军工专题之垂直起降固定翼无人机行业深度研究报告

来源:未来智库

(报告出品方/作者:东方证券,王天一、罗楠、冯函)

报告综述

伴随人工智能、半导体、传感器等快速发展,无人机系统通过技术快速迭代,不断拓展能力和应用领域。根据《无人机系统发展白皮书》预测,2019- 2029 年全球无人机系统将保持 CAGR 20%以上,10 年内产值累计超过 4000 亿美元,而带动的产业配套拓展和创新服务市场则更加庞大。

1)无人 机自问世以来,就拥有传统飞行器和大武器系统所不具备的快速迭代能力, 进化出的适用场景不断拓展,逐步从军事专用拓展到民用领域。随着无人机 产业链趋于成熟,飞控与导航技术的快速发展,无人机具备了小型化、智能 化、低成本的条件。2014 年消费级爆发式增长,形成了无人机军民两用格 局。

2)无人机的使用需要无人机系统的支持。技术方面,无人机系统正向 多样化、智能化、通用化趋势发展。军用方面,无人机系统将成为先进空中 作战力量的主战装备和体系化、智能化作战的关键组成部分。民用方面:广 泛的应用为无人机系统发展提供了产业化基础和市场化活力。

垂直起降固定翼飞行器凭借独特的构型,是近年来无人机乃至有人机领域最具活力的细分赛道之一。

2020 年垂直起降(VTOL)无人机加速军事化应用。因不受起降场地限制, 能适应航海、山地等复杂地形环境,美将垂直起降飞行器列为美军十大未来 关键装备之首。2020 年,美空军发布“敏捷至上”项目,极力推进电动垂 直起降 eVTOL 无人机军事化应用。多家新兴 eVTOL 商企参与,目前 Joby 和 Beta 两家已经进入试飞阶段。项目预计于 2023 年完成飞行器适航审定, 2025 年初具备规模化应用的水平,实现大规模采购。

2020 年垂直起降(VTOL)无人机在工业级应用领域不断拓展,同时继续 加速城市交通商业化发展。1)工业级成为全球民用无人机增长新引擎,市 场逐步由 to C 转向 to B。随着应用场景的不断拓展,预计 2020 年工业无 人机市场规模将首次超过消费级无人机,成为全球民用无人机的主要市场。根据 Frost & Sullivan 预测,2020-2024 年全球工业无人机市场 CAGR 高 达 56.43%,成为全球民用市场增长新引擎,2024 年全球民用市场规模将 达 4157.27 亿元,而垂直起降(VTOL)无人机也是发展亮点之一。2)VTOL 加速城市交通(UAM)商业化。2020 年,日韩率先从国家层面顶层设计 UAM 产业规划,明确了 UAM 发展的关键时间点。同时,eVTOL 企业受到全球 资本包括产业资本的高度重视(丰田、优步、腾讯等),纷纷加紧布局,助 力 UAM 商业化进程。

1.无人机系统:2019-2029 全球累计产值超 4000 亿美元

1.1 无人机与无人机系统

无人机是不携载操作人员、由动力驱动、可重复使用、利用空气动力承载飞行、可携带有效载荷、 在远程控制或自主规划的情况下完成指定任务的航空器。按照气动布局分类,无人机主要分为固定 翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机、垂直起降固定翼无人机。其中,垂直起降固定翼无人机兼 具固定翼和多旋翼的特点,对起降场地要求低、可空中悬停,适用于大面积、长航时作业,可携带 载荷作远距离探测,具有应用优势。

无人机逐步从军事专用拓展到民用领域,形成了军民两用格局。早期主要应用于军事领域,先后被 用于靶机、侦查、情报探测、携弹打击等。20 世纪 80 年代以来,美国、日本、中国纷纷探索无人 机在民用领域的应用。2008 至 2014 年,受益于信息化、任务载荷、卫星导航等技术的发展,无人 机在军事领域及工业领域应用日益广泛。2014 年至今,随着无人机产业链趋于成熟,飞控与导航 技术的快速发展,无人机具备了小型化、智能化、低成本的条件,消费级无人机快速发展,工业无 人机在巡检、安防监控、农林植保、测绘与地理信息等领域同时得以快速发展。

无人机的使用需要无人机系统的支持。无人机系统是指挥控制站、一架或多架无人机、机载任务载 荷、数据链以及相关保障设施共同组成的功能系统。动力系统、任务载荷设备能力、感知与自主控 制导肮系统以及起降技术是无人机系统的四大关键核心技术。无人机系统按大小、用途、性能特点 可分为大型、中型、微小型无人机系统:

