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会议纪要丨低空经济系列:eVTOL适航那些事儿!

水木纪要  · 公众号  ·  · 2024-03-17 23:35

正文

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总结:

1 、亿航拿到全球第一张适航证的意义: 首先通过先颁发 TC 进行试运营,再在 运营过程中逐步完善运营条款。此外,从政治和经济角度推动行业发展,提升 中国市场在 eVTOL 时代的话语权。

2 eVTOL 落地场景: 主要分为三类。 首先 是无驾驶员运营场景,即在特定的隔 离空域中,适合于某些特定用途,如亿航可能会采用这种方案。 其次 LAC (轻型运动飞机)的运营场景,以个人娱乐为主,例如小鹏汽车代表的 to C 市场,但由于其属于个人娱乐类,因此不能进行商业运营。 最后一种 场景涉及航 校培训、医疗救援、道路救援以及郊区定点航线等。

3 、构型: 第一种, 纯多旋翼构型以其技术上的简洁性在试航取证上速度较快, 以亿航、 Volocopter 和小鹏第一代为代表; 第二种, 复合翼是为了解决 eVTOL 的航程和载重问题而提出的一种构型,复合翼目前在国内已成为主流。 第三种, 倾转旋翼作为下一代 eVTOL 构型,相较于复合翼具有显著的技术优势,然而,倾转旋翼也面临着技术难度和试航难度较大的挑战。 第四种, 倾转机翼或者矢量涵道技术,代表公司美国的 Opener Lilliam ,但技术的难度较大,目前 实际应用较少。

4 eVTOL 产品构成: 结构( BOM 占比 15% ,中国供应商熟悉福彩节奏制 造,但原材料目前还是进口日本,未来国产化可能性大; 电动力系统( BOM 占比 20% ,涉及电控、电机、变速机构和冷却系统。目前国内对此尚处于空白状态,卧龙电驱正在切入进来; 飞控( BOM 占比 20% ,航电密切相关的核心组成部分,包括控制板、飞控计算机和舵机,国内玩家 618 所; 电池( BOM 占比 15% ,能源系统的核心是锂电池。中国在锂电池领域处于世界领先地位,但缺乏航空领域可用的整包电池,主要是因为 BMS 和电芯选择不足; 电气系统( BOM 占比 10% ,如开关、控制板、照明、限速器以及传感器等也是航空电 子系统中的重要组成部分,相较于飞控系统,这些电气设备中国已经具备相应技术能力。

1 、如何看待 3 8 FAA 发布了美国 JAS4 的正式试行准则?

这一事件在航空领域无疑具有重要意义 , 然而,与其说它具有绝对重要性,倒不如说相对重 要,原因在于在 2022 年,针对 Joby S4 已经发布了一套称为专用条件的航空标准而非适航标准。 2022 年时, FAA 已经发布了这些专用条件的征求意见稿,并考虑了来自工业界和用户的反馈意见。因此,人们在 2022 11 月已经开始研究这些内容。 Joby S4 EASA SCeVTOL 相比,后者在 2020 年初次草案发布, 2021 年正式发布第一版。这意味着在 Joby S4 出现之前, EASA SC eVTOL 已经成为载人 eVTOL 领域的参考标准。然而, EASA SCeVTOL 相对较严格,因此美国政府不愿跟随其标准,而是要求企业自行提供审定基础。一旦局方同意企业提供的审定基础,便会授权发布针对该飞机的特定适航标准,即 JAS4 ,这 是美国与欧洲在此事上的不同之处。

2022 年征求意见期间,人们提出了许多意见,其中核心意见是对 EASA 标准的严格性和明确性的质疑。然而,在今年 3 8 日, FAA 正式发布了 JAS4 的专用条件,其中 两个主要方面 得到了明确:首先,确定了其适航标准的类别为 动力升降机 ,这与欧洲 EASA 的标准不同;其次,明确表示将维持原有标准,不会采用 EASA SC eVTOL 方法。尽管提出了许多理由,但核心仍在这两点。与 2022 年相比, JAS4 的标准基本保持不变,即便大部分意见都是关于为何 EASA 采取不同方式的,但实际上 FAA 并未接受这些意见。这意味着美国确实不会跟随 EASA 的标准。 对中国而言 ,所有的主机厂都在走专用条件的路线,而不是按照 EASA 的标准。这也意味着基本上已经采用了美国的模板。由于专用条件相对 EASA 的标准略为宽松,否则像 欧洲这样的市场就难以发展,这是其主要背景和意义所在。

