您现在的位置是:首页 > 新闻

“飞行汽车”产品纷纷落地,eVTOL能成为下一个颠覆性机会吗?

人气: 作者: 经纬创投 时间:2021-10-20 新闻

简介在今年第十三届中国国际航空航天博览会(珠海航展)上,小鹏展出了自研的飞行汽车“旅航者X2”。这款产品续航时间为35分钟,最大飞行速度可达130公里/小时,拥有自...

在今年第十三届中国国际航空航天博览会(珠海航展)上,小鹏展出了自研的飞行汽车旅航者X2”。这款产品续航时间为35分钟,最大飞行速度可达130公里/小时,拥有自主飞行路径规划能力。


X2的动力部分采用八组独立电池和4轴8桨布局,可实现冗余供电及垂直起降,目前已经试飞接近1万次。


自从19世纪80年代开发出了第一辆汽车,大约20年后,北卡罗来纳州的莱特兄弟发明了第一架飞机。今天,我们距离将这两个概念结合起来更近了,全球各地的科技公司都在尝试“飞行汽车”的载人试飞。

两个月前,总部位于美国加州的Joby Aviation通过SPAC上市,市值接近60亿美元。除此之外,美国Archer Aviation、英国Vertical Aerospace、德国Lilium Jet和日本Skydrive等等也专注于可实现垂直起降的电动交通工具(eVTOL)。


如果放大到整个城市空中交通市场(Urban Air Mobility),据Morgan Stanley预测2040年市场规模将达到1万亿美元,共享出行、货运、短途航空是三大主要市场。我们今天这篇研究,就来分析一下eVTOL的机会与挑战,Enjoy:

  • eVTOL是什么?

  • eVTOL市场有多大?

  • 市值58亿美元的飞行汽车公司Joby是什么来头?

  • 欧美如何监管?

  • 中国市场可行吗?

1

eVTOL是什么?

eVTOL是纯电动垂直起降飞机,它能像直升机一样着陆和起飞,像固定翼飞机一样巡航,所以不需要一个超长的机场跑道,这是eVTOL的核心优点之一,它可以直接使用直升机场或任何垂直起降场。

由硅谷初创公司Opener研发的单人飞行器BlackFly。eVTOL都非常不挑起降环境

目前市面上在研的eVTOL产品多是针对2-5名乘客,采用分布式电力推进,有多个旋翼,最多的情况下高达18个。现有项目的飞行范围多在30-300公里之间,速度在每小时112-320公里的区间。

eVTOL可以说是汽车电动化的延伸,它享有的很多优点都与电动车类似。首先由于是纯电动,与直升机相比eVTOL的噪音非常小,其中一些公司的eVTOL在100米距离时,产生的噪音水平约为60dBA,这相当于站在洗碗机旁边,或者距离直升机1公里。

噪音对于城市空中交通很重要,在美国旧金山,由于噪音影响,40个直升机停机坪中只有1个处于日常活动状态。噪音小的优点将令eVTOL尽可能地飞到社区中心,并且延长eVTOL在城市内的运行时间。

其次,像汽车电动化简化了很多传统零部件一样,eVTOL比直升机享有更低的运营成本。直升机需要一系列复杂的传动装置,才能把涡轮机的能量转化为推力,但eVTOL的电机是分布式的,多个电动机驱动轴可以直接连接到每个旋翼叶片上,根本无需传动装置。

所以操作一架eVTOL简单得多,飞行员所需的学习成本也低得多,只需要他们在恶劣天气和特殊情况下能够控制。

Archer eVTOL

Eve eVTOL

这也直接增加了安全性。因为现今直升机事故的第一大原因是发动机故障。但eVTOL有多个旋翼,每个旋翼都有各自的小电机,而不是一个大的电机。这种分布式动力的结构,只要每个电机能够产生足够的推力来补偿自身重量,就可以增加电机和电池模组总数,以实现更多的冗余。