1) 大型无人机系统主要应用于军事高端需求领域,是整个产业体系的“塔尖”。制空作战、高 空高速、长航时等任务功能的大型无人机系统,其开发复杂程度和技术挑战甚至超过了大部 分有人作战飞机。世界上只有美国、英国、法国、以色列、中国等少数国家具有大型无人机 系统独立发展能力,全球仅有十余家领先防务企业具备大型无人机系统研制生产能力。

2) 中型无人机系统的性能可满足大多数常规战术场景和行业应用领域,一些科技工业基础不高 的国家通过技术合作、引进生产线等方式也进入这一领域,全球约 40 个国家和地区、数百家 制造商拥有中型无人机系统研制生产能力,其中既包括传统防务及航空制造企业,也包括不 少新兴高科技企业参与。

3) 微小型无人机系统借助成熟的软硬件技术和产品配套体系,正在特种作战场景和大众及消费 领域不断开发应用,涉及技术、专业、资金门槛相对较低,从业企业数以千计,中国的大疆 创新等企业已占有较大市场份额,形成产业规模效应。

从价值量看,无人机配套系统约是无人机平台的 38.5%。无人机平台包括机体、发动机、系统成品 和任务设备;而无人机配套系统是指综合保障系统和地面通用站。根据美国空军《Aircraft Procurement, Air Force 2018》披露,截至 2017 年美国空军已经完成了 55 套“全球鹰”无人机 系统的采购工作,采购费总投入为 43.54 亿美元。其中,飞机平台 45 架,采购费为 31.43 亿美元;通用地面站 10 套,采购费为 2.18 亿美元;综合保障系统采购费为 9.93 亿美元。

1.2 无人机系统产业发展趋势

从技术发展趋势看,无人机系统正向多样化、智能化、通用化发展。

1) 多样化:随着产品谱系和应用场景不断丰富,技术进步不断推动无人机系统向高空化、远程 化、高速化、长航时方向发展,并不断创新运用范围和使用方式;

2) 智能化:自主性水平是无人机系统发展程度的重要标准,智能化将成为未来战争和社会发展 的最突出趋势之一。无人机系统与其他无人系统、有人系统实现集群、编组等方式协同,可 完成更为复杂的任务;

3) 通用化:采用通用化的无人机系统“站”和“链”等软硬件,同一个“站”能够指挥控制多 型、多架次无人机系统,并实现数据互联互通。此外,开放式系统架构和通用传感器/武器接 口,将使得不同任务载荷在不同平台间“即插即用”。

军用方面,无人机系统将成为先进空中作战力量的主战装备和体系化、智能化作战的关键组成部分。高空、高速、隐身、长航时等先进无人机系统将在未来高危险区域、高强度对抗作战环境中显 示出突出的战略突防能力和持久作战能力;有人无人协同、分布式空中作战、集群作战等将成为未 来空中作战的重要形态,高性能无人机系统将成为未来智慧化空中力量建设的重中之重。信息化、 网络化背景下装备体系对抗是未来高技术战争的主要作战样式,武器装备发展将由“以平台为中心” 向“以任务能力为中心”的体系化、网络化转变,无人机系统通过对现有作战方式和装备体系的跨 域“赋能”,有效推动信息组网和联合作战水平,充分发挥装备体系在信息化战争条件下全维、精确、敏捷的作战效能。

民用领域的广泛应用为无人机系统发展提供了产业化基础和市场化活力。无人机系统在航拍娱乐、 农林植保、安防监测、地质测绘、电力巡检、物流运输等领域已获得广泛应用,并不断探索新概念 新场景,如未来城市智能空中交通系统、无人空中物流等。在未来社会高度信息化、自动化、智能 化趋势背景下,无人机系统将会加快对社会生活各行业领域的渗透、冲击、乃至颠覆,持续拓展产 业发展空间。

根据《无人机系统发展白皮书》,2018 年全球无人机系统产业投资规模比 20 年前增长了 30 倍, 预计 2019-2029 年全球无人机系统领域年均增速将保持 20%以上,产值累计超过 4000 亿美元, 并带动万亿美元级的产业配套拓展和创新服务市场。

