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    蓋斯特研報:飛行汽車發展趨勢研究
    2024-03-13 關鍵詞:飛行汽車 點擊量:294

    人類對于飛行汽車的探求由來已久,早在4000多年前的《山海經》中就有飛車的記載。等到了近代發明汽車和飛機之后,1917年世界首個陸空兩用飛行汽車專利誕生,可那只是實現了短距離的飛行式跳躍。其后百年中斷斷續續也出現過一些發明,均因其能力不足而讓人類對飛行汽車的探索止步于概念階段。但是近幾年情況發生變化,在技術進步和社會需求的共同助推之下,飛行汽車迅速成為國內外企業的創投風口,飛行汽車正在由概念大步地向產業化方向邁進。

    那么飛行汽車所承載的陸空一體自由移動時代是否很快到來?蓋斯特研究團隊在系統總結飛行汽車產業現狀及發展驅動因素的基礎上,深入解析飛行汽車商業化落地的核心要素,并預判其未來的商業化路徑與市場空間。


    一、飛行汽車的概念與比較優勢


    飛行汽車作為一種新型交通工具,與地面行駛的汽車、高空長距離飛行的飛機有所不同,飛行汽車主要用于低空領域、短途的載人飛行,是對現有的交通和出行方式的補充與拓展。


    1.飛行汽車概念解析


    狹義的飛行汽車概念是指飛機和汽車的結合體,一種主要在低空飛行的陸空兩用交通工具;廣義上的飛行汽車包括兩大類,eVTOL(電動垂直起降飛行器)和陸空兩用類。

    其中,eVTOL僅具備飛行功能,這是目前飛行汽車研發的主流方向,也是本報告的研究重點。目前全球有200多家企業在此領域布局。eVTOL與直升機的主要區別在于其為純電動驅動,eVTOL與無人機的區別在于其主要以載人為主。

    陸空兩棲類飛行汽車則兼顧空中飛行和陸地行駛。從車身結構上可分為陸空一體式和分體式。目前研發此類飛行汽車的企業很少,尤其是一體式結構飛行汽車的技術難度高,中短期難以實現;對于分體式飛行汽車,當前小鵬汽車和廣汽已經推出相關產品。


    圖1 飛行汽車的基本定義


    2.飛行汽車的基本構成與核心技術要素


    eVTOL飛行汽車結構主要包括三大部分:動力推進系統、車體平臺和飛行控制總系統,其中每個部分又可分為多個子系統。


    圖2 飛行汽車基本構成


    具體來看,動力推進系統的核心技術及零部件主要包含電池、電機、驅動器、伺服電機、減速器等,國內目前主要由寧德時代、孚能科技等動力電池供應商研發制造;

    車體平臺系統主要包含機體外殼、槳葉、航空玻璃等,部分零部件可與飛機、直升機通用,目前該領域主要是航空航天企業在研發和制造;

    飛行控制總系統分為四個主要部分:①飛行控制系統:包括起飛著陸控制、飛行姿態控制、路徑規劃、應急安全等;②傳感器系統:包括攝像頭、激光雷達、超聲波、空速管,以及溫度、氣壓、濕度傳感器等;③通訊系統:包括無線電、5G、衛星通訊等;④導航系統:包括北斗導航和GPS的定位系統以及基站導航、慣導等導航系統。其中,飛行控制系統、傳感器系統的研發制造參與者主要以軍工單位、研究所及高校為主,如中航工業618所、北航、南航等;通訊和導航的技術及零部件,則是華為、中興等信息通信科技企業與合作伙伴在嘗試研發。

    從中可以看出,飛行汽車是新汽車與航空兩大領域技術交叉的產物,其發展建立在新能源、自動駕駛和物聯網等三類科學技術有機結合的基礎上。也可以說,正是近年來電動化、智能化和網聯化等新技術的進步,推動了飛行汽車的加速發展。


    3.飛行汽車的比較優勢 


    相較于汽車、直升飛機和飛機等出行方式,飛行汽車在特定路程范圍內展現出高效率、低噪聲、低碳排放和舒適性等優勢。具體如圖3所示。

    ①當出行距離小于50公里時,汽車因不需前置準備,在幾種交通方式中用時最短,成本最低;若道路處于擁堵狀態下,飛行汽車的用時可能短于汽車。

    ②當出行距離為50-300公里時,飛行汽車具備綜合出行優勢:對比汽車,飛行汽車用時更短,能夠更快地到達目的地;對比直升機,飛行汽車雖然在200-300km距離中用時略長,但具有成本更低、碳排放低和舒適性高的優勢;對比飛機,飛行汽車的綜合用時更短,且有成本低等優勢。

