飛行汽車：航空新能源化展望

一、飛行汽車的基本概念

1.本次研究的范疇

VTOL（Vertical Take-Off and Landing）意為垂直起降，更常見的eVTOL意為電動垂直起降（此處e代表Electric）。

雖然“飛行汽車”這個詞匯較為常見且寬泛，本次研究的飛行汽車主要聚焦于純電驅(qū)動、載人場景、載人數(shù)在2人或2人以上的垂直起降飛行器。

備注：直升機不屬于VTOL，VTOL一般垂直起飛與降落和懸停的時候靠旋翼產(chǎn)生升力，在平飛時可以像普通的飛機一樣靠機翼產(chǎn)生升力；直升機全程靠旋翼產(chǎn)生升力，靠旋翼的傾斜來控制方向；直升飛機由于體積、重量都較大，起飛和降落需要更專業(yè)的場地，eVTOL對于起落的場地需求相對于直升機較小。

2.為什么是電動eVTOL

（1）更環(huán)保：燃油發(fā)動機如果在低空域使用，會造成空氣污染問題。

（2）低噪音：電機驅(qū)動的噪音低于燃油發(fā)動機。（例如直升機噪音在82dB，而純電的Volocopter 2X的噪聲分貝為65dB）

（3）電機穩(wěn)定性強：電機驅(qū)動相對于燃油機驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，電機輸出功率不受含氧量影響，日常維護簡單，對飛行員的操作水平要求低。

（4）燃料成本大幅降低：電力的運營成本遠低于燃油，例如飛行汽車高速巡航情況下百公里耗電可降至31度（Uber測算），按照0.6元一度電計算，百公里成本約18元；同級別的燃油小飛機百公里油耗在10-15L，按照9元/L計算，百公里成本在100元上下。

總結(jié)：發(fā)展eVTOL是繼地面交通新能源化后，燃油航空的電動化革命，短期內(nèi)eVTOL產(chǎn)品集中于短距離、小型化載客運輸場景，長期來看有望取代長距離、載客數(shù)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.飛行汽車近年的快速發(fā)展

2016年，全球只有6~7種飛行汽車在被研發(fā)。

2017年，國內(nèi)開始有部分創(chuàng)投媒體報道飛行汽車。

2018年，飛行汽車公司數(shù)量暴增至70多家，部分創(chuàng)投媒體預(yù)言飛行汽車已經(jīng)不遠。

2021年，研發(fā)飛行汽車的企業(yè)進一步翻倍到150多家；分析：國內(nèi)飛行汽車創(chuàng)業(yè)熱潮與2021年10月小鵬匯天獲得5億美元大額融資有一定關(guān)系，同時也與純電動汽車產(chǎn)業(yè)的崛起有較大關(guān)系，促使人們?nèi)ヌ剿飨乱淮钠嚠a(chǎn)業(yè)變革，而飛行汽車是其中的重要方向。

近年航空創(chuàng)新已總共融資150億美元，其中2021年融資額為69億美元，2022上半年獲得22億美元，包括可持續(xù)航空、超音速飛機、載客電動垂直起降 (eVTOL)飛機以及監(jiān)控或物流無人機（根據(jù)麥肯錫發(fā)布數(shù)據(jù)）。

二、市場需求與政策環(huán)境

1.當前市場階段

當前飛行汽車的市場處于從0到1的起步階段，2021-2022年全球僅有數(shù)千萬美元訂單預(yù)付款；較為領(lǐng)先的玩家普遍預(yù)計在2024-2025年發(fā)布量產(chǎn)產(chǎn)品（部分已取得數(shù)十億美元訂單）。

未來市場能否實現(xiàn)從1到100的突破，我們認為取決于電池能量密度能否提升（至少要到300-400Wh/kg以上），續(xù)航里程大幅提升。

長期來看，市場規(guī)模的培育一方面取決于技術(shù)成熟度（如續(xù)航、安全性、飛控算法等），另一方面也取決于基礎(chǔ)設(shè)施、相關(guān)法律法規(guī)、用戶接受度等因素。