2.军用无人机:2020 垂直起降加速军事化运用

2.1 无人机:“全新物种”,深刻改变战争面貌

在战争运用方面,无人机能大幅提升作战费效比。无人机代替有人机作战,能大幅降低单机、作战 装备体系和实战成本,同时也能减少人这一宝贵作战资源的损失。

1) 单架无人机的采购成本远低于同功能、同级别的有人机。美军“黑鸟”战略侦察机采购成本约为 15~20 亿美元/架,而“全球鹰”战略侦察无人机只需 1 亿元美元/架,仅占有人机单价采购成本 的 1/15。改造退役有人机成无人机,也能带来巨大的成本优势。2017 年,波音公司接受军方 一份合同,将 18 架 F-16s 战斗机通过加装人工智能系统改造为 QF-16 无人机,作为有人机 的“忠诚僚机”使用。每架无人机成本仅 138 万美元,与动辄上亿美元的隐形战斗机相比, 其成本几乎可以忽略不计。

2) 无人机可使美航母编队总成本大幅下降 81%。根据《无人机与未来作战刍议》,从出动率、 燃油消耗、维修成本等多个方面综合分析,未来航母编队可采购 144 架无人机取代原来的 361 架有人机,将成本由约 900 亿美元降至 170 亿美元。采用无人机后,在每艘航母作战能力不 变的情况下,3 艘航母的总成本只相当于当前 2 艘航母的总成本。

3) 大幅降低飞行员训练成本,延长作战时间。有人机飞行员培养时间长、费用大,以美军 F-15 战斗机飞行员为例,培训时间长达 2.5 年,整个费用超 1000 万美元。相比之下,无人机操作 员的培训时间通常只需要 120 小时,训练费用要低得多。从作战时间上看,无人机仅需少量 时间保养和训练,大部分时间都可用于执行作战任务。而有人机通常只有 1/3 时间处于实战 部署状态,2/3 时间用于训练和维护保养。

除此之外,无人机是军用装备的“全新物种”:升级迭代速度快,逐步向察打一体发展;且战损比 例高,具备消耗品属性。我国军用无人机逐步从纯侦察升级至察打一体。目前军用无人机有长空一 号、长虹一号、ASN 系列、WZ-2000、BZK-005、翼龙系列、翔龙、利剑、彩虹系列以及云影等型 号。其中,翼龙系列、彩虹系列、利剑和云影等都是察打一体型无人机,均为 2000 年以后新亮相;而纯侦察无人机则主要包括翔龙和 BZK-005 侦察无人机。据统计,美国捕食者 A 自 2001 年投入 实战以来,已累计生产 550 架,到目前已损失 300 架以上,战损比高达 54.4%。反观美国 F15 系列战机,已累计生产 894 架,到目前已损失 109 架以上,战损比仅 12.2%。因此与有人机相比, 无人机属于消耗性武器。

无人机深刻改变了战争面貌,同时军用也促进无人机系统的强烈需求,引领前沿技术发展。军用无 人机系统更强调在复杂的作战场景和极端的使用环境下,满足先进的技战术性能、高可靠性、保密 安全性等要求,因此,军用无人机系统发展要求更先进更复杂的专业化科技工业体系支撑,同时不 断创新应用高性能材料、新能源动力、人工智能、电子信息等领域的前沿科技,并牵引技术发展的 新方向。

无人机集群化作战是未来空中作战的重要形态,中国电科展示无人机蜂群发射车。有人无人协同、 分布式空中作战、集群作战等被列为未来空中作战的重要形态,高性能无人机系统是未来智慧化空 中力量建设的重中之重。无人机蜂群技术具体是指无人机大规模自组网和自编队技术。中国电科作为从事国家重要军 民用大型电子信息系统的工程建设单位,在 2020 年 10 月 14 日展示了最新的无人机蜂群发射车。该系统可采取地面发射和空中发射两种方式,用于地面发射的发射车可以一次储存和发射 48 架无 人机。空中发射则是借助直升机投掷,无人机到空中后自主展开。

2.2 现状:我国军用无人机技术深厚,名扬国际市场

我国军用无人机关键部件已基本实现国产化。首先是机体材料,近些年随着我国材料行业迅速发 展,国内优质碳纤维制造商不断涌现,彩虹机体材料已可实现全国产化;第二,电子核心器件,无 人机没有大型运算和高精度图像处理,不使用高端芯片所以不受西方制裁和封锁;第三,发动机方 面,例如彩虹使用的很多发动机现都已实现国产化,并完成相关国产化试验工作,可实现国产发动 机替代方案。

