2024 年 3 月 27 日，工业和信息化部、科学技术部、财政部、中国民用航空局印发了《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030 年）》，从该方案可以看出，航空飞行器的新能源化为未来的主要技术方向，重点任务要以电动化为主攻方向，兼顾混合动力、氢动力、可持续燃料动力等技术路线，加快航空电推进技术突破和升级，开展高效储能、能量控制与管理、减排降噪等关键技术攻关。政策技术双驱动，带动低空经济加速落地。
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eVTOL为分布式电推进技术
电推进系统具备更高效率。传统飞行器采用燃油推进系统是通过发动机将燃料的化学能转化为动能；而电推进系统则是通过电能直接驱动电机产生动能。目前涡轮风扇发动机对燃料的利用效率仅约 40%，而电推进系统对电能的利用率能够超过 70%，同时电推进系统具备噪音低，排放环保等优势。随着电机、电控、电池等技术的迅速发展，飞行器电推进技术已经具备技术基础。
分布式电推进设计更加灵活。所谓分布式电推进系统是指利用电机具有相对尺度近似无关的特性（即一个大功率电机系统分解为总功率相同的数个小功率电机系统后，整个系统的功率密度和效率基本不变）采用多个相对较小功率电动机驱动较小直径风扇的方式取代超大直径风扇推进飞行器的设计，优势是系统的能量控制更为灵活、容错性能更好，能够有效提高动力装置性能，改善燃油消耗率。同时由于电推进的尺寸无关特性，推进系统可根据飞机的用途灵活安置，设计空间变得更为自由。
eVTOL 为分布式电推进技术的典型代表。乔比（Joby）航空公司推出的 2 座 S2飞机采用 16 组分布式推进，其中 12 组用于垂直起降、4 组用于巡航。乔比 5 座 S4飞机拥有 6 个可倾转旋翼，飞机最高速度可达 322km/h，而电能消耗只有汽车的 1/5，飞行里程可达 240km，巡航时分布式螺旋桨可折叠，减少了气动阻力，而降落后甚至可利用风能充电。
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动力及能源为 eVTOL 主要技术迭代方向
2.1 eVTOL 产业化进程加速
随着电机电控技术、电池技术及航空复合材料等技术的进步，电动垂直起降飞行器（electric VerticalTake-Off and Landing，eVTOL）产业化进程加速。其优点在于采用电驱动技术，推力布置更加灵活，并且可以垂直起降，对于场地要求不高，故其可以主要用于城市短距离空中旅客与货物运输，可有效缓解交通堵塞，减少交通时间，降低大气污染。
截至 2022 年年底，美国垂直飞行协会（VFS）宣布所收录的电动垂直起降（eVTOL）飞行器设计概念已超过 750 个，大量初创企业竞跑冲刺适航认证，预计 2024—2025年可完成适航认证进而实现商业运营。
2023 年 12 月 28 日，全球领先的城市空中交通（UAM）科技企业亿航智能首批完成适航认证的 EH216-S 无人驾驶载人航空器分别在广州、合肥两座城市完成了商业首飞演示，标志着 EH216-S 在当地景区将开展常态化空中商业飞行。
目前全球新兴的 eVTOL 研制与开发种类繁多、形态各异，技术仍处于高速迭代阶段。就目前来说，动力及能源形式仍是 eVTOL 主要技术迭代方向。
2.2 eVTOL 动力存在多种构型设计
eVTOL 可以根据有无机翼分为两大类：无机翼以多旋翼为主，采用分布式推进系统，推进装置仅提供垂直方向的升力，前向推力通过横向（俯仰）轴上的总推力差实现；有机翼的 eVTOL 根据推力提供方式又可分为旋转推力、独立推力和复合推力等。
基于推进动力考量 eVTOL 可分为三大类：矢量推进型、升力与巡航复合型以及多旋翼型，其中矢量推力可以再细分为倾转旋翼、倾转机翼、倾转涵道等类型。
根据全球现有的 eVTOL，可以将其分为多旋翼构型、复合翼构型、倾转构型、倾转涵道风扇+完全矢量控制、隐藏式推进系统+无翼设计等 5 大技术路线。
2.3 各有优劣，多技术路线并进
多技术路线并进。目前而言，各国推出的 eVTOL 存在多种技术路线，不同技术路线的 eVTOL 都具各自的特点、优势劣势：
1） 多旋翼型 eVTOL 可靠性高于直升机，是大多数初创公司的选择，但有效载荷和航程都相对有限，所面对的应用场景也相对固定，在噪声控制、地面损伤控制等方面存在劣势。
2） 复合翼型受传统航空企业的偏爱，由于配置了专用的水平推进螺旋桨，而不是垂直阶段和水平阶段共用一套螺旋桨，可以有效地提升巡航效率、航程和安全性。
3） 倾转构型 eVTOL 结构相对复杂，因此技术难度也更大，但在航程、巡航速度和载重比方面优势明显，具有较好的有效载荷、最大起飞重量和运营经济性，使其在未来商业场景中为用户节约更多出行时间。
4） 倾转涵道风扇+完全矢量控制型，在动力可靠性、噪声控制、气动效率上有可能获得更优的平衡，涵道风扇在悬停模式下效率稍高，但在巡航模式下会产生更多阻力。
各有优劣，百花齐放。目前，各个技术路线各有优劣，各个公司产品呈现百花齐放态势。长远来看，多技术路线融合或为可能，或根据使用场景不同及成本要求不同选择适合的技术及产品。
