我們認(rèn)為在頂層政策支持,新興需求驅(qū)動(dòng)及國內(nèi)頭部eVTOL(電動(dòng)垂直起降飛行器)主機(jī)廠適航認(rèn)證逐步落地的背景下,低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)或存在較大預(yù)期差。建議關(guān)注eVTOL主機(jī)廠的集成能力、低空基建:
1)eVTOL主機(jī)廠:分系統(tǒng)配套及氣動(dòng)布局可“遷移”,重點(diǎn)關(guān)注整機(jī)設(shè)計(jì)及集成能力。
2)低空基建:UAM運(yùn)行必須保持在通信、導(dǎo)航、監(jiān)視的有效范圍之內(nèi),針對(duì)我國低空空域管理的特點(diǎn),通過結(jié)合北斗和5G技術(shù),構(gòu)建空中交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是一種有益的技術(shù)保障思路和手段,同時(shí)ADS-B監(jiān)視技術(shù)可實(shí)時(shí)獲取eVTOL全方位信息,精確提高低空空域安全性。
核心觀點(diǎn)
為什么當(dāng)下建議重視低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)?
我們認(rèn)為在頂層政策支持,新興需求驅(qū)動(dòng)及國內(nèi)頭部eVTOL(電動(dòng)垂直起降飛行器)主機(jī)廠適航認(rèn)證逐步落地的背景下,低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)或存在較大預(yù)期差。1)短期:各主機(jī)廠陸續(xù)適航取證,多旋翼型eVTOL有望率先在旅游觀光市場(chǎng)放量;2)中期:各家主機(jī)廠認(rèn)證基本落地,復(fù)合翼型eVTOL或進(jìn)一步打開醫(yī)療救護(hù)市場(chǎng);3)遠(yuǎn)期:復(fù)合翼型、傾轉(zhuǎn)翼型eVTOL齊頭并進(jìn),若市內(nèi)專車業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地,可實(shí)現(xiàn)城市日常交通對(duì)公眾開放,市場(chǎng)挖潛空間大。
三個(gè)前提:頂層政策支持+低空空域放開+適航取證推進(jìn)
1)頂層政策:2021年2月,“低空經(jīng)濟(jì)”概念首次被寫入國家規(guī)劃。2023 中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出打造生物制造、商業(yè)航天、低空經(jīng)濟(jì)等若干戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),2023年全國共有15個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū))將低空經(jīng)濟(jì)有關(guān)內(nèi)容寫入政府工作報(bào)告;2)低空空域:2023年12月21日,民航局將空域劃分為 A、B、C、D、E、G、W等7類,其中G(必須報(bào)備飛行計(jì)劃)、W類為非管制空域。eVTOL通常飛行范圍涉及G、W、D、E類空域;3)適航取證:2023年12月21日,億航智能EH216-S航空器獲得中國民航局適航證,成為全球首個(gè)獲得適航證的無人駕駛載人eVTOL航空器。
三個(gè)市場(chǎng):短期關(guān)注觀光游覽、醫(yī)療救護(hù)市場(chǎng),遠(yuǎn)期關(guān)注城市出租車
根據(jù)Roland Berger預(yù)測(cè),2050年全球UAM(城市空中交通)規(guī)模有望達(dá)900億美元,三大使用場(chǎng)景分別是城市出租車(15-50km)、機(jī)場(chǎng)班車(15-50km)和城際交通(50-250km),而我國高度發(fā)達(dá)的市內(nèi)公交和城際鐵路又決定了國內(nèi) eVTOL應(yīng)用場(chǎng)景和美國的較大差異。結(jié)合現(xiàn)有國情,旅游觀光和醫(yī)療救護(hù)或成為我國eVTOL中短期的核心市場(chǎng),我們測(cè)算得出國內(nèi)觀光游覽+醫(yī)療救護(hù)eVTOL的需求缺口約2000架,市場(chǎng)合計(jì)47.80億元左右。遠(yuǎn)期來看,我們認(rèn)為最適合UAM運(yùn)營(yíng)的方式是將eVTOL作為一種公共的共享式交通載運(yùn)工具向公眾開放,適合時(shí)間敏感、經(jīng)濟(jì)條件良好的人群。
兩個(gè)策略:關(guān)注eVTOL主機(jī)廠的集成能力、低空基建
1)eVTOL主機(jī)廠:分系統(tǒng)配套及氣動(dòng)布局可“遷移”,重點(diǎn)關(guān)注整機(jī)設(shè)計(jì)及集成能力。2)低空基建:UAM運(yùn)行必須保持在通信、導(dǎo)航、監(jiān)視的有效范圍之內(nèi),針對(duì)我國低空空域管理的特點(diǎn),通過結(jié)合北斗和5G技術(shù),構(gòu)建空中交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是一種有益的技術(shù)保障思路和手段,同時(shí)ADS-B監(jiān)視技術(shù)可實(shí)時(shí)獲取eVTOL全方位信息,精確提高低空空域安全性。
風(fēng)險(xiǎn)提示:空域開放不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn);技術(shù)發(fā)展不確定性的風(fēng)險(xiǎn);上游市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn);本研報(bào)中涉及到未覆蓋個(gè)股內(nèi)容,均系對(duì)其客觀公開信息的整理,并不代表本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該公司、該股票的推薦或覆蓋。
三個(gè)前提:頂層政策支持+低空空域放開+適航取證推進(jìn)
頂層政策:中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議起帶頭作用,全國多省市陸續(xù)推進(jìn)
2021年2月,“低空經(jīng)濟(jì)”概念首次被寫入國家規(guī)劃。中共中央、國務(wù)院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》提出,發(fā)展交通運(yùn)輸平臺(tái)經(jīng)濟(jì)、樞紐經(jīng)濟(jì)、通道經(jīng)濟(jì)、低空經(jīng)濟(jì)。2023中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出,要大力推進(jìn)新型工業(yè)化,發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì),加快推動(dòng)人工智能發(fā)展。打造生物制造、商業(yè)航天、低空經(jīng)濟(jì)等若干戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),開辟量子、生命科學(xué)等未來產(chǎn)業(yè)新賽道,廣泛應(yīng)用數(shù)智技術(shù)、綠色技術(shù),加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
作為國內(nèi)發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)的先行者,多個(gè)地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)多項(xiàng)支持低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的政策措施。2022年6月,深圳發(fā)布“20+8”產(chǎn)業(yè)政策,包含無人機(jī)在內(nèi)的“智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集群”被列為20個(gè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群之一;8月,深圳繼成為國家通用航空產(chǎn)業(yè)綜合示范區(qū)、全國通用航空分類管理改革試點(diǎn)之后,又被確定為民用無人駕駛航空試驗(yàn)區(qū);當(dāng)年底,深圳出臺(tái)《低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展實(shí)施方案(2022-2025年)》,隨后,寶安、龍華、龍崗、南山、福田、羅湖等區(qū)分別出臺(tái)落實(shí)政策。2023年12月,深圳市交通運(yùn)輸局、工業(yè)和信息化局等七部門聯(lián)合印發(fā)《深圳市支持低空經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的若干措施》,政策支持力度前所未有。2023年12月29日深圳市第七屆人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第二十三次會(huì)議通過《深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)促進(jìn)條例》,該條例自2024年2月1日起施行?!稐l例》設(shè)九章,共六十一條,包括總則、基礎(chǔ)設(shè)施、飛行服務(wù)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)支持、技術(shù)創(chuàng)新、安全管理、法律責(zé)任和附則。
此外,《上海打造未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地發(fā)展壯大未來產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)方案》提出,“突破傾轉(zhuǎn)旋翼、復(fù)合翼、智能飛行等技術(shù),研制載人電動(dòng)垂直起降飛行器,探索空中交通新模式”;成都市謀求打造“中國工業(yè)無人機(jī)第一城”;廣州開發(fā)區(qū)(黃埔區(qū))出臺(tái)促進(jìn)低空經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的專項(xiàng)扶持政策等。
