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全球电动垂直起降飞行器产业发展现状及发展趋势

一、各类型无人机技术比较

电动垂直起降飞行器以其低碳环保、噪声低、自动化等级高、运行成本低、高安全性和可靠性被看作是最具发展前景的无人机产品。随着技术愈加成熟,产业蓬勃兴旺, 电动垂直起降飞行器的优势不断显现,行业应用范围将不断扩大。

不同气动布局类型无人机的比较

技术差异点 多旋翼 垂直起降固定翼 无人机直升机 固定翼
飞行原理 旋翼同时产生升力和控制力,平飞动力由升力的分量转换得到 垂直起降过程由旋翼产生升力和大部分控制力,固定翼舵面辅助控制姿态;平飞过程由机翼产生升力,平飞动力产生推力/拉力,由气动舵面产生控制力 旋翼同时产生升力和控制力,平飞动力由升力的分量转换得到 平飞过程由机翼产生升力,平飞动力产生推力/拉力,由气动舵面产生控制力
能量转换效率 旋翼尺寸较小,气动效率较低 固定翼升阻比高,气动效率高,但垂直起降用的旋翼会产生一部分废阻 旋翼尺寸较大,比多旋翼的气动效率高,但不及固定翼 固定翼升阻比高,气动效率高。如果有外露的起落架,也会产出一部分废阻
控制难度 通过旋翼转速控制实现控制力分配,实现难度低﹔平衡状态受环境影响较大,不具备自稳定能力 旋翼和固定翼结合的控制方式,兼具两种方式优点:固定翼飞行状态不需要控制就具备自稳定能力 通过复杂的变距机构实现控制力调整,有陀螺滞后效应:单一主旋翼的直升机,还需要尾桨实现航向控制;有一定的姿态恢复能力,但远不及固定翼 通过气动舵面产生直接力对姿态进行控制,简单高效:飞行状态不需要控制就具备自稳定能力
安全性 动力失效后(单个或多个),几乎没有挽救可能性 平飞动力失效后,可采用固定翼实现滑翔飞行和降落,处置时间较充裕:固定翼状态姿态超限后,可采用旋翼纠正姿态或应急原地迫降 动力失效后,可采用自旋方式应急迫降,但控制难度较高,处置时间很短 平飞动力失效后,可采用固定翼实现滑翔飞行和降落,处置时间较充裕
任务特点 小面积、短时作业,携带载荷主要适用于近距离工作探测,起降场地要求低 大面积、长时间作业,携带载荷适用于远距离探测,起降场地要求低 中等面积、中等时长作业,起降场地要求低 大面积、长时间作业,携带载荷适用于远距离探测,起降场地要求高

资料来源:观研天下数据中心整理

部分无人机动力系统比较

动力系统类别

优点

缺点

代表企业

电池

造价低

结构简单

清洁能源

易于运输

储能密度低

续航能力低

大疆

零度智控

油电混合

续航时间长

电机更轻小

爬升性能强

系统复杂

故障率高

Top Flight

太阳能

安全性能高

使用成本低

维护简单

抗风力弱

载重量少

易受天气影响

Google

资料来源:观研天下数据中心整理

二、全球电动垂直起降飞行器发展现状

据观研报告网发布的《中国电动垂直起降飞行器行业发展趋势研究与未来投资分析报告(2022-2029年)》显示,自从2018年罗尔斯·罗伊斯在英国范堡罗国际航空航天展览会上提出了“电动垂直起降(EVTOL,electricvertical-take-offandlanding)飞行器”概念以来,电动垂直起降飞行器逐步进入人们视野,近年来,随着航空电机、电池、电传飞控、复合材料结构等关键技术的快速发展,电动垂直起降飞行器进入快速发展阶段。根据垂直飞行协会(VFS)的统计,截至2020年2月,世界范围内共有253个eVTOL项目,将近188个eVTOL厂家。截至2021年一季度,垂直飞行协会(VFS)在其《世界电动垂直起降(eVTOL)飞机目录》记录/跟踪的eVTOL飞机概念数量已达600种,涉及全球近350家公司。

自从2018年罗尔斯·罗伊斯在英国范堡罗国际航空航天展览会上提出了“电动垂直起降(EVTOL,electricvertical-take-offandlanding)飞行器”概念以来,电动垂直起降飞行器逐步进入人们视野,近年来,随着航空电机、电池、电传飞控、复合材料结构等关键技术的快速发展,电动垂直起降飞行器进入快速发展阶段。根据垂直飞行协会(VFS)的统计,截至2020年2月,世界范围内共有253个eVTOL项目,将近188个eVTOL厂家。截至2021年一季度,垂直飞行协会(VFS)在其《世界电动垂直起降(eVTOL)飞机目录》记录/跟踪的eVTOL飞机概念数量已达600种,涉及全球近350家公司。