这种冗余级别将允许eVTOL在发生故障时,仍然保证安全降落。所以eVTOL其实会比今天的直升机安全得多。

当下限制eVTOL最核心的技术因素就是动力电池。对于飞行器来说,电池一直不是常规的动力选择,因为汽油的能量密度比锂离子电池高出了两个数量级。由于eVTOL是垂直起降,流体力学中的伯努利原理并不适用,将相同质量的汽车垂直抬离地面,所需要的能量远高于在地面行驶的汽车。

因此,今天的eVTOL还处于早期阶段,有效载荷小,也还只能短距离行驶,但也能满足少量乘客的城市飞行或是包裹递送。随着电动车的大规模普及,电池化学、固态电池技术、软件的进步正在以非线性的方式推动电池的发展,电机驱动的尺寸、重量和分布式推进优势,将在很大程度上弥补电池对燃油的固有劣势。

从能源角度来看,eVTOL无疑是便宜的。中型直升机通常每小时消耗50加仑燃油,相当于200美元/小时的燃料成本。eVTOL的电费为每英里0.082美分,考虑到速度差异,总燃料成本是4美元/小时。毫无疑问,eVTOL是交通绿色革命的一部分。

从技术角度来说,eVTOL其实是汽车电动化的延伸,如果你看好电动车,那么eVTOL将是一个具有远期潜力的领域。

2

eVTOL市场有多大?

它要替代Uber还是直升机?

连接城市中心与机场,以避免地面交通压力的垂直起降飞机,并非是一个理论概念。纽约航空公司(New York Airways)运营直升机连接华尔街、曼哈顿中城和周边机场已有30年之久。

从纽约拉瓜迪亚机场(LGA)到华尔街只需要5分钟,从曼哈顿中城飞往肯尼迪机场(JFK)只需要10分钟,而如果坐车可能要70分钟。

对于eVTOL来说,可行的市场是成为全世界2.3万架商业直升机的替代品。这些直升机又贵又吵,eVTOL可以让噪音大幅降低,且运营成本便宜三倍。

但是,商业直升机市场只有500亿美元,但像Morgan Stanley、德勤等分析师们,预测2040年的eVTOL市场规模为1万亿美元,这样的前景难免令人目眩神迷。

我们来看看这1万亿美元(2040e)是如何预测出来的?

eVTOL核心分为三大市场:共享出行、货运、短途航空。


在共享出行领域,核心逻辑在于替代少部分打车市场,与传统商业直升机通勤市场,最终变成一种经济高效、省时的中短途旅行方向。例如大城市交通拥堵的路线,或是核心区域之间的通勤,在20-250公里的距离中替代汽车。

试想一下,在高峰期打车30公里回家或去机场,以50km/h的平均速度、7元/公里的价格,需要36分钟和200元,如果有eVTOL公司可以提供服务,以160km/h的平均速度、12元/公里的价格,那么只需要11分钟、支付360元,就可以迅速完成出行。

由于eVTOL无需跑道(垂直起降)和低噪音的优势,这些航班在监管允许的情况下,可以变得更多,垂直起降平台也可以建设的比直升机更密,从而提高渗透率。



Morgan Stanley预测,在2040年这部分的市场规模在1280亿美元,这个数字基于eVTOL 650亿英里的总行驶里程,对应美国汽车行驶里程的1.5%。如果eVTOL发展超预期,对超预期的假设在3440亿美元,如果发展不及预期,则仅对应440亿美元。

在货运领域,eVTOL将更早发力,替代一部分传统短途航空货运和中短途卡车货运。大多数无人机的载重是10磅左右,例如亚马逊正在计划用55英里/小时飞行速度、自重在55磅的无人机,运送5磅以下的包裹。货运的eVTOL多数会用到无人飞行,在这方面,Sikorsky(西科斯基飞行器公司)已开始测试,CH35K等军用直升机的最大载重为15.9吨,最多可搭载37名士兵。