2023年11月27日,海南發(fā)布首張省域無人機(jī)適飛空域圖。適飛空域圖不僅有助于規(guī)范和引導(dǎo)無人駕駛航空器在海南地區(qū)的飛行活動(dòng),而且對(duì)于國內(nèi)低空立體化空域規(guī)劃具有示范性作用,為其他省份和地區(qū)提供了參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。通過分級(jí)分類管控空域劃設(shè)規(guī)則以及試驗(yàn)機(jī)場(chǎng)空域立體化劃設(shè)處理,發(fā)布的適飛空域占全島面積的83%,與飛行熱力區(qū)重合度高達(dá)80%以上,從而更好地滿足產(chǎn)業(yè)和社會(huì)的需求。通過適飛空域的網(wǎng)格化處理,使無人機(jī)飛行更為合理和安全,也為各類無人機(jī)提供了明確的飛行指導(dǎo)。
據(jù)《中國低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展(2022-2023)》(國家低空經(jīng)濟(jì)融合創(chuàng)新研究中心)統(tǒng)計(jì),2023年全國共有15個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū))將低空經(jīng)濟(jì)有關(guān)內(nèi)容寫入政府工作報(bào)告。
低空空域政策:空域陸續(xù)放開,利好民用飛行器放量
2023年12月21日,民航局發(fā)布《國家空域基礎(chǔ)分類方法》,對(duì)我國空域劃設(shè)和管理使用進(jìn)行規(guī)范,依據(jù)航空器飛行規(guī)則和性能要求、空域環(huán)境、空管服務(wù)內(nèi)容等要素,將空域劃分為A、B、C、D、E、G、W等7類,其中,A、B、C、D、E類為管制空域,G、W類為非管制空域。《國家空域基礎(chǔ)分類方法》對(duì)我國空域資源進(jìn)行規(guī)范劃設(shè)立,為充分利用和管理使用國家空域資源奠定基礎(chǔ)。
對(duì)于G類空域,空管委規(guī)定的飛行要求為:①允許儀表和目視飛行;②平均海平面高度3000米以下,指示空速不大于450千米/小時(shí);③儀表飛行的航空器和空中交通管理部門之間必須保持持續(xù)雙向無線電通信,目視飛行在規(guī)定通訊頻率上保持守聽;④航空器必須安裝或攜帶可被監(jiān)視的設(shè)備;⑤必須報(bào)備飛行計(jì)劃;⑥航空器駕駛員應(yīng)具備儀表或目視飛行能力及相應(yīng)資質(zhì)。
我國原有的空域劃分根據(jù)《飛行基本規(guī)則》分為A、B、C、D四類。①A類空域?yàn)楦呖展苤瓶沼?,在我國境?nèi)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓高度6000米以上的空間劃設(shè),在此空域內(nèi)飛行的航空器必須按照儀表飛行規(guī)則飛行,并接受空中交通管制服務(wù)。②B類空域?yàn)橹械涂展苤瓶沼?,在我國境?nèi)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓高度6000米(含)至其下某指定高度的空間劃設(shè),在此空域內(nèi)飛行的航空器,可以按照儀表飛行規(guī)則飛行,并接受空中交通管制服務(wù);對(duì)符合目視氣象條件的,經(jīng)航空器駕駛員申請(qǐng),并經(jīng)過相應(yīng)的管制單位批準(zhǔn),也可以按照目視飛行規(guī)則飛行,并接受空中交通管制服務(wù)。③C類空域?yàn)檫M(jìn)近管制空域,通常指在一個(gè)或者幾個(gè)機(jī)場(chǎng)附近的航路、航線匯合處劃設(shè)的、便于進(jìn)場(chǎng)和離場(chǎng)航空器飛行的管制空域,是高空管制空域或者中低空管制空域與機(jī)場(chǎng)管制地帶之間的連接部分,在此空域內(nèi)飛行的航空器,可以按照儀表飛行規(guī)則飛行,并接受空中交通管制服務(wù);對(duì)符合目視氣象條件的,經(jīng)航空器駕駛員申請(qǐng),并經(jīng)相應(yīng)的管制單位批準(zhǔn),也可以按照目視飛行規(guī)則飛行,并接受空中交通管制服務(wù)。④D類空域?yàn)闄C(jī)場(chǎng)管制地帶,通常包括起落航線和最后進(jìn)近定位點(diǎn)之后的航段以及第一個(gè)等待高度層(含)以下至地球表面的空間和機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū),在此空域內(nèi)飛行的航空器,可以按照儀表飛行規(guī)則飛行,并接受空中交通管制服務(wù);對(duì)符合目視氣象條件,經(jīng)航空器駕駛員申請(qǐng),并經(jīng)塔臺(tái)管制室批準(zhǔn),也可以按照目視飛行規(guī)則飛行,并接受空中交通管制服務(wù)。
適航取證:國內(nèi)認(rèn)證進(jìn)度全球領(lǐng)先,億航智能取得首個(gè)適航證
根據(jù)我國民航局規(guī)定,為了確保民用航空產(chǎn)品和零部件在投入使用前具備“適航”狀態(tài),需要開展適航審定活動(dòng),包括:型號(hào)合格審定、生產(chǎn)許可審定和適航合格審定,申請(qǐng)主體分別為型號(hào)設(shè)計(jì)人、制造人、運(yùn)營(yíng)人。
型號(hào)合格審定:是中國民用航空局(CAAC)對(duì)民用航空產(chǎn)品(指民用航空器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)或者螺旋槳)和零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)批準(zhǔn)的過程。民用航空產(chǎn)品符合相應(yīng)適航規(guī)章和環(huán)保要求,CAAC會(huì)根據(jù)《民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》(CCAR-21)頒發(fā)型號(hào)合格證(Type Certificate,簡(jiǎn)稱TC)。TC包括型號(hào)設(shè)計(jì)、使用限制、數(shù)據(jù)單、有關(guān)適航要求和環(huán)境保護(hù)要求,以及對(duì)民用航空產(chǎn)品規(guī)定的其他條件或限制。
生產(chǎn)許可審定:CAAC對(duì)已獲得民用航空產(chǎn)品型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)并欲重復(fù)生產(chǎn)該民用航空產(chǎn)品的制造人所進(jìn)行的資格性審定,以保證該民用航空產(chǎn)品符合經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。生產(chǎn)許可審定的最終批準(zhǔn)形式是頒發(fā)生產(chǎn)許可證(Production Certificate,簡(jiǎn)稱PC)。
適航合格審定:適航檢查人員對(duì)航空器完成適航檢查、確認(rèn)航空器符合經(jīng)批準(zhǔn)的型號(hào)設(shè)計(jì)并處于安全可用狀態(tài)后,完成適航證(Airworthiness Certificate,簡(jiǎn)稱AC)的簽發(fā)。包括標(biāo)準(zhǔn)適航證、特殊適航證、出口適航證和特許飛行證等。單機(jī)適航證的作用在于確認(rèn)每架航空器都是按照批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和經(jīng)批準(zhǔn)的質(zhì)量體系制造的。
運(yùn)營(yíng)合格審定:使用除微型以外的民用無人駕駛航空器從事飛行活動(dòng)的單位,向國務(wù)院民用航空主管部門或地區(qū)民用航空管理機(jī)構(gòu)申請(qǐng)取得民用無人駕駛航空器運(yùn)營(yíng)合格證(Operations Certificate,簡(jiǎn)稱OC)。
2023年12月21日,億航智能宣布,其EH216-S無人駕駛載人航空器獲得由中國民用航空局頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)適航證,成為全球首個(gè)獲得適航證的無人駕駛載人eVTOL航空器。取得認(rèn)證的EH216-S由億航智能云浮生產(chǎn)基地生產(chǎn),符合中國民航局于2023年10月頒發(fā)的型號(hào)合格證,并在中國民航局的監(jiān)管下執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)程序。
為什么eVTOL是低空經(jīng)濟(jì)不可忽視的拼圖?
什么是eVTOL?
eVTOL即電動(dòng)垂直起降飛行器(electric Vertical Take-off and Landing),顧名思義,eVTOL的核心在于電動(dòng)+垂直起降。eVTOL最早的概念機(jī)型出現(xiàn)在2010年前后。2009年,全球第一家eVTOL企業(yè)JOBY成立。2011年,世界直升機(jī)巨頭意大利August Westland提出eVTOL概念。2014年,美國直升機(jī)國際協(xié)會(huì)(AHA)和美國航空宇航協(xié)會(huì)(AIAA)在弗吉尼亞大會(huì)上正式將eVTOL概念引入。2016年,Uber提出Uber Elevate空中出租車計(jì)劃,引發(fā)eVTOL在歐美市場(chǎng)的浪潮。2016年1月,億航智能在美國CES發(fā)布全球首款無人駕駛載人 eVTOL航空器“億航 184”。2017年,由垂直飛行協(xié)會(huì)編制的第一份eVTOL飛機(jī)目錄對(duì)外發(fā)布。2019年,歐洲航空安全局(EASA)發(fā)布了全新的航空管理規(guī)定,應(yīng)用于小型eVTOL飛行器的適航認(rèn)證工作。自此,eVTOL概念正式得到官方認(rèn)可,初創(chuàng)公司、汽車、航空產(chǎn)業(yè)巨頭等玩家開始紛紛進(jìn)入eVTOL市場(chǎng)。2019年,中國億航智能在納斯達(dá)克上市,成為全球首家上市的UAM(城市空中交通)企業(yè)。2021年,美國Joby、德國Lilium、美國Archer、英國Vertical Aerospace等公司陸續(xù)上市,eVTOL商業(yè)化加速。
目前各大主機(jī)廠采用的eVTOL按飛行原理分類可分為多旋翼型、復(fù)合翼型、傾轉(zhuǎn)旋翼型三種。多旋翼型原理類似于傳統(tǒng)民用無人機(jī)和直升機(jī),研制難度相對(duì)較小,設(shè)計(jì)構(gòu)型簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性更強(qiáng),且體積較小,可以在城市內(nèi)環(huán)境靈活部署,基建要求更低;復(fù)合翼型有兩套旋翼,一套垂直旋翼控制起飛降落,一套水平推進(jìn)旋翼控制巡航,復(fù)合型的起飛降落與推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)分離因此飛行安全性高;傾轉(zhuǎn)旋翼型原理類似于傳統(tǒng)的傾轉(zhuǎn)旋翼直升機(jī),在起飛階段,旋翼像直升機(jī)螺旋槳一樣提供升力,到了平飛階段,旋翼會(huì)向前傾轉(zhuǎn),提供向前的推力,傾轉(zhuǎn)旋翼型在速度和航程上優(yōu)勢(shì)最大,但因機(jī)械設(shè)計(jì)過于復(fù)雜,高速飛行中旋翼傾轉(zhuǎn)易發(fā)生故障,沿襲了傳統(tǒng)的傾轉(zhuǎn)旋翼直升機(jī)的高事故率。
