国防军工深度报告：低空经济专题之三：eVTOL详细拆解

电动垂直起降飞行器 （Electric Vertical Takeoff and Landing，eVTOL）区别于常规飞机的主要技术特点包括可以实现垂直起降、采用分布式电力推进以及运用全电/混合动力技术。得益于电动机、电池和自动化技术的发展，与常规直升机相比，eVTOL更加低碳环保、噪声更低、自动化等级更高，并由此产生了运行成本低、安全性和可靠性高的优势。随着城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）的兴起，引起了eVTOL的研制热潮。据统计，目前全球已有百余家eVTOL企业。 eVTOL产业链较长，主机厂主要承担的是整机研发和集成的任务。 eVTOL的核心子系统主要包括机体、综合航电系统、飞控系统、能源系统、动力系统以及电气系统六大类。根据Lilium的数据，其eVTOL成本中，推进系统占比约40%，结构和内饰占比约25%，航电和飞控占比约20%，能源系统占比约10%，装配件占比约5%。 1）机体：主要采用碳纤维复材，低成本高效率的热塑性复材或为趋势。eVTOL的复材使用占比70%以上，主要用于结构件和推进系统，其中，超过90%的复材为碳纤维复材，约10%的复材以保护膜的形式使用玻璃纤维增强。eVTOL材料需求牵引下，低成本、高效率、规模化制造是碳纤维复材的重要趋势，热塑性碳纤维复合材料前景广阔。由于民航复材结构件验证采用“积木式方法”，传统航空碳纤维复材厂商占据先发优势。国外，碳纤维供应商包括日本东丽、美国赫氏、索尔维等，东丽已经与Joby和Lilium合作，美国赫氏和索尔维分别与Archer和Vertical建立了合作。 2）动力和能源系统：采用分布式电推进，能源系统以纯电为主。 分布式电推进飞机是随着电动飞机发展而产生的，由电机驱动分布在机翼或者机身上的多个螺旋桨或风扇构成推进系统为飞机提供推力。 电机向更大功率、更高功率密度方向发展，Joby采用的电机峰值功率达236kW，重量仅28kg。国内外eVTOL主要采用纯电动力。相比新能车电池，eVTOL要求电池具有更高的能量密度。三元NCM电芯综合性能最佳，为当前eVTOL使用最广泛的电池。 3）航电系统：飞机的中枢神经系统。航电系统是现代飞机的重要组成部分，主要功能包括飞行控制、通信、导航、监视、显示等。 在eVTOL行业，全球主流机载航电公司基本都和相关eVTOL主机厂达成合作。Garmin与Joby和Archer合作，提供G3000集成驾驶舱； Avidyne航电与Beta和Skydrive合作；泰雷兹主要合作对象是Eve； 霍尼韦尔推出云化航电平台，主要eVTOL整机合作商是韩国现代的Supernal和英国的Vertical。国内，昂际航电与沃飞长空签署战略合作备忘录，共同开发AAM航电系统。 目前，国内亿航智能的EH216-S飞行器已取得中国民航局TC、PC许可；峰飞航空V2000CG货运版eVTOL取得中国民航局TC许可；沃飞长空、峰飞航空、沃兰特、时的科技、小鹏汇天、御风未来等主机厂多款eVTOL飞行器型号已申请中国民航局CAAC或欧洲航空安全局EASA适航认证，有望陆续取得TC、PC。国内多款eVTOL飞行器型号有望陆续进入批量生产。 产业链相关标的包括：1）低空基建相关标的莱斯信息、中科星图、国睿科技、四创电子、深城交、四川九洲、海格通信、纳睿雷达、航天南湖、泰豪科技、川大智胜等；2）传统/eVTOL飞行器相关标的亿航智能、中直股份、万丰奥威、卧龙电驱、应流股份、光威复材、吉林化纤、中航高科、高华科技、烽火电子、芯动联科、航新科技、安达维尔等；3）飞行器运营和模拟飞行相关标的中信海直、海特高新等。 风险提示 低空经济相关支持政策不及预期；UAM相关基建配套不及预期； eVTOL研发、取证、量产进展不及预期；eVTOL的OEM厂商给出的商运财务模型过于乐观等。 