一.国外头部企业发展现状
根据美国垂直飞行协会(VF5)统计,截至2024年3月底全球共有983型eVTOL概念产品,其中48%为多旋翼型,16%为升力+巡航型,36%为矢量推进型。
eVTOL航空器因为采用了大量创新性特性设计,缺乏工程经验和案例可以借鉴,很多基础性研发和验证都需要设计团队完成,与常规通用航空器设计非常不一样。典型的23部通用飞机设计需要20-60万工时完成立项到取证的工作;而eVTOL则需要数十万,甚至200万以上的工时。这也推高了研发成本。很多初创公司对此并没有足够认识,造成一再推延所设定的E1S(Enter-into-Service)目标。
据统计,只有29%的项目能进入缩比机验证阶段,只有5%的项目能进入全尺寸原型机研发阶段。2024-2026年将成为eVTOL从研制阶段转向规模商业化运行的关键时期,主要头部企业都规划将其型号在这一时期投入使用。
二.国内产业链发展现状
1.电池
动力电池技术对于新能源汽车、船舶、机器人等产业发展具有基础性支撑作用。航空动力电池是一种特化的动力电池,针对航空器需求和飞行作业环境进行了优化,它的发展需要依托于整个大的动力电池产业环境。世界各国对动力电池重点发展并提出了发展目标,典型路线如下:
(1)美国:美国能源部(USABC)更新了2023年先进电池的发展目标,重点发展快充动力电池,要实现80%SOC充电时间15分钟的同时,单体能量密度达到275Wh/kg,成本目标降至75美元/kWh。
(2)韩国:韩国电池产业协会2018年制定的动力电池路线图,2020年之后电池能量密度增速放缓。在寿命等指标上有明显提升。到2025年,单体能量密度为330Wh/kg,循环寿命1000次。
(3)中国:中国在2017年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》引导下,实现了动力电池技术的重大突破,2019年单体能量密度实现240Wh/kg(硬壳)、260Wh/kg(软包),成本降至1元/Wh有望实现2020年动力电池单体能量密度300Wh/Kg目标。同时我国在第十三个五年计划设置了新能源汽车重点研发专项(2016-2020),从动力电池新材料新体系、高比能锂离子电池、高功率长寿命电池、动力电池系统、高比能二次电池、测试评估六方面支持动力电池的技术研发,产业化的锂离子电池比能量达到300Wh/Kg以上,成本降至0.8元/Wh以下,新型锂离子电池的比能量达到400Wh/Kg以上,新体系电池的比能量达到500Wh/Kg以上。在《中国制造2025》中提出的动力电池发展目标2020年单体电池的比能量达到300Wh/Kg,2025年达到400Wh/Kg,2030年达到500Wh/Kg(电芯能量密度)。
2.动力系统
eVTOL航空器动力系统多采用了分布式电动推进系统(DEP),少数会考虑使用氢动力、油电混动动力。电机虽然功率密度大、结构简单、维护要求低、布局要求低可以避免很多机械结构问题;但考虑到电池能量密度过低,动力系统重量占比还是要高于传统航空器。
电机作为适航航空器的动力装置是近年来才兴起的,所以,几乎所有电机型号并没有适航认证。各国民航主管当局和工业界在通力合作,加速这一进程。
由于电驱动是新兴的动力形式,国外提供这类产品的企业主要有以下几种:
(1)传统大型航空工业供应商,基于自有储备技术和相关部门进行研发设计,典型的如Safran。
(2)初创企业,它们通常从各种大学、大型企业孵化而来,典型的如Evolito。
(3)大型企业收购其它专业公司、或成立合资公司以获得相关能力,典型的如RollsRoyce收购西门子的电力和混合动力航空航天推进业务eAircraft,成为飞机电动和混合动力推进系统供应商。
3.航电和机载设备配套