eVTOL各技術(shù)路線齊頭并進(jìn),各自錨定適用需求場(chǎng)景
多旋翼型原理類似于傳統(tǒng)民用無人機(jī),效率較低,目前飛行里程較短,短時(shí)間內(nèi)無法大規(guī)模應(yīng)用于低空交通出行領(lǐng)域,多旋翼型具有冗余度高,穩(wěn)定安全,可靈活部署,基建要求低,適航風(fēng)險(xiǎn)低,經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn),市場(chǎng)準(zhǔn)入較快,有望率先在eVTOL密度較低、航程需求較小的旅游觀光市場(chǎng)放量。
復(fù)合翼型起降與推進(jìn)系統(tǒng)相獨(dú)立,在飛行中遇到風(fēng)切變、失控、失速等情況時(shí),能夠立即啟動(dòng)獨(dú)立升力系統(tǒng),把eVTOL在空中懸停并且受控下降著陸,動(dòng)力系統(tǒng)的準(zhǔn)備和響應(yīng)時(shí)間非常短,因此安全性高,同時(shí)噪聲低、航程可觀,復(fù)合翼型綜合性能優(yōu)良,相比其他類型安全系數(shù)高, 有望在短時(shí)救援、醫(yī)藥緊急運(yùn)送等領(lǐng)域放量。
據(jù)《不同構(gòu)型電動(dòng)垂直起降飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的安全性評(píng)估》(劉巨江,【哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)】,2023年),傾轉(zhuǎn)機(jī)翼構(gòu)型eVTOL動(dòng)力系統(tǒng)具有動(dòng)力冗余不足的特征,任意一側(cè)喪失兩個(gè)推力之后,不足以進(jìn)行推力配平完成垂直著陸;在飛行中遇到風(fēng)切變、失控、失速等情況時(shí),傾轉(zhuǎn)機(jī)翼型需要數(shù)秒到數(shù)十秒的傾轉(zhuǎn)過程,傾轉(zhuǎn)機(jī)翼速度慢,無法實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,失效概率為1.265×10-6,遠(yuǎn)高于航空業(yè)確立的對(duì)于大型客機(jī)和大型通航飛機(jī)10-9飛行小時(shí)的特征事故率標(biāo)準(zhǔn),若傾轉(zhuǎn)機(jī)翼型eVTOL解決飛行安全問題,憑借其航速快的優(yōu)勢(shì),傾轉(zhuǎn)旋翼和復(fù)合翼型eVTOL是日后大規(guī)模低空城市交通出行優(yōu)異的主力軍,有望在低空出行政策進(jìn)一步釋放后打開較大市場(chǎng),潛力高。
多旋翼型eVTOL:原理來源于多旋翼型無人機(jī),易實(shí)現(xiàn)升降巡航,多旋翼設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全
根據(jù)《2022電動(dòng)垂直起降飛行器主要進(jìn)展》(韓玉琪,【航空動(dòng)力】,2023年),多旋翼型的eVTOL由多個(gè)旋翼提供升力,通過調(diào)整各旋翼轉(zhuǎn)速來控制姿態(tài)及巡飛,無機(jī)翼,原理來源于傳統(tǒng)的多旋翼型民用無人機(jī),技術(shù)難度最小。以小型四旋翼無人機(jī)為例,通過控制不同旋翼轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)懸停、垂直升降、仰俯或滾轉(zhuǎn)、偏航運(yùn)動(dòng)等功能。多旋翼型eVTOL多為四軸或六軸布局,EH216-S采用共軸雙槳16旋翼布局,冗余度高,飛行靈活穩(wěn)定安全。
復(fù)合翼型eVTOL:起源于復(fù)合式垂直起降固定翼直升機(jī),電動(dòng)化驅(qū)動(dòng)下效率提升
根據(jù)《復(fù)合式直升機(jī)技術(shù)發(fā)展分析》(李建波,【南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)】,2016年),早在1954年,前蘇聯(lián)卡莫夫公司Ka-22發(fā)明了復(fù)合式直升機(jī),該復(fù)合直升機(jī)采用雙旋翼橫列布局,旋翼下方的發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)螺旋槳,在1961年取得了356km/h的飛行記錄,這類復(fù)合式垂直起降固定翼直升機(jī)即是復(fù)合翼型eVTOL的靈感來源。受益于輕量化的電機(jī),復(fù)合翼型eVTOL死重相對(duì)傳統(tǒng)復(fù)合式直升機(jī)減小,飛行效率提高。
傾轉(zhuǎn)旋翼型eVTOL:氣動(dòng)、動(dòng)力學(xué)、飛行控制問題亟待解決
1972年,美國航空航天局和陸軍開展傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)計(jì)劃,貝爾直升機(jī)公司于1973年獲得研制合同,并將原型機(jī)取名為XV-15(V-22“魚鷹”飛機(jī)的雛形),該飛機(jī)即為傾轉(zhuǎn)旋翼型直升機(jī)的鼻祖;傾轉(zhuǎn)旋翼型eVTOL的飛行原理和傾轉(zhuǎn)旋翼型直升機(jī)類似,同時(shí)也沿襲了傾轉(zhuǎn)旋翼型直升機(jī)高事故率的特點(diǎn),自測(cè)試以來V-22“魚鷹”飛機(jī)已發(fā)生5起機(jī)身損壞事故,總共導(dǎo)致54人死亡,主要原因是傾轉(zhuǎn)旋翼型飛行器在飛行過程中存在旋翼-機(jī)翼的氣動(dòng)干擾、旋翼傾轉(zhuǎn)過程中的氣動(dòng)特性、飛行動(dòng)力學(xué)、過渡走廊的飛行控制等一系列難題。
為什么是eVTOL?
低空經(jīng)濟(jì)是以各種有人駕駛和無人駕駛航空器的各類低空飛行活動(dòng)為牽引,輻射帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟(jì)形態(tài)。隨著近年來智能化無人駕駛航空器的發(fā)展,城市空中交通(urban air mobility,UAM)在全球范圍內(nèi)大熱,UAM是利用短距起降或垂直起降飛行器及有關(guān)系統(tǒng)設(shè)施實(shí)現(xiàn)城市低空空域載人載貨的運(yùn)輸活動(dòng),是未來智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要一環(huán)。
中國的城市低空交通屬于強(qiáng)監(jiān)管行業(yè),由中國民用航空局負(fù)責(zé)空中交通管理工作,對(duì)我國和外國民用飛行器進(jìn)行統(tǒng)一管理和空域劃分。民航客機(jī)的巡航高度下限為3000米,由空中交通管控中心進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)配。在300米以下中低空開展飛行作業(yè)的屬于低空通用航空范疇。
低空經(jīng)濟(jì)與通用航空有著天然的聯(lián)系。根據(jù)我國民用航空法,通用航空是指民用航空器從事公共航空運(yùn)輸以外的民用航空活動(dòng),包括從事工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和建筑業(yè)的作業(yè)飛行以及醫(yī)療衛(wèi)生、搶險(xiǎn)救災(zāi)、氣象探測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、教育訓(xùn)練、文化體育等方面的飛行活動(dòng)。
2016年5月,國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》,通用航空被列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),被賦予調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、改善民生和升級(jí)消費(fèi)的歷史使命。國家發(fā)改委也于2016年11月和2017年1月相繼印發(fā)《關(guān)于做好通用航空示范推廣有關(guān)工作的通知》和《關(guān)于建設(shè)通用航空產(chǎn)業(yè)綜合示范區(qū)的實(shí)施意見》,提出首批建設(shè)26個(gè)通用航空產(chǎn)業(yè)綜合示范區(qū)和41項(xiàng)通用航空示范工程。
盡管有政策加持,我國通用航空依然面臨發(fā)展困境,主要體現(xiàn)在低空空域資源供給不足、低空飛行活動(dòng)審批程序繁瑣、通用機(jī)場(chǎng)建設(shè)滯后。低空空域作為國家重要戰(zhàn)略資源,由國家空管委統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)使用管理工作,對(duì)通航開發(fā)的低空空域少,難以適應(yīng)通航多點(diǎn)飛行、便捷高效的特點(diǎn),適合私用和娛樂飛行的空域數(shù)量有限,范圍小、分布散、可用性差。部分民用機(jī)場(chǎng)拒絕或限制通航飛機(jī)進(jìn)入作業(yè),缺乏專用低空航線,通航飛行的審批程序繁瑣,審批效率低。飛機(jī)起飛需要長(zhǎng)距離滑行,需要有足夠大的面積去鋪設(shè)跑道。通用機(jī)場(chǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)整體過嚴(yán),成本過高,建設(shè)幾百米的跑道就需要上億元,同時(shí)為了避免重復(fù)審批還會(huì)一次修建幾千米跑道,每班飛機(jī)都需要高額航線補(bǔ)貼得以運(yùn)行,持續(xù)性難以為繼。
固定翼飛機(jī)需要較長(zhǎng)的跑道輔助起飛,而高樓聳立、人流密集的城市中心無法為其提供完備的起飛條件,只能執(zhí)行城市間大型客運(yùn)和貨運(yùn)任務(wù),無法服務(wù)城市內(nèi)部或臨近城市市區(qū)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交通。
直升機(jī)具有載重大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),起降條件也不需要專門跑道與機(jī)場(chǎng),能夠節(jié)省通用航空機(jī)場(chǎng)的基建成本。但是其飛行時(shí)噪聲大、運(yùn)營(yíng)成本高,維護(hù)保養(yǎng)貴,難以進(jìn)一步普及。
相比于前兩者,eVTOL集成了自動(dòng)駕駛、電動(dòng)、低空航空元素為一體,噪音更小,成本更低,且能夠垂直起降,省去了建造機(jī)場(chǎng)的成本,隨時(shí)隨地可以起飛和降落。
如何看eVTOL整機(jī)的壁壘:分系統(tǒng)配套及氣動(dòng)布局可“遷移”,重點(diǎn)關(guān)注整機(jī)設(shè)計(jì)及集成能力
