一周解一惑系列：低空经济后续可能的新技术路线、新工艺梳理

本周关注：徐工机械、宏华数科、华翔股份、伊之密、海天精工 eVTOL四大螺旋桨构型均有应用场景，上游关注碳纤维切割和螺旋桨制造：目前主流的eVTOL螺旋桨构型分为多旋翼、复合翼、倾转旋翼、倾转涵道四种，技术路线依次渐进。载人领域，安全性上以复合翼为最优，飞行性能上倾转旋翼最优，这两种构型主机厂采取较多，可能是未来发展重点。eVTOL机翼和螺旋桨材料主要采用碳纤维和热塑复合材料，对精密切割有较大需求；螺旋桨和机翼主体设计制造由主机厂完成，涉及部分3D打印制造需求。 eVTOL电机技术壁垒较高，需要高功率密度、高扭矩密度等核心要素： 1）电机作为分布式电推进技术的核心，对于降低噪音、减少零部件数量、降低成本以及提供安全冗余至关重要；2）永磁同步电机因其高功率密度及可靠性而被广泛采用，例如Joby S4和Archer Midnight等均采用此类电机；3）飞行汽车对于电机要求较高，目前主流eVTOL公司均选择自主研发或国外主流电机公司提供电推进技术，卧龙电驱正积极携手商飞等合作研发及满足适航；4）高效散热方式及材料的改进能够优化电机性能以及促进轻量化发展。 电池技术发展呈现多样化趋势，半固态电池有望率先量产，长期看好固态电池发展：现阶段，国内普遍采用纯电技术路线，但续航能力弱，需提升电池能量密度突破载人航程限制。《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》对能量密度做出了具体要求：400Wh/kg级航空锂电池产品投入量产，500Wh/kg级产品小规模验证。目前，eVTOL的主要选择是高镍三元液态锂电池。现阶段，电动航空领域的电池技术发展包括凝聚态电池、圆柱电池、半固态软包电池以及固态电池等多种形式。半固态软包电池具有更高的能量密度和更轻的重量，有望成为短至中期内的发展趋势。长期来看，发展趋势或通过半固态向全固态电池过渡，实现原材料迭代升级。 eVTOL空管系统中需要一部多功能相控阵雷达替代多种单任务雷达：当前的空中交通管理系统核心监控技术主要依赖于一次雷达、二次雷达以及广播式自动相关监控（ADS-B）。这些系统各自基于不同的工作原理和性能特点，被应用于特定的工作场景。然而，有源相控阵雷达（AESA）正在逐渐取代无源相控阵雷达，成为相控阵雷达技术的主流形式。有源相控阵雷达具备卓越的探测性能和反杂波能力，能够提供更完整的空域信息。其高灵活性和快速响应速度，结合更高的系统可靠性和更强的功率输出，使得其在功能多样性和机动性方面具有明显优势。能够应用在防空系统、海上防御系统、地面部署、气象监测、航空交通管理这些领域，以纳睿雷达为例他们与美国的ATD、日本的MP-PAWR等产品的技术路线一致，单套雷达的报价为707.89万元，可以应用到机场终端区以及航路监视领域，在提供高时空分辨率全极化三维气象信息的同时，还能提供独立于飞机自身设备以外的五维信息（距离、方位、俯仰、速度、航向），尤其适合用于未来的eVTOL空管系统。 投资建议：地面空管系统中可能的变化，主要是雷达领域的种类替换，关注纳睿雷达；其次关注碳纤维材料的零部件加工可能拉动的新设备工艺，如爱科科技、精工科技。 风险提示：1）低空经济后续商业化落地不及预期。2）低空经济后续技术路线发生较大变化。 1飞行器构型、螺旋桨 1.1主流evtol螺旋桨构型及应用场景 1.1.1四种eVTOL螺旋桨构型概览 图1：eVTOL飞行器分类 表1：四大eVTOLl螺旋桨构型 根据eVTOL在不同领域的应用情况，其应用场景大体可以分为三类： 一是相对较为成熟的场景，以多旋翼构型的轻小型无人机、农业植保无人机为主。在航拍、农业植保等代表性场景中，作为生产工具的eVTOL具有显著的成本、效率优势，已基本实现普及应用。 二是正处于成长期的应用，以复合翼构型的中大型无人驾驶eVTOL为主包括无人机的各类工业作业、城市物流配送等。