2 、亿航是全球第一个拿到标准适航证的企业,中国为什么在这个方向上进展 这么快?政府时如何看待 eVTOL 产业?

亿航是全球第一个获得标准适航证的企业,这一点几乎是今年以来所有访谈都会提到 的焦点。 从构型上看,其取得全球首张的原因是因为它是多旋翼, 这在构型上降低了 难度。相比于欧美,中国的民航存在一定差距,尽管通过试飞缩短了国产化的时间, 但与欧美仍有五六年的差距。亿航之所以能取得适航证, 首先, 纯多旋翼的构型技术上相对简单,尽管某些技术不可简单化,但相较于复合翼和固定翼要简单得多。 其次, 由于没有强制的过渡转换过程,风险大大降低。转换过程容易出现飞机失控等问题,而多旋翼没有这个问题,因此试验可以减少,取证速度更快。 此外, 亿航的审定基础以 27 部为模板,再加上一些针对无人驾驶和多旋翼特性的补充,这与其他公司如 Joby Archer 的标准证书不同。因此,亿航在审定过程中避开了一些复杂的要求,例如操纵系统的设计。相对于复合翼的 23 部和 27 部的裁剪,亿航采用了更加简化的操 作系统,但仍需要考虑到直升机的总距离和无人驾驶的侧杆,这在一套系统中集成起 来是相当困难的。 因此, 亿航通过其独特的构型设计和审定基础,在取得适航证方面 具有优势。

从意义上来看, TC Type Certificate ,型号证书)对于亿航来说具有重要的战略意义 虽然 TC 对于公众影响相对较小,因为它的运营限制不太符合商业运营的要求,可能更 适合作为轻型运动飞机或无人机运营。其他主机无法直接复制亿航的路线,因为局方 明确表示亿航获得 TC 是有特殊考量的。虽然亿航的构型简单且经过多年试飞积累了一 定数据,但其全国产的产业链和供应链,以及适航科目,显示其审查力度不足。其零 部件级的安全性水平达不到郊区点对点定点航线运营所需的水平。因此,虽然取得 TC 有一定的战略意义,但在审查和安全性方面存在不足。 那么之所以给亿航颁发 TC 有以 下两个原因:

首先,从风险角度看, 通过运营限制,可以降低潜在风险。在没有相关运营标准时, 试运营是一种解决方案。在此过程中,局方深度介入,逐步颁布符合这类飞行器的特定运行标准或解释性条款。这不仅是中国的挑战,全球范围内都缺乏明确的载人 eVTOL 运营标准。因此,先颁发 TC 进行试运营,再在运营过程中逐步完善运营条款, 是符合实际情况的做法。此外,从政治和经济角度考虑,为了给予中国市场、投资方 eVTOL 主机厂信心,推动行业发展,颁发全球首张 TC 也是必要的。这样,即使国外 成功后再进入中国市场,国内已有一定基础和经验,不会被市场开放所迫。

其次是审运结合的考虑。 审运结合是指导后续运营标准建立的关键。在进行 TC 审定的 过程中,需要考虑到未来的运营条款,以确保 TC 与实际运营场景相匹配。然而,由于现有审定体系(如 AEG 不能参与指导)的局限性,一些新型飞行器如 eVTOL 无法获得充分的运营指导。这导致主机厂在 TC 审定过程中只能基于想象来推测未来的运营标准和限制性要求,存在很大风险。亿航通过 TC 试运营,不仅解决了自身在运营中可能遇 到的问题,也为其他主机厂提供了一个参考。其他主机厂可以从中了解运营的实际要 求,避免在 TC 审定过程中忽略重要运营条款。这种提醒作用有助于主机厂更全面地考虑 TC 与运营的结合,从而在设计阶段就规避潜在问题。此外,亿航的试运营也为整个 工业界树立了一个榜样。它表明,在追求技术进步和满足市场需求的同时,必须充分 考虑运营的实际情况和法规要求。通过审运结合,可以确保新型飞行器在获得 TC 后能够顺利投入运营,实现技术与市场的双赢。

3 eVTOL 落地场景的展望?