UAM各類型載運(yùn)工具在機(jī)型、氣動(dòng)布局、動(dòng)力模式等方面差距很大,載運(yùn)工具作為UAM能否實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。UAM載運(yùn)工具中,直升機(jī)最早得到應(yīng)用,但關(guān)注度遠(yuǎn)低于eVTOL航空器,主要原因是eVTOL航空器具有噪音小、環(huán)保、安全、維護(hù)成本低,機(jī)型多樣等特點(diǎn)。
氣動(dòng)布局方面,無論是多旋翼、復(fù)合翼和傾轉(zhuǎn)旋翼,都有對(duì)應(yīng)類似氣動(dòng)布局的直升機(jī)、無人機(jī)等機(jī)型可參考借鑒,技術(shù)牽引性較強(qiáng)。
eVTOL航空器是以電氣和自動(dòng)控制為主,技術(shù)基礎(chǔ)是飛控、電機(jī)、鋰電池等,這些因素與自動(dòng)控制和電氣化技術(shù)密切相關(guān),而這些相關(guān)技術(shù)在最近幾十年才發(fā)展成熟到可以應(yīng)用在載人航空器上。也正因此,eVTOL航空器設(shè)計(jì)才能在最近十余年開始出現(xiàn)。與常規(guī)飛行器相比,eVTOL有以下技術(shù)特征:
1)垂直起降技術(shù)。大多數(shù)eVTOL飛行器采用電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),通常采用多旋翼設(shè)計(jì),配備先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng),包括傳感器、舵面和螺旋槳的電動(dòng)調(diào)節(jié)等,以實(shí)現(xiàn)精確的飛行控制和姿態(tài)調(diào)整,通常具備自主飛行和自動(dòng)駕駛的能力;
2)電池技術(shù)。電池是eVTOL技術(shù)的核心,主流為鋰離子電池。電池技術(shù)不僅會(huì)影響飛機(jī)續(xù)航,也會(huì)影響飛機(jī)的形態(tài)。提高電池比能量和比功率,并實(shí)現(xiàn)快速充電和長(zhǎng)使用壽命是eVTOL電池面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn);
3)分布式電推進(jìn)技術(shù)。分布式電推進(jìn)技術(shù)可以提供更高的推力控制精度和靈活性,在eVTOL中被普遍使用。通過將多個(gè)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)分布在飛行器的不同位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的推進(jìn)和控制,在提高飛行性能、增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性、提供冗余性發(fā)面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。
eVTOL使用電池為動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)載系統(tǒng)提供能量,電池性能是制約eVTOL發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前,鋰電池技術(shù)相對(duì)成熟穩(wěn)定,能量密度比最高,絕大多數(shù)制造商采用鋰電池。電池能量密度、電池瞬間充放電倍率、電池充放電壽命、電池安全性四大參數(shù)是eVTOL電池中的關(guān)鍵指標(biāo),顯著影響eVTOL的航程、升降平穩(wěn)性、更換壽命、乘坐安全性等技術(shù)性能。目前隨著eVTOL的應(yīng)用需求場(chǎng)景不斷擴(kuò)寬,為了打破eVTOL面臨的有效荷載低、航程短、續(xù)航時(shí)間短的發(fā)展局限,高能量密度、高充放電壽命、高瞬間充放電倍率、高安全性的“四高”的航空電池需求不斷擴(kuò)張,電池成為限制eVTOL發(fā)展的一大關(guān)鍵技術(shù)。
現(xiàn)有的電池技術(shù)仍有欠缺,能量密度與安全性等指標(biāo)都需要進(jìn)一步突破,否則eVTOL將面臨有效荷載低、航程短、續(xù)航時(shí)間短、乘坐不安全等發(fā)展局限。當(dāng)前電池技術(shù)還不能完全達(dá)到滿足eVTOL對(duì)運(yùn)行場(chǎng)景的航程、生命周期、快充技術(shù)和能量密度等水平。目前鋰電池使用最多和發(fā)展最快的領(lǐng)域是新能源電車領(lǐng)域,但是eVTOL使用的電池(以Joby S4使用的鋰電池為例)在能量密度、瞬間充放電倍率、循環(huán)壽命、安全性角度全面領(lǐng)先于乘用車使用的三元鋰電池。
航空電池市場(chǎng)高速發(fā)展方興未艾,逐漸打破eVTOL性能限制瓶頸。目前限制eVTOL性能的最大問題是航空電池,目前各方在航空電池領(lǐng)域都有全面布局,工業(yè)和信息化部等四部門綠色航空制造業(yè)發(fā)展綱要(2023-2035年)指出要大力發(fā)展綠色航空鋰電池,突破高能量密度鋰電池,實(shí)現(xiàn)能量密度400Wh/kg級(jí)的航空鋰電池產(chǎn)品量產(chǎn),500Wh/kg級(jí)產(chǎn)品小規(guī)模驗(yàn)證;NASA、寧德時(shí)代開發(fā)出了具有高穩(wěn)定性的新型高能量密度航空電池,旨在解決載人電動(dòng)航空器領(lǐng)域的里程焦慮與安全焦慮;正力新能發(fā)布了高能量密度和高充放電倍率的新型航空電池破解了高能量密度和高倍率不可兼得的行業(yè)難題。航空電池全角度、高水平的發(fā)展將充分帶動(dòng)eVTOL性能端的騰飛,使得eVTOL應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛,空域電動(dòng)化領(lǐng)域有望全面鋪開。
根據(jù)美國航空航天、國防和汽車技術(shù)領(lǐng)域的咨詢公司SMG報(bào)告,其基于五個(gè)維度:融資情況、領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)、技術(shù)、認(rèn)證進(jìn)度、生產(chǎn)狀況,對(duì)UAM廠商進(jìn)行打分,得到了對(duì)主流UAM載運(yùn)工具廠商的排名。
如何看eVTOL終端需求:中美具有各自的特色市場(chǎng)
美國:三大需求為城市出租車、機(jī)場(chǎng)班車和城際交通
Roland Berger預(yù)測(cè)2050年全球UAM規(guī)模有望達(dá)900億美元。根據(jù)Roland Berger預(yù)測(cè):
1)載人eVTOL未來三種重要的使用場(chǎng)景是城市出租車、機(jī)場(chǎng)班車和城際交通,2030年全球運(yùn)營(yíng)載人eVTOL數(shù)量有望達(dá)7000架,UAM(城市交通)市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)20億美元,2050年全球運(yùn)營(yíng)載人eVTOL數(shù)量有望達(dá)16萬架(2030-2050 CAGR為85%),UAM(城市交通)市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)900億美元(2030-2050 CAGR為21%);
2)分地區(qū)來看,展望2050年,亞太地區(qū)和美洲預(yù)計(jì)為eVTOL運(yùn)營(yíng)主要地區(qū),載人eVTOL數(shù)量分別占比51%和33%,UAM市場(chǎng)規(guī)模分別占比41%和44%;
3)分類別看,2025年城市出租車、機(jī)場(chǎng)班車、城際交通三類eVTOL占比分別有望達(dá)36%、35%和29%。
結(jié)合中美公共交通建設(shè)差異,我們認(rèn)為Roland Berger報(bào)告中,城際交通(50-250km)和機(jī)車班車(15-50km)的eVTOL應(yīng)用場(chǎng)景,和我國的高鐵、地鐵有較大重合,而我國高度發(fā)達(dá)的市內(nèi)公交和城際鐵路又決定了國內(nèi)eVTOL應(yīng)用場(chǎng)景和美國的較大差異。
城際交通市場(chǎng):我國高鐵高度發(fā)達(dá),空中交通比較優(yōu)勢(shì)不強(qiáng)
中國高鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)密度較大。根據(jù)International Union of Railways 數(shù)據(jù),2023年中國/西班牙/法國/德國/日本/美國高鐵在運(yùn)營(yíng)里程數(shù)分別為45000/4327/3978/3516/2727/735公里。高鐵單位密度,我國國土高鐵網(wǎng)絡(luò)密度為4.2m/km2,遠(yuǎn)高于美國的0.08m/km2,每十萬人里程數(shù)為3.11km,遠(yuǎn)高于美國的0.28km,與日本的3.96km較為接近。
在效率上,中國高鐵明顯比美國高鐵更為高效。根據(jù)攜程旅游數(shù)據(jù),北京到上海的高鐵只需4.5~6小時(shí),而同等距離的美國路線(紐約單程到芝加哥)則需19.5小時(shí)左右。
根據(jù)時(shí)的科技官網(wǎng)展示的eVTOL城際出行案例,從上海虹橋機(jī)場(chǎng)到蘇州市東方之門若乘坐eVTOL出行,共花費(fèi)18分鐘,行駛里程65km,若駕車出行花費(fèi)80分鐘,行駛里程90km。
但由于我國高鐵高度發(fā)達(dá),上海虹橋站到蘇州站僅需20分鐘左右,因此對(duì)于同樣的始發(fā)點(diǎn)和目的地,若采用高鐵+網(wǎng)約車結(jié)合形式則總共花費(fèi)40分鐘左右,僅比eVTOL出行多耗費(fèi)20分鐘,且大大節(jié)約成本。
機(jī)場(chǎng)專線市場(chǎng):我國城市軌交全球第一,專線市場(chǎng)與現(xiàn)有國情存在矛盾
類似地,我國城市的軌道交通已經(jīng)非常發(fā)達(dá),側(cè)面導(dǎo)致了與美國eVTOL應(yīng)用場(chǎng)景的差異。我國已經(jīng)成為了全球城市軌道運(yùn)營(yíng)里程數(shù)第一,遠(yuǎn)超德國、日本、美國等國家。根據(jù)The International Association of Public Transport數(shù)據(jù),截止到2023年末,我國市內(nèi)軌交系統(tǒng)數(shù)達(dá)到47個(gè),總里程數(shù)為9827.5km,遠(yuǎn)超美國的1386.2km。2023年全球地鐵里程最高的20座城市分別為上海、北京、廣州、成都、莫斯科、杭州、武漢、重慶、南京、深圳、倫敦、紐約、德里、首爾、東京、馬德里、青島、天津、西安和巴黎,中國9座城市入圍前10名。