由于空域管理与使用、运行风险等因素限制，成本优势不明显甚至更高，因此尚未实现大规模普遍应用。 三是仍处于创新探索阶段的应用，以面向城市载人交通运输（UAM）的大型eVTOL为主，多旋翼、复合翼和倾转旋翼等构型均有。这类机型需要建立专用通导监设施，使用专用起降场地。由于需要革命性技术跨越和数字绿色全新生态系统支撑，短期内尚难有成熟的产品进入实质性商业化运营。 图2：不同构型eVTOL应用场景 1.1.2多旋翼、复合翼与倾转旋翼的应用比较： （1）从飞行性能来看 倾转旋翼通常被视为最优的选择，因为它在起降和巡航阶段都能展现出较好的性能。但是和复合翼相比，它的优势在eVTOL当前200-300公里航程范围内，倾旋翼型虽然在巡航时有很好的性能，但在起降时则可能需要更多的操作技巧和空间。多旋翼型则在起降时有着无可比拟的简便性，但在巡航阶段的性能并不理想。 （2）从安全性来看 复合翼型和倾转旋翼型都被认为是比较成熟的选择，而多旋翼型虽然在技术上较为简单，但可能在长期飞行中面临更多的安全风险。 （3）从eVTOL未来的应用方向来看 货运将会是早期有限的尝试方向：eVTOL在货运的应用中最大的挑战将是经济性。使用这种新型飞行器，和传统的运输方式，卡车、火车或轮船等运输方式相比，从载重上来看，传统大运力的运载工具效率会更高很多，所以能够实现eVTOL货运商业闭环的场景将非常有限，但如果具备，其启动时机可能会比客运场景更早；而客运有望是核心发展方向：人的时间价值远远高于货物。广泛的空中出行将会是一个未来必然的方向，它会嵌入到人们的生活。效率上，可以极大提升城市交通的效率，同时因为没有颠簸及交通拥堵等问题，也会大大增加出行舒适度。因此更加注重安全性的复合翼可能更是未来方向。 （4）从适航认证的可及性来看 美国联邦航空管理局FAA、欧洲航空安全局EASA、中国民航局CAAC均有各自的适航要求。中国适航要求取得型号合格证TC、生产许可证PC、单机适航证AC，一般需要2~5年。目前，市面上亿航智能、峰飞航空两家公司产品都取得了民航局的适航认证。 1.1.3国内外主机厂构型 表2：国内外主机厂构型 当前国内外主流载人eVTOL公司采用最多的构型也是多旋翼、复合翼和倾转旋翼并且以后两者居多，中国的eVTOL头部公司亿航智能采取多旋翼构型在载人、载货、救灾三线并进，均使用无人驾驶技术，而其他构型有人驾驶居多。 1.2主要翼形螺旋桨结构、材料特性与技术难点 1.2.1eVTOL螺旋桨结构：自动变矩螺旋桨 自动变矩螺旋桨作为一种成熟的技术，在eVTOL飞机中有着广泛的应用。与传统螺旋桨相比有显著不同，eVTOL自动变矩螺旋桨（1）通过改变达到更大的安装角解决高速飞行时固定桨叶螺旋桨的推进力损失问题，扩大平飞飞行速度范围及抗风性；（2）通过调节桨叶角度顺桨，在电机失效时减小对应螺旋桨的飞行阻力，大大缓解风车状态对电动航空器电机及电池系统施加的压力，减轻或避免额外损害及向其他电气系统转移危险，以便在飞机起飞、悬停和降落时都能保持稳定。（3）部分电动倾转旋翼机采用变距螺旋桨提供反向推力，在没有起落架制动装置的情况下迫降过程使用螺旋桨提供制动力能够显著降低降落距离，对迫降点的环境要求大大减小。 表3：螺旋桨变矩器结构 变矩螺旋桨的叶片部分多使用复合材料，如碳纤维增强塑料(CFRP)或者其他高性能复合材料。因为复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，适合用在螺旋桨叶片这样的高频振动部件上。同时，复合材料还可以通过精确控制纤维布局来实现对叶片性能的优化。 1.2.2eVTOL机翼材料特性：碳纤维材料为主，热塑复合材料为辅 根据StratviewResearch的数据，eVTOL中90%以上的复合材料使用碳纤维进行增强，大约10%的复合材料将以保护膜的形式使用玻璃纤维增强材。 此外，由于原始设备制造商的首要任务是尽快获得飞机认证，所以可以通过挑选经过测试和验证的材料来实现这一目标。