从低空经济说起:新质生产力的创新该怎么做?

|产业经济 作者:腾讯研究院 2024-03-26
引言:

新质生产力是创新起主导作用,摆脱传统经济增长方式、生产力发展路径,具有高科技、高效能、高质量特征,符合新发展理念的先进生产力质态。两会政府工作报告进一步提出,大力推进现代化产业体系建设,加快发展新质生产力,积极培育新兴产业和未来产业,积极打造商业航天、低空经济等新增长引擎。低空经济是当前我国新质生产力的代表性产业,本文分析低空出行发展的“电动化、长续航、智能化”三大技术趋势,对技术、政策、基础设施、产业链和应用等方面提出创新的思考。

低空经济是当前我国新质生产力的代表性产业,其发展由无人机技术、电动垂直起降器技术、新能源电池技术、新材料技术和数字技术共同驱动,将重新定义未来出行的形态,加速人类对空中飞行的想象和向往转化为现实,并通过开发新的要素——空域资源创造新的产业生态和经济增长亮点。

由电动垂直起降飞行器(electric vertical take-off and landing,eVTOL)驱动的低空空中交通被视为推动低空经济发展的核心引擎。eVTOL采用以新能源电池为动力的分布式电推进系统(distributed electric propulsion,DEP),能有效降低飞行噪音和提升操作系统的安全性,同时实现垂直起降、无需跑道,是一种绿色智能交通工具。eVTOL现阶段最主要的是替代直升机的应用场景,广泛应用于城市和区域出行的空中载人客运以及测绘、消防救援、电力巡线、警用巡查、医疗救护等领域。行业内普遍认为eVTOL会率先在载货物流、城市服务、消防救灾场景开始运营,随着技术发展和市场成熟向载人客运的核心方向发展。

来源:腾讯研究院

当前eVTOL的展示和试飞日趋火热,2024年或开启“eVTOL元年”。2023年巴黎奥运会公布了“空中出租车”试运营计划,巴黎市政府已经开始启动“空中出租车”网络和各类基础设施的建设,这将成为全球瞩目的空中交通里程碑。国内,亿航智能在去年10月取得了全球首个无人驾驶eVTOL的型号合格证(TC)峰飞科技在今年2月开展了深圳-珠海航线的eVTOL演示飞行并且旗下载物eVTOL即将取证,这有望加速全国各地接受、发展和推广eVTOL的行动。

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技术创新
加速低空经济奔赴新时代
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腾讯发布的《2024数字科技前沿应用趋势报告》提出了低空出行的技术创新趋势。目前eVTOL在关键核心技术,特别是飞行器构型设计方面,仍处于验证比较、市场选择到大规模应用的“前夜”,但新能源技术的突破、数字技术加速和赋能已成共识,并在实践中落地。总体而言,eVTOL的发展呈现“电动化、长续航、智能化”三大趋势:

纯电推进的eVTOL成为主流,细分技术路线的优势需在场景中体现。eVTOL普遍采用分布式电推进系统作为动力装置,利用电力驱动多个推进器来提供飞行动力,能有效提升飞行器气动效率、载运能力、环保性和鲁棒性等。传统直升机使用内燃机或涡轮发动机作为动力装置,噪音大、污染严重、能效低。

来源:腾讯研究院

eVTOL在市场化的过程中形成了不同构型或技术路线。全球900多个eVTOL设计研发项目的统计数据显示,约320个项目选择矢量推进构型,约260个选择多旋翼构型,约150个选择复合翼构型,其他项目选择悬停自行车和个人飞行器、电动旋翼机设计。其中多旋翼构型实现技术路线简单,但有效载荷和航程相对有限;矢量推进构型(倾转旋翼、涵道)和复合翼构型eVTOL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,更适合在城际出行和运输这样的商业场景中应用推广。随着电池技术发展,复合翼及矢量推进构型相对于多旋翼的续航优势会越来越明显。

来源:腾讯研究院

高能量密度锂电池的技术突破,将提升eVTOL续航里程,实现中长距离城际飞行。锂电池因其高能量密度和安全性成为大多数eVTOL主机厂的首选动力来源,尤其在目标航程约200-300公里的范围内,其能源效率和成本优势明显。头部企业在接受访谈的时候,提出电池能量密度在300Wh/kg以上,eVTOL性能已经展现出比较好的商业化能力,当电池能量密度有望达到500Wh/kg,将会极大提升eVTOL续航里程,有潜力支持现有厂商的机型飞行400-500公里。总体而言,eVTOL电池的下一步研发目标是在保证航空安全的前提下,提高电池能量密度并以业界可接受的成本实现量产。

来源:腾讯研究院

氢能应用潜力大但受限于总成本高和技术成熟度低,导致氢能源飞机的商业化进程缓慢。长期来看,氢燃料电池的能量密度最高可达锂电池的数百倍,具有广阔的应用前景。短期内,由于成本、重量、储运和潜在安全风险等因素的限制,氢能电池的应用空间仍然有限。德国创业公司H2FLY近年推出了一款液态氢飞机HY4,该飞机为双体式、四座位、单发设计,主要用于技术验证和演示;空中客车等公司则计划在2035年前推出氢能飞机。