关于电动垂直起降飞行器( eVTOL )的运营规范,全球尚未形成一致的定论。美国的 Joby Archer 、英国的 Vertical Aerospace 、德国的 Lilium 以及巴西航空的 Eve 等公司都在制定自己的运营方案。例如, Joby 3 8 日发布了运营计划,其中明确提到将按照 91 部和 135 部的标准进行运营,前者是一般飞行标准,后者是小型商业运营标准。这意味着直接将 eVTOL 视为通用航空器,与其他通用航空器没有太大区别。然而, eVTOL 的特殊性需要特殊考量,例如垂直起降和平飞的操作。虽然国家可能不会制定新的法规,但会发布咨询通告( AC ),提供指导和提示。美国可能会发布 AC 但不会立即颁布新的法规,而中国可能会更晚颁布类似的指导性文件,因为相关的 eVTOL 取证可能需要更长的时间。

对于无人驾驶的飞机,如亿航的无人载客机型,简单的 91 部和 135 部标准可能不足以 涵盖其运营需求,可能需要制定更具针对性的指导性文件( AC )或性能规范( AP )。 针对亿航等无人驾驶运营的飞机,可能会出台针对性的补充性条款,预计今年下半年 可能会发布征求意见稿,但可能主要针对无人驾驶载客机型。美国分析显示, 80% 的乘 客不愿意乘坐没有驾驶员的商业飞机,这对亿航的无人驾驶飞机提出了挑战。因此,中国可能会先于美国出台特殊规定,以解释无人驾驶飞机的运营条款。此外,预计在 92 部的指导下,无人驾驶载客和货运可能会统一在同一套规范下,与此同时,像峰飞公司的无人驾驶货运 eVTOL 将很快取得型号证书并开始运营。然而,这样的规定可能不适用于 21 部,因为 92 部和 21 部的要求不同,而 21 部则要求所有有驾驶员的载客飞机归类于其之下,包括之前提到的 23 部和 27 部。

运营证的状态涉及到不同的运营场景,主要分为三类。首先是无驾驶员运营场景 ,即 在特定的隔离空域中,仅有无人机存在,适合于某些特定用途,如亿航可能会采用这 种方案。 其次是 LAC (轻型运动飞机)的运营场景, 以个人娱乐为主,例如小鹏汽车代表的 to C 市场,但由于其属于个人娱乐类,因此不能进行商业运营,相关的飞行规范也有所不同。 最后一种场景涉及 航校培训、医疗救援、道路救援以及郊区定点航线等,这类商业化运营通常在郊区进行,遵循一系列民航规定,包括 91 部和 135 部。国际主流代表如 Joby Archer Eve 等还需满足更严格的规定,包括进城市运营的限制性 条款,这与国内主流运营的差异在于,国际主流更加注重隐私保障等级、自动驾驶能 力等方面。因此,运营证对于不同场景有不同的要求, TC 也决定了未来能够进行的运 营场景和所能提供的运营证。

4 、从产业视角来看,国内的 eVTOL 是否可以发展起来 , 以及未来的规模是怎样 的?