资料来源:观研天下数据中心整理

根据 eVTOL News 网站(VFS 主办)的分类,eVTOL重点分为以下三类,总的来看,三种类型的eVTOL数量大体相当,均达到30%以上,其中多旋翼型占比接近40%。

电动垂直起降(EVTOL)飞行器主要类型

类型 特点 主要项目数量(个) 典型案例
矢量推力型(Tilt-X): 在不同使用阶段,通过改变推力方向,实现垂直起降和巡航。 97 Lilium Jet、Joby-S4等
升力+巡航型(Lift+Cruise) 升力和巡航用的螺旋桨是独立的,分别实现垂直起降和巡航。 97 Boeing-PAV、Wisk-Cora等
多旋翼型(Multi-copters) 无巡航用螺旋桨,完全通过控制多旋翼的升力大小实现飞行。 119个(其中含46个单人可悬停飞行器、19个电动旋翼机) Ehang-216、Volocity、LIFT-Hexa等

资料来源:观研天下数据中心整理

三、典型电动垂直起降飞行器分析

1、A3(Airbus)-Vahana

Vahana是由空客公司硅谷创新中心(A3)于2016年初启动的研究项目,原型机在2018年1月31日实现首飞,此后进行了一系列的验证测试。仅在2019年,就测试飞行达130多次,累计飞行将近14h,最远飞行距离将近50km,单次最长飞行时间将近20min。

Vahana原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 全电
航程 50km(电池38kWh)
最大速度 220km/h
螺旋桨 8个可倾转螺旋桨
商载 1座/90kg
自动等级 自主飞行/远程操纵
重量(质量) 空重726kg,最大起飞重量815kg
电机 8个,每台45kW
所处阶段 飞行验证完成

资料来源:观研天下数据中心整理

2、Lilium-Jet

Jet由位于德国慕尼黑的Lilium公司研制,是一型电动5座垂直起降飞行器,其机翼上共布置12个可垂直偏转的襟翼,每片襟翼上集成三个喷气电动机。与传统设计相比,Jet无需齿轮箱、螺旋桨和冷却装置。原型机已于2019年5月首飞,计划2025年投入市场。

Lilium-Jet原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 全电
航程 300km(60min)
最大速度 300km/h
螺旋桨 36个涵道风扇(3个为一组)
商载 5座(含1名飞行员.4名乘客)
自动等级 有人驾驶(可扩展为自主飞行)
重量 1814kg
起落架 三点式起落架
安全 整机降落伞,三余度飞控
所处阶段 飞行测试

资料来源:观研天下数据中心整理

3、Bell-Nexus/6HX

Bell公司在2019年度国际消费类电子博览会上公开了Nexus/6HX。该飞行器采用混合电推进,航程可达240km,主要用于城际空运。该项目的研制联合了Moog、Thales、EPS、Safran、Garmin等全球知名供应商。

Bell-Nexus/6HX原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 混电(可扩展至全电)
航程 240km
最大速度 288km/h
螺旋桨 6个涵道螺旋桨
商载 单驾驶员+4名乘客(含行李)
自动等级 有人驾驶/自主飞行
重量 空重2720kg
所处阶段 原型机制造

资料来源:观研天下数据中心整理

4、Joby-S4

美国JobyAviation公司主要生产用于快速、安静、廉价空中出租车服务的全电动垂直起降(eVTOL)飞行器。S4原型机已于2018年2月实现首飞,计划2022年取得美国联邦航空局(FAA)适航证,并于2023年进入商用。

Joby-S4原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 全电
航程 241km
最大速度 322km/h
螺旋桨 6个可垂直倾转螺旋桨(4个随电动机短舱倾转,2个通过机械连接倾转)
商载 5座(含1名飞行员.4名乘客)
自动等级 有人驾驶
重量 1815kg
起落架 三点式可收放
所处阶段 飞行测试

资料来源:观研天下数据中心整理

5、Boeing-PAV

PAV飞行器由美国AuroraFlightSciences公司开发,于2017年11月被波音公司收购。PAV飞行器采用升力螺旋桨实现垂直起降,利用尾部推进螺旋桨实现向前飞行。该飞行器于2019年1月22日实现首飞。

Boeing-PAV原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 全电
航程 80km
最大速度 180km/h
螺旋桨 8个升力螺旋桨,1个5叶推进螺旋桨
商载 2座/225kg
自动等级 自主飞行
重量 空重565kg,最大起飞重量800kg
电机 8×75kW
所处阶段 飞行测试

资料来源:观研天下数据中心整理

6、Wisk-Cora

Cora由美国Wisk公司(由Beoing公司和KittyHawk公司合资成立)研制,并获得了Google公司合伙人拉里佩奇的融资。Cora原型机于2018年3月13日实现首飞。

