飞行汽车:航空新能源化展望

飞行汽车:航空新能源化展望

题图来自Unsplash,基于CC0协议

一、飞行汽车的基本概念

1.本次研究的范畴

VTOL (Vertical Take-Off and Landing) 意为垂直起降,更常见的eVTOL意为电动垂直起降 (此处e代表Electric) 。

虽然“飞行汽车”这个词汇较为常见且宽泛,本次研究的飞行汽车主要聚焦于纯电驱动、载人场景、载人数在2人或2人以上的垂直起降飞行器。

备注:直升机不属于VTOL,VTOL一般垂直起飞与降落和悬停的时候靠旋翼产生升力,在平飞时可以像普通的飞机一样靠机翼产生升力;直升机全程靠旋翼产生升力,靠旋翼的倾斜来控制方向;直升飞机由于体积、重量都较大,起飞和降落需要更专业的场地,eVTOL对于起落的场地需求相对于直升机较小。

2.为什么是电动eVTOL

(1)更环保:燃油发动机如果在低空域使用,会造成空气污染问题。

(2)低噪音:电机驱动的噪音低于燃油发动机。 (例如直升机噪音在82dB,而纯电的Volocopter 2X的噪声分贝为65dB)

(3)电机稳定性强:电机驱动相对于燃油机驱动结构简单,电机输出功率不受含氧量影响,日常维护简单,对飞行员的操作水平要求低。

(4)燃料成本大幅降低:电力的运营成本远低于燃油,例如飞行汽车高速巡航情况下百公里耗电可降至31度 (Uber测算) ,按照0.6元一度电计算,百公里成本约18元;同级别的燃油小飞机百公里油耗在10-15L,按照9元/L计算,百公里成本在100元上下。

总结:发展eVTOL是继地面交通新能源化后,燃油航空的电动化革命,短期内eVTOL产品集中于短距离、小型化载客运输场景,长期来看有望取代长距离、载客数十人的中大型航空交通工具,大幅降低航空燃料成本及碳排放。

3.飞行汽车近年的快速发展

2016年,全球只有6~7种飞行汽车在被研发。

2017年,国内开始有部分创投媒体报道飞行汽车。

2018年,飞行汽车公司数量暴增至70多家,部分创投媒体预言飞行汽车已经不远。

2021年,研发飞行汽车的企业进一步翻倍到150多家;分析:国内飞行汽车创业热潮与2021年10月小鹏汇天获得5亿美元大额融资有一定关系,同时也与纯电动汽车产业的崛起有较大关系,促使人们去探索下一代的汽车产业变革,而飞行汽车是其中的重要方向。

近年航空创新已总共融资150亿美元,其中2021年融资额为69亿美元,2022上半年获得22亿美元,包括可持续航空、超音速飞机、载客电动垂直起降 (eVTOL) 飞机以及监控或物流无人机 (根据麦肯锡发布数据) 。

二、市场需求与政策环境

1.当前市场阶段

当前飞行汽车的市场处于从0到1的起步阶段,2021-2022年全球仅有数千万美元订单预付款;较为领先的玩家普遍预计在2024-2025年发布量产产品 (部分已取得数十亿美元订单) 。

未来市场能否实现从1到100的突破,我们认为取决于电池能量密度能否提升 (至少要到300-400Wh/kg以上) ,续航里程大幅提升。

长期来看,市场规模的培育一方面取决于技术成熟度 (如续航、安全性、飞控算法等) ,另一方面也取决于基础设施、相关法律法规、用户接受度等因素。

2.潜在的应用场景

(1)特大型城市的点对点日常通勤 (缓解全球城市化进程导致的地面交通压力加剧问题)

(2)医疗急救、消防等应急场景

(3)山地、河流、跨海等公路交通不便的场景

(4)临近都市圈的城际运输

(5)货运市场

(6)除民用外,工业及军事上的需求

3.政策支持与约束

(1)政策支持

2021年7月,湖南成为我国首个全域低空飞行试点省份,在3000米以下低空空域针对航空器监视通信覆盖、低空空域监管、低空空域运行管理等方面积累经验。此外江西、安徽也加入全国低空改革试点省份。

2022年3月29日,交通部、科技部在《交通领域科技创新中长期发展规划纲要(2021—2035年)》中,正式提出将飞行汽车的研发纳入到规划当中:部署飞行汽车研发,突破飞行器与汽车融合、飞行与地面行驶自由切换等技术。