    ③當出行距離高于300公里時,直升機和飛機將體現出長續航條件下的速度優勢。

    綜上對比,飛行汽車在50-300公里的短途出行范圍內具備綜合優勢。


    圖3飛行汽車與現有主流通行工具的出行效率對比


    二、飛行汽車的應用場景分析及產業現狀


    基于智能電動汽車技術發展帶來相關技術突破,近年來數以百計的企業加快布局飛行汽車領域,推動其商業化落地。當前國內外普遍看好飛行汽車的商業價值潛力,多家行業機構預測全球飛行汽車的未來潛在市場空間將達到萬億級美元。


    1.飛行汽車的應用場景


    飛行汽車應用場景的核心特征是低空、短途(300km以內)和點對點運行,尤其是山地、河流、跨海等公路交通不便的情境下。具體可從三個維度看其應用場景:

    一是,ToB/ToG的偶發性需求,例如商業運營中特需情況下的載人載物,或政府服務中的緊急醫療、搶險救援等情況時,飛行汽車的出行效率高于汽車,同時成本低于直升機;

    二是,ToB/ToG的常態化需求,ToB中短途的景區游覽及公務出行,ToG主要包括警務航空、基礎設施檢查(尤其是公路交通不便區域)等,飛行汽車在該場景下比直升機具有成本和環保優勢;

    三是,ToC個人或家庭的城區出行,主要用于通勤和差旅,飛行汽車可有效避免由于路面擁堵造成的時間浪費,提高出行效率。


    圖4 eVTOL的應用場景


    2.飛行汽車產業布局現狀


    當前飛行汽車處于由概念轉向產業化的階段,幾百家市場參與者主要分為三大類型:一是航空制造商,如波音、貝爾、巴西航空等;二是汽車企業,如豐田、現代、廣汽、吉利、小鵬汽車等;三是科技公司,如億航、英特爾、谷歌、騰訊等。幾年來,飛行汽車行業的市場主體數量呈現迅速增多的趨勢,且多家企業宣布將在2025-2026年進入飛行汽車商用階段,主要企業發展布局情況詳見表1。


    表1飛行汽車制造商發展布局


    可以看出,當前飛行汽車行業正處于從零到1的商用化拐點階段,未來能否實現從1到N的突破,將取決于影響飛行汽車商業化落地的核心因素。


    三、飛行汽車商業化落地的核心要素


    實現飛行汽車商業化落地的三大核心要素是技術、政策法規與市場環境。其中,技術要素包括動力推進技術、高升阻比輕質車體技術和低空飛行智能駕駛三大核心技術;政策法規要素包括適航審定、低空空域管理等政策,以及航線制定、行駛規則、事故責任劃分、空中執法手段等在內的空中行駛規則等;市場環境要素主要包括城市空中交通及立體交通的基礎設施、商業模式、保險以及公眾接受度等因素。

    飛行汽車行業的進一步發展,需要政府及相關規則研究制定機構、產業鏈上下游(包括各類技術與服務運營提供商、出行服務集成商)等協同配合和共同推進。下面重點解析eVTOL商業化落地的核心要素。


    1.核心技術要素


    eVTOL核心技術要素包括動力電池、輕質車身和低空飛行智駕技術。這三個技術的發展成熟直接影響eVTOL的性能及商業化落地進程。


    (1)動力電池

    飛行汽車需要高比能量動力電池,電池能量密度是決定飛行汽車eVTOL能否商業化落地的核心要素之一。飛行汽車的商業化要求續航應至少達到200公里,參考清華大學郝瀚副教授團隊的測算結果(詳見圖5),那么電池的能量密度必須提升至300-400Wh/kg。

    具體測算過程如下:通常情況下,eVTOL的最大起飛質量約1000kg,電池占總質量的比例約為30%,這一占比在極限減重的情況下可達到50%,因此eVTOL上電池的質量極限約為500kg。

    當電池能量密度達到200Wh/kg時,僅能支持eVTOL續航100公里左右,此時所需電池容量為70kWh。若eVTOL需要續航200公里,則需電量超500kWh。按照每度電對應電池質量約5kg計算,意味著需要2.5噸電池,而eVTOL上電池質量極限是500kg,顯然如此能量密度比的電池無法滿足eVTOL續航要求。