2.潛在的應(yīng)用場景

（1）特大型城市的點對點日常通勤（緩解全球城市化進程導(dǎo)致的地面交通壓力加劇問題）

（2）醫(yī)療急救、消防等應(yīng)急場景

（3）山地、河流、跨海等公路交通不便的場景

（4）臨近都市圈的城際運輸

（5）貨運市場

（6）除民用外，工業(yè)及軍事上的需求

3.政策支持與約束

（1）政策支持

2021年7月，湖南成為我國首個全域低空飛行試點省份，在3000米以下低空空域針對航空器監(jiān)視通信覆蓋、低空空域監(jiān)管、低空空域運行管理等方面積累經(jīng)驗。此外江西、安徽也加入全國低空改革試點省份。

2022年3月29日，交通部、科技部在《交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（2021—2035年）》中，正式提出將飛行汽車的研發(fā)納入到規(guī)劃當中：部署飛行汽車研發(fā)，突破飛行器與汽車融合、飛行與地面行駛自由切換等技術(shù)。

2022年10月20日，沃飛長空旗下沃飛天馭近日獲得中國AOPA（中國航空器擁有者及駕駛員協(xié)會）傾轉(zhuǎn)旋翼無人機合格證培訓(xùn)資質(zhì)，成為該類型無人航空器全國首家培訓(xùn)資質(zhì)授權(quán)單位。

國外情況：美國在60年代就開放了3000米以下的空域，低空空域管理基本趨向民用化管理，eVTOL和直升機都可以在無限制空域（一般為G級空域）自由飛行；日本和韓國率先在政策支持上打開了城市空中交通（UAM）的局面。

（2）制度約束

全球各個國家和地區(qū)對于飛行設(shè)備都有著嚴格的管制，例如飛機的航線、高度、寬度、速度都有相應(yīng)的規(guī)范和要求，否則會發(fā)生意外和事故。

4.用戶的潛在顧慮

對于城市居民的安全性：可能會成為恐怖分子作案工具，造成傷亡，高層民眾會擔(dān)憂其安全性。

對于用戶的安全性：高凈值人群很可能對新技術(shù)的安全性顧慮，短期幾年內(nèi)需要用戶培育過程。

學(xué)習(xí)門檻：例如需要考取飛行汽車的駕駛證。

三、現(xiàn)有產(chǎn)品形態(tài)及分析

1.多旋翼

現(xiàn)階段創(chuàng)業(yè)公司最常見的構(gòu)型之一。

優(yōu)勢：占地空間小，可垂直起降，精準懸停，操作簡單，技術(shù)難度相對較小。

難點：能效較低，航程短，僅適用于短途運輸。

例如小鵬現(xiàn)有的第五代機型飛行速度可以達到130公里每小時，續(xù)航35分鐘，自重560kg，最大載重200kg，單次飛行最遠直線距離為75.8KM。

2.復(fù)合翼

起飛及降落依靠多旋翼，滑行期間依靠固定翼節(jié)約能源，復(fù)合翼可兼顧巡航速度與巡航距離。

優(yōu)勢：能效較高，載人數(shù)量通常更多，更加安全穩(wěn)定，能夠使災(zāi)難級故障率大幅下降。

難點：固定翼占地面積較大，不易折疊，該機型難以改造成陸地汽車形態(tài)。

3.傾旋翼

優(yōu)勢：傾轉(zhuǎn)旋翼載人飛行器兼具直升機(或多旋翼)和固定翼載人飛行器的優(yōu)點，復(fù)雜度大于二者之和。傾轉(zhuǎn)翼方案也被認為是下一代的eVTOL機翼方案。

難點：由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度最高，因而在飛行狀態(tài)下，伴隨結(jié)構(gòu)變化的控制難度也最大，技術(shù)難點有氣動干擾研究、飛行控制研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計研究等。

4.傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇

目前僅有德國Lilium公司選擇了這一獨特構(gòu)型，將涵道風(fēng)扇與傾轉(zhuǎn)機翼融為一體，旗下五座原型機目前由多達36個小尺寸涵道風(fēng)扇提供升力、推力和航向與姿態(tài)控制；涵道風(fēng)扇消除了開放性螺旋槳在安全方面的隱患。

