“飞行汽车”产品纷纷落地，eVTOL能成为下一个颠覆性机会吗？

FKUAV

在今年第十三届中国国际航空航天博览会（珠海航展）上，小鹏展出了自研的飞行汽车“旅航者X2”。这款产品续航时间为35分钟，最大飞行速度可达130公里/小时，拥有自主飞行路径规划能力。


X2的动力部分采用八组独立电池和4轴8桨布局，可实现冗余供电及垂直起降，目前已经试飞接近1万次。

自从19世纪80年代开发出了第一辆汽车，大约20年后，北卡罗来纳州的莱特兄弟发明了第一架飞机。今天，我们距离将这两个概念结合起来更近了，全球各地的科技公司都在尝试“飞行汽车”的载人试飞。


两个月前，总部位于美国加州的Joby Aviation通过SPAC上市，市值接近60亿美元。除此之外，美国Archer Aviation、英国Vertical Aerospace、德国Lilium Jet和日本Skydrive等等也专注于可实现垂直起降的电动交通工具（eVTOL）。

如果放大到整个城市空中交通市场（Urban Air Mobility），据Morgan Stanley预测2040年市场规模将达到1万亿美元，共享出行、货运、短途航空是三大主要市场。我们今天这篇研究，就来分析一下eVTOL的机会与挑战，Enjoy：

• eVTOL是什么？
  
• eVTOL市场有多大？
  
• 市值58亿美元的飞行汽车公司Joby是什么来头？
  
• 欧美如何监管？
  
• 中国市场可行吗？
  

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eVTOL是什么？

eVTOL是纯电动垂直起降飞机，它能像直升机一样着陆和起飞，像固定翼飞机一样巡航，所以不需要一个超长的机场跑道，这是eVTOL的核心优点之一，它可以直接使用直升机场或任何垂直起降场。

由硅谷初创公司Opener研发的单人飞行器BlackFly。eVTOL都非常不挑起降环境

目前市面上在研的eVTOL产品多是针对2-5名乘客，采用分布式电力推进，有多个旋翼，最多的情况下高达18个。现有项目的飞行范围多在30-300公里之间，速度在每小时112-320公里的区间。


eVTOL可以说是汽车电动化的延伸，它享有的很多优点都与电动车类似。首先由于是纯电动，与直升机相比eVTOL的噪音非常小，其中一些公司的eVTOL在100米距离时，产生的噪音水平约为60dBA，这相当于站在洗碗机旁边，或者距离直升机1公里。


噪音对于城市空中交通很重要，在美国旧金山，由于噪音影响，40个直升机停机坪中只有1个处于日常活动状态。噪音小的优点将令eVTOL尽可能地飞到社区中心，并且延长eVTOL在城市内的运行时间。


其次，像汽车电动化简化了很多传统零部件一样，eVTOL比直升机享有更低的运营成本。直升机需要一系列复杂的传动装置，才能把涡轮机的能量转化为推力，但eVTOL的电机是分布式的，多个电动机驱动轴可以直接连接到每个旋翼叶片上，根本无需传动装置。


所以操作一架eVTOL简单得多，飞行员所需的学习成本也低得多，只需要他们在恶劣天气和特殊情况下能够控制。

Archer eVTOL

Eve eVTOL

这也直接增加了安全性。因为现今直升机事故的第一大原因是发动机故障。但eVTOL有多个旋翼，每个旋翼都有各自的小电机，而不是一个大的电机。这种分布式动力的结构，只要每个电机能够产生足够的推力来补偿自身重量，就可以增加电机和电池模组总数，以实现更多的冗余。


这种冗余级别将允许eVTOL在发生故障时，仍然保证安全降落。所以eVTOL其实会比今天的直升机安全得多。


当下限制eVTOL最核心的技术因素就是动力电池。对于飞行器来说，电池一直不是常规的动力选择，因为汽油的能量密度比锂离子电池高出了两个数量级。由于eVTOL是垂直起降，流体力学中的伯努利原理并不适用，将相同质量的汽车垂直抬离地面，所需要的能量远高于在地面行驶的汽车。