目前,中国军用无人机发动机主要以航空活塞发动机为主,但是未来中国发展察打一体无人机,小 型涡扇/涡喷发动机不可或缺。相对比活塞发动机,涡扇/涡喷发动机拥有更大的推重比、更快的速 度、更高的飞行高度。2018 年 11 月,中国航发在珠海航展上展示了 AEF50E 涡扇发动机、AEP50E 涡桨发动机、AEF20E 涡喷发动机等 3 款可用于无人机的发动机,填补了我国急需的无人机动力 空白。

除了关键部件已实现国产化之外,产能方面也有大幅提升,脉动生产线可年产 200 架彩虹无人机。 不同于固定站位的传统生产线,脉动生产线是一种不间断快速流动的自动化生产线,是目前航空制 造中效率最高的总装生产线,能保障现代战机的批量生产交付。2020 年 1 月,由中国彩虹无人机 科技公司新建设的彩虹无人机脉动生产线首次亮相。该条彩虹无人机生产线总体设置了 6 个站位, 每个站位都对应着细致精准的工序内容。6 个站位之间的联系是通过一条导轨,如此脉动生产线不 仅有着传统站位的装配特征,也可以实现装备生产的快速流动性。彩虹无人机科技除了这条位于浙 江台州的脉动生产线,在河北固安同样建有多条脉动生产线,所有脉动生产线一年彩虹-4、彩虹-5 的合计产量可以保持在 200 架左右。

同时,我国军用无人机也备受国际市场青睐,市场份额仅次于美国,翼龙系列为出口主力机型。2000-2019 年,全球无人机共出口 1609 架。2000-2004 年,全球无人机出口年均仅 33 架;而 2005- 2019 年,全球无人机出口数量显著提升,年均高达 97 架。按出口国家分,2010-2019 年美国共出 口 474 架无人机,占据全球无人机 48.0%的出口市场。我国紧随其后,以 25.3%的市场份额居于 全球第二。从机型看,翼龙系列无人机为我国出口主力机型,占比高达 64%;彩虹系列无人机占 比 28%,仅次于翼龙系列。

无人机生产线跨出国门,占据中东无人机的主要市场。2017 年 3 月,沙特阿拉伯引进彩虹无人机 生产线,引进的“彩虹-4”配备了卫星通信天线,挂载的武器主要是 AR-1 激光制导近程空对地导 弹以及 FT-9 制导炸弹。在此前,“彩虹”无人机生产线已经出口到了巴基斯坦和缅甸。目前,中 国以翼龙与彩虹为代表的企业已经占据了中东无人机的主要市场。按照出口国分,2010-2019 年沙 特阿拉伯、埃及、阿拉伯联合酋长国合计购买了我国 68%的出口无人机。

2.3 未来:垂直起降(VTOL)是无人机的发展趋势之一

2.3.1 垂直起降——美军十大未来关键装备之首

因不受起降场地限制,能适应航海、山地等复杂地形环境,美国将垂直起降飞行器列为美军十大未 来关键装备之首。垂直起降固定翼无人机主要有两条技术路线。1)倾转旋翼无人机:通过旋转发 动机方向分别提供垂直起降和前飞两个阶段所需的升力和推力,代表型号有美国 V-22 鱼鹰的舰载 无人机版“鹰眼”和我国的彩虹-10 等。2)旋翼固定翼复合式:采取两套动力系统,旋翼提供垂直 升力,固定翼模式下由推进发动机提供动力,代表型号有纵横股份“CW 大鹏”系列,彩虹 CH804D 等。

电推进系统可替代复杂机械传动组件,优化倾转旋翼构型。倾转旋翼构型能够在确保良好垂直起降 性能的前提下提高平飞效率,从而兼顾垂直起降能力与巡航经济性,相较于旋翼构型能够大幅提升 航程。倾转旋翼技术的研发与应用已有数十年历史,V-22 等型号已经在特种作战等场景下获得了 广泛应用,但采用传统动力系统的倾转旋翼机,其发动机功率输出机构与旋翼之间需要极为复杂的 机械传动组件,显著增加了平台复杂性和重量,对可靠性带来了一定影响。电推进系统的应用有效 规避了上述风险,电机可直接安置于倾转翼组件处,通过线缆传输电能驱动电机,无需动力传动组 件,大幅降低了机械结构的复杂度,其维护特性能够得到保证。