1eVTOL迎来研制热潮，多型飞行器有望量产 电动垂直起降飞行器（Electric Vertical Takeoff and Landing，eVTOL）区别于常规飞机的主要技术特点包括可以实现垂直起降、采用分布式电力推进以及运用全电/混合动力技术。得益于电动机、电池和自动化技术的发展，与常规直升机相比，eVTOL更加低碳环保、噪声更低、自动化等级更高，并由此产生了运行成本低、安全性和可靠性高的优势。随着城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）的兴起，引起了eVTOL的研制热潮。 近几年，全球eVTOL主机企业数量显著增长，部分公司成功上市。根据航空产业网数据，2009年-2016年，全球仅数家eVTOL企业，自2017年之后，陆续有40余家企业进入eVTOL行业。2019年，亿航智能成功在美股上市，2019年-2023年内，5家eVTOL国际企业成功在美股上市。据统计，目前全球已有百余家eVTOL企业。 图表1：eVTOL企业成立及上市时间 从eVTOL企业的地理分布上可以看到，eVTOL企业大部分集中在中国、美国、欧洲等的沿海城市，呈现出中国企业数量多，欧美企业融资额度大的特点。 从融资规模看，根据航空产业网2024年2月6日的报告数据，eVTOL行业累计融资规模超过110亿美元，其中，81%的融资额由前10的企业拥有。大部分融资资金由头部少数企业拥有。Joby、Archer、Lilium融资规模靠前，达到10亿美元以上。国内，小鹏汇天自2021年10月进行首次融资后，融资规模达到5亿余美元；亿航智能自2014年成立后，历时5年于2019年12月在美股上市，迄今为止获得近2亿美元的融资；广东海鸥飞行汽车、峰飞航空、时的科技、零重力飞机、沃兰特、御风未来、沃极步耀、亿维特等均进入“亿元俱乐部”。 图表2：融资规模前十的eVTOL企业 目前，国内亿航智能的EH216-S飞行器已取得中国民航局TC、PC许可；峰飞航空V2000CG货运版eVTOL取得中国民航局TC许可；沃飞长空、峰飞航空、沃兰特、时的科技、小鹏汇天、御风未来等主机厂多款eVTOL飞行器型号已申请中国民航局CAAC或欧洲航空安全局EASA适航认证，有望陆续取得TC、PC。国内多款eVTOL飞行器型号有望陆续进入批量生产。 展望未来，eVTOL主机企业数量或先增后减，未来市场或向头部集中。参考新能源汽车行业，2019年，我国造车新势力有300多家，随着新能车走向规模化量产，目前国内头部新能车企业只有10家左右。2023年，理想汽车成为继特斯拉、比亚迪之后全球第三家实现盈利的新能源汽车企业。eVTOL作为航空器，相比新能源汽车有更严格的适航审定程序，为主机企业带来更大的研制生产壁垒，与新能车市场相比，未来eVTOL的市场或更加集中。 2eVTOL产业链：整机包含六大子系统，机体、动力和能源系统、航电系统占主要成本 eVTOL产业链较长，主机厂主要承担的是整机研发和集成的任务。eVTOL的核心子系统主要包括机体、综合航电系统、飞控系统、能源系统、动力系统以及电气系统六大类。 Lilium给出其eVTOL成本占比，推进系统、结构和内饰、航电和飞控占主要成本。Lilium的eVTOL拥有36个分布式电机和72个电源模块为飞行器提供能源和动力，采用了霍尼韦尔提供的3个不同的飞控计算机。在成本上，Lilium给出，eVTOL的推进系统占比约40%，结构和内饰占比约25%，航电和飞控占比约20%，能源系统占比约10%，装配件占比约5%。 Lilium的eVTOL采用矢量推力构型，相比多旋翼和复合翼构型的eVTOL飞行器，具有更高的巡航效率，因而其能源系统可以有相对较低的成本占比。Lilium采用的硅阳极锂离子电池，能量密度大于330Wh/kg，功率密度2.8kW/kg，可在15分钟充电至80%，30分钟充电至100%，实现大于800次充放电循环。 