    當電池能量密度提升至400Wh/kg,eVTOL續航200公里所需電池容量約90kWh,在車身輕量化和電池系統輕量化的理想狀態下甚至可支撐eVTOL續航300公里。如果電池能量密度進一步提升至600Wh/kg時,eVTOL飛行汽車的續航甚至可達400km。


    圖5動力電池能量密度對飛行汽車續航的影響


    經過測算,飛行汽車eVTOL商用化需要電池能量密度達到300-400Wh/kg。目前圍繞飛行汽車所需的高比能量電池,兩家公司已取得突破進展。寧德時代在2023年4月發布了凝聚態電池(半固態),其比能量達到500Wh/kg,容量在20~50Ah左右,有望于2024年量產;正力新能發布了航空電池,能量密度約320Wh/kg,同時支持超快充,15分鐘可充電至電池80%的電量。另外,固態電池也是一種可行的技術方向,全固態電池有望滿足飛行汽車對于電池技術的各項要求。預計固態電池2027年左右可實現商業化。


    (2)輕質車身

    飛行汽車對于輕質車身的要求非常高。輕質車身技術主要包括整機空氣動力學和輕量化材料技術,目前處于持續優化階段,主要方式為優化機身和機翼空氣動力學設計。

    其中,整機空氣動力學方面的技術尚欠成熟,由于飛行汽車平臺構型升阻比小、氣動阻力大,導致其荷載較小、經濟性較差,因此單純依靠多旋翼的機型能效較低,復合翼或傾斜翼是主要發展方向;輕量化材料技術較為成熟,由于eVTOL車體必須兼顧高強度和輕量化,應綜合考慮密度低和強度高的材料,目前常見材料是碳纖維復合材料,小鵬匯天使用的就是該材料。


    (3)低空飛行智駕技術

    目前低空飛行智駕技術處于發展早期,多數eVTOL配備飛行員,預計L5級智能駕駛技術將在2030年后實現商業化落地,屆時需要整個系統體系的協同管理。飛控技術包括感知、決策、控制和通信技術四大領域,當前主要技術難點與研究方向如下:

    第一,在感知領域,飛行汽車需要對起降區域的環境、可行區域做出精準判斷,監測環境相對復雜,同時對抗噪聲干擾和監測距離也有較高要求,但是現有傳感器技術難以滿足如此高的要求。在微機電傳感器基礎上的復雜氣象環境感知技術是傳感器的發展方向;

    第二,在決策領域,飛控算法主要涉及不同機型的姿態控制問題,對多旋翼、復合翼、傾旋翼的控制難度依次升高,目前研發企業正在推進相關智駕算法研究;

    第三,在控制領域,行業內主要研究方向包括傳統的線性飛行控制、以AI為基礎的深度學習飛行控制、主要基于模型實現的非線性控制;

    第四,在通信技術領域,現有通信技術可以滿足點對點飛行的需求,但是不同區域的通信信號覆蓋情況差異明顯,難以滿足eVTOL大范圍普及要求的通信穩定性和可靠性保障需求。


    2.政策法規要素


    飛行汽車的資質許可主要包括四類證書,分別是型號合格證、生產許可證、運行許可證,以及單機適航證。如圖6所示,飛行汽車生產企業只有獲得前三個證書,且每款機型獲得單機適航證后才能開展商業運營。目前多數企業處于型號合格證審定階段。eVTOL取得全部資質的流程時間長、成本高。前三證從申請到審批預計需要3-5年時間,預估eVTOL獲取適航認證需花費10億元。

    當前全球已有多家企業獲得單機適航證(包括特殊適航證/特許飛行證等),具備了試飛的資格。其中國內有吉利沃飛長空、小鵬匯天、億航等公司,其中億航是國內首家獲得中國民航局型號合格證的企業;國外有JOBY、Alef Aeronautics等公司。

    相較于傳統大飛機,eVTOL的適航條款中少了燃油、液壓、機身增壓等復雜系統的驗證工作,因此業內認為其適航取證時間相對較短。另外,各國對eVTOL制造商的認證進度也在加快。


    圖6 eVTOL需要取得的資質證件(適用于中國、美國等市場)