相较于倾转旋翼构型,旋翼固定翼混合构型简化了结构,避免了倾转部件的影响。旋翼固定翼复合 无人机在两侧机翼中部的前后方各设置一个定距螺旋桨,提供垂直起降所需升力,机身尾部设置一 个推进螺旋桨,提供平飞巡航阶段的推力。在平飞巡航阶段,机翼位置的 4 个螺旋桨将停转并固定 在最小阻力位置,从而降低平飞阶段的阻力。混合构型在兼顾了多旋翼飞行器的垂直起降性能与固 定翼飞行器的平飞高效特性,相较于倾转旋翼构型,混合构型结构简单、无倾转部件。其次,固定 翼与旋翼结构并存实际是一种妥协,两者会互相影响,一方面结构质量大,另一方面效率受限,在 垂直起降阶段,大面积的机翼会增大起降阻力;在平飞阶段,旋翼会增大阻力。为了平衡这种影响, 可以在平飞阶段停转螺旋桨并固定位置。

2.3.2“敏捷至上”项目——2020 美军极力推进 eVTOL 军事化

美军“敏捷至上”项目推动商业电动垂直起降技术向军事领域转化。2020 年 2 月,美空军启动了 名为“敏捷至上”(Agility Prime)项目,探索航空业新兴的电动垂直起降(eVTOL)技术在特种 作战、救援搜索、短距运输等军事任务应用的可行性,推动商用技术向军事领域转化。预计于 2023 年完成飞行器适航审定,2025 年初具备规模化应用的水平,实现大规模采购。

“敏捷至上”项目将军用电动垂直起降飞行器命名为适应性保障飞行器(ORB),应满足的技术要 求主要包括以下 5 个方面:

1)机械结构较传统垂直起降飞行器简化,从而降低维护成本和周期;

2)应用自主飞行技术,提高安全性、降低人员操作需求;

3)经济性,可批量生产应用;

4)采用 分布式电推进技术实现低噪声;

5)灵活、敏捷,减少对基础设施的依赖。

相应的,飞行器应具备 的技术要素包含:

1)采用分布式推进系统;

2)采用电推进系统;

3)有人驾驶,或遥控驾驶,或 自主飞行;

4)垂直起降;

5)具备悬停能力;

6)可具备升力表面;

7)模块化设计。

相较于商用领域的电动垂直起降飞行器,“敏捷至上”提出的技术要求有一定差异性。对于上述第 一类应用场景,敏捷至上提出的技术指标要高于现有的典型商用技术指标,例如贝尔公司于 2020 年 1 月提出的 Nexus 4EX 商用飞行器方案航程为 95km,同期现代公司 S-A1 方案航程同样约 100km,这一航程能够满足典型的商用城市空运需求,但不能满足军事任务需求;第二类和第三类 飞行器在商用领域的应用场景尚未凸显,因而未得到广泛关注。此外,军事任务的环境条件与城市 存在显著差异,需要考虑结冰防护等多种环境控制问题。美空军表示,采购的飞行器型号不会是军 用定制的,而是与商用市场版本相同的型号。

“敏捷至上”项目第一阶段投资总额远远超出预算,多家新兴 eVTOL 商企参与,Joby 和 Beta 两 家已经进入试飞阶段。美空军对“敏捷至上”项目的风投集中在自主飞控、先进材料和制造工艺、声学技术、避撞系统等,敏捷至上项目已开始与参与方签署合同,美国初创公司军刀飞机公司 (Sabrewing)获得了金额 325 万美元的小型企业创新研究合同。第一阶段计划投资总额为 1000 万美元,目前的投资额已经大大超过原计划。截至目前,Joby 和 Beta 两家中标入选试飞阶段。

3.民用无人机:工业级成为新引擎,垂直起降加速城市交通商业化

3.1 2020 年,全球民用无人机市场逐步由 to C 转向 to B

民用无人机分为消费级无人机和工业无人机。1)消费级无人机主要用于航拍和娱乐,着重拍摄功 能和可操作性。2)工业无人机注重经济效益,追求巡航速度、续航时间等性能的平衡,对无人机 的专业化应用要求高。通过搭载不同的任务载荷,如热红外相机、高光谱相机、激光雷达、光电吊 舱等,实现不同专业功能,从而满足对应的行业需求。其主要应用于测绘与地理信息、巡检、安防 监控、应急等领域。

2020-2024 年消费无人机增速疲软,工业无人机成为全球民用无人机新引擎,市场逐步由 to C 转 向 to B。根据 Frost & Sullivan 预测,2020-2024 年全球民用无人机市场的 CAGR 高达 43.03%, 预计 2024 年市场规模将达 4157.27 亿元。随着应用场景的不断拓展,全球工业无人机实现快速发 展,预计2020年工业无人机市场规模将首次超过消费级无人机,成为全球民用无人机的主要市场。