Wisk-Cora原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 全电
航程 40km(留有余量)
最大速度 160km/h
螺旋桨 12个升力风扇,1个三叶推进螺旋桨
商载 2座/180kg
自动等级 自主飞行
重量 空重约540kg(其中电池重量约占1/3)
安全 三余度飞控,弹射降落伞(应急着陆)
所处阶段 飞行测试

资料来源:观研天下数据中心整理

7、Airbus-City Airbus City

Airbus验证机是空客公司于2015年启动的,专为城市空中交通而设计的多乘员、自主无人驾驶的电动垂直起降飞行器。City Airbus验证机于2018年开展地面测试,2019年5月实现无人首飞,计划2023年完成取证并投向市场。

Airbus原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 全电
航程 30km( 15min)
最大速度 120km/h
螺旋桨 8个螺旋桨(分4组、每组采用两个共轴反转桨、单组拉力可达400daN)
商载 250kg
自动等级 自主飞行
重量 起飞重量2200kg
电机 型号:西门子SP20OD,单台100kW
所处阶段 飞行验证

资料来源:观研天下数据中心整理

8、EHang-216

EHang-216由位于广州的亿航智能公司于2018年2月发布,已在美国、荷兰、卡塔尔等国以及中国的广州、烟台等地进行过多次无人及有人飞行,并获得了美国联邦航空局、挪威民航局、中国民用航空局、加拿大交通部4个国家航空监管机构颁发的特许飞行运行许可证。

EHang-216原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 全电
航程 35km(21min)
最大速度 130km/h
螺旋桨 16个螺旋桨(8组)
商载 2座/220kg
自动等级 自主飞行
重量 空重360kg,最大起飞重量580kg
所处阶段 取证

资料来源:观研天下数据中心整理

9、Volo copter -Volo City

德国Volo City是当今世界上最引人注目的电动垂直起降飞行器之一,它拥有18个螺旋桨,全部呈圆形对称布局。自2011起,已累计完成超过1000次的飞行测试。该型产品计划按照欧洲航空安全局(EASA)于2019年发布的垂直起降飞行器专用技术条件(SC-VTOL)取证,类别为增强型(Enhanced)。

Volo City原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 全电
航程 35km
最大速度 110km/h
螺旋桨 18个,单个直径2.3m
商载 2座(含手提箱)/200kg
自动等级 有人驾驶
重量 空重70Okg,最大起飞重量900kg
安全 配置应急降落伞,光传飞控,多余度
所处阶段 飞行测试

资料来源:观研天下数据中心整理

10、Lift- Hexa

Hexa由美国Lift Aircraft公司完成研制,该产品于2018年5月进行首次飞行测试,同年11月完成有人飞行。产品按FAA的Powered Ul tralight类型取证,因而无需飞行员驾照。

Hexa原型机主要特性信息

项目 技术特征
动力 全电
航程 10~15min
最大速度 100km/h
螺旋桨 18个
商载 单座
自动等级 有人驾驶.半自动(自动稳定)
重量 空重196kg
安全 弹射降落伞
所处阶段 取证

资料来源:观研天下数据中心整理

四、电动垂直起降飞行器未来发展方向

根据eVTOL飞行器信息来看,不同类别的eVTOL飞行器实现难易程度、飞行速度、航程和应用场景都有所不同。旋翼型因而其设计较为简单,但飞行速度慢、载荷小、航程短,仅适用城市内短距离空运;矢量推进型(Tilt-X)、升力与巡航复合型(Lift+Cruise)eVTOL飞行器可实现更高的飞行速度和更远的航程适合城市内或城市到城市飞行。

不同类型eVTOL特点分析

eVTOL类型 旋翼型 升力+巡航型 矢量推进型
市场准入 最早(设计较为简单) 较晚 最晚(设计相对复杂)
飞行速度/(km/h) 70~120 150~200 150~300
潜在应用 城市内大部分区域(航程短) 城市内或城市到城市(航程适中) 城市内或城市到城市(航程长)

资料来源:观研天下数据中心整理

无人驾驶的垂直起降飞行器总体布局及方案等都较容易实现,先进的飞控技术也保障了无人垂直起降飞行器起降动作的精确性及可靠性。如今,国家更加重视生态文明建设,绿色能源、新型电动飞机的研制为“绿色航空”的实现带来了新的契机,以无人电动垂直起降飞行器为代表的新型飞机极大地改善了飞机的安全性、便捷性、经济性以及可靠性。作为较有前途的一类飞行器,无人电动垂直起降飞行器正呈井喷式增长。未来几年,电动垂直起降飞行器将出现在城市上空。随着5G技术发展成熟,电动垂直起降飞行器穿梭在城市上空的场景将触手可及。

电动垂直起降飞行器产业发展方向

<strong>电动垂直起降飞行器</strong><strong>产业发展方向</strong>

资料来源:观研天下数据中心整理(zppeng)

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