2022年10月20日,沃飞长空旗下沃飞天驭近日获得中国AOPA (中国航空器拥有者及驾驶员协会) 倾转旋翼无人机合格证培训资质,成为该类型无人航空器全国首家培训资质授权单位。

国外情况:美国在60年代就开放了3000米以下的空域,低空空域管理基本趋向民用化管理,eVTOL和直升机都可以在无限制空域 (一般为G级空域) 自由飞行;日本和韩国率先在政策支持上打开了城市空中交通 (UAM) 的局面。

(2)制度约束

全球各个国家和地区对于飞行设备都有着严格的管制,例如飞机的航线、高度、宽度、速度都有相应的规范和要求,否则会发生意外和事故。

4.用户的潜在顾虑

对于城市居民的安全性:可能会成为恐怖分子作案工具,造成伤亡,高层民众会担忧其安全性。

对于用户的安全性:高净值人群很可能对新技术的安全性顾虑,短期几年内需要用户培育过程。

学习门槛:例如需要考取飞行汽车的驾驶证。

三、现有产品形态及分析

1.多旋翼

现阶段创业公司最常见的构型之一。

优势:占地空间小,可垂直起降,精准悬停,操作简单,技术难度相对较小。

难点:能效较低,航程短,仅适用于短途运输。

例如小鹏现有的第五代机型飞行速度可以达到130公里每小时,续航35分钟,自重560kg,最大载重200kg,单次飞行最远直线距离为75.8KM。

2.复合翼

起飞及降落依靠多旋翼,滑行期间依靠固定翼节约能源,复合翼可兼顾巡航速度与巡航距离。

优势:能效较高,载人数量通常更多,更加安全稳定,能够使灾难级故障率大幅下降。

难点:固定翼占地面积较大,不易折叠,该机型难以改造成陆地汽车形态。

3.倾旋翼

优势:倾转旋翼载人飞行器兼具直升机 (或多旋翼) 和固定翼载人飞行器的优点,复杂度大于二者之和。倾转翼方案也被认为是下一代的eVTOL机翼方案。

难点:由于其结构复杂度最高,因而在飞行状态下,伴随结构变化的控制难度也最大,技术难点有气动干扰研究、飞行控制研究、结构设计研究等。

4.倾转涵道风扇

目前仅有德国Lilium公司选择了这一独特构型,将涵道风扇与倾转机翼融为一体,旗下五座原型机目前由多达36个小尺寸涵道风扇提供升力、推力和航向与姿态控制;涵道风扇消除了开放性螺旋桨在安全方面的隐患。

优势:由于接近于复合翼构型,续航里程可以达到300km。

难点:目前该方案并非主流构型之一,可参考经验少。

5.陆空两栖汽车

从设计图来看,小鹏汇天的陆空两用汽车是最贴近于“飞行汽车”这一称号的,预计90%的时间用于开放道路自由行使,10%的时间用于飞行状态。

优势:在于折叠形态下占地面积小于其他固定翼/倾旋翼飞行器,无缝衔接开放道路与飞行的两段需求。

难点:在于同时搭载陆地及飞行两套动力系统,在飞行及陆地行使层面会增加额外的自重,如何突破续航能力是不小的挑战。

四、关键技术难点

1.电池能量密度

在当前锂离子电池化学体系下很难实现超过400Wh/kg的能量密度。而实现超过400乃至达到600Wh/kg的高能量密度就需要下一代电池技术的发展。潜在的技术包括:固态电池,金属-空气电池等等。

当前锂电池能量密度举例参考:比亚迪三元锂电池能量密度为219Wh/kg,宁德时代麒麟电池目前能量密度255Wh/kg;2022年10月NASA宣布研制出了500Wh/kg的固态电池 (硫硒电池) ,可应用于电动飞机。

对于电池能量密度对于续航能力的影响,根据清华大学郝瀚副教授团队测算:

当电池能量密度为200Wh/kg时,飞行汽车续航100km所需电池容量为70kWh,续航200km所需电池容量为537kWh (按照每度电5kg的重量,续航200km需要2.5吨电池,因此不现实) 。

当电池能量密度提升至400Wh/kg时,100km续航所需电池容量为44kWh,200km续航所需电池容量下降到94kWh (下降了80%以上) 。

电池能量密度如果提升至400Wh/kg,续航甚至可达到300km;能量密度如果提升至600Wh/kg,续航可达到400km。

2.氢燃料电池方案的可行性

相对锂电方案,虽然氢燃料电池存在能量密度高、电池寿命长等优势,但在动态响应性及功率密度上存在一定不足 (航空通常要求1500W/kg的功率密度,而氢燃料电池系统仅仅只能达到600W/kg) ,因此长期来看,我们认为氢燃料搭配一部分锂电池储能是更优方案,锂电池可用于启动和提供快速变化的功率输出,氢燃料电池可用于续航中的能量输出。