因此，今天的eVTOL还处于早期阶段，有效载荷小，也还只能短距离行驶，但也能满足少量乘客的城市飞行或是包裹递送。随着电动车的大规模普及，电池化学、固态电池技术、软件的进步正在以非线性的方式推动电池的发展，电机驱动的尺寸、重量和分布式推进优势，将在很大程度上弥补电池对燃油的固有劣势。


从能源角度来看，eVTOL无疑是便宜的。中型直升机通常每小时消耗50加仑燃油，相当于200美元/小时的燃料成本。eVTOL的电费为每英里0.082美分，考虑到速度差异，总燃料成本是4美元/小时。毫无疑问，eVTOL是交通绿色革命的一部分。


从技术角度来说，eVTOL其实是汽车电动化的延伸，如果你看好电动车，那么eVTOL将是一个具有远期潜力的领域。

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eVTOL市场有多大？

它要替代Uber还是直升机？

连接城市中心与机场，以避免地面交通压力的垂直起降飞机，并非是一个理论概念。纽约航空公司（New York Airways）运营直升机连接华尔街、曼哈顿中城和周边机场已有30年之久。


从纽约拉瓜迪亚机场（LGA）到华尔街只需要5分钟，从曼哈顿中城飞往肯尼迪机场（JFK）只需要10分钟，而如果坐车可能要70分钟。


对于eVTOL来说，可行的市场是成为全世界2.3万架商业直升机的替代品。这些直升机又贵又吵，eVTOL可以让噪音大幅降低，且运营成本便宜三倍。


但是，商业直升机市场只有500亿美元，但像Morgan Stanley、德勤等分析师们，预测2040年的eVTOL市场规模为1万亿美元，这样的前景难免令人目眩神迷。


我们来看看这1万亿美元（2040e）是如何预测出来的？


eVTOL核心分为三大市场：共享出行、货运、短途航空。

在共享出行领域，核心逻辑在于替代少部分打车市场，与传统商业直升机通勤市场，最终变成一种经济高效、省时的中短途旅行方向。例如大城市交通拥堵的路线，或是核心区域之间的通勤，在20-250公里的距离中替代汽车。


试想一下，在高峰期打车30公里回家或去机场，以50km/h的平均速度、7元/公里的价格，需要36分钟和200元，如果有eVTOL公司可以提供服务，以160km/h的平均速度、12元/公里的价格，那么只需要11分钟、支付360元，就可以迅速完成出行。


由于eVTOL无需跑道（垂直起降）和低噪音的优势，这些航班在监管允许的情况下，可以变得更多，垂直起降平台也可以建设的比直升机更密，从而提高渗透率。

Morgan Stanley预测，在2040年这部分的市场规模在1280亿美元，这个数字基于eVTOL 650亿英里的总行驶里程，对应美国汽车行驶里程的1.5%。如果eVTOL发展超预期，对超预期的假设在3440亿美元，如果发展不及预期，则仅对应440亿美元。


在货运领域，eVTOL将更早发力，替代一部分传统短途航空货运和中短途卡车货运。大多数无人机的载重是10磅左右，例如亚马逊正在计划用55英里/小时飞行速度、自重在55磅的无人机，运送5磅以下的包裹。货运的eVTOL多数会用到无人飞行，在这方面，Sikorsky（西科斯基飞行器公司）已开始测试，CH35K等军用直升机的最大载重为15.9吨，最多可搭载37名士兵。


Morgan Stanley预测，在2035年eVTOL的平均有效载重会超过50磅，2040年达到150英里/小时的平均飞行速度，在这两个假设下，预测2040年货运方面的市场规模将达到1440亿美元，主要覆盖核心城市中央仓到郊区配送站点（前置仓）的交付市场，替代了一部分传统航空货运和中短途卡车货运。以及无人机的强项——偏远地区的配送市场。


在短途航空方面，新的eVTOL运营公司将替代一些短途航班，但替代量会非常有限。由于短途飞行在今日航空旅行总量中占比很小，并且受限于电池技术，eVTOL在这一领域的市场仅预测了50亿美元（2040e）。