城市軌道交通與城市空中交通的應(yīng)用場(chǎng)景天然存在交叉。美國的大城市及其城市間的軌道快速交通體系相對(duì)我國和歐洲來說已經(jīng)較為落后,所以在美國,機(jī)場(chǎng)專線類城市空中交通的需求是有其社會(huì)基礎(chǔ)的。而在我國,大城市的快速軌道交通體系已經(jīng)完備,與城市空中交通的場(chǎng)景就存在交叉:空中交通的規(guī)?;枰邢M(fèi)力的大量人口,最好是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大城市,而我國大城市的軌道交通體系已經(jīng)很完備。
中國、歐美適航體系差異決定了內(nèi)需為國產(chǎn)eVTOL的主要牽引
根據(jù)Joby公司官網(wǎng),2024年2月11日,Joby與迪拜道路與交通管理局(RTA)簽署最終協(xié)議,將于2026年初在迪拜酋長(zhǎng)國推出空中出租車服務(wù),Joby的目標(biāo)是最早于2025年開始運(yùn)營(yíng)。Joby、迪拜政府和英國的垂直起降場(chǎng)設(shè)施初創(chuàng)企業(yè)Skyports簽訂三方協(xié)議,由Skyports在迪拜設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)四個(gè)初期運(yùn)營(yíng)的起降場(chǎng)設(shè)施。迪拜旅游局、Skyports和Joby共同確定迪拜國際機(jī)場(chǎng)(DXB)、朱美拉棕櫚島、迪拜碼頭和迪拜市中心為迪拜空中出租車服務(wù)的四個(gè)啟動(dòng)地點(diǎn)。
公告中提到“阿聯(lián)酋民航總局的監(jiān)管框架以美國聯(lián)邦航空局(FAA)的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)”(原文:The GCAA regulatory framework builds upon FAA standards with additional company testing and analysis alongside a high level of regulator oversight and an ongoing operational review process to ensure continued safety for early operations)。Joby與迪拜的運(yùn)營(yíng)協(xié)議或表明阿聯(lián)酋政府選擇等待并認(rèn)可FAA的適航證,而國產(chǎn)eVTOL能否出海,關(guān)鍵是看歐美之外的其他國家是否認(rèn)可我國頒發(fā)的eVTOL型號(hào)適航證,鑒于目前中美歐eVTOL的適航審定框架差異較大,且FAA和EASA仍未接受民用無人駕駛載客航空器適航證申請(qǐng),因此國產(chǎn)eVTOL能否出海取決于其他國家對(duì)我國民航局相關(guān)適航證的認(rèn)可度。
相較于FAA、EASA,我國對(duì)于無人駕駛載客eVTOL的適航取證態(tài)度更為積極。目前無人駕駛航空器法規(guī)體系分三層,第一層級(jí)是《中華人民共和國民用航空法》;第二層級(jí)是2023年6月28日,由國務(wù)院、中央軍委公布的《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》,并自2024年1月1日起正式施行;第三層級(jí)是一份針對(duì)無人駕駛航空器的民用航空規(guī)章(CCAR),其全稱是《民用無人駕駛航空器運(yùn)行安全管理規(guī)則》(CCAR-92),于2024年1月1日正式生效,它與上位法《中華人民共和國民用航空法》和《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》,這三者共同構(gòu)成了無人航空器法規(guī)體系框架。
民用無人駕駛eVTOL適航審定分級(jí)分類主要參考《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)適航審定分級(jí)分類和系統(tǒng)安全性指南》,eVTOL目前還沒有形成共識(shí)的適航標(biāo)準(zhǔn),所以定義為特殊類別航空器,進(jìn)行適航審定。其中有人駕駛eVTOL的適航審定,我國按照一事一議,主要參考中國民航局規(guī)章23部、27部、以及歐洲民航局SC-VTOL,及JOBY、ARCHER的相關(guān)條例和專有條件,進(jìn)行審定。無人駕駛航空器(含eVTOL)的適航審定程序也有對(duì)應(yīng)法規(guī),參考21部進(jìn)行執(zhí)行。
1)有人駕駛eVTOL:
如能通過適航審定,獲得的都是標(biāo)準(zhǔn)適航證,可以在人口密集區(qū)進(jìn)行飛行。
2)無人駕駛eVTOL:
可分為“特殊適航證”及“標(biāo)準(zhǔn)適航證”,其中無人駕駛載物eVTOL申請(qǐng)限用類特殊適航證(不用于載人飛行、不進(jìn)行融合飛行且不在人口密集區(qū)域上方飛行的中型和大型民用無人駕駛航空器系統(tǒng)),目前峰飛(V2000CG)、御風(fēng)(M1)都是按照無人駕駛載物eVTOL的適航標(biāo)準(zhǔn)去申請(qǐng)TC。無人駕駛載人eVTOL申請(qǐng)標(biāo)準(zhǔn)適航證(正常類、運(yùn)輸類無人駕駛航空器可以申請(qǐng)正常類、運(yùn)輸類TC),可按限用類民用無人駕駛航空器系統(tǒng)進(jìn)行型號(hào)合格審定。
國內(nèi)eVTOL市場(chǎng):觀光、醫(yī)療或?yàn)閯傂瑁浅酱蠛?础昂廊A車”市場(chǎng)
億航智能EH216-S于2023年10月及12月獲得型號(hào)合格證和標(biāo)準(zhǔn)適航證后,EH216-S已經(jīng)具備了商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的資格,并收到了大量政府、客戶的問詢。根據(jù)億航智能三季報(bào),截至2023年三季度,公司國內(nèi)在手訂單量超240架,包括合肥市人民政府超100架EH216系列訂單、深圳博領(lǐng)控股集團(tuán)95架EH216-S訂單、天行健文化旅游投資開發(fā)公司25架EH216-S訂單以及西域開發(fā)旅游、西安航空航天投資5、20架EH216-S訂單。截至2024年1月,億航智能在亞洲市場(chǎng)無人駕駛載人飛行器的訂單儲(chǔ)備累計(jì)約500架。
同時(shí)根據(jù)億航智能23年一季報(bào)表述,西域旅游開發(fā)公司計(jì)劃在新疆設(shè)立從事低空旅游觀光業(yè)務(wù)的合資公司,并計(jì)劃在5年內(nèi)采購≥120架EH216-S(或類似的億航航空器),其中部分航空器用于天山天池的低空觀光業(yè)務(wù);公司已向深圳博領(lǐng)控股集團(tuán)交付5架EH216-S用于寶安區(qū)低空觀光游覽,同時(shí)表達(dá)了后續(xù)采購95架EH216-S的意向;客戶天行健文化旅游投資開發(fā)公司為吉首市從事商務(wù)旅游業(yè)務(wù)的公司,而億航智能年報(bào)中曾披露部分EH216-S交付至吉首市矮寨鎮(zhèn)用于低空觀光旅游。綜上,我們判斷目前億航智能大部分國內(nèi)訂單及銷售均是面向低空旅游觀光市場(chǎng),同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有國情,航空醫(yī)療救護(hù)是通航對(duì)社會(huì)發(fā)展做出直接貢獻(xiàn)的領(lǐng)域之一,且該領(lǐng)域中美差距較大,因此旅游觀光和醫(yī)療救護(hù)或成為我國eVTOL中短期的核心市場(chǎng)。
旅游觀光市場(chǎng):
我國旅游業(yè)已經(jīng)形成了較大的市場(chǎng)規(guī)模,以疫情前的2019年為例,當(dāng)年國內(nèi)旅游人數(shù)達(dá)60.06億人次,共實(shí)現(xiàn)旅游總收入6.63萬億元。
據(jù)海南省交通運(yùn)輸廳披露,2022年海南省空中游覽年載客量為25.51萬人次,占全國的66.00%,空中游覽起降架次8.32萬架次,占全國的64.60%。以此推算,2022年國內(nèi)空中游覽年載客量約為38.65萬人次,起降架次約為12.88萬架次。觀光直升機(jī)一般按公里數(shù)或飛行時(shí)長(zhǎng)收費(fèi),亞龍通航大眾點(diǎn)評(píng)報(bào)價(jià)顯示,直升機(jī)海景飛行體驗(yàn)6公里598元、20公里1268元;深圳東部通航直升機(jī)觀光攜程旅行報(bào)價(jià)則顯示,單人空中游覽698元起。我們按照單次直升機(jī)觀光平均價(jià)格為700元,2022年國內(nèi)起降總架次12.88萬架次估算,則2022年我國直升機(jī)觀光市場(chǎng)約為9016萬元,尚不足1億元,與歐美成熟市場(chǎng)差距較大。
這一點(diǎn)從載客量的對(duì)比也可以看出。直升機(jī)空中游覽在美國、日本、新西蘭等國家均為熱門旅游項(xiàng)目。根據(jù)美國FAA,中國通用航空發(fā)展報(bào)告、海南省交通運(yùn)輸廳民用航空辦公室數(shù)據(jù)顯示,僅直升機(jī)城市空中觀光,疫情前的2018年美國年飛行小時(shí)數(shù)就高達(dá)40萬小時(shí),約為中國的25倍。
我國空中游覽市場(chǎng)接受程度之所以低,首先在于空中游覽項(xiàng)目?jī)r(jià)格偏高,動(dòng)輒需要上千元,但航程和游覽時(shí)長(zhǎng)都較短,且消費(fèi)者對(duì)傳統(tǒng)空中觀光載具存在安全性擔(dān)憂。根據(jù)大眾點(diǎn)評(píng)網(wǎng)、攜程旅游網(wǎng)數(shù)據(jù),價(jià)位最低的直升機(jī)旅游觀光項(xiàng)目可低至300元左右,但項(xiàng)目時(shí)長(zhǎng)在5分鐘左右,大部分低空觀光項(xiàng)目?jī)r(jià)位在700-1300元,時(shí)長(zhǎng)約15分鐘,從整個(gè)需求端來講,市場(chǎng)對(duì)空中游覽的接受程度仍不算高。
醫(yī)療救援市場(chǎng):
航空醫(yī)療救護(hù)領(lǐng)域是我國通航應(yīng)用上相對(duì)發(fā)達(dá)國家最落后的領(lǐng)域之一。根據(jù)中國政府網(wǎng)2020.11.7新聞《拓展醫(yī)療急救通道,讓更多直升機(jī)飛起來》,2019年3月至2020年3月,我國航空醫(yī)療救護(hù)傷病員1085人。我國每百萬人擁有醫(yī)療救援直升機(jī)不到0.01架,遠(yuǎn)不能滿足百姓救援需求。若按照14億人口估算,則我國醫(yī)療直升機(jī)保有量約為14架,而參考美國FAA數(shù)據(jù),美國醫(yī)療救護(hù)直升機(jī)在役數(shù)量約為1500架左右,年飛行小時(shí)數(shù)超50萬小時(shí)。