尽管中国的运输类飞机与国外仍存在差距,但通过近年的双飞努力以及国家在产业链 和监管方面的大力支持,与美国等国家的差距已经有所缩小,目前大约只有五年左右的差距。

通航在中国未能发展起来的原因 有以下几点。 第一 ,因为它不是国家战略,对国家来 说意义不大,因此国家对其发展的力度也相对较小。 第二 ,中国的低空空域由军队管理,民航需要向军队申请空域使用权,这在一定程度上增加了通航的难度。 第三 ,通 航的安全性相对较低,导致其难以进行大规模定点运营。由此,通航主要发展为教练机和执行特殊任务(如森林灭火、探测等),而景区观光等业务由于安全性和噪音扰 民问题逐渐停止。所以,通航面临的挑战包括军管空域问题和成本与收益之间的平衡,因此发展受到限制,后来转向航校培训等特殊用途。

中国的低空经济近年来面临停滞的状况,主要因为 LAC 市场受限,尤其是面向个人的 市场较为狭窄。相较于美国,中国的低空市场受到军方管制,导致大量 LAC 公司倒闭或逐渐退出市场。 在这背景下, eVTOL 技术成为低空经济的关键突破点。

首先, eVTOL 采用电动技术 ,符合国家产业战略,尤其在中国发动机水平相对不高的 情况下,电动航空被视为未来发展的重要方向。其次,多旋翼结构使 eVTOL 在安全性 上具备更多冗余性,相较于直升机更为安全。失去一个浆不会导致灾难性影响,对单个旋翼或电机的要求也相对较低,从而降低了成本和提高了整体安全性。

另外 eVTOL 取消了传统飞机的发动机、机械部件和燃油控制,简化了维修过程, 低了运营成本。 即使存在驾驶员, eVTOL 的自动驾驶技术( SPU )减少了驾驶员培训的需求,解绑了培训成本。这一系列特点使得 eVTOL 在低空经济中具有巨大潜力,为中 国低空领域带来新的发展机遇。

国家力推 eVTOL 是因为它代表了一个突破点,能够在成本和效益上取得平衡,不会像 过去的通航业务那样导致营收战略上的不平衡。通过详细的分析, eVTOL 飞行器被认 为具有盈利潜力,并且在安全性监管得到保障后,有望逐渐向个人飞行器领域发展。这种趋势将对未来的立体交通,包括城市空中出租车,产生重要影响,并满足日益增长的需求。

eVTOL 代表了对低空领域由军事管理向民用管理逐步过渡的重要突破,纯粹的军事管 控状态已不再合理。在改革过程中,包括湖南和珠三角在内的地区都在积极进行调 整。 eVTOL 所代表的自动驾驶技术和高带宽数据链的建设以及加强的监管措施,显示 国家有信心在军民空域转换后加强监管、提升安全性,以消除军方的顾虑。这有助于激活整个经济环境,展现了其巨大的市场潜力,甚至可能达到万亿级甚至更高的规模。

在全球范围内,城市运营的个人飞行器(如 joby )代表着一个巨大的市场,在中国可 能达到万亿级或至少千亿级的规模。然而,到 2026 年或 2027 年,这一代郊区运营的 市场规模可能不会达到如此之大,最多也只会达到百亿级规模,但仍然是相当可观的。对于类似亿航这样的公司来说,市场规模可能达到亿级或几十亿级,尽管其运营仍然受到一定限制,类似于无人机。

5 、如何看待不同构型 eVTOL 的差别?从长期视角来看,哪种 eVTOL 更具优 势?

目前主流的 eVTOL 构型主要分为 四类

第一种,纯多旋翼构型 以其技术上的简洁性在试航取证上速度较快。纯多旋翼构型以 亿航、 Volocopter 和小鹏第一代为代表,其技术基础与消费级或工业级多旋翼相似, 适用于农业植保机等应用。然而,这种构型的市场应用场景相对受限,主要因为其功耗较高,导致飞行距离和时间受限,通常只适用于特定景点、培训或个人体验等场景。此外,纯多旋翼构型的载重能力也有限,目前主要限于两人乘坐,虽然有些设计尝试增加座位数,但可能面临更多的技术挑战,如电机能量密度和功率密度等问题。 因此,纯多旋翼构型在 eVTOL 领域的发展仍需要进一步的技术突破和市场验证。