也即2040年，在小于200英里航程市场中，eVTOL达到15%的渗透率，在200-500英里航程中占比5%。如果eVTOL想扩大这方面的市场，除非有固态电池等革命性技术出现，把eVTOL的飞行范围扩展到500-1000英里。


最终，根据美国的预测模型，同时按照GDP、共享汽车普及率、电动车普及率、自动驾驶普及率等指标，来调整对欧洲、中国和世界其它地区的预测，Morgan Stanley计算出1万亿美元的市场总容量（2040e）。

对eVTOL发展的核心驱动因素有：

• 技术（无人飞行、5G、电池）
  
• 监管、消费者接受度
  
• 资本投入
  
• 既有的城市拥堵情况
  
• 国家安全
  

总之，电池、无人飞行系统和先进制造工艺等许多技术的交汇，都在促进eVTOL取得革命性的进展。

在全球，风险投资正在押注eVTOL。2020年的13笔投资筹集了超过11亿美元，但头部效应十分明显，其中Joby和Lilium占据总交易量的85%。

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市值58亿美元的飞行汽车公司Joby是什么来头？

在今年8月，总部位于美国加州的Joby Aviation通过SPAC上市，市值接近60亿美元。


Joby是一家还未有收入的公司，但是该领域第一家收到FAA（美国联邦航空管理局）G-1文件的公司，这令Joby成为该领域的先行者，并能够抢在竞争对手之前努力取得适航认证。


FAA认证是一条漫长而艰巨的道路，而eVTOL最大的影响因素就是监管，我们会在下一节详细讨论监管问题。


在商业模式上，Joby目前采取了垂直整合模式，即同时设计、制造飞机，又运营飞机，这种模式在航空领域十分罕见。通常公司要么是制造商，要么是运营商。美国最后一家采取垂直整合的是联合飞机运输公司，后来在1934年被政府拆分为3个独立实体：波音公司、普拉特·惠特尼集团公司和联合航空公司。


Joby在2009年开始研究各项技术，并在2015年试飞了第一家小型原型机，并于2017年试飞了全尺寸原型机。这架全电动飞机旨在搭乘4名乘客，以最大200英里/小时的巡航速度，最远可行驶150英里。


为实现垂直起降，这架飞机配备了6个旋翼，总重约1750kg，比特斯拉Model 3轻。

Joby eVTOL

Joby采取了分布式电力推进系统，整个飞机上有多部电机和旋翼。如果其中一个旋翼出了问题，仍可以安全飞行。每个电机都由两个独立的逆变器供电，每个逆变器连接到一个单独的电池组，飞机上还搭载了四个冗余电池组，这些措施都令eVTOL比直升机更安全。


飞机尾翼还设计成了在巡航速度下，以一半的速度旋转，显著降低了巡航状态下的噪音。全电动系统大大降低了噪音，并且实现了零碳排放。


电机所要求的设计更为简单，更少的传动部件降低了飞机的维护成本，电机也不需要预热，从而缩短了飞机的周转时间。

Joby eVTOL

迄今为止，Joby已经完成了1000多次试飞。2021年7月，Joby在一次充电中完成了创纪录的155英里飞行。这架飞机在连续1小时17分钟的飞行中，在预定路线上进行了11次循环。


目前Joby计划在2023年取得FAA认证，并在2024年开始商业运营。Joby计划在正式运营后每年拓展一个城市，直到2026年达到3个城市。Joby还预计到2026年每天飞行7小时，平均行程长度为24英里。


Joby计划在初期建立一个5个空港组成的网络，每天提供3400人次的飞行。同时还可以利用现有的直升机停机坪，或者是在楼宇顶层兴建起降平台。Joby在2021年与美国最大的停车场运营商REEF达成合作关系，为在停车场顶层建立新的起降平台。


在生产方面，Joby计划在2021年试生产30架飞机，可能定价在130万美元/架，电池成本预计占飞机总造价的10%。但这一价格可能仍然过高，有业内人士认为每架60万美元才会有竞争力。