 “软件定义飞行器”和空中交通管理智能化共同加速无人驾驶愿景。得益于智能技术发展与政策支持等有利因素,eVTOL飞行器正逐步从传统的有人驾驶模式过渡到更高效的无人驾驶模式,呈现出“软件定义飞行器”的趋势。未来eVTOL在空中交通竞争中的关键既包括飞行器设计和性能,也包括以AI为核心的软件技术,同时还需要配备高效的数字化空中交通管理系统来支持大量无人驾驶eVTOL运行。在早期推广阶段,为了使eVTOL符合适航安全要求以及更容易被乘客接受,主机厂可能会为早期机型配备飞行员或安全员、延后无人驾驶eVTOL研发计划,或同时研发无人驾驶和有人驾驶eVTOL。然而,从长远来看,实现自主飞行、取消飞行员是降低运营成本、提高经济效益的必然选择,可以看到亿航、峰飞和波音公司旗下的Wisk均专注研发无人驾驶飞行器。

eVTOL在低空运行、服务公众,流量大于现有通航直升机。尽管eVTOL数量远低于城市内网约车,但其运行环境为三维,受天气等因素影响,复杂性和不确定性较高。低空数字基础设施建设将助力高效安全空中交通管理,加速低空空域开放和利用进程,例如:(1)低成本、高精度、高可靠性的通信、导航、监视系统,实时获取航空器信息,降低航空器间隔,提高空域流量和安全性;(2)基于传统气象雷达以及激光雷达等新一代传感器收集的气象数据,结合AI大模型等技术,为低空飞行带来更精准、网格化的气象服务;(3)基于云计算、边缘计算、深度学习和人工智能的管控和调度系统,为eVTOL飞行提供决策支持,如实时航路规划、起降场选择;(4)集成多种技术的空域数字化平台为空域管理部门进行空域设计、航道规划、模拟测试提供数字化工具。

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低空经济的创新之路
始于技术,超越技术
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低空经济实现可持续发展,必须在技术、政策、基础设施、产业链和场景等方面进行全方位创新。同时,还要利用我国超大规模市场和完整产业链供应链来巩固创新形成的优势。

技术创新是行业长久发展的核心命题。目前低空经济所依赖的技术底座,虽然已取得较大进展和突破,但是距离成熟到大规模商业应用还有很长的路。目前来看,不同技术路线的eVTOL整机的还在继续研发中,行业并没有收敛到单一的技术路线,基于飞行器构型的创新还在涌现。此外,适航进展较快的eVTOL虽然体现了一定程度的技术先进性,但主要是针对特定场景(如旅游观光、消防物流),因此eVTOL技术的场景适配性是未来商业成功更重要的决定因素。另一方面,空中交通管理系统仍有较大的智能化升级空间。未来实现绿色智能的空中交通需要从管理的角度进行创新规划,也依赖底层数字科技的支持。例如,将路径规划和飞行器能源管理与优化相结合的算法和软件平台随着电动化的空中交通推广而变得日益重要。

政策创新是行业行稳致远的关键驱动力。目前对于eVTOL的适航审定其实并无现成的规则和全球统一的标准,我国、欧盟、美国的民航监管机构目前主要采用专用条件(Special Condition)的形式来对飞行器进行适航审定。但由于各国对于这个新生事物的认知不完全一致,对产业发展的支持和期待也有差异,因此未来要在全球范围内形成互通和共荣的产业生态需要各主要监管机构通过政策制度上的创新推进行业发展。适航双边互认这方面已经有初步的探索,例如日本民航局和美国FAA达成eVTOL认证双边协议,日本民航局为在日本办理eVTOL机型适航认证的美国申请人提供简化的审批流程。

基础设施创新是不可忽视的行业共性需求。目前大部分直升机停机坪等通航基础设施都可以利用,但并不意味着现有基础设施不需要更新换代。实现城际和城市范围的低空出行需要数量更多、分布更广的垂直起降场,而这部分新增的基建投入由现有的企业主体、政府还是通过公私合营的形式进行建设,是非常值得探讨的一个问题。其次,适应电动飞行时代的起降设施需要布局充电桩或者换电站等能源设施,行业标准最好结合当前主流的飞行器的充电模式和充电功率要求来提前研究制定。

产业链创新将为行业带来更大的价值增量。低空产业生态中,飞行器制造商(eVTOL OEMs)是目前为止最大的增量和核心的变量。飞行器的技术创新、基础设施配套以及对运营模式的考量方面,欧美以及国内的OEMs已经十分领先。但是覆盖低空经济全产业链各环节的创新性产品和服务可以说还没完全成型。且目前行业参与者主要是原来无人机、通航的零部件供应商和系统供应商,以及传统航空航天的一级供应商、基础设施提供商和通航运营商,产业创新的价值也还没完全释放。低空空中交通要成为一个全球性、有份量、可持续增长的行业,需要各类玩家和对这个方向感兴趣的机构进入。

场景创新有利于行业尽早形成比较优势。反之,应用场景受到限制将会进一步影响产业的爆发性增长。从目前行业咨询机构Alton统计的eVTOL全球订单流向来看,订单主要流向传统的民航航司和通航运营商,其核心应用场景是传统民航客运基础上延伸的“最初/最后1公里”服务以及直升机提供的空中接驳服务。而未来eVTOL的应用会拓展到更广泛的场景,譬如作为对高铁、轮船的补充/替代来实现高效的城际交通,这是由它的核心优势决定:城际和区域出行的单位经济效益高、为客户节省的时间多、所需的飞行频率和机队密度较城市内飞行低、对城市社区的噪音影响小,便于公众接受和使用。低空经济所涉及的eVTOL行业属于高风险高科技的先进制造业,企业投资成本高、回报周期长,而借助我国的超大规模市场优势和强有力、高效率的产业链供应链,有利于降低研发和制造成本,通过大规模生产降低成本,增加产品的竞争力,巩固技术创新带来的优势。

(本文作者:陈楚仪 腾讯研究院高级研究员)

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