2.4 eVTOL 核心优势是经济性，航程有待突破
eVTOL 核心优势是经济性，将同是两座的 eVTOL Joby S2、燃油直升机罗宾逊 R22和燃油固定翼飞机 Van’s RV-7 进行对比分析发现，eVTOL 的核心优势在于经济性，能耗成本和运维成本均远低于其他两种飞行器，且 eVTOL 的飞行速度、航程方面相比于燃油直升机均具有较大的优势。
eVTOL 具备很好的商业化经济性。为了进一步计算商业场景的经济性，我们对其经济回收期进行了进一步计算分析。假设 1 台购置成本 20 万美金左右的两座位 eVTOL，一年可运用天数占 200 天，每天可运营 8 小时。再以每人每英里票价和运营效率进行敏感性分析，得到在 1 美元/人/英里和 70%的运营效率下，1.2 年可回收购机成本，具备极好的商业化应用经济性，未来潜力大。
航程是当前瓶颈。但与固定翼飞机相比，eVTOL 受制于电池能量密度，航程和商载劣势明显。故为了突破航程的限制，能源动力为下一代 eVTOL 的主要技术改进方向。
2.5 能源动力或为主要技术变革方向
新能源化是交通运输业的重大创新方向。电力推进技术一直是交通运输业发展的重要方向，主要原因是由于电推进系统与内燃机推进系统相比，电网的能源成本只有航空燃料成本的 30％，而且电推进系统的效率是内燃机的 2-4 倍。汽车行业正在高速进行新能源转型。对于航空领域来说，新能源推进技术具备节能减排降噪等多重优点，是未来的主要方向。
动力能源维度，eVTOL 可分为全电动、混合动力两大类，全电动类别包括锂电池、氢燃料电池、太阳能电池三种，混合动力类别包括串联式混动、并联式混动和混联式混动，混合电推进系统是以航空燃气涡轮发动机和电池共同提供能源的推进系统。
发动机常规推力系统，主要靠燃油燃烧来产生飞机的动力，推动螺旋桨或者涡轮风扇，使飞机产生前进的动力。目前这种方式的优点：（1）飞机发动机技术成熟；（2）相对混合动力推进构型简单。缺点：（1）飞机污染排放高，效率低；（2）飞机噪声非常大。
纯电推进系统，电池是飞机的主能量来源，电机仅由电池供电；风扇的推进功率仅由电动机提供。通过电动机将电能转换成机械能并带动风扇旋转。电力推进飞机的优点：（1）飞机的空间设计可以高度灵活，效率高；（2）飞机噪声、热辐射和其他发射大大降低。缺点是电池的续航能力仍然很低。
串联混合动力推进系统，燃油发动机驱动发电机产生电力，电力（和电池）给电动机供电并给电池充电；风扇的推进功率仅由电动机提供。通过电动机将电能转换成机械能带动风扇旋转。这种串联混合动力优点：（1）使飞机的电力和推力发电分离；（2）各种飞行模式提供可行性。缺点：（1）增加了发电机的重量；（2）复杂度比常规发动机高。
并联混合动力推进系统，电机仅由电池供电，风扇的推进功率仅由电动机和热力发动机提供。通过电动机将电能转换成机械能和燃油热力发动机共同带动风扇旋转。电动机提供峰值功率。这种并联混合动力的优点：常规发动机能够在最优功率点运行，电机提供峰值功率。缺点是复杂度比常规发动机高。
2.6 电机及电池技术有待进一步突破
电池及电机技术仍需进一步突破。虽然汽车领域的电动化技术已经非常成熟，但由于场景的不同飞行器对于电动推进技术有更高的要求，故对于电机和电池也有更高的要求。目前受制于电池技术发展水平的限制，纯电动电力推进飞行器目前仅仅限于小型飞行器上。《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030 年）》提到要加快布局新能源通用航空动力技术和装备，推动 400Wh/kg 级航空锂电池产品投入量产，实现 500Wh/kg 级航空锂电池产品应用验证；开展 400kW 以下混合推进系统研制；推进250kW 及以下航空电机及驱动系统规模化量产，以及 500kW 级产品应用验证。
电动垂直起降飞行器对锂离子电池的性能提出了更高的要求。尽管利用电动力系统的尺度无关特性可设计出效率更高的分布式电推进飞机，但与化石燃料相比，电池的低能量密度仍然是最大的劣势。当前电池单体电芯的能量密度最高水平在 300 Wh/kg 左右，电池包的能量密度约为 220Wh/kg，远低于航空燃油的比能量，勉强能满足小型全电飞行器短程飞行需要。
固态电池具有比能量高、安全性好等优点，能更好适配 eVTOL 的需求。宁德时代 2023 年 5 月研发的凝聚态锂离子电池，在实验室获得了 500Wh/kg 的单体能量密度。然而当前固态电池还存在固体电解质的导电能力低、电极界面离子传输能力低、固体电解质裂纹导致的锂枝晶短路、金属锂负极的安全性等问题。但固态电池凭借比能量高、安全性好等优点，有望在未来更好适配 eVTOL。
航空用电机涉及多个关键技术。航空用电机最大的特征是质量敏感性，高功率密度是航空电机和电控的基本要求，这方面的关键技术包括:高功率密度电机与控制器技术;结构紧凑电机技术;高可靠性电机与电控技术;电机与电控的热管理技术等。
精选报告来源：银创智库
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