優(yōu)勢：由于接近于復(fù)合翼構(gòu)型，續(xù)航里程可以達到300km。

難點：目前該方案并非主流構(gòu)型之一，可參考經(jīng)驗少。

5.陸空兩棲汽車

從設(shè)計圖來看，小鵬匯天的陸空兩用汽車是最貼近于“飛行汽車”這一稱號的，預(yù)計90%的時間用于開放道路自由行使，10%的時間用于飛行狀態(tài)。

優(yōu)勢：在于折疊形態(tài)下占地面積小于其他固定翼/傾旋翼飛行器，無縫銜接開放道路與飛行的兩段需求。

難點：在于同時搭載陸地及飛行兩套動力系統(tǒng)，在飛行及陸地行使層面會增加額外的自重，如何突破續(xù)航能力是不小的挑戰(zhàn)。

四、關(guān)鍵技術(shù)難點

1.電池能量密度

在當前鋰離子電池化學(xué)體系下很難實現(xiàn)超過400Wh/kg的能量密度。而實現(xiàn)超過400乃至達到600Wh/kg的高能量密度就需要下一代電池技術(shù)的發(fā)展。潛在的技術(shù)包括：固態(tài)電池，金屬-空氣電池等等。

當前鋰電池能量密度舉例參考：比亞迪三元鋰電池能量密度為219Wh/kg，寧德時代麒麟電池目前能量密度255Wh/kg；2022年10月NASA宣布研制出了500Wh/kg的固態(tài)電池（硫硒電池），可應(yīng)用于電動飛機。

對于電池能量密度對于續(xù)航能力的影響，根據(jù)清華大學(xué)郝瀚副教授團隊測算：

當電池能量密度為200Wh/kg時，飛行汽車續(xù)航100km所需電池容量為70kWh，續(xù)航200km所需電池容量為537kWh（按照每度電5kg的重量，續(xù)航200km需要2.5噸電池，因此不現(xiàn)實）。

當電池能量密度提升至400Wh/kg時，100km續(xù)航所需電池容量為44kWh，200km續(xù)航所需電池容量下降到94kWh（下降了80%以上）。

電池能量密度如果提升至400Wh/kg，續(xù)航甚至可達到300km；能量密度如果提升至600Wh/kg，續(xù)航可達到400km。

2.氫燃料電池方案的可行性

相對鋰電方案，雖然氫燃料電池存在能量密度高、電池壽命長等優(yōu)勢，但在動態(tài)響應(yīng)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，而氫燃料電池系統(tǒng)僅僅只能達到600W/kg），因此長期來看，我們認為氫燃料搭配一部分鋰電池儲能是更優(yōu)方案，鋰電池可用于啟動和提供快速變化的功率輸出，氫燃料電池可用于續(xù)航中的能量輸出。

3.飛控/自動駕駛算法

eVTOL的飛行控制相關(guān)技術(shù)包含多個方面，包含動力學(xué)模型建立、（正常和降級）控制律設(shè)計、電傳飛控系統(tǒng)設(shè)計、軟硬件設(shè)計等。

飛控算法主要設(shè)計到不同機型的姿態(tài)控制，難度上多旋翼＜復(fù)合翼＜傾旋翼。

自動駕駛算法目前國內(nèi)有小鵬匯天在研究。

4.機身材料技術(shù)

常見的有碳纖維復(fù)合材料（例如小鵬匯天、商用大飛機等），主要考量點為密度低、強度高。

碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的密度通常在1.6g/cm3以下，而航空常用的金屬中，鋁合金密度為2.7g/cm3。

5.整機空氣動力學(xué)性能

使得在巡航的過程中，能極大降低能源消耗。這也是相較于直升機的優(yōu)勢點，同時也是未來與地面交通工具能耗對比的關(guān)鍵點。

單純依靠多旋翼的機型能效較低，未來的飛行汽車采用復(fù)合翼或傾旋翼是大概率事件。

6.安全性/適航認證

（1）關(guān)于適航認證

國際上認可的符合性表明方法有十種，分別為符合性聲明（MC0）、設(shè)計評審（MC1）、分析/計算（MC2）、安全評估（MC3）、試驗室試驗（MC4）、地面試驗（MC5）、飛行試驗（MC6）、航空器檢查（MC7）、模擬器試驗（MC8）、設(shè)備合格性（MC9）。