2020-2024 年全球消费无人机的 CAGR 将有所下滑,从 2015-2019 年的 24.09%下降至 20.00%;而同期工业无人机将保持高增速,从 2015-2019 年的 50.62%增长至 56.43%。

中国是全球民用无人机的主要市场,中国工业无人机市场规模将在 2021 年首次超过消费级无人机。2020 年中国民用无人机市场规模为 599.05 亿元,占全球民用无人机市场的 60.30%,属于全 球领先地位。从市场结构上看,2020 年我国消费级无人机市场规模为 325.83 亿元,占比 54.39%;工业无人机市场规模 273.21 亿元,占比 45.61%。2021-2024 年,工业无人机将占据我国民用无 人机主要市场,市场占比从 55.01%快速增长至 72.65%。同期,我国工业无人机 CAGR 维持 53.27% 的高增速,成为我国民用无人机发展的新引擎。

3.2 垂直起降:新构型拓展行业全新应用场景

3.2.1 垂直起降:加速城市空中交通(UAM)商业化

兼具优秀悬停能力、长巡航速度与航程的垂直起降(VTOL)无人机蕴含巨大市场需求。现今,无 人机在悬停时间、巡航速度、航程与起降场地方面都提出了更高的要求,而多旋翼、直升机和固定 翼无人机都无法同时满足这种多方位的需求。多旋翼无人机受制于续航时间和航程短;无人直升机 则造价较贵,飞控难度也较高;而固定翼无人机则是对起降场地的要求较高,一般需要跑道。垂直 起降无人机因兼具优秀悬停能力和较长的巡航速度与航程受到市场关注。其中,复合型垂直起降无 人机(VTOL)和垂直起降固定翼无人机各有侧重:复合型 VTOL 偏重于悬停时间,垂直起降固定 翼在航程上更有优势。

eVTOL 打开新应用场景城市空中交通(UAM),资本助力新兴 eVTOL 企业加速 UAM 商业化。 根据美国国家航空航天局发布的《城市空中交通空域整合概念和考虑因素》中的定义,“城市空中 交通(UAM)”是“城市内适用于载人飞行器和无人飞行器系统的安全高效交通运作方式”。目前, 具有优秀悬停能力、长巡航速度与航程、低噪音的电动垂直起降(eVTOL)飞行器获得腾讯等资本 的追捧。另外,空中客车、波音等大公司以及 Lilium、Volocoper、Kitty Hawk 等新兴企业都正在 打造自己的电动垂直起降飞行器以用于城市空中交通。eVTOL 的商业化要经历七个阶段:设计、 公告、验证测试、全尺寸测试、载人测试、生产、商业化推广。我国亿航公司是全球为数不多实现 量产销售的 eVTOL 公司。

除新兴企业外,传统车企也加紧布局 eVTOL。近年来吉利、丰田、小鹏、现代、克莱斯勒等一众 车企纷纷并购布局,也陆续推出了自己的原型机,其中吉利汽车最早于 2020 年 6 月发布的吉利 TF-2A 即可实现 180km/h 的飞行速度以及 100 公里的最大飞行里程。在 2020 年 CES 展上,现 代、克莱斯勒等汽车巨头也纷纷展示垂直升降汽车概念产品。

3.2.2UAM 现状:我国政策不足但技术深厚,全球首发载人无人机

民用无人机产业受政策和技术驱动,我国 UAM 产业政策相对不足但技术深厚。政策方面,我国早 已确定无人机行业为国家战略。但是对于新兴的城市空中交通 UAM 产业,我国尚未在国家层面制 定 UAM 产业规划。技术方面,我国工信部对民用各领域的技术共性需求早已作出判断。经过多年 发展,在广东珠三角构建了强大的无人机产业供应链,以深圳为主形成了中国乃至全球民用无人机 产业发展的领头羊,为我国无人机相关技术打下深厚基础。

政策:日韩率先顶层设计 UAM 产业,我国略有落后

我国无人机行业已上升至国家战略,行业高增长格局早已确立。《国家战略性新兴产业发展“十二 五”规划》、《国家战略性新兴产业发展“十三五”规划》中,明确将无人机产业纳入到国家战略 性高科技产业定位和国民经济战略地位,给予长期的、稳定的支持。《“互联网+”人工智能三年 行动实施方案》是国家出台的首个关于无人机行业的重要支持政策,意味着该行业发展已上升至国 家战略,行业高增长格局已经确立。