我國醫(yī)療直升機(jī)的價(jià)格會(huì)根據(jù)實(shí)際情況和型號(hào)有所不同。根據(jù)北京市紅十字會(huì)999急救中心網(wǎng)站的公開信息,直升機(jī)醫(yī)療轉(zhuǎn)運(yùn)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為3.5萬元/小時(shí)。不同型號(hào)的直升機(jī),如H125、H130、H135,其市場(chǎng)價(jià)分別為3.5萬元/小時(shí)、4.5萬元/小時(shí)和7萬元/小時(shí)。此外,固定翼飛機(jī)的醫(yī)療轉(zhuǎn)運(yùn)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)則相對(duì)較高,起飛基礎(chǔ)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為20萬元,3小時(shí)內(nèi)的費(fèi)用為8萬元/小時(shí)。
從美國數(shù)據(jù)來看,其直升機(jī)醫(yī)療救護(hù)領(lǐng)域一直在穩(wěn)定發(fā)展,且我國與美國差距較大。我國如果要在較短時(shí)間內(nèi)大幅提升航空醫(yī)療救護(hù)水平,考慮到城市內(nèi)醫(yī)療急救所需的飛行距離短,對(duì)航程要求不高,飛行架次也不會(huì)太頻繁(有足夠的充電時(shí)間),能夠發(fā)揮eVTOL的優(yōu)勢(shì)。
中短期:拉近中美差距,充分挖潛觀光&醫(yī)療需求
傳統(tǒng)通航工具的主力軍是直升機(jī),直升機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),以航空燃油作為燃料,由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)壁壘大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致直升機(jī)整機(jī)價(jià)格高,同時(shí)由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部工況復(fù)雜導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壽命較低,據(jù)美國羅賓遜直升機(jī)公司官方數(shù)據(jù),直升機(jī)機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)每過2200小時(shí)需要一次大修,成本為12-18萬美元不等。eVTOL采用電力驅(qū)動(dòng)方式,機(jī)械結(jié)構(gòu)相較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更為簡(jiǎn)單,具有綠色環(huán)保、運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)可靠、安全系數(shù)高等特點(diǎn),可完美應(yīng)用于城市低空空域交通出行。
電氣化的eVTOL簡(jiǎn)化了傳動(dòng)復(fù)雜的動(dòng)力裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu),突破了傳統(tǒng)構(gòu)型的限制,其運(yùn)行可靠性大大提升。根據(jù)《基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)垂直起降航空器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)研究》(張曉全,【科學(xué)技術(shù)與工程】,2022年),eVTOL主要有人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和其他因素幾種失效誘因,通過在美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)(NTSB)和eVTOL News網(wǎng)站的每種故障的故障率數(shù)據(jù), eVTOL正常運(yùn)行發(fā)生事故的概率為9.648×10-7,是傳統(tǒng)航空運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)的十分之一。
傳統(tǒng)直升機(jī)的最大噪音源是旋翼破空聲,旋翼尖高速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生翼尖渦,槳葉產(chǎn)生振動(dòng),由此發(fā)出較大的噪聲。分布式推進(jìn)系統(tǒng)(DEP,Distributed Electric Propulsion)應(yīng)用于eVTOL可減小單個(gè)葉片的線速度,翼尖線速度更低,噪聲較小。貝爾407直升機(jī)旋翼直徑10.67m,轉(zhuǎn)速413r/min,旋翼葉尖速度達(dá)到230m/s,而空客公司的CityAirbus轉(zhuǎn)速接近1000r/min,葉尖速度120-140m/s。同時(shí),由于eVTOL為電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)噪聲遠(yuǎn)小于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)和排氣脈沖噪聲。
據(jù)羅賓遜直升機(jī)公司披露,直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)工況復(fù)雜,常處于高溫高壓氣體下,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)零部件容易損壞,每過2200小時(shí)需要一次大修,以R44直升機(jī)為例,每2200小時(shí)大修發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本約291810元,加上人工成本每年修理成本高達(dá)40.5萬元。受益于新能源電池發(fā)展,eVTOL動(dòng)力裝置更換費(fèi)用大大下降。目前eVTOL電池類型主要為鋰電池,以特斯拉Model3所采用的鋰電池為例,大概8年需要更換一次電池,平均每年更換費(fèi)用1.4萬元。
考慮到eVTOL相對(duì)于直升機(jī)的成本低、安全性高及噪音低的優(yōu)勢(shì),或能促進(jìn)中國低空觀光需求和醫(yī)療急救需求,若對(duì)標(biāo)美國現(xiàn)有的成熟市場(chǎng),2022年其觀光直升機(jī)和醫(yī)療急救直升機(jī)保有量合計(jì)約為2000架左右,若將我國對(duì)應(yīng)需求的eVTOL終局保有量按2000架測(cè)算,參考億航官網(wǎng)EH216-S中國市場(chǎng)官方指導(dǎo)價(jià)239萬元人民幣,則我國觀光游覽+醫(yī)療急救市場(chǎng)所需的eVTOL整機(jī)需求約為47.80億元。旅游景點(diǎn)的觀光飛行對(duì)航程要求不高,旅游人群的現(xiàn)場(chǎng)消費(fèi)意愿和能力都較城市的通勤需求更強(qiáng),這也有可能能夠發(fā)揮eVTOL的優(yōu)勢(shì)。
遠(yuǎn)期:關(guān)注共享車輛,獨(dú)享行程的“豪華車”市場(chǎng)
前提一:根據(jù)上文結(jié)論,我們認(rèn)為中國eVTOL的核心市場(chǎng)不在城際(與高鐵沖突),亦不在機(jī)場(chǎng)專線(與市內(nèi)公共交通沖突),而私人定制化的“豪華車”出行或與未來eVTOL的應(yīng)用場(chǎng)景更為契合。與豪華汽車出行相比,eVTOL具有出行用時(shí)短、零碳排放的優(yōu)勢(shì),隨著eVTOL產(chǎn)品的大規(guī)模量產(chǎn),預(yù)計(jì)出行價(jià)格將與豪華汽車接近。
前提二:我們認(rèn)為在城市建筑集群中建造大量的垂直起降點(diǎn)并不現(xiàn)實(shí)。垂直起降機(jī)場(chǎng)布局應(yīng)當(dāng)考慮UAM運(yùn)輸需求,固定型垂直起降點(diǎn)可分布在樓頂、公園、社區(qū)等公共區(qū)域。
結(jié)論:我們認(rèn)為最適合UAM運(yùn)營(yíng)的方式是將eVTOL航空器作為一種公共的共享式的交通載運(yùn)工具向公眾開放。通過統(tǒng)一的承運(yùn)商、統(tǒng)一制式的載運(yùn)工具在一座城市范圍內(nèi)開展相關(guān)服務(wù)。高端定制飛行服務(wù)根據(jù)用戶的出行需求在指定地點(diǎn)專機(jī)接送,適合時(shí)間敏感、經(jīng)濟(jì)條件良好的人群。
若將UAM類比于網(wǎng)約車市場(chǎng),根據(jù)經(jīng)營(yíng)模式的不同,可分為全職網(wǎng)約車平臺(tái)和兼職網(wǎng)約車平臺(tái);根據(jù)車輛服務(wù)模式的不同,可分為出租車市場(chǎng)、專車市場(chǎng)、快車市場(chǎng)和拼車、順風(fēng)車市場(chǎng)。
網(wǎng)約車中的優(yōu)享/專車/豪華車等高端服務(wù)占比穩(wěn)步提升。從易觀數(shù)據(jù)來看,專車憑借優(yōu)質(zhì)和安全的服務(wù)持續(xù)獲得市場(chǎng)認(rèn)可,其市占率逐年攀升。
對(duì)比有人專車/豪華車業(yè)務(wù),無人eVTOL可有效節(jié)約司機(jī)成本。根據(jù)滴滴招股書對(duì)滴滴網(wǎng)約車中國業(yè)務(wù)進(jìn)行拆解,平臺(tái)變現(xiàn)方式以收取傭金為主,從成本端來看,包括稅金、司機(jī)分成和司機(jī)補(bǔ)貼、乘客補(bǔ)貼、平臺(tái)運(yùn)營(yíng)成本及費(fèi)用:1)司機(jī)補(bǔ)貼,一部分是應(yīng)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的支出,維護(hù)司機(jī)粘性,一部分是運(yùn)營(yíng)必需品,主要用以在高峰期調(diào)度運(yùn)力;2)C端補(bǔ)貼,主要用于在一二線城市日常維系市占率;在三四線城市補(bǔ)貼提升滲透率;3)運(yùn)維費(fèi)用,主要用于中后臺(tái)的研發(fā)、安全保障、日常運(yùn)維等支出。
對(duì)比滴滴豪華車分類,基本均為落地價(jià)50W以上的外資品牌車,雖然目前eVTOL的單機(jī)價(jià)格遠(yuǎn)高于豪華車,但遠(yuǎn)期看降本空間較大。2021年10月24日的小鵬汽車科技日上,小鵬汽車生態(tài)企業(yè)小鵬匯天宣布,其第6代飛行汽車預(yù)計(jì)2024年量產(chǎn),價(jià)格將控制在100萬元以內(nèi)。