Morgan Stanley预测,在2035年eVTOL的平均有效载重会超过50磅,2040年达到150英里/小时的平均飞行速度,在这两个假设下,预测2040年货运方面的市场规模将达到1440亿美元,主要覆盖核心城市中央仓到郊区配送站点(前置仓)的交付市场,替代了一部分传统航空货运和中短途卡车货运。以及无人机的强项——偏远地区的配送市场。

在短途航空方面,新的eVTOL运营公司将替代一些短途航班,但替代量会非常有限。由于短途飞行在今日航空旅行总量中占比很小,并且受限于电池技术,eVTOL在这一领域的市场仅预测了50亿美元(2040e)。

也即2040年,在小于200英里航程市场中,eVTOL达到15%的渗透率,在200-500英里航程中占比5%。如果eVTOL想扩大这方面的市场,除非有固态电池等革命性技术出现,把eVTOL的飞行范围扩展到500-1000英里。

最终,根据美国的预测模型,同时按照GDP、共享汽车普及率、电动车普及率、自动驾驶普及率等指标,来调整对欧洲、中国和世界其它地区的预测,Morgan Stanley计算出1万亿美元的市场总容量(2040e)。


对eVTOL发展的核心驱动因素有:

  • 技术(无人飞行、5G、电池)

  • 监管、消费者接受度

  • 资本投入

  • 既有的城市拥堵情况

  • 国家安全

总之,电池、无人飞行系统和先进制造工艺等许多技术的交汇,都在促进eVTOL取得革命性的进展。


在全球,风险投资正在押注eVTOL。2020年的13笔投资筹集了超过11亿美元,但头部效应十分明显,其中Joby和Lilium占据总交易量的85%。




3

市值58亿美元的飞行汽车公司Joby是什么来头?

在今年8月,总部位于美国加州的Joby Aviation通过SPAC上市,市值接近60亿美元。

Joby是一家还未有收入的公司,但是该领域第一家收到FAA(美国联邦航空管理局)G-1文件的公司,这令Joby成为该领域的先行者,并能够抢在竞争对手之前努力取得适航认证。

FAA认证是一条漫长而艰巨的道路,而eVTOL最大的影响因素就是监管,我们会在下一节详细讨论监管问题。

在商业模式上,Joby目前采取了垂直整合模式,即同时设计、制造飞机,又运营飞机,这种模式在航空领域十分罕见。通常公司要么是制造商,要么是运营商。美国最后一家采取垂直整合的是联合飞机运输公司,后来在1934年被政府拆分为3个独立实体:波音公司、普拉特·惠特尼集团公司和联合航空公司。

Joby在2009年开始研究各项技术,并在2015年试飞了第一家小型原型机,并于2017年试飞了全尺寸原型机。这架全电动飞机旨在搭乘4名乘客,以最大200英里/小时的巡航速度,最远可行驶150英里。

为实现垂直起降,这架飞机配备了6个旋翼,总重约1750kg,比特斯拉Model 3轻。

Joby eVTOL

Joby采取了分布式电力推进系统,整个飞机上有多部电机和旋翼。如果其中一个旋翼出了问题,仍可以安全飞行。每个电机都由两个独立的逆变器供电,每个逆变器连接到一个单独的电池组,飞机上还搭载了四个冗余电池组,这些措施都令eVTOL比直升机更安全。

飞机尾翼还设计成了在巡航速度下,以一半的速度旋转,显著降低了巡航状态下的噪音。全电动系统大大降低了噪音,并且实现了零碳排放。

电机所要求的设计更为简单,更少的传动部件降低了飞机的维护成本,电机也不需要预热,从而缩短了飞机的周转时间。

Joby eVTOL

迄今为止,Joby已经完成了1000多次试飞。2021年7月,Joby在一次充电中完成了创纪录的155英里飞行。这架飞机在连续1小时17分钟的飞行中,在预定路线上进行了11次循环。

目前Joby计划在2023年取得FAA认证,并在2024年开始商业运营。Joby计划在正式运营后每年拓展一个城市,直到2026年达到3个城市。Joby还预计到2026年每天飞行7小时,平均行程长度为24英里。