(点击查看大图)

3.飞控/自动驾驶算法

eVTOL的飞行控制相关技术包含多个方面,包含动力学模型建立、 (正常和降级) 控制律设计、电传飞控系统设计、软硬件设计等。

飞控算法主要设计到不同机型的姿态控制,难度上多旋翼<复合翼<倾旋翼。

自动驾驶算法目前国内有小鹏汇天在研究。

4.机身材料技术

常见的有碳纤维复合材料 (例如小鹏汇天、商用大飞机等) ,主要考量点为密度低、强度高。

碳纤维复合材料结构的密度通常在1.6g/cm3以下,而航空常用的金属中,铝合金密度为2.7g/cm3。

5.整机空气动力学性能

使得在巡航的过程中,能极大降低能源消耗。这也是相较于直升机的优势点,同时也是未来与地面交通工具能耗对比的关键点。

单纯依靠多旋翼的机型能效较低,未来的飞行汽车采用复合翼或倾旋翼是大概率事件。

6.安全性/适航认证

(1)关于适航认证

国际上认可的符合性表明方法有十种,分别为符合性声明 (MC0) 、设计评审 (MC1‍) 、分析/计算 (MC2) 、安全评估 (MC3) 、试验室试验 (MC4) 、地面试验 (MC5) 、飞行试验 (MC6) 、航空器检查 (MC7) 、模拟器试验 (MC8) 、设备合格性 (MC9) 。

企业在使用每一种符合性方法时,如何表明评审结论是有效的,都有相应的标准和规范要求。最终企业将会面对一个庞大的符合性矩阵。据从业人士和研究机构预计,eVTOL获取适航认证一般可能需要花费十亿元人民币左右。

例如沃兰特选择了中国民航局 (CAAC) 作为适航切入口,并在今年1月签署了中国国内首份客运eVTOL的安全保障合作计划 (PSP) ,目标在2026年取得型号合格证 (Type Certificate) ;Joby在争取美国联邦航空管理局 (FAA) 型号合格证,希望在2024年开始提供商业服务。

(2)保障安全性的措施

飞行控制系统需要在因故障降级后仍需要一定的飞行性能和飞行品质,故障引发安全关键功能失效的概率要足够小。

参考轻型飞机的安全配置,eVTOL也可标配或选配整机降落伞。

五、商业模式探讨

1.面向C端销售

例如小鹏汇天,预计售价在100万元以内,于2024-2025年开始交付;目标用户可参考全球范围内的豪车购买群体 (如中东地区、欧美地区、国内用户等) 。

2.面向B端销售

例如亿航智能,向景区销售载人飞行器,景区向游客提供航空游览服务。

3.提供运力服务

空中出租车模式,例如市区内的点对点服务 (如市中心到机场) 或临近城市的点对点服务,以运力服务为主的厂商需要重点看单台飞机的回本周期。

基于一系列假设测算,Uber认为可以将飞行出租车每英里的运营成本控制在0.496美元,低于Uber X (类似于专车) 每英里的价格为2.34美金,Uber Pool (类似于拼车) 的每英里价格为1.36美元。

4.行业现有的商业化进展

美国联合航空于2022年8月向Archer转了1,000万美元的交付前预付款,作为对首批100架飞行器的预定。

美国航空2021年给英国公司Vertical Aerospace投资了2,500万美元,且同意为250架飞行器订单中的50架支付一笔数目不明的交付前预付款。

商用时间规划:例如小鹏汇天、空客旗下CityAirbus NextGen、Volocopter、AeroMobil及Joby计划与2024年开始商用,贝尔旗下Nexus 6HX、SkyDrive、巴西航空旗下Eve、Lillium计划于2025-2026年开始商用。

六、国内外eVTOL公司总结

现有参与者主要分三类:国内创业公司、国外创业公司及国内外的产业巨头 (例如汽车、航空产业) 。

1.国内创业公司

国内值得关注的创新公司有:沃兰特航空 (复合翼) 、零重力飞机工业 (倾旋翼方案,同时有前两款技术积累) 、时的科技 (倾旋翼) 、WEFLY齐飞等。

总结:国内厂商普遍成立时间相较于国外晚4-5年,在设计形态、技术积累及团队经验上有较大的差异化,在募资规模及公司体量上仅为国外友商的1/10左右,未来仍有较大的追赶潜力;以下19家公司中,多数公司在2020-2021年成立。