以時(shí)的科技的E20 eVTOL為例,對(duì)市內(nèi)交通eVTOL飛行成本進(jìn)行拆分:固定成本包括飛行器成本、保險(xiǎn)費(fèi)用和飛行員薪資;運(yùn)營(yíng)成本包括更換電池成本、電力費(fèi)用、檢查和運(yùn)營(yíng)成本、起降費(fèi)。目前“1飛行員+4乘客”的有人駕駛eVTOL價(jià)格約為1000萬元/套,假定每年的飛行小時(shí)和壽命與直升機(jī)類似,采用直線折舊法,殘值為0,每年折舊金額=飛行器購買價(jià)格/使用壽命年限。假定10年后飛行器的價(jià)格降至300萬元/套,年飛行小時(shí)由1000小時(shí)增加至2000小時(shí),保險(xiǎn)費(fèi)用由每年10萬元/套降至每年5萬元/套,降落費(fèi)由100元/次降低至50元/次;總計(jì)飛行時(shí)長(zhǎng)、耗電量、電價(jià)、電池成本比重、電池壽命、檢查和運(yùn)營(yíng)成本、飛行員年薪不變。根據(jù)計(jì)算,一次約65km的出行,4名乘客的均價(jià)在10年后可降至97.5元,與網(wǎng)約車價(jià)格相近。
綜上,1)短期:各主機(jī)廠陸續(xù)適航取證,由于多旋翼型市場(chǎng)準(zhǔn)入早,率先在旅游觀光市場(chǎng)放量;2)中期:認(rèn)證基本落地,復(fù)合翼型綜合性能優(yōu)良、安全系數(shù)高,進(jìn)一步打開醫(yī)療救護(hù)市場(chǎng);3)長(zhǎng)期:復(fù)合翼型、傾轉(zhuǎn)翼型eVTOL齊頭并進(jìn),若市內(nèi)專車業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地,可實(shí)現(xiàn)城市日常交通對(duì)公眾開放,市場(chǎng)挖潛空間大。
低空基建端:垂直起降場(chǎng)、空管系統(tǒng)建設(shè)有望加速
城市空中交通的觀念由來已久,自1939年直升機(jī)問世以來就被應(yīng)用于城市短途運(yùn)輸,例如從機(jī)場(chǎng)到市中心的短途運(yùn)輸或空中觀光等,這意味著城市空中交通早就存在。根據(jù)不同時(shí)期的研究熱點(diǎn)以及運(yùn)行概念的不斷更迭,城市空中交通的發(fā)展歷史大致可分為3個(gè)階段。
雖然UAM(城市空中交通)已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)化試點(diǎn)工作,但UAM與現(xiàn)有交通方式在流量特性、服務(wù)目的、管控方式等方面的區(qū)別與聯(lián)系、是否與現(xiàn)有交通方式形成互補(bǔ)或競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系均尚未明晰,這些都是真正實(shí)現(xiàn)UAM常態(tài)化運(yùn)營(yíng)所必須考慮的問題。關(guān)于UAM管理與運(yùn)營(yíng),更多的學(xué)者將其納入民航運(yùn)輸?shù)姆懂牎AM與出租車、公交以及地鐵等地面交通的交通工具的實(shí)質(zhì)區(qū)別是以不同空間維度的載運(yùn)工具服務(wù)于城市交通系統(tǒng),即使其運(yùn)行空域與現(xiàn)有的運(yùn)輸航空或通用航空有部分重合,但其服務(wù)目的、服務(wù)區(qū)域、載運(yùn)工具流量特性等多方面因素融合了城市交通的屬性,因此不能簡(jiǎn)單的將UAM歸入傳統(tǒng)意義上的民用航空管理范疇。
2023年5月,美國聯(lián)邦航空局FAA公開發(fā)布《城市空中交通(UAM)運(yùn)行概念2.0白皮書》,白皮書提出的UAM管理體系最大的特點(diǎn)是市場(chǎng)參與度高、FAA僅作宏觀把控。除FAA外,白皮書提出了3種重要的角色,即UAM服務(wù)供應(yīng)商(PSU)、UAM運(yùn)營(yíng)商、補(bǔ)充數(shù)據(jù)服務(wù)供應(yīng)商(SDSP),建立了“FAA→PSU→UAM運(yùn)營(yíng)商”的管理層級(jí),以及“SDSP→PSU+UAM運(yùn)營(yíng)商”的信息支持框架。除FAA外,其余角色都可能以企業(yè)為主要形式,承擔(dān)UAM交通管理的主要實(shí)際工作,其中僅有PSU能夠直接與FAA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。白皮書對(duì)UAM管理體系的架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),明確了其中的參與角色及其各自權(quán)責(zé)。
2016年,NASA、美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)以及美國工業(yè)界、學(xué)術(shù)界聯(lián)合研制了UTM運(yùn)行概念框架,論述了UAS從非管制空域運(yùn)行到管制隔離空域運(yùn)行再到管制空域混合運(yùn)行的階段性發(fā)展過程,制定了UAS技術(shù)能力發(fā)展的4個(gè)等級(jí),以此來逐步實(shí)現(xiàn)從視距內(nèi)運(yùn)行到超視距運(yùn)行、從城郊人口稀疏區(qū)到城區(qū)人口稠密區(qū)、從人工手動(dòng)控制到智能自動(dòng)管理的轉(zhuǎn)變。2018年,NASA正式提出了UAM空域融合概念,并將UAM發(fā)展分為了3個(gè)階段:①新興階段:沿固定航線進(jìn)行低速度、低密度飛行;②發(fā)展階段:圍繞某一樞紐,實(shí)現(xiàn)小型立體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行;③成熟階段:多樞紐、高速度、高密度運(yùn)行。
城市空中交通的有效運(yùn)行離不開地面基礎(chǔ)設(shè)施的全面支持。未來城市空中交通應(yīng)當(dāng)是空地協(xié)同式的交通運(yùn)輸模式,航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃必須考慮地面垂直起降機(jī)場(chǎng)布局,UAM運(yùn)行也必須保持在通信、導(dǎo)航、監(jiān)視的有效范圍之內(nèi)。
垂直起降場(chǎng):低空航線規(guī)劃必備一環(huán),落地后有望緩解地面交通壓力
根據(jù)《城市空中交通:網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)規(guī)劃》(呂迪等,【先進(jìn)交通運(yùn)載技術(shù)】,2023年4月),通過采集中國主要城市的交通出行需求和通行時(shí)間數(shù)據(jù),結(jié)果表明:
①UAM網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)中心輻射式結(jié)構(gòu),eVTOL被用于連接中心節(jié)點(diǎn)(即垂直起降站點(diǎn)),而地面交通負(fù)責(zé)垂直起降站點(diǎn)與出發(fā)地、目的地之間的連接;
②UAM網(wǎng)絡(luò)布局在城市內(nèi)呈現(xiàn)集中化特點(diǎn),以幫助UAM實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)營(yíng)。集中化網(wǎng)絡(luò)一方面減少垂直起降站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的布設(shè),降低運(yùn)營(yíng)成本;另一方面提高服務(wù)水平,增加乘客對(duì)UAM服務(wù)的接受程度;
③UAM 網(wǎng)絡(luò)的飛行路線側(cè)重于中長(zhǎng)途通勤。一方面,乘客在使用UAM出行時(shí),需要通過地面交通從出發(fā)地前往垂直起降站點(diǎn),或者從垂直起降站點(diǎn)到達(dá)目的地;另一方面,由于政策法規(guī)、居民隱私和噪音等問題的限制,eVTOL飛行器需要額外的時(shí)間垂直爬升或降落一定高度。這些都會(huì)導(dǎo)致額外的時(shí)間損失,從而削弱城市空中交通的優(yōu)勢(shì);
④不同城市的UAM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因功能區(qū)劃和乘客需求的差異而表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。例如,在深圳和香港,UAM系統(tǒng)不僅用于強(qiáng)化城市內(nèi)部交通,還廣泛用于跨水域通行,從而增強(qiáng)城市的互聯(lián)互通。對(duì)于人口密集市中心區(qū)域占主導(dǎo)地位的城市,如北京和廣州,UAM系統(tǒng)通過在市中心搭建集中化網(wǎng)絡(luò),為商業(yè)區(qū)等交通流繁忙的區(qū)域提供可靠的服務(wù)。
UAM服務(wù)路線的地面交通時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),使用UAM服務(wù)將幫助乘客節(jié)省的時(shí)間更多,UAM將地面交通拓展至三維空間,幫助乘客節(jié)省出行時(shí)間,從出發(fā)地到目的地的行程平均時(shí)間縮短40%至50%。同時(shí),UAM傾向于吸收中長(zhǎng)途通勤流量,因此連接中長(zhǎng)途出行的主要道路或高速公路地面交通量將顯著減少,地面交通擁堵可以得到緩解。
空管系統(tǒng)是民航空中交通管理系統(tǒng)的核心,其全稱為通信、導(dǎo)航、監(jiān)視與空中交通管理系統(tǒng),簡(jiǎn)稱CNS/ATM系統(tǒng),其中通信、導(dǎo)航和監(jiān)視(CNS)部分屬于外圍設(shè)施范疇,空中交通管理系統(tǒng)是空管人員實(shí)際用于管理空中交通運(yùn)輸?shù)男畔⑻幚硐到y(tǒng)。完整的空中交通管理系統(tǒng)由三大部分組成:空中交通服務(wù)(ATS),空中交通流量管理(ATFM)和空域管理(ASM)。其中空中交通服務(wù)又由三部分組成:空中交通管制(ATC),飛行情報(bào)服務(wù)(FIS)和告警服務(wù)(AS)。
空管系統(tǒng):低空經(jīng)濟(jì)的大腦,關(guān)注“5G+北斗+ADS-B”體系
由于我國的特殊國情,空域的管理具有獨(dú)特的屬性,無法直接套用發(fā)達(dá)國家成熟的中低空空管模式,雷達(dá)的低空監(jiān)視能力不足。基于中國國內(nèi)特殊的國情,中低空空域主要?jiǎng)澐譃?span style="margin:0px;padding:0px;outline:0px;max-width:100%;font-weight:700;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;">管制、監(jiān)視和報(bào)告三類空域,特別是臨近機(jī)場(chǎng)的范圍更是監(jiān)控的重點(diǎn)。雷達(dá)的監(jiān)控原理主要是利用了雷達(dá)的探測(cè)性能,實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)管低空空域范圍,具體來說,分為一次的雷達(dá)監(jiān)管與二次的雷達(dá)監(jiān)管。
