一、前言

低空交通填补中高空与地面交通空白,发展空间巨大

低空经济是以各种有人驾驶和无人驾驶航空器的各类低空飞行活动为牵引,辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态,具体包括距离地面垂直高度1000米以内、视地区特性和实际需求可延伸至3000米以内空域产生的一系列经济活动。

传统的地面交通受限于平面交通路网,容量有限,而低空交通点对点可达,效率优化空间更大。低空经济从地面延伸至低空空域,从平面路网延伸至三维立体空间,在减轻地面交通压力的同时,也创造了一个新的产业空间。根CCID数据,2023年我国低空经济规模达到5059.5亿元,同比增长33.8%,预测到2026年我国低空经济规模将突破1万亿元。据中国民用航空局副局长韩钧在国新办新闻发布会上介绍,2030年有望达到2万亿元。全球市场来看,Morgan Stanley预测2030年全球城市空中交通(Urban Air Mobility,UAM)规模550亿美元,2040年达到1万亿美元,2050年达到9万亿美元。

我国低空经济市场规模
Source:CCID,普超资本

全球UAM市场规模预测
Source:中国民航局,Morgan Stanley,普超资本

二、产业政策

政策密集出台,推动万亿级市场规模形成

2021年2月,“低空经济”首次写入国家规划。2023年12月,中央经济工作会议中将“低空经济”进一步定义为战略性新兴产业。2024年3月全国两会,“低空经济”作为国民经济新增长引擎首次被写入政府工作报告。低空经济已成为我国建立现代化产业体系、抢占发展机遇、推动高质量发展的重要布局。具体来看,国务院、工信部、科技部、中国民航局等部门从加大低空空域开放力度、完善空管制度体系、鼓励低空经济技术创新及商业应用等方面,为低空经济发展构筑良好政策环境。地方层面,2024年以来,全国已有27个省(市、自治区)在各地政府工作报告中提及低空经济发展。

地方层面低空政策
Source:36氪研究院

三、产业链分析

从产业链维度来看,低空经济主要包括低空飞行器制造、低空运营服务、低空基础设施与配套保障三大方向。本文重点对各类飞行器整机及核心零部件的现状及机会进行分析,其中我们又以固定翼通航飞机及eVTOL为重点关注对象。

低空经济产业链
Source:华创证券,普超资本

3.1 eVTOL

2023 年 10 月,工信部、科技部、财政部、中国民航局四部门印发《绿色航空制造业发展纲要(2023-2035 年)》,提出到 2025 年,电动垂直起降航空器(eVTOL)实现试点运行;到 2035 年,建成具有完整性、先进性、安全性的绿色航空制造体系,新能源航空器成为发展主流。国内主流主机厂产品持续推进,已有机型率先取证,且有多家已获民航局受理。

3.1.1 整机方面

亿航 EH216-S(载人)已取三证(TC\AC\PC)、峰飞 V2000CG(货运)已取 TC 证。沃飞E200-100、沃兰特 VE25-100、时的科技 E20、御风未来 M1B 型(货运)、小鹏汇天 X3-F 均已获得地方局 TC 受理。

3.1.2 核心部件

根据腾讯研究院文章,民航监管机构要求载人级eVTOL的零部件和材料安全性对标民航客机,以德国Lilium的eVTOL为例,为了满足欧盟适航认证的安全标准,75%以上的零部件、配件和复材来自全球一级航空航天供应商,包括美国霍尼韦尔、德国代傲、日本东丽、法国Expliseat。所以中短期内eVTOL供应链仍将以传统航空航天供应商为主。中短期由于严格的适航认证流程及ToB或ToG的商业模式,eVTOL更注重“飞行器属性”。长期看,随着eVTOL应用范围向ToC拓展,智能化属性加强,更像会飞的“智能汽车”消费品移动终端,届时新能源汽车、智能汽车等产业链或占据主导地位。

eVTOL系统构成
Source:势能资本,北深资本,国联证券研究所

航空属性安全要求突出,零部件核心壁垒在于适航认证。eVTOL的核心部件如碳纤维、电推进、电池、航电飞控等均需要进行严格适航流程,因此eVTOL制造产业链核心壁垒在于取证。因为取证完成后一般不更换供应商,虽然核心部件与新能源产业链有重合,但有适航门槛,格局更加优化。