eVTOL航空器更强调高度自主化和自动化、与空管系统和运控系统的高度协调、全面应用A1/云计算等最新信息技术、使用更多的传感器、更全面的落实整机健康状况管理、使用空地数据链和卫星数据链等;这些技术创新和新技术应用,又给予很多初创科技公司发展机遇,所以,这一领域呈现出几个特点:传统机载设备配套厂商依然发挥骨干中坚作用;新兴初创公司充满活力,在各个细分领域寻找机遇;有很多跨行业而来的大型企业进入,争夺这一增量市场。
传统机载设备配套企业拥有丰富的适航机载设备研发经验,大部分eVTOL整机企业通常选择其配套核心航电设备,降低整机取证风险和周期。这类企业通常有非常完善的产品矩阵,典型的如Honeywell、Garmin。跨界进入这一领域的企业典型的如Inmarsat,其主业是海事卫星服务、卫星通讯系统,但最新一代航空器需要使用卫星通讯,Inmarsat顺其自然的进入eVTOL配套市场。新兴初创公司大都集中在自主飞行、A1、网络通讯安全等领域,作Tier2级别的供应商,比如Daedalean的AI自主飞行产品客户为Honeywell等航电企业;也有少数直接服务整机厂商的,如NearEarthAutonomy直接服务于Volocop-ter.
4.基础设施
eVTOL实现落地应用离不开基础设施的支撑,主要涉及有:机场/起降场、充电、加氢、空管设备气象、数字化等几大类关键基础设施。
机场设施领域的企业主要有两大类:(1)传统民航机场、大型直升机场的运营管理单位;(2)科技创新公司。前者通常掌握了客流资源甚至是垄断性的地理位置资源,现有设施可以经改造适应eVTOL运营,也有雄厚的资本和成熟的运营管理团队,对民航法规标准程序有充分的理解,一般采取与后者合作的方式进入这一市场。典型的如德国法兰克福机场集团、慕尼黑机场、英国伦敦希斯罗机场。后者则将eVTOL起降场当做自身发展的重大机遇,愿意积极与整机厂家、局方对接掌握客户需求和法规政策要求全流程参与到eVTOL起降设施的选址、规划、设计、建设和运营中。
eVTOL充电基础设施企业主要由电网公司、电气设备公司、机场公司等几类组成。与电动汽车类似,eVTOL航空器目前并无统一充电标准,比如Joby、BetaTechnologies制定了不同的标准,在起降场地为它们充电,则必须安装不同类型的充电桩。国外主要标准有由GAMA领导的CCS充电标准(CombinedChargingSystem,联合系统充电标准),支持者主要是ArcherAviation、BetaTechnologies.Volccopter,Overair、WiskAero、EveAirMobility和Lilium;以及由jobyAviation制定的GEACS充电标准(GlobalElectricAviationChargingSystem,全球电动航空充电系统标准)。
相对于充电,氢能源产业链在全球发展进度更慢,配套更加缺乏。eVTOL加氢基础设施企业主要氢能源产业链企业、其它转型能源企业等组成。
eVTOL航空器运行,意味着在人口密集区域上空的低空航线,开展常态化、大流量的载人飞行活动,这与先前民航的运行活动大不相同,所需技术手段也将有很大差异。它要求有更加精细化、网格化的低空气象预报支撑。所以,掌握全新算法和预报模型、气象激光雷达等技术的企业纷纷崭露头角。
数字化/IT基础设施。eVTOL航空器的重要特性是高度自动化、自主化、数字化。它需要大量的IT基础设施支撑,比如云计算、数字孪生、AIGC等以支撑应用层能力建设。
二.国外eVTOL城市群运营试点进展
