統需要具有高可靠性。適航要求eVTOL主機廠必須選擇可適航的高可靠性的飛控系統。

3）導航系統

導航系統是飛行器核心子系統之一，不僅為飛行器提供姿態、方位、速度和位置的信息，還提供飛行器的加速度和角速率，用于飛機的正確操縱和控制。

導航系統的最關鍵的指標是精度和可靠性，這兩個指標的提升一般有個途徑：

采用更高級別的傳感器，提升傳感器的精度和可靠性；

采用組合導航，組合多種不同工作原理的傳感器，形成一套可靠性和精度都遠高于單一傳感器的組合導航系統。

目前eVTOL主流方式，是采用MEMS傳感器、GNSS等，通過數據融合算法提升性能和魯棒性以滿足飛機對于導航系統的要求，eVTOL導航系統有低成本要求，體積、重量、功耗等限制下技術難度較高。傳統航空產業的組合導航系統過于昂貴，動輒上百萬的價格無法滿足eVTOL成本結構的需求。

同時，eVTOL飛機空間和電量有限，對組合導航系統的體積和功耗要求比傳統民航高。低沉本要求和體積、重量、功耗等限制下，開發適合eVTOL的組合導航技術難度較高。

此外，eVTOL飛行空域較民航客機更加復雜，有更多干擾因素，機隊規模和密度也會大幅度提升，對單機智能化提出了更高要求。

4）通信系統

在民航飛機中，航空空地通信系統按服務對象的不同，可分為駕駛艙通信系統、客艙通信系統；按通信體制不同，可分為基于衛星中繼模式的空地通信系統、基于ATG地面基站模式的空地通信系統。

低時延、高穩定的通訊鏈路是保障eVTOL航空器在復雜城市低空環境下安全運行的有效前提條件。相比較甚高頻通信系統（VHF）、衛星通信等傳統航空通信方式，地面移動通信中的5G毫米波蜂窩數據鏈路在低成本、高可靠、廣覆蓋等方面具備突出優勢。eVTOL在低空空域飛行，更適合于基于5G/5G-A地面通信基站的通信模式。

未來，隨著衛星互聯網的發展，地面基站與衛星互聯網可協同滿足eVTOL對通信的需求。

5）大氣數據系統

飛行器大氣數據傳感技術是用于測量表征飛行器運動與來流空氣相互關系的，包括飛行器運動時所處的靜態大氣壓力（靜壓）、來流沖擊壓力（總壓），所處環境的大氣溫度，機體與氣流之間的夾角（攻角、側滑角）等。飛行器的速度和壓力高度等關鍵飛行參數依賴于這些壓力測量，因此，大氣數據必須要準確可靠。

6）健康和使用監測系統

健康和使用監測系統（HUMS）是一個集機載航空電子設備、直升機故障診斷與預測算法、地面維護支持與管理于一體的系統。

HUMS在直升機中用于監測軸承和其他關鍵部件的狀況，通過提供故障預警，允許操作員在其他計劃維護活動期間主動更換組件，從而提高安全性并減少停機時間，其主要由機載設備和地面配套設備兩部分組成。

HUMS系統主要功能包括：數據采集與監控功能、旋翼錐體動平衡及機身振動監測功能、傳動系統振動健康監測功能、發動機健康監測功能、使用監測功能、超限告警功能、記錄直升機規定的各類超限告警信息以及實時數據傳輸功能等。

7）感知和避撞系統

飛行器在城市環境中飛行時，一些高層樓宇和建筑物將不可避免的對飛行過程產生影響，需要考慮城市低空域復雜場景下的飛行安全問題。

eVTOL可以載人飛行，在系統設計上需要考慮乘客安全，除了通過保障飛行器結構的可靠性外，飛行器是否具備避障功能也是決定安全性的關鍵因素。

8）其他機載系統或設備

緊急定位發射器：緊急定位發射器（EnergencyLocatorTransmitter，ELT）用于飛機遇險后發射搜救信號,幫助搜救人員確定事故位置并展開針對性的救援。

無線高度計：無線電高度計（RadioAltimeters）輸出的高度數據是飛行中的重要參數之一，該數據用于著陸飛行階段。

3、eVTOL配套商：傳統航空頭部供應商先發優勢顯著

載人飛行器具有嚴格的適航審定要求，傳統航空頭部供應商擁有豐富的經驗積累和適航取證經驗，先發優勢顯著。

國外eVTOL主機廠如Lilium、Vertical、Eve等多與傳統航空頭部供應商合作，以加快自身產品研發和適航取證。

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