  • 电推进系统

eVTOL通常采用分布式电推进系统,能有效提升航空器的气动效率、运載能力、环保型和鲁棒性。电推进系统包括动力产生装置(螺旋桨或涵道式风扇)和驱动电机系统(电机和电机驱动器)两部分组成。动力系统结构得到简化降低了操作和维护成本,多电机冗余极大提高安全性。电推进涉及低噪音、高升力螺旋桨、高功率密度电机、一体化紧凑型电驱技术、动力管理技术、航空级动力模块、整机布线技术等多个底层关键技术。

①高功率密度电机,是eVTOL分布式电推进系统的核心,直接决定了电推进系统的能源利用率和推进效能。目前无人机主要使用无刷直流电机,永磁同步电机具有更高的效率、功率密度及电池转矩,当前成为eVTOL电机的首选。eVTOL电机具备低这高扭,高带宽转速控制特点,发展趋势为提高功率密度,同时满足低转速、大扭矩、裕度高、散热好、效率高等要求。新能源电机等技术积累下,国内eVTOL电机性能逐步提升,目前主要缺少适航经验。国内主要的整机公司目前采用进口电机和驱动系统,如SafanEngineUS和Magnix等,以确保产品开发,使用国外电机电驱系统来完成全尺寸验证机的飞行测试,等待国内相关配套产业的成熟。

复合翼eVTOL动力系统的电力电子架构
Source:刘巨江等:不同构型电动垂直起降飞行器动力系统的安全性评估

②旋翼和螺旋桨,是动力系统中非常重要的子系统。螺旋桨气动效率往往是对应航空器设计中的关键指标,螺旋桨性能的高低直接影响航空器的飞行性能。飞行器的最大声压级取决于桨叶叶尖马赫数,eVTOL普遍采用低速大扭矩的桨叶设计,Ma更低,定距螺旋桨向变距螺旋桨技术转变优势为可以在较宽速度、转速范围内让螺旋桨保持较高的气动效率,螺旋桨变距技术一般都是电驱变距系统。Joby S4使用了六个五叶复合可变螺距螺旋桨,叶片围绕轮毂不对称分布,以降低噪音。国内相关领域基础较为薄弱,尤其欠缺民航适航工程经验。现有供应商主要是从无人机、军机、运动航空器等领域转入的,具备一定的相关行业经验。

  • 电池

eVTOL 相较新能源汽车,对电池有更为严苛的要求。

安全性方面:eVTOL作为航空产业,对电池的安全系数要求远超新能源汽车,有较强的抗跌落能力,以及单体失效时,电池系统应该要继续工作直到电动飞机降落,意味着不热扩散+不失去动力;

能量密度方面:eVTOL起飞要求在有限的场景储存足够多的电能,目前电芯300Wh/Kg能保证200“300公里航程。远期目标希望达到动力电池单元500wh/kg;

功率密度方面:为了应对紧急迫降需求,要在低电量状态下(如20%S0C)依然保有高功率放电能力;

快充性能方面:为满足空中出租业务等频繁使用场景,目前行业普遍需求在少于15分钟内充电至80%;

循环寿命方面:eVTOL的商业化运行需要电池具有长的循环寿命,以减少更换频率和运营成本。

电动垂直起降飞行器和电动汽车对锂离子电池性能要求
Source:《电动垂直起降飞行器的技术现状与发展》邓景辉,电池中国网

当前三元电池为主流,固态化+新型正负极提高能量密度为未来发展方向。从材料电池体系来看,三元NCM电池成为当前电动垂直起降飞行器主流选择。综合来看,三元NCA(LiNiCoA102)电芯具有最佳的能量和功率性能,成本较高,安全性最低;LFP(LiFeP04)电芯具有最高的安全性,但能量密度只有三元NGA和NCM(LiNiMnco02)电芯一半;相比之下三元NCM(LiNiMnCo02)电芯的综合性能最佳。

固态化+新型正负极提高能量密度为未来发展方向。正极方面,逐步向三元高镍,再向Li-rich/Ni93 迭代。负极方面,相较于石墨负极,锂金属负极具有更高的比容量,是未来eVTOL电池研制的主要方向。电解质方面,液态电解质逐步向半固态、固态电解质转变,提升能量密度与安全性。

  • 航电系统

航电系用于实现飞机的信息管理和控制,包括传感器系统(惯性导航、大气数据计算机、雷达等)、控制系统,以及综合电子显示系统。eVTOL航电系统要求高度集成,在满足极高的安全性能同时,要达到极低的SWaP(尺寸重量和能耗)要求,同时大量的采用高带传感器、大数据及云技术。Joby飞机的综合航电系统和电传飞控系统采用自研方式,新一代Joby航电飞控计算机产品,分布式,小巧轻便,包括网络路由器,飞控计算机,导航计算机,传感器计算机,大气数据模块,显示计算机。