(点击查看大图)

2.国外创业公司

总结:国外飞行汽车领域的独角兽公司普遍成立时间较早,集中于2014-2015年成立;

其中上市公司有5家:Lilium Aviation、Joby Aviation、Archer Aviation、Vertical Aerospace、Eve Holding,5家公司在美股的市值总和为78.25亿美元 (根据2022年10月统计) ;其中有4家在2021年上市,1家在2022年5月上市;

非上市独角兽公司4家:Volocopter、Wisk Aero、Overair、Beta Technologies;

以上9家相对头部的公司中:美国5家,德国2家,巴西1家,英国1家。

(点击查看大图)

3.产业巨头

目前国内产业巨头中,量产进展相对领先的是吉利集团,旗下拥有沃飞长空及太力飞行两家公司,在专利布局方面最领先的是大疆科技(虽然并未开始推出相关产品) 。

(点击查看大图)

七、观点总结

1、发展eVTOL是继地面交通新能源化后,燃油航空的电动化革命,长期来看有望大幅降低航空燃料成本 (约为当前水平20%) 及碳排放 (如零碳航空) 。

2、eVTOL能否实现的最核心关键点在于电池能量密度是否超过300-400Wh/kg,届时续航里程能够超过200-300km。

3、eVTOL企业的目标市场很可能是全球化的,有望在高铁/高速公路不发达国家,欧美/中东等发达国家率先落地。

4、商业模式上由专业公司运营的点对点载客服务很可能更先实现,C端用户开放自由驾驶难度较大。

5、eVTOL从现阶段到量产运营要到2025年 (根据各厂家规划) ,预计从现在起5年内会小范围落地,大范围应用可能会长达10年以上。

6、目前对于选择何种机型技术路线尚未形成共识,复合翼方向兼顾实现可行性及先进性,倾旋翼方向更为先进,但实现难度更大。

7、国内外大型车企布局研发飞行汽车有一定的防御性/试探性,长期来看初创企业仍有较大的创新竞争机会。

附录:eVTOL VS 其他交通工具

1.油耗对比:

大型客机油耗:民航客机理想条件下平均每人每百公里油耗3-5升,而且随着飞行距离的增加和载客量的增多,油耗还会进一步降低。世界上最大的民航客机空客A380,理论平均每人百公里油耗仅有2.9升。

飞行汽车:由于不需要克服地面的阻力,仅需要克服空气阻力,再加上走直线,理论上能耗相对于汽车会更低;随着速度提升到201km/h时,飞行汽车获得最好的能源经济性,百公里的电耗将会降低到31度 (根据Uber在2016年的测算) ;研究表明,eVTOL的航程只有突破了35公里,能源成本优势才能逐步凸显出来。

电动汽车:以Model S为例,如果车速到了超过141km/h时,百公里电耗将会达到41度。而在这个点,飞行汽车的能耗经济性将超越Model S (根据Uber在2016年的测算) 。

2.运营效率:

由于速度更快,飞行汽车一天之内的运输趟数可能是汽车的数倍,每日运营公里数可达数千公里;因此一辆飞行汽车在整个生命周期内的运输里程可达到数百万公里 (在换电模式下) ,远高于汽车水平。

3.碳排放:

在100千米(62英里)的旅程中,一辆满载的电动垂直起降飞行汽车携带一名飞行员和三名乘客,比平均载客量为1.54的陆基汽车所排放的温室气体要少。 (根据2019年4月9日《自然通信(Nature Communications)》研究)

短期内,随着电池技术进步及电网清洁化,纯电动飞行汽车碳排放将低于路面内燃机汽车,但与路面纯电动汽车仍有一定差距,长期有望赶上或超越纯电动汽车。

参考资料:

eTransportation最新论文,电动飞行汽车的二氧化碳排放:电池比能量和电网排放因子的影响

清华大学郝瀚副教授团队针对电动飞行汽车碳排放及其关键影响因素研究

原文链接:https://36kr.com/p/2003526467014537

本文地址:https://www.cknow.cn/archives/12655

以上内容源自互联网,由百科助手整理汇总,其目的在于收集传播生活技巧,行业技能,本网站不对其真实性、可靠性承担任何法律责任,如有侵权请联系删除。特此声明!

题图来自Unsplash,基于CC0协议