对于城市空中交通 UAM 产业,2020 年日韩将其上升至国家层面,明确了关键时间节点。相比之 下,我国尚未顶层制定发展规划。在日本内阁第四十次“未来投资会议”上通过了日本《增长战略 跟进计划》,这个重要计划相当于日本国民经济的“十年规划”,将指导日本政府未来十年的产业政策制定和政府投资方向,为 2021 至 2030 年的日本国民经济各个领域制定了总体发展目标。其 中,首次在国家层面制定了无人机及“飞行汽车”的战略规划。无独有偶,2020 年 6 月韩国土地、 基础设施与交通部(MOLIT)发布了城市空中交通(UAM)规划方案,成为第二个在国家层面制定 UAM 产业政策规划的国家。

虽然我国 UAM 产业顶层设计不足,但也正加快推进相关立法工作。2019 年 1 月 21 日,在省部级主要领导干部坚持底线思维着力防范化解重大风险专题研讨班开班式上发表重要讲 话,要加快科技安全预警监测体系建设,围绕无人机、服务机器人、自动驾驶、人工智能等领域, 加快推进相关立法工作。1 月 23 日,民航局印发《基于运行风险的无人机适航审定的指导意见》, 明确将在 2019 年底初步建成基于运行风险的无人机适航管理体系,公布已在国内 5 家无人机企业 设立适航审定试点,重点探索货运无人机、巡线无人机、载人无人机的适航标准和审定办法。2020 年 10 月 28 日,中国民用航空局公布首批 13 个民用无人驾驶航空试验基地(试验区)名单,以加 快推进中国民用无人驾驶航空事业发展和保持国际领先地位。

技术:我国无人机技术国际领先,率先发布载人无人机

在无人机技术方面,我国早已对各民用领域作出共性技术需求判断,这为我国 UAM 产业打下坚实 技术基础。

在工信部的《民用无人机系统发展路线图》中,对于共性技术做出了详细的阐述

1) 机体:轻质化机体结构,优化气动性能设计。材料技术的发展令新型轻质材料、智能材料逐 渐应用于航空器结构设计,使结构轻质化、变体结构等具备应用前景,为提高航时性能和载 荷能力提供基础。同时,抗坠毁能力、在恶劣环境下的生存能力以及结构的开敞性和外场可维护性对于民用无人机十分重要。此外,抵抗恶劣天气条件、应对复杂应用场景和地势起降 条件的适用性和生存能力也是民用人机普遍共性需求之一。

2) 动力系统:无人机系统的核心,需要高效率、高可靠、控制简单的装置设计。由于无人机任 务载荷较重,所需航程较远,所以对功率提取有较大需求。为满足对续航能力的要求,在保 持机上设备动力供给的情况下,动力装置可以通过增加功率和减少发动机重量;或者采用低 油耗率的设计。同时,依靠关键系统的备份设计和多裕度设计可以提高动力装置的可靠性, 以保障飞行安全和任务的顺利进行。为调试方便,使用维护简单,动力装置设计及无人机的 电气、通信接口也需要尽可能的简单。

3) 控制导航:智能自主化是无人机技术的发展方向和趋势之一。面向未来信息化需求的智能无 人机系统,其智能自主化的特征体现在环境的自动感知与理解、威胁规避、自主规划与决策、 自主运动控制以及任务的自主执行等方面。其中,环境感知和理解是实现自主控制的基础, 自主行为决策与规划技术是实现自主行为能力的核心。

4) 数据传输系统:为实现人机紧密结合,需要依靠数据链技术和地面控制站建立实时高效的图 像及数据传输系统。数据链需要具有抗截获、抗干扰能力,实时传回监控目标影像,使指挥 中心能够及时监控现场;同时,数据链也要记录飞行数据,在遥控控制信号丢失时可完成自 动返航。地面控制站作为人机接口,主要实现对飞行器的控制、任务控制、载荷数据分析和 系统维护等,关乎着无人机的飞行安全。因此,我们需要稳定可靠、实时高效的数据传输机 制以满足海量数据实时通信需求,同时也要确保飞行数据具有直观性和易操作性。

降低成本、注重实用是我国民用无人机产业发展的重要特征。民用无人机产业将以“政府引导,社 会主营”为主要模式,形成以生产企业和通用航空企业为主体的多种经营方式,逐步建成国内无人机应用产业链。根据《民用无人机系统发展路线图》,产业体系协同化、消费产品个性化、行业应 用专业化、研发升级智能化、运营服务精准化是民用无人机的主要发展趋势。