    3.其他政策及市場環境要素


    低空空域管理、基礎設施及公眾接受度等也是飛行汽車商業化落地重要影響因素。

    首先,在低空空域管理上,目前各國開放的進程存在差異。美國針對低空空域采用分級管理,eVTOL可在非管制空域(3000米以下)自由飛行;日本和韓國的相關政策正在推進;中國對低空空域管理開放的難度較大,畢竟低空空域作為一種國家戰略資源,關乎空防安全,同時低空空中交通管理相對復雜。但是近幾年中央與地方政府為了更好地支持低空經濟產業的發展,紛紛推出引導政策。四川、深圳、湖南、江西等地已經先后開展了低空空域管理改革試點工作。2024年3月5日“低空經濟”首次寫進了《政府工作報告》,也是首次被定義為增長引擎。因此后續我國低空空域管理進程將會加速,這將大大促進飛行汽車的發展。

    其次,在低空基礎設施方面,需要與城市規劃相匹配,且前期資金投入大。低空基礎設施主要包含:垂直起降場等物理基礎設施、信息基礎設施(通信、導航、監視、氣象監測等),以及數字化管理服務系統等。

    最后,在公眾接受度方面,主要涉及低空飛行噪聲、公共安全風險(例如城市載人事故可能帶來嚴重后果)、視覺以及隱私擔憂等問題,目前我國相關制度有待完善,人們對飛行汽車也需要一個逐步了解和接納的過程。


    圖7飛行汽車低空飛行環境


    總而言之,當前我國在低空空域管理、飛行汽車運行時的起降場地、配套設施等一系列體系建設剛剛起步,雖然中央和地方政府在大力推進,但是仍需經歷較長時間的摸索期,這就決定了飛行汽車大規模商業化落地不可能短期內快速實現。


    四、飛行汽車商業化路徑與市場空間預判


    1.飛行汽車商業化路徑預判


    飛行汽車的商業化路徑由產品成熟度和優勢使用場景共同決定。蓋斯特研究團隊綜合考慮了技術、政策法規及市場環境等核心要素對飛行汽車產品量產落地的影響,以及飛行汽車在短途(<300km)、易堵車的大型城市內、公路交通不便等場景下的高效出行優勢,判斷飛行汽車未來商業化路徑將分為三個階段:

    第一階段,2025年飛行汽車將迎來小規模的商業化應用,率先從B端切入,主要應用在乘員少、航程要求低、點對點、追求出行效率或體驗的場景中,例如公共設施檢查、空中旅行、搶險救援等。

    第二階段,2030年飛行汽車產業將迎來快速發展時期,主要應用場景是300公里內的短途出行場景,同時將逐步向城區滲透,例如警務航空(巡線巡邏)、公務出行、緊急醫療等。

    第三階段,2040年飛行汽車產業將實現初步規?;?,隨著基礎設施完善,逐步由點對點運行向不定點、不定時的空中出租車服務方向發展,同時私人飛行汽車也將具有一定的市場規模。


    2.飛行汽車市場空間的預判


    圖8飛行汽車成本及市場規模預測


    飛行汽車成本分為整車購買成本和運營成本。飛行汽車成本下降趨勢及市場規模預測如圖8所示??紤]到核心技術逐漸成熟與規模效應顯現所帶來的成本下降,預計飛行汽車整車購買成本將從2025年的500萬元,降至2040年的100萬元;運營成本主要包含保險、維修保養、人工成本(2030年前需要飛行員)、直接飛行成本等,這部分成本預計將從2025年的150元/10分鐘下降到2040年的50元/10分鐘。

    飛行汽車市場規模由三部分構成:整車銷售規模、相關產業鏈規模及服務運營收入。整車銷售方面,預計2025年中國飛行汽車市場規模約800臺、2030年約2000臺、2040年將超5000臺。結合飛行汽車商業化路徑下的核心應用場景、產品成本及運營成本趨勢、未來市場規模等各種因素,蓋斯特預測:中國飛行汽車的產業產值將在2025年、2030年和2040年分別達到100億、500億和1500億元。

    綜上所述,在電動化、網聯化、智能化等科技持續進步,以及社會需求的共同推動下,飛行汽車的概念階段被快速突破,全球幾百家企業在飛行汽車領域布局,eVTOL成為現階段的主流產品方向。飛行汽車作為一種新型交通工具,當前仍處于起步期,其產業化進程受到核心技術、政策法規、市場環境等多種核心因素的影響。蓋斯特預測:我國飛行汽車的應用及商業化落地將經歷三個發展階段,從2025年小規模商用階段的空中旅行、搶險救援等,逐漸發展到2030年快速發展期的多種應用場景,再到2040年初步產業化階段的空中出租車服務和私人飛行汽車等。飛行汽車前景廣闊,具有巨大的市場潛力。未來隨著飛行汽車應用落地,人類夢想中陸空一體的智能立體交通時代將會逐步到來。

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