由于目前尚未有国外载人eVTOL完成适航取证,且配套的运营法规、标准并未制定完毕,欧美主要工业强国在一些条件较完备的区域开展eVTOL/城市空中交通的试运行、概念验证,为未来大规模运行摸索经验。在一些湾区城市群人口密集、经济发达,政府财政能力雄厚,而产业和资本也有实力和兴趣参与未来城市空中交通变革,愿意抢占未来发展的先发优势;且城市密集分布互相串联,拥有推广eVTOL的最佳场景,在这些地区对eVTOL和城市空中交通的运行探索最为积极。世界主要城市群相关布局和发展现状如下:
1.加州硅谷湾区:加速成为全球eVTOL产业创新之都
硅谷湾区正在成为全球先进空中交通的“创新之都”,已集聚了美国实力最强的一批eVTOL制造商joby、Archer, wisk, Elroy、KittyHawk,AlefAeronautics、Cora、Hoversurf,VimanaGlobaOpener、Vahana,也吸引了来自华盛顿的Supernal设立研发中心、韩国的PlanaAero设立总部。
Uber是最早提出空中出租车计划的共享汽车公司,而这个远景逐步变成现实--美国联合航空公司计划从2026年开始在旧金山国际机场为往返机场的乘客提供电动飞机出租服务。此外,硅谷在航空航天研发的实力雄厚,NASA在硅谷设立的埃姆斯研究中心(AmesResearchCenter)创立于1939年,持续推进未来交通系统、新型交通工具的研究和开发。加州伯克利大学的航空未来实验室(AviationFuturesLab)斯坦福大学的智能系统实验室(IntelligentSystemsLaboratory)也在研究基于eVTOL的未来交通系统和可持续交通解决方案。马斯克的火箭发射公司SpaceX也关注到这个行业,投资了飞行汽车公司AlefAutomotive,其飞行汽车ModelA获得了FAA颁发的特殊适航证,用于展览、研究和开发等用途。
2.纽约大都市区:城市空中交通起源地领先启航
eVTOL最先将部分取代通航直升机已成为业界共识,纽约大都会区是全球最繁忙的直升机运行空域也是全球城市空中交通的起源地。纽约湾区是众多eVTOL制造商的必争之地和运营推广的首发城市。大纽约都会区的通航基础设施和网络发达,拥有7座运输机场和20余座通用机场,应用场景主要是公务机和直升机客运。纽约都市区还有许多直升机场,其中最繁忙的三个位于曼哈顿,纽约3个大型枢纽机场和曼哈顿之间开通了直升机客运服务,实现了曼哈顿和3个纽约机场之间的8分钟通达。通航业发展历史长使得公众对空中交通的接受度高。纽约湾区是全美高净值人群和高端商务人士的集聚区,具有全美甚至全球最发达的通航运营产业。
3.东京大都市区:以综合性规划为牵引发展AAM
东京湾区集聚了全日本实力最强的eVTOL企业SkyDrive以及积极投入到空中交通领域的本田、丰田汽车企业,且有日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合企业共同推进eVTOL的研发。以东京湾区为起点,日本正在大力发展AAM。日本很早制定AAM的发展路线图--《日本的先进空中交通:我们的发展和超越》,路线图提出了日本2025年在大版世博会上启动先进空中交通服务、2030年实现eVTOL空中出租车及重型货运无人机业务全面商业化的目标。东京湾区有多家通航公司,提供包括私人飞机、直升机旅游观光、医疗救援、警务支援等服务,城市服务保障方面东京仅用5年时间构建了通用航空救援救护体系,这一过程在欧美国家历经20年。
日本通过政府引导,企业作为运营主体参与的方式,探索eVTOL的城市空中交通场景运行,实现路径非常稳健,工作落实的非常细致。2022年,日航、三菱和兼松株式会社(日本十大商社之一)联合向日本政府提交了一份在东京都市区启动AAM试点运营的项目提议。它连接东京市中心主要交通运输枢纽、机场、岛屿,提供运输服务和观光飞行,并通过2023年的直升机示范运营和2024年的eVTOL和着陆飞机示范运营,研究运营问题、盈利能力等方面。