Joby计划在初期建立一个5个空港组成的网络,每天提供3400人次的飞行。同时还可以利用现有的直升机停机坪,或者是在楼宇顶层兴建起降平台。Joby在2021年与美国最大的停车场运营商REEF达成合作关系,为在停车场顶层建立新的起降平台。

在生产方面,Joby计划在2021年试生产30架飞机,可能定价在130万美元/架,电池成本预计占飞机总造价的10%。但这一价格可能仍然过高,有业内人士认为每架60万美元才会有竞争力。

从买家角度考虑,Joby认为当用于城市交通业务时,他们的eVTOL投资回报在1.3年左右,基于目前130万美元的飞机售价,和每个座位每英里3美元的售价,平均载客率为2.3人,每周7天每天有40航次,单程平均6分钟。


Joby还在2021年1月收购了Uber Elevate。Uber Elevate是Uber内部孵化的一项业务,致力于开发空中拼车市场,专注于多模式空中拼车、互联空域管理、城市交通和模拟,以及可认证的航空级电池技术。

由于Joby与Uber的特殊关系,一旦Joby推出商业化产品,Uber即可将这些服务接入,丰富了Uber出行产品的同时,也极大扩展了Joby的客户覆盖范围,降低Joby飞机的单位运营成本。

此外,Joby在2020年12月获得了美国空军eVTOL飞机的适航批准,根据Agility Prime计划,可在一些美国空军基地中运营,这种关系令Joby在真正商业化之前,可以更彻底地了解飞机的性能。Agility Prime计划旨在促进创新技术的商业化。

除了美国空军外,Joby还与NASA(美国航空航天局)合作。NASA的目标是收集飞机的性能和声学等基础数据,用于未来空域环境的建模和仿真,特别是涉及飞机如何与控制器通讯,这将有助于建立全新的空域管理系统。

除了Joby外,这一市场中还有不少玩家,例如Lilium、Archer等等。不同公司有不同的策略,比如载客数量从4人到6人不等,以及使用更多或更少的旋翼,从5-36个都有。但相比之下,Joby是在试飞和取得FAA认证中走得最远的一家。




4

欧美如何监管?

通过Joby可以看出,能否取得、多快取得FAA认证,是其发展的核心影响因素,那么欧美国家到底如何监管eVTOL这种新生事物?

为了能够大量飞行,eVTOL需要获得全球航空监管机构的认证,例如美国FAA和欧洲EASA。

FAA 规则因空域分类而异,除非设立新的针对性法规,目前监管eVTOL的是FAA第23部分。根据现有的FAA第23部分认证的特殊条件,Joby的飞机可以在允许直升机和通用航空飞机飞行的美国空域飞行。


但是,仅仅因为实验性飞机可以安全飞行,并不意味着该飞机可以商用。制造商有责任向FAA证明他们的飞机足够安全。所以制造商必须证明飞机的正常运行性能是什么,并且符合行业标准,同时还必须证明飞机系统中的单个故障,不会影响飞机的安全飞行和着陆。

拿FAA来说,要想获得全面批准,需要采取几个步骤,核心是提供与商用飞机类似的安全水平:

  • 飞机如何工作

  • 性能审定(哪些要求适用于飞机)

  • 合规方式

  • 合规论证和报告

  • 合规性验证

这一系列认证漫长而艰巨,但每一条高标准都是源自曾经血淋淋的历史惨案。认证包括了测试飞机的运行性能,如飞机的飞行性能(起飞、爬升、着陆等)、飞行特性(可控性、配平、稳定性、失速特性、振动、抖振、高速特性、结冰条件等)、结构特性(结构载荷、气动弹性等)……

对于飞机机体性能,有很多规定细则,比如飞机的挡风玻璃和前方支撑结构必须能够承受2磅重的鸟类撞击(针对最多承载10-19名乘客的4级飞机);旋翼要能抵抗2.2磅重的物体冲击,以及测试这些关键组件的性能……