企業(yè)在使用每一種符合性方法時，如何表明評審結(jié)論是有效的，都有相應(yīng)的標準和規(guī)范要求。最終企業(yè)將會面對一個龐大的符合性矩陣。據(jù)從業(yè)人士和研究機構(gòu)預(yù)計，eVTOL獲取適航認證一般可能需要花費十億元人民幣左右。

例如沃蘭特選擇了中國民航局（CAAC）作為適航切入口，并在今年1月簽署了中國國內(nèi)首份客運eVTOL的安全保障合作計劃（PSP），目標在2026年取得型號合格證（Type Certificate）；Joby在爭取美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）型號合格證，希望在2024年開始提供商業(yè)服務(wù)。

（2）保障安全性的措施

飛行控制系統(tǒng)需要在因故障降級后仍需要一定的飛行性能和飛行品質(zhì)，故障引發(fā)安全關(guān)鍵功能失效的概率要足夠小。

參考輕型飛機的安全配置，eVTOL也可標配或選配整機降落傘。

五、商業(yè)模式探討

1.面向C端銷售

例如小鵬匯天，預(yù)計售價在100萬元以內(nèi)，于2024-2025年開始交付；目標用戶可參考全球范圍內(nèi)的豪車購買群體（如中東地區(qū)、歐美地區(qū)、國內(nèi)用戶等）。

2.面向B端銷售

例如億航智能，向景區(qū)銷售載人飛行器，景區(qū)向游客提供航空游覽服務(wù)。

3.提供運力服務(wù)

空中出租車模式，例如市區(qū)內(nèi)的點對點服務(wù)（如市中心到機場）或臨近城市的點對點服務(wù)，以運力服務(wù)為主的廠商需要重點看單臺飛機的回本周期。

基于一系列假設(shè)測算，Uber認為可以將飛行出租車每英里的運營成本控制在0.496美元，低于Uber X（類似于專車）每英里的價格為2.34美金，Uber Pool（類似于拼車）的每英里價格為1.36美元。

4.行業(yè)現(xiàn)有的商業(yè)化進展

美國聯(lián)合航空于2022年8月向Archer轉(zhuǎn)了1,000萬美元的交付前預(yù)付款，作為對首批100架飛行器的預(yù)定。

美國航空2021年給英國公司Vertical Aerospace投資了2,500萬美元，且同意為250架飛行器訂單中的50架支付一筆數(shù)目不明的交付前預(yù)付款。

商用時間規(guī)劃：例如小鵬匯天、空客旗下CityAirbus NextGen、Volocopter、AeroMobil及Joby計劃與2024年開始商用，貝爾旗下Nexus 6HX、SkyDrive、巴西航空旗下Eve、Lillium計劃于2025-2026年開始商用。

六、國內(nèi)外eVTOL公司總結(jié)

現(xiàn)有參與者主要分三類：國內(nèi)創(chuàng)業(yè)公司、國外創(chuàng)業(yè)公司及國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)巨頭（例如汽車、航空產(chǎn)業(yè)）。

1.國內(nèi)創(chuàng)業(yè)公司

國內(nèi)值得關(guān)注的創(chuàng)新公司有：沃蘭特航空（復(fù)合翼）、零重力飛機工業(yè)（傾旋翼方案，同時有前兩款技術(shù)積累）、時的科技（傾旋翼）、WEFLY齊飛等。

總結(jié)：國內(nèi)廠商普遍成立時間相較于國外晚4-5年，在設(shè)計形態(tài)、技術(shù)積累及團隊經(jīng)驗上有較大的差異化，在募資規(guī)模及公司體量上僅為國外友商的1/10左右，未來仍有較大的追趕潛力；以下19家公司中，多數(shù)公司在2020-2021年成立。