载人飞行器的航电飞控被巨头垄断,国内的航电飞控系统的技术水平可以满足货运/军工级以下场景的飞行需求,但具备载人飞行航电飞控研发能力和经验的团队较为稀缺。

飞控

飞控系统实现飞行器的感知、控制和决策。飞控系统通常包括传感器、控制器和执行机构等部件,用于实时监测飞行状态并调整飞行参数。eVTOL的飞行控制需要解决基于多旋翼垂直起降、基于常规固定翼水平飞行以及垂直-水平两种飞行模态的平稳切换等技术难题。未来自动飞行功能将成为eVTOL的必备,自动飞行功能的实现,需要通过飞行管理系统(FMS)和飞行控制系统(FCS)共同完成,而在eVTOL上,出于简化操作、轻量化、集成化和经济性的考虑,这两套系统的综合化设计将成为发展趋势。相较于民航客机,eVTOL飞控系统具有在体积重量轻量化方面、经济性(倡导低成本匹配eVTOL成本结构)、适航带来高可靠性要求。

导航

eVTOL主流的方式是采用MEMS传感器、GNSS等,通过数据融合算法提升性能和鲁棒性以满足飞机对导航系统的要求。与民航客机相比,其动辄上百万的价格无法满足eVTOL成本结构的需求,与通航飞机相比,eVTOL导航系统必须达到DAL-A级,通航级别的导航系统通常只是B级或C级。

工信部等四部委出台规划《通用航空装备创新应用实施方案(2024-2030年)》,提出“推进通用航空器北斗标配应用”

高精度惯导:主要依赖军工体系研制,如中航工业618所及中国航天13所,16所,33所等,eVTOL主要使用中高端MEMS 惯性传感器,目前国际厂商在我国市场内占据垄断地位

通信

目前民航和通航的主要通信技术:VHF(语音和安全数据链)+L波段 SATCOM(安全链路)+ Ku/Ka SATCOM(非安全链路)。其中,甚高频模拟电台进行空管话音通信,eVTOL近期可以沿用,其他空管数据通信、A0C航司运行服务、飞行器遥控遥测或将打造新的低空安全链路。现有无线通信网络(4G/5G网络)的有效覆盖高度大致为150m左右,低空空城高度主要位于1000m以下。最终解决方崇可能是目前融合当前4G/5G网络与专用通信链路/网络、通感一体化网络或者未来的低轨卫星网络完善低空通信基础设施。

3.2无人机

按应用领域分类:可分为军用无人机和民用无人机,而民用无人机又分为消费级无人机和工业级无人机。

民用消费级无人机:以娱乐应用为主,主要面向 C 端,包括个人摄影、航拍娱乐、影视拍摄、编队表演等;

民用工业级无人机:以创造经济效益为主要目标,主要面向 G 端、B 端,禁毒侦察、反恐巡逻、资源调查、环境监测、电力巡检、航空测绘、护林植保、物流配送等。

工业级无人机有着代替人工作业实现降本增效的作用,且近年来呈现快速增长的趋势。据前瞻经济学家数据,2015 年至 2020 年,我国工业级无人机市场规模(包含无人机整机及相关服务的市场规模)从 30 亿元增长至 273 亿元,年均复合增长率为 55.53%,若以 25%增长率对工业级无人机行业市场规模进行测算,2026 年规模将达千亿级别。据 2017 年工业和信息化部印发《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》,提出到 2025 年,民用无人机产值达到 1800 亿元,年均增速 25%以上(包括消费级与工业级无人机)。

3.3直升机

直升机主机厂商主要为中直股份,是国内直升机制造业中规模最大、产值最高、产品系列最全的主力军,现有核心产品既涉及直升机零部件制造业务,又涵盖民用直升机整机、航空转包生产及客户化服务、电动垂直起降飞行器等新能源飞行器研制。直升机具有噪音大、运营成本较高、安全性较低的劣势。

3.4固定翼通航飞机

3.4.1 整机

固定翼飞机相比eVTOL、直升机具有能源效率、航程、速度等优势。在特定场景具备相对优势,我们预期该类型飞机在未来将与eVTOL等构型飞机并存。在传统通航飞机领域,美国居主导地位。全球44万架通航飞机,其中21.1万架在美国,13.3万架飞机在欧洲,中国通航产业发展相对滞后,与空域管理有关系,同时也预示着较大的增长潜力。美国上世纪60年代就开放 3000m 以下空域,我国于2023年12月由民航局发布《国家空域基础分类方法》,通航飞机可按目视飞行规则进入300-6000米的E类空域,eVTOL被隔离在300米以下G类空域。