在广东珠三角地区,已经形成了以深圳为主的中国乃至全球民用无人机产业发展领头羊,为我国 率先发布载人无人机打下深厚技术基础。摩根士丹利在 2018 年发布的蓝皮书中表示,由于考虑到 技术和政府法规的重大不确定性,保守地估计城市空中交通行业将到2030年才会开始发展。但是, 2016 年在美国拉斯维加斯发布的全球首款载人级全自动无人驾驶飞行器——亿航 184,为城市空中交通行业开启了新篇章。亿航全自动飞行器已经成功进行了 2000 多次载人及不载入飞行测试, 为商业运营做好了准备。同时,亿航也是全球为数不多实现量产销售的 eVTOL 公司。2019 年亿 航累计销售载人级自动驾驶飞行器(AAVautonomous UAV)61 架,相比之下,2018 年仅为 3 架。

3.2.3UAM 未来:多方位优化产品,加快商业化节奏

城市空中交通产业的供应商不仅需要制造智能飞行器的能力,还需要具备构建集中式平台支持商 业运营的能力,以及全面精通航空、通信、计算机、材料科学等跨学科的技能。目前来看,电池高 成本、机体材料轻量化、优化机体构型是 UAM 行业商业化的亟需解决的难题。

电池: 单项成本最高,对利润影响大

电池是单项成本最高的部件,以亿航 216 自动驾驶飞行器为例,500 次充电循环考虑,电池在总运 营成本中占比超过 60%。电池成本降低 1%,运营商的运营利润将增加 3%;而电池寿命延长 1%, 运营利润将增加 2%。其次,由于电池重量在自动驾驶飞行器的空机重量中占大约 1/3,电池继续 减重将大幅增加自动驾驶飞行器的航程。最后,从商业角度而言,缩短电池充电时间,将提升资产 利用率,提高运营成效。

机体材料: 轻量化、低成本之路

轻量化、低成本的机体材料是 eVTOL 实现量产必须克服的困难。其一,自动飞行器对重量非常敏 感。复合材料质量轻盈,结构坚固,是理想的航空材料,例如电动机等关键零部件采用金属制成。进一步减轻飞行器的新材料或新设计将帮助延长航程,提升总体性能。其二,复合材料技术主要是 解决结构生产和结构维护的复杂性问题,这是所有飞行器在降低成本的道路上必须要克服的困难。

2020 年 4 月,日本 TORAY 提出连续纤维增强热塑性复合材料助推 eVTOL 规模生产。扩大碳纤 维复合材料生产规模的关键因素在于三个方面:自动化的快速生产、焊接/模块化的结构和可重构、 室温储存;热塑性复合材料可以很好地解决这些问题,TORAY 认为利用热塑性复合材料制造零件 可以比热固性复合材料成本降低 30%到 50%。在生产制造的效率方面,热塑性复合材料的成型过 程仅仅发生加热变软和冷却变硬的物理变化,只需升温、加压成型、冷却即可完成制备过程,可采 用热压成型工艺,故成型周期短、生产效率高和成本低。同年 7 月,Toray 公司宣布将向 Lilium 提供高性能碳纤维复合材料,用于 eVTOL Lilium Jet 飞机。

机体构型:垂直起降固定翼是未来趋势之一

垂直起降固定翼能效更高、航程更远。电动垂直起降飞行器尽管存在诸多优点,但缺乏固定翼的固 有升力,意味着能效不高,航程有限。改进设计,结合电动垂直起降飞行器和固定翼飞行器的优势, 采用多旋翼和固定翼复合的垂直起降固定翼构型能提高无人机气动效率、航程和安全性。

垂直起降固定翼市场高速增长,或借助UAM 产业发展,细分赛道走出行业新龙头。按照机型划分, 垂直起降固定翼机型增长潜力最大。根据 Frost & Sullivan 预测,垂直起降固定翼市场份额五年增 长 3 倍,2019 年 10.11%增长至 2024 年 30.61%。垂直起降固定翼市场规模五年增长 10 倍,2019 年 12.31 亿元增长至 2024 年 124.26 亿元。同期,多旋翼市场规模仅增长 3.6 倍,2019 年 64.06 亿元增长至 2024 年 232.10 亿元,市场份额相应减少 17.65%。

风险提示

新的无人机构型,商用市场发展不达预期:垂直起降固定翼属于全新无人机构型,商用化进程刚 刚起步,市场发展可能不达预期。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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