FAA第23部分认证要求的安全参数,使发生事故的概率在千万分之一。

Joby是在认证方面走得最前的一家eVTOL公司。2015年joby就开始与FAA就认证进行初步讨论,并于2018年正式开始FAA认证流程。Joby在2020年与FAA达成认证基础,当时正式发布了G-1问题文件认证基础。

G-1问题文件指定了适用的适航性和环境法规。这包括噪音、燃油排放和废气排放以及飞机需要满足的等效安全水平 (ELOS) 调查结果和特殊条件以进行认证。拿到G-1认证基础意味着Joby的飞机符合现有第23部分对正常类别飞机的要求,Joby是第一家达到FAA G-1认证基础的eVTOL公司

认证的下一步是通过G-2合规性确定(确定要进行的正确测试和分析),并证明符合 FAA进行这些测试的条件。Joby计划在2023年开始合规性验证,并最终获得FAA认证。虽然该公司迄今已进行了1000多次飞行测试,但仍然要到2023年才能对实际飞机进行正式的FAA测试。



对于欧洲来说,欧盟航空安全局(EASA)的要求更为严格。EASA并未在现有法规框架中监管eVTOL,而是在2020年5月发布了针对eVTOL认证的拟议合规方法(MOC),目标是安全引入混合动力和全电动VTOL飞机,重建了监管框架。

MOC力求解决诸如储能、高强度辐射场(HIRF)保护、雷击、结构设计、载荷条件、操纵性能、碰撞安全、电传控制系统设计等等监管问题。

EASA要求的是十亿分之一的事故率,比FAA更低。从历史上看,欧洲就对旋翼和单引擎活塞飞机,在城市环境中的飞行更为严格。由于eVTOL针对城市交通,所以监管十分严格也就不足为奇了。

另一方面,城市空中交通会是一个更加远期的愿景。除了对飞行器的认证外,eVTOL的兴起会导致空中交通量的增加,天空变得拥挤。

eVTOL“空中出租车”和货物运输,需要先进的检测和防撞系统、推进和感知系统。这些飞行器需要雷达、光学和地理定位传感器,以及人工智能等先进技术,才能实现城市空中交通。

当航空器数量激增,必须更加有效地管理空中交通,无人机系统交通管理(UTM)需要与现有的空中交通管理系统协同工作。这就需要可靠的通信、一致的导航,以及可访问、可信赖的监控系统。

这些要素涉及多个方面,需要eVTOL运营商、通信系统服务提供商、数据服务提供商和监管机构共同协作,生成全新的空中交通系统。


参考自动驾驶,自动飞行(autonomous flying)的分级标准

5

中国市场可行吗?

与美国相比,中国的通用航空市场还发展比较初期,而通用航空的既有基础是eVTOL在起步阶段的重要助力。

这种助力体现在空域开放程度、针对数量众多航空器的监管体系、既有直升机机场的复用、人们对各种航空形式的接纳度等等。

美国通用航空机群(私人飞机、直升机等等)占全美注册航空器的90%以上,累计飞行小时占总飞行小时的80%左右,通航产业链产值超过美国GDP的1%,可与铁路抗衡。

20世纪30年代,美国超过85%的空域就已被划归为民用。1960年美国机载应答器开始投入使用,空域管理的范围也从最初的个别机场,扩展到航线和整个地区区域,逐步形成了ABCDEG分层管理的空管结构,通用航空飞行器可以在除特定管理的ABCD之外的E和G空域自由飞行,例如B类属于靠近机场的区域和密集城市中心。

纽约上空的空域管理;FAA

美国通航主要采用目视飞行和仪表飞行规则。飞行员可以选择目视飞行,不与空管联系与协调, 完全依靠自主巡视避让的方法,确保与其它飞机之间的安全。或者可以选择仪表飞行,向空管要求雷达跟踪服务,每个仪表飞行需要一个飞行计划,在交通不过于拥挤时从提交计划到放行起飞,只需要几分钟的时间。