第二种,复合翼 是为了解决 eVTOL 的航程和载重问题而提出的一种构型。它将旋翼飞 机和固定翼飞机的功能集合在一起,实现了垂直起降和平飞。在垂直起降到 100 米左右后,直接转入平飞,大大减少了能耗。这种设计使得航程可达 200 公里,飞行时间延长至 1 小时,使其运营场景得以扩展至定点航线。尽管复合翼的试航难度略高于纯旋翼,需要满足更多的适航标准,但其优势仍然显著。虽然复合翼的过渡过程可能会面临一些挑战,如正向过渡和反向过渡的曲折性,以及平飞时旋翼的矢重增加阻力等 问题,但其带来的好处远远超过了劣势。因此,复合翼目前在国内已成为主流。

第三种,倾转旋翼 作为下一代 eVTOL 构型,相较于复合翼具有显著的技术优势。它取 消了单独的推浆,通过倾转旋翼实现升降与推进的转换,从而降低了平飞时的气动阻力,提高了能量效率。这种设计还降低了整机的重量,减轻了电机的负担,有助于提升飞行性能。然而,倾转旋翼也面临着技术难度和试航难度较大的挑战。倾转机构可能带来单点失效的风险,同时平飞过程中电机转速和螺旋桨功角的调整也是一项复杂的技术问题。此外,倾转旋翼对倾转机构和变浆机构的安全性要求也较高。

尽管如此,倾转旋翼仍被看作是未来 eVTOL 领域的重要代表构型。美国等发达国家在 倾转旋翼技术方面已有一定的积累,而中国在这方面相对落后,仍需依赖外部专家进行技术开发。因此,在国内短期内,倾转旋翼公司可能会面临比复合翼更大的技术挑 战。但从全球趋势来看,倾转旋翼构型在 eVTOL 领域具有广阔的发展前景。

第四种, 比倾转旋翼更具未来感的构型是 倾转机翼或者矢量涵道技术 。这些技术不仅 仅是旋翼的倾转,而是整个机翼可以变动,如美国的 Opener Lilliam Lilliam 采用了 矢量涵道技术,通过多个小电机或小风扇控制涵道式的螺旋桨,能够直接改变推力线,实现从平飞到直飞的转换。但是这种技术的难度较大,而且目前倾转旋翼已经能够解决许多问题。倾转旋翼技术将尾部的升降舵和方向舵在平飞过程中取消,尽管这 种方法有些冒进,目前实际应用较少,中国的磐拓是其中之一。美国的 Opener 由于是 LAC ,门槛较低,更容易进入运营阶段。然而,磐拓目前已经难以继续发展,而 Lilliam 的进展则相对缓慢。

6 、目前,一款 eVTOL 的构成主要包括多个部件,这些部件的国产化程度如何 呢?

第一是结构, 在结构部件的拆分中,辅材结构占主要地位。在中国,供应商已经熟悉 辅材结构的制造,尽管试航阶段需要进行积木试验,对原材料的要求相当高。这可能导致前期使用国内原材料的难题,而需要依赖像日本东丽和汉高等进口胶水。然而,随着时间推移,国产供应链逐渐成熟,因此中国在结构领域实现完全国产化的可能性较大。

第二是动力系统 ,实际上称为第一批分布式电动力系统,涉及电控、电机、变速机构 和冷却系统。目前国内对此尚处于空白状态。航空电机与汽车电机不同,需要进行大规模改进以适应低速高扭的需求。中国的卧龙公司试图进入这一领域,但面临启动客户的挑战,其他企业对此市场兴趣不大。尽管国内目前主要使用斯洛文尼亚和捷克等赛车电机以及国内汽车供应商的电条,但其性能边界已经触及,需要进行水冷以提升功率密度和能量密度。对于吨级载荷的飞行器,只能依赖传统民航供应商的电机,如 伊顿、赛风和罗尔斯 · 罗伊斯,并将电条整合到电机内部。虽然这些供应商收购了电机 产业,但对中国市场的支持力度有限,主要是赛风和沃飞,因为沃飞以前是吉利集团旗下,当时与赛风的关系已经非常密切。







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