据美国通用航空制造商协会GAMA数据,1994-2022年统计数据表明,单发活塞飞机占通航飞机总交付量的51%,含双发在内的活塞飞机总交付量占比56%;涡轮螺旋桨发动机飞机占比17.2%,喷气式占26.8%;LSA轻型运动飞机总数仅有2093架,仅相当于通航飞机的2.8%。

国内通航飞机机型及市场格局:

活塞飞机约占65%(单发约90%,多发约10%)、涡桨飞机15%、公务机20%;

涡桨和活塞固定翼飞机的制造商市场份额:德事隆占 30%(赛斯纳 172 、赛斯纳 208 分别为活塞和涡桨最受欢迎机型。赛斯纳 172 也是世界上最为长寿且成功的机型,是固定翼飞行学校经常使用的飞行培训飞机);钻石占 25%(单发活塞DA40和多发活塞DA42是畅销机型,用于飞行培训);中航占16%(其仿制安-2 的运 5 和自主研发的运 12 是较畅销机型)

全球通航飞机市场格局:

2023年全球固定翼通航飞机交付量排名靠前的为:西锐(708架)、德事隆(618架)、钻石(273 架)、派珀(245 架)、泰克南(244 架)、空中拖拉机(196 架)、皮拉图斯(149 架),CR5 52%。

Source:亚翔航空《中国通航报告 2021》、GAMA,普超资本

全球通用航空飞机机型别销量(1994-2022)
source:美国通用航空制造商协会GAMA

3.4.2 核心部件

(1)航发

压燃式重油活塞式发动机优势明显,重新进入视野成为趋势。20世纪20和30年代,许多制造商制造了航空柴油发动机,但只有德国容克斯公司的Jumo 205系列获得了成功,并成为了半个世纪以来唯一成功的航空柴油发动机;进入21世纪后,通用航空市场开始复苏,出现了许多开发新型通用航空飞机的制造商。航空汽油的价格不断上涨,且欧美国家相继出台禁止使用含铅燃料的法规。在很多地方(特别是偏远地区),航空汽油比柴油更难获得。汽车柴油发动机技术得到了极大的改进,提供了更高的功率质量比,更适合飞机应用。随着时代的发展,消费者对燃料安全性、环境友好性、使用成本、燃料易得性的要求越来越高,同时小型无人机以及运动型飞行器市场的快速发展,使得人们重新考虑克服传统航空汽油发动机缺点的替代方案,包括研发无铅航空汽油添加剂、研发小型燃气涡轮发动机、点燃式和压燃式航空重油发动机等。但是,无铅航空汽油的研发迟迟没有进展,而小型燃气涡轮发动机的效率问题短期内也无法解决,因此行业内又把重点放在了采用奥托循环的点燃式重油活塞式发动机,以及采用狄塞尔循环的压燃式重油活塞式发动机的研发上。

《中国制造2025》重点领域技术路线图指出:未来十年全球涡桨发动机累计需求总量超1.6万台,总价值超150亿美元;活塞发动机累计需求总量超3.3万台,占60%以上通飞动力市场,总价值约30亿美元。

行业格局:通用航空航发领域,长期被美国大陆与莱康明垄断。国内中航控制Continental-Technify Motors( Centurion系列发动机);芜湖钻石航发(中国)控制Austro Engine( AE300系列发动机);德事隆(美国)控制莱康明Lycoming;赛峰集团SAFRAN(法国)拥有SMA( SR305系列发动机);RED(德国)拥有A03系列。以上航发马力多在150匹至450匹,未来研发掌握大马力活塞重油航发企业或具备竞争优势。

(2)航电

航电系统为国内短板环节,自主可控大势所趋。国内厂家主要有几类:1)无人机飞控企业转向eVTOL领域,但eVTOL安全性远高于无人机。2)昂际航电是国内飞控领域的引领者,与沃飞长空、览翌航空等主机合作。3)军方电科航电等,但缺乏民机适航经验。4)新兴民营企业如华明航电、边界智控、安胜等。

五、展望

展望未来,中国低空经济将展现出一个充满生机与创新的繁荣图景。随着技术的持续进步和政策环境的不断优化,中国低空经济即将迎来迅猛增长,成为推动国民经济发展的强大新动力。技术创新将成为驱动中国低空经济未来的核心引擎。

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