2.國外創(chuàng)業(yè)公司

總結(jié)：國外飛行汽車領(lǐng)域的獨角獸公司普遍成立時間較早，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總和為78.25億美元（根據(jù)2022年10月統(tǒng)計）；其中有4家在2021年上市，1家在2022年5月上市；

非上市獨角獸公司4家：Volocopter、Wisk Aero、Overair、Beta Technologies；

以上9家相對頭部的公司中：美國5家，德國2家，巴西1家，英國1家。

3.產(chǎn)業(yè)巨頭

目前國內(nèi)產(chǎn)業(yè)巨頭中，量產(chǎn)進展相對領(lǐng)先的是吉利集團，旗下?lián)碛形诛w長空及太力飛行兩家公司，在專利布局方面最領(lǐng)先的是大疆科技（雖然并未開始推出相關(guān)產(chǎn)品）。

七、觀點總結(jié)

1、發(fā)展eVTOL是繼地面交通新能源化后，燃油航空的電動化革命，長期來看有望大幅降低航空燃料成本（約為當前水平20%）及碳排放（如零碳航空）。

2、eVTOL能否實現(xiàn)的最核心關(guān)鍵點在于電池能量密度是否超過300-400Wh/kg，屆時續(xù)航里程能夠超過200-300km。

3、eVTOL企業(yè)的目標市場很可能是全球化的，有望在高鐵/高速公路不發(fā)達國家，歐美/中東等發(fā)達國家率先落地。

4、商業(yè)模式上由專業(yè)公司運營的點對點載客服務(wù)很可能更先實現(xiàn)，C端用戶開放自由駕駛難度較大。

5、eVTOL從現(xiàn)階段到量產(chǎn)運營要到2025年（根據(jù)各廠家規(guī)劃），預(yù)計從現(xiàn)在起5年內(nèi)會小范圍落地，大范圍應(yīng)用可能會長達10年以上。

6、目前對于選擇何種機型技術(shù)路線尚未形成共識，復(fù)合翼方向兼顧實現(xiàn)可行性及先進性，傾旋翼方向更為先進，但實現(xiàn)難度更大。

7、國內(nèi)外大型車企布局研發(fā)飛行汽車有一定的防御性/試探性，長期來看初創(chuàng)企業(yè)仍有較大的創(chuàng)新競爭機會。

附錄：eVTOL VS 其他交通工具

1.油耗對比：

大型客機油耗：民航客機理想條件下平均每人每百公里油耗3-5升，而且隨著飛行距離的增加和載客量的增多，油耗還會進一步降低。世界上最大的民航客機空客A380，理論平均每人百公里油耗僅有2.9升。

飛行汽車：由于不需要克服地面的阻力，僅需要克服空氣阻力，再加上走直線，理論上能耗相對于汽車會更低；隨著速度提升到201km/h時，飛行汽車獲得最好的能源經(jīng)濟性，百公里的電耗將會降低到31度（根據(jù)Uber在2016年的測算）；研究表明，eVTOL的航程只有突破了35公里，能源成本優(yōu)勢才能逐步凸顯出來。

電動汽車：以Model S為例，如果車速到了超過141km/h時，百公里電耗將會達到41度。而在這個點，飛行汽車的能耗經(jīng)濟性將超越Model S（根據(jù)Uber在2016年的測算）。

2.運營效率：

由于速度更快，飛行汽車一天之內(nèi)的運輸趟數(shù)可能是汽車的數(shù)倍，每日運營公里數(shù)可達數(shù)千公里；因此一輛飛行汽車在整個生命周期內(nèi)的運輸里程可達到數(shù)百萬公里（在換電模式下），遠高于汽車水平。

3.碳排放：

在100千米（62英里）的旅程中，一輛滿載的電動垂直起降飛行汽車攜帶一名飛行員和三名乘客，比平均載客量為1.54的陸基汽車所排放的溫室氣體要少。（根據(jù)2019年4月9日《自然通信（Nature Communications）》研究）

短期內(nèi)，隨著電池技術(shù)進步及電網(wǎng)清潔化，純電動飛行汽車碳排放將低于路面內(nèi)燃機汽車，但與路面純電動汽車仍有一定差距，長期有望趕上或超越純電動汽車。