为了整体安全考量,中国空域的开放情况还是比较复杂和多层次的,开放空间主要限定在高度1000米以下,整片通航飞行区域较少。在低空空域开放政策方面,中国也在逐渐尝试。2010年11月,国务院、中央军委相继发布了《关于深化我国低空空域管理改革的意见》,确定了我国通用航空分三阶段开展的目标。2017年,四川成为全国第一个开展低空空域协同管理改革的省份,随后湖南、江西、安徽三省也获批成为全域低空飞行试点的省份。


除了监管部门的批准外,eVTOL还需要基础设施,例如垂直起降机场和充电站。现有的直升机停机坪可以复用,在这一点上由于我国通航产业起步晚,所以在初期可供eVTOL直接复用的直升机场也非常少。

当然,如果eVTOL要达到理想的那种无处不在,实现颇具未来感的出行方式,那肯定需要超越现有的直升机产业。其中一些公司已在尝试新办法,例如Joby在2021年与美国最大的停车场运营商REEF达成合作关系,为在停车场顶层建立新的起降平台。

此外,由于是全电力,还需要建立充电站,以及维修、服务设施。嗅觉灵敏的公司,已经盯上了空中基础设施扩建,现代汽车在年初就声称将在未来五年,向全球推出200个eVTOL站点;巴西航空工业也在布局研究eVTOL充电桩。

不过,虽然我国通用航空产业发展比较初期,但与电动车的逻辑一样,电动车的逻辑是我国汽车工业比较薄弱,发动机等技术沉淀比较短,但电动车完全走了不一样的技术路径,三电系统制造简单,同时我国又在动力电池方面占据了有利位置。

针对eVTOL,我国民用直升机工业也比较薄弱,但eVTOL完全走了另一条技术路径,不再需要发动机和复杂的传动装置,并且构建了一个更加波澜壮阔的新型空中出行方式,这也是通用航空领域潜在弯道超车的机遇。

对未来空中交通的设想



综合来说,eVTOL提供了一种颇具未来感的空中出行方式,它垂直起降无需跑道,且噪音很小,可以令eVTOL尽可能的渗透到城市中心。

分布式电力推进和冗余的电池组还让eVTOL变得很安全。随着动力电池技术的提升,eVTOL可以飞得更远,在20-250公里的距离内代替汽车,让“空中出租车”可行,大大缩短交通拥堵时的通勤时间。

由于是全电力,并且无需直升机复杂的发动机和传动装置,也令eVTOL非常具有价格竞争力,其空中拼车服务可以在每英里2-3美元的价格区间。

与汽车电动化的逻辑一样,电力不仅仅作为动力,还可以供应给软件,让设备变得智能。在科幻电影中出现的,那种错综复杂但井然有序的空中交通网络,eVTOL是实现它的潜在基础。

当然,eVTOL的发展肯定是远期的。目前还没有一家公司拿到全面的适航认证,都处于试飞中。监管不想扼杀新事物,但也非常谨慎,漫长且艰巨的认证过程,可能要持续到2024-2026年。

真正能在都市核心区飞行之前,货运或是在景区旅游中替代直升机,可能是eVTOL最可行的选择。


一个垂直机场的七座Lilium飞机设想图

1940年,汽车制造商亨利·福特说:“记住我的话:飞机和汽车的组合即将到来。” 当然,福特后来被大家取笑了。但在几十年后的今天,高效电池、人工智能和先进制造工艺的突破,正在令这一设想成为现实。

References:

1、Morgan Stanley:eVTOL/Urban Air Mobility TAM Update: A Slow Take-Off,But Sky's the Limit

2、Morgan Stanley:Joby Aviation Inc Skys the Limit, But Under FAA Oversigh

3、J.P.Morgan:Urban Air Mobility/eVTOL 101:A Nascent Market with Big Potential

4、Deutsche Bank:Flight Deck eVTOL rising

5、WSJ:Air Taxis Could Be Coming, but Not in the Way You Might Think

6、WSJ:As Electric Air Taxis Land on Stock Markets, Investors Need a Flight Guide

7、NYT:Where’s Your Flying Car? Still Years From Reality