图表3：Lilium的eVTOL结构设计 图表4：Lilium公司eVTOL价值拆分 对比同样采用电池作为能源、采用电机作为动力的纯电动汽车和同样需要满足适航的大飞机的成本构成，可以看到不论是新能车、大飞机还是eVTOL，动力系统是核心子系统之一，能源系统在电池动力中成本占比较大，航空器中航电、飞控等系统成本占比较大。在新能源汽车的成本占比中，电池成本占整车成本比重约42%，是纯电动汽车的核心部件，电机和电控成本分别占整车成本的10%和11%，电驱动零部件成本约占整车成本的7%，其他部件约占整车成本的30%。在大飞机的价值构成中，机体结构占比30%-35%，动力系统发动机占比20%-25%，航电和机电系统占比25%-30%。 图表5：新能源汽车价值构成 2.1机体：主要采用碳纤维复材，低成本高效率的热塑性复材或为趋势 碳纤维复合材料是以树脂、陶瓷、金属等为基体，以碳纤维为增强体，复合而成的结构材料，是目前世界上最先进的复合材料之一，因其具有质轻、高强、耐腐、耐高温等优势，被广泛应用在新能源、航空航天、交通运输等领域。碳纤维复合材料以树脂基碳纤维复合材料为主，占据市场近90%的份额。航空航天和风力发电领域为树脂基碳纤维复合材料最大需求端，需求占比达50%。在航空航天领域，树脂基碳纤维复合材料常用于制造民用飞机发动机罩、副翼、阻力板以及舱门等，能够达到减重效果。 碳纤维复合材料根据最终产品的形态和特性，有多种固化成型工艺。目前，碳纤维复合材料固化工艺较为先进且流行的是热压罐工艺和RTM、VARI等液体成型工艺。 图表7：复合材料成型工艺 eVTOL复材使用占比70%以上，主要用于结构件和推进系统。eVTOL作为新兴的交通出行载体，对飞行器的结构重量有着严苛的要求。现今市面上能看到的所有eVTOL企业，几乎无一例外的使用复合材料作为主要的机体结构。eVTOL的复合材料占比达到70%以上，其中，超过90%的复材为碳纤维复材，约10%的复材以保护膜的形式使用玻璃纤维增强。 研究机构Stratview报告显示，在几乎所有飞行汽车项目中，约75%-80%的复合材料用于结构部件和推进系统；其次是内部应用，包括横梁、座椅结构等，占12%-14%；电池系统、航空电子设备和其他小型应用占剩余的8-12％。小鹏汇天X2整机重560千克，机身部分由100多个碳纤维零件制成，重量仅为85千克。 图表8：复合材料在eVTOL上的应用 图表9：eVTOL上碳纤维复合材料的应用占比 国内外航空复材结构件主要采用预浸料－热压罐工艺。部分eVTOL主机厂选择T700、T1100碳纤维材料，采用热压罐工艺制造飞行器主要机身部件。2022年7月，Overair宣布与东丽复合材料美国公司建立合作，采用东丽新一代T1100/3960碳纤维/环氧树脂预浸料建造试飞飞行器主要机身部件，如机身、部分机翼组件以及旋翼叶片，每个复合材料部件都采取人工铺放并通过热压罐固化成型。东丽公司提供的3960是一款高韧型177℃固化环氧树脂，其玻璃化转变温度为204℃，而Torayca T1100碳纤维是目前可实现应用的具有最高拉伸强度碳纤维。沃兰特研发中心指出复合翼eVTOL飞机相比传统固定翼飞机，结构上额外增加了多处电机臂，需要采用轻量化设计，尽量降低电机臂的重量，电机臂为eVTOL关键承载部件，除电机座外，电机臂上所有零件采用T700级碳纤维预浸料，采用热压罐工艺制造。 图表10：碳纤维复合材料热压罐成型工艺 采用热压罐成型工艺的复合材料结构件，主要成本为制造成本。热压罐工艺制造的复合材料结构件，材料成本不到20%，制造成本占80%以上。 图表11：热压罐工艺制造复合材料制件的成本构成 eVTOL材料需求牵引下，低成本、高效率、规模化制造是碳纤维复合材料的重要趋势，热塑性碳纤维复合材料前景广阔。目前热固性复合材料在行业中仍占据主导地位，与传统热固性复合材料相比，热塑性复合材料成型周期短、化学成分毒性小，且具有高韧性、高抗冲和损伤容限、预浸料存储期长、量产能力强等优点。热塑性碳纤维复合材料结合了碳纤维和热塑性树脂的性能优点，且