①一次的雷達(dá)監(jiān)管利用天線副瓣與波瓣的降低,抑制地面的雜波,強(qiáng)化低速的目標(biāo)檢波性的概率。但由于其主要是通過利用電脈沖的反射信號(hào)去進(jìn)行信息探測(cè)與顯示,只能在顯示器中看到一個(gè)個(gè)亮點(diǎn),這種監(jiān)視方式缺乏目標(biāo)的識(shí)別碼以及高度等信息,且容易受到一些氣象以及雜波等不同因素的不同干擾。
②二次的雷達(dá)監(jiān)管是通過利用地面的雷達(dá)配合飛機(jī)上的機(jī)載雷達(dá),二者相互聯(lián)系,傳遞信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)低空領(lǐng)域中航空器飛行的監(jiān)視。這種二次雷達(dá)系統(tǒng)不會(huì)輕易的受到一些外界因素的干擾影響,但如果目標(biāo)過度密集,也可能會(huì)出現(xiàn)不同應(yīng)答重疊的問題,且這種系統(tǒng)的建設(shè)周期比較長(zhǎng),監(jiān)視成本也比較高。此外,空管一、二次雷達(dá)對(duì)于航路的覆蓋受到地形的影響,對(duì)于低空區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)完整覆蓋,同時(shí)雷達(dá)電波本身存在的盲區(qū)特性,導(dǎo)致部分管制和監(jiān)視空域存在“黑洞”情況。
針對(duì)我國低空空域管理的特點(diǎn),通過結(jié)合北斗和5G技術(shù),構(gòu)建空中交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是一種有益的技術(shù)保障思路和手段。由于中國無人機(jī)、通用航空等多種民用飛行活動(dòng)日益增加,低空飛行器難于管理,空管部門無法通過一二級(jí)雷達(dá)有效監(jiān)控,尤其是近年來飛速發(fā)展的“低小慢”飛行器,“看不見、叫不到、管不住”的問題尤其突出。我國現(xiàn)有的通信、導(dǎo)航和監(jiān)控(CNS)基礎(chǔ)設(shè)施僅能滿足對(duì)高空飛行器的管理需求,隨著eVTOL產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,目前的系統(tǒng)無法滿足eVTOL物流、載人交通等新低空應(yīng)用CNS的需求,需要北斗+5G空中交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)來解決低空服務(wù)中定位精度不足、數(shù)字化導(dǎo)航能力缺失和監(jiān)視信息連續(xù)性/可信性/完好性差的問題;提供高容量低時(shí)延的低軌通信服務(wù)來解決飛行器數(shù)字化通信管理缺失和監(jiān)視容量不足的問題。北斗+5G空中交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的一部分,將為低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出較大貢獻(xiàn)。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是北斗+5G空中交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),以北斗三號(hào)為核心,5G服務(wù)在其基礎(chǔ)上補(bǔ)充、改正、增強(qiáng)和改進(jìn)。1)監(jiān)管系統(tǒng):我國在低空空域中的監(jiān)管系統(tǒng)以全球定位的系統(tǒng)、“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)、地面控制中心以及飛行器的機(jī)載設(shè)備等四大方面組成,這種監(jiān)管系統(tǒng)在低空空域運(yùn)用中覆蓋的范圍比較大。我國監(jiān)管系統(tǒng)運(yùn)行的過程一般由北斗衛(wèi)星接收全球的定位系統(tǒng)信息后,再將所接收信息進(jìn)行處理并保存到服務(wù)器里,在通過顯示器進(jìn)行準(zhǔn)確顯示飛行器的信息,方便監(jiān)管人員通過監(jiān)管系統(tǒng)去監(jiān)控飛行器,并能夠及時(shí)了解飛行器的飛行狀況信息等。2)地面的監(jiān)控中心:地面的監(jiān)控中心系統(tǒng)通過北斗指揮型的用戶機(jī)、衛(wèi)星天線、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及大型顯示器等設(shè)備組成。在通過北斗指揮型的用戶機(jī)接到了指令信息之后,將信號(hào)信息發(fā)送給負(fù)責(zé)信息接收與發(fā)送到衛(wèi)星天線上去,北斗衛(wèi)星對(duì)于信號(hào)的發(fā)送有速度快、效果好好的優(yōu)勢(shì)。在地面的控制中心軟件需要對(duì)飛行器的設(shè)備狀況以及攜帶的各種信息進(jìn)行接收與分析處理,并進(jìn)一步的保存到服務(wù)器監(jiān)控的數(shù)據(jù)庫中留待使用。
北斗空中航行系統(tǒng)的核心是定位、導(dǎo)航、授時(shí)、短報(bào)文通信技術(shù),在北斗系統(tǒng)提供的基本導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)功能的基礎(chǔ)上,融合北斗短報(bào)文位置報(bào)告或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)航空器、機(jī)場(chǎng)設(shè)施、地面車輛等交通工具的位置監(jiān)視、指揮、調(diào)度、應(yīng)急救援和航跡追蹤管理。
低空經(jīng)濟(jì)涉及的多個(gè)方面恰好是北斗的典型應(yīng)用服務(wù),低空經(jīng)濟(jì)實(shí)質(zhì)上是北斗的應(yīng)用服務(wù)樣板。北斗技術(shù)在低空產(chǎn)業(yè)鏈上的應(yīng)用,包括應(yīng)急救援、eVTOL試點(diǎn)及應(yīng)用、林業(yè)空地一體化服務(wù)、數(shù)字農(nóng)業(yè)服務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、物流配送等多個(gè)領(lǐng)域。
ADS-B監(jiān)視技術(shù):實(shí)時(shí)獲取eVTOL全方位信息,精確提高低空空域安全性。ADS-B技術(shù)全稱為廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù),其工作過程是在每個(gè)eVTOL上安裝一套ADS-B系統(tǒng),機(jī)載ADS-B系統(tǒng)在接收到導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)出的導(dǎo)航信息后,將接收到的位置、高度、航向等多維信息傳輸給機(jī)載ADS-B處理設(shè)備,機(jī)載ADS-B處理設(shè)備將信息處理過后通過利用多種數(shù)據(jù)鏈的通信模式(包括地-空、空-地、空-空等)周期性將自身的多維信息廣播(信息包括eVTOL的高度、飛行航向、飛行速度以及身份識(shí)別碼等)。ADS-B的機(jī)載設(shè)備包含GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)以及CDTI交通信息駕駛艙顯示。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取飛機(jī)實(shí)時(shí)的位置信息,GNSS將位置信息轉(zhuǎn)化成為數(shù)字碼,ADS-B系統(tǒng)收發(fā)機(jī)將eVTOL的信息通過數(shù)據(jù)鏈廣播,最終形成可視化的信息展現(xiàn)在地面空管系統(tǒng)的顯示設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)空域范圍內(nèi)的空中管制,大大提高了低空空域的安全性。
ADS-B監(jiān)視技術(shù),與傳統(tǒng)監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)相比,有著數(shù)據(jù)更新速度快、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。在監(jiān)視范圍方面,ADS-B技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)eVTOL從起飛到落地的全過程監(jiān)視,其數(shù)據(jù)的更新速度比傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)更快,大大提高了監(jiān)視的實(shí)時(shí)性;一套雷達(dá)監(jiān)視設(shè)備的設(shè)置所需要的100~400萬美元的投資,而ADS-B設(shè)備只需10~40萬美元,成本下降90%。同時(shí)ADS-B技術(shù)也衍生出了一系列新興技術(shù)用于eVTOL的飛行過程,相比于傳統(tǒng)的TCASII空域防撞技術(shù),基于ADS-B技術(shù)開發(fā)的防撞系統(tǒng)體積小、造價(jià)成本低、監(jiān)視信息實(shí)時(shí)性高;ADS-B還應(yīng)用于航跡預(yù)測(cè),其數(shù)據(jù)信息可對(duì)四維航跡的進(jìn)行預(yù)測(cè);天基 ADS-B技術(shù)將 ADS-B的地面站建設(shè)到衛(wèi)星上,通過借助低軌道衛(wèi)星的強(qiáng)大功能解決地面站難以建設(shè)的問題,可以讓ADS-B監(jiān)視技術(shù)覆蓋全球范圍,形成完善健全的空域監(jiān)視系統(tǒng)。
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風(fēng)險(xiǎn)提示
空域開放不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)。我國低空空域改革仍在推進(jìn),但各省市地區(qū)低空空域開放程度受制于當(dāng)?shù)氐匦蔚孛病⑷丝诿芗?、軍工與政治屬性等許多因素,可能會(huì)出現(xiàn)低空空域開發(fā)進(jìn)度不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)。
技術(shù)發(fā)展不確定性的風(fēng)險(xiǎn)。eVTOL構(gòu)型多樣、技術(shù)路線不確定,可能出現(xiàn)某種構(gòu)型技術(shù)發(fā)展偏離預(yù)期并對(duì)適航審定造成不確定性影響的風(fēng)險(xiǎn)。
上游市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。上游碳纖維等原材料、電池等零部件價(jià)格存在波動(dòng),可能會(huì)對(duì)eVTOL的發(fā)展產(chǎn)生不確定性影響。
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