迄今为止，由于热固性树脂一直是航空航天行业中使用最多的树脂类型，也是监管机构最熟悉热固性基体，因此超过90%的eVTOL原始设备制造商正在通过热固性丰富平台进行认证。热塑性树脂系统仅用于第一代eVTOL的较小部分，然而随着产量增加到每年几千架飞机，向热塑性密集型结构的过渡是不可避免的，并且应用范围可以扩展到小部件以外。 尽管如此，这一转变预计也将是渐进的，总的来说热塑性熟知材料可能在2030年之前占eVTOL中复合材料使用总量的10%以下。 1.2.3主要翼型技术难点：空气动力学问题 难点一：气动干扰 倾转旋翼evtol在兼具直升机（或多旋翼）和固定翼无人机优点的同时也兼具二者的动力学问题，其复杂性也大于二者之和。在悬停状态下，旋翼-机翼气动干扰对该有效载荷具有重大影响，这种不利的气动干扰造成飞机有效载荷的降低。只有正确处理旋翼/机翼气动干扰，才能提高倾转旋翼无人机的有效载荷。 难点二：飞行控制 为实现多种飞行模式多种飞行状态的操纵控制，倾转旋翼无人机的操纵控制系统可能是世界上最复杂的飞行器控制系统之一，尤其是倾转旋翼无人机在过渡模态时，存在明显的拉力矢量控制特性。同时，还存在着气动舵面操纵与拉力矢量控制之间的协调问题，使得过渡模态下飞行控制系统设计变得更加复杂。 难点三：结构设计 倾转旋翼系统既要适用于高速前飞，又要兼顾垂直悬停效率，桨叶的形状、扭转及桨毂形式的设计都不同于常规的旋翼。而且，在机翼两翼尖处要安装旋翼系统，旋翼轴要相对机翼倾转，这就对机翼强度和气弹稳定性提出了更高的要求。 2eVTOL电机 2.1电机为eVTOL分布式电力推进技术核心 电动垂直起降飞行器的动力系统采用完全电气化的电推进技术，从能源系统的源头重塑了飞行器动力体系架构，是航空电气化发展的新方向和更高级阶段。 eVTOL利用电力推进电机代替传统内燃机(ICE)为飞机提供动力。采用分布式电力推进（DEP）技术，通过多个电动机驱动轴直接连接到每个旋翼叶片上，无需传动装置，从而降低噪音、减少零部件、降低成本，并做到安全冗余，即使个别电动旋翼故障，也不至于像直升机那样直接坠落。与仅配备1-2个电机的电动汽车不同，飞行汽车需要8-16个电机且至少8个同步驱动，确保在最多一个电机故障的情况下依然能稳定悬浮，满足其对安全性和可靠性的高标准要求。 表4：国内外主要eVTOL公司产品及其电机概述 2.2高功率密度、高扭矩密度为电机设计核心要素 电推进技术通过高功率密度电机带动，为飞机提供部分或全部飞行推力。电机重量是电动飞机的设计要求的重要指标，高功率密度电机的优点是重量轻以及效率高。目前电机和控制器的最大功率密度在10kW/kg以下，未来商业化航空要求达到20kW/kg。 根据表5中电动汽车驱动电机和电动飞机驱动电机的参数对比，飞行汽车对于电机的扭矩密度具有更高的要求。以美国通用Bolt电机为例，与罗罗公司用于电动飞机电机相比，其电机扭矩密度约为罗罗公司的1/3。 表5：电动飞机与电动汽车驱动电机参数对比 2.3永磁同步电机被广泛采用，颇具应用前景 与其他电机相比，永磁同步电机具有高效率、高功重比、高可靠性等优点，成为eVTOL电机的首选，是电推进动力系统很具前景的方案。当前电动垂直起降飞行器，如Joby S4、Archer Midnight等均采用了永磁同步电机。 表6：永磁同步电机与其他电机优缺点对比 2.4电机技术要求较高，国内电机公司正积极开展研发适航项目 电动飞机的驱动电机技术面临着严格的技术要求，以确保其性能、环境适应性和安全可靠性。这些技术要求包括实现1）高功率密度和高防护等级，以适应复杂的飞行环境和提供优越的性能。同时，2）电机必须能够在极端的环境条件下运行，包括高低温、湿热环境、低温低气压条件、盐雾、臭氧污染，能够承受强烈的振动以及电磁兼容。为了确保安全可靠，3）驱动电机的设计还需要采用冗余设计和紧急降额设计，以在关键时刻保证飞行安全。 目前，国内外eVTOL代表企业如JobyAviation、Archer、亿航智能、峰飞航空等均选择自主