从买家角度考虑，Joby认为当用于城市交通业务时，他们的eVTOL投资回报在1.3年左右，基于目前130万美元的飞机售价，和每个座位每英里3美元的售价，平均载客率为2.3人，每周7天每天有40航次，单程平均6分钟。

Joby还在2021年1月收购了Uber Elevate。Uber Elevate是Uber内部孵化的一项业务，致力于开发空中拼车市场，专注于多模式空中拼车、互联空域管理、城市交通和模拟，以及可认证的航空级电池技术。


由于Joby与Uber的特殊关系，一旦Joby推出商业化产品，Uber即可将这些服务接入，丰富了Uber出行产品的同时，也极大扩展了Joby的客户覆盖范围，降低Joby飞机的单位运营成本。


此外，Joby在2020年12月获得了美国空军eVTOL飞机的适航批准，根据Agility Prime计划，可在一些美国空军基地中运营，这种关系令Joby在真正商业化之前，可以更彻底地了解飞机的性能。Agility Prime计划旨在促进创新技术的商业化。


除了美国空军外，Joby还与NASA（美国航空航天局）合作。NASA的目标是收集飞机的性能和声学等基础数据，用于未来空域环境的建模和仿真，特别是涉及飞机如何与控制器通讯，这将有助于建立全新的空域管理系统。


除了Joby外，这一市场中还有不少玩家，例如Lilium、Archer等等。不同公司有不同的策略，比如载客数量从4人到6人不等，以及使用更多或更少的旋翼，从5-36个都有。但相比之下，Joby是在试飞和取得FAA认证中走得最远的一家。

4

欧美如何监管？

通过Joby可以看出，能否取得、多快取得FAA认证，是其发展的核心影响因素，那么欧美国家到底如何监管eVTOL这种新生事物？


为了能够大量飞行，eVTOL需要获得全球航空监管机构的认证，例如美国FAA和欧洲EASA。


FAA 规则因空域分类而异，除非设立新的针对性法规，目前监管eVTOL的是FAA第23部分。根据现有的FAA第23部分认证的特殊条件，Joby的飞机可以在允许直升机和通用航空飞机飞行的美国空域飞行。

但是，仅仅因为实验性飞机可以安全飞行，并不意味着该飞机可以商用。制造商有责任向FAA证明他们的飞机足够安全。所以制造商必须证明飞机的正常运行性能是什么，并且符合行业标准，同时还必须证明飞机系统中的单个故障，不会影响飞机的安全飞行和着陆。


拿FAA来说，要想获得全面批准，需要采取几个步骤，核心是提供与商用飞机类似的安全水平：

• 飞机如何工作
  
• 性能审定（哪些要求适用于飞机）
  
• 合规方式
  
• 合规论证和报告
  
• 合规性验证
  

这一系列认证漫长而艰巨，但每一条高标准都是源自曾经血淋淋的历史惨案。认证包括了测试飞机的运行性能，如飞机的飞行性能（起飞、爬升、着陆等）、飞行特性（可控性、配平、稳定性、失速特性、振动、抖振、高速特性、结冰条件等）、结构特性（结构载荷、气动弹性等）……


对于飞机机体性能，有很多规定细则，比如飞机的挡风玻璃和前方支撑结构必须能够承受2磅重的鸟类撞击（针对最多承载10-19名乘客的4级飞机）；旋翼要能抵抗2.2磅重的物体冲击，以及测试这些关键组件的性能……


FAA第23部分认证要求的安全参数，使发生事故的概率在千万分之一。


Joby是在认证方面走得最前的一家eVTOL公司。2015年joby就开始与FAA就认证进行初步讨论，并于2018年正式开始FAA认证流程。Joby在2020年与FAA达成认证基础，当时正式发布了G-1问题文件认证基础。


G-1问题文件指定了适用的适航性和环境法规。这包括噪音、燃油排放和废气排放以及飞机需要满足的等效安全水平 (ELOS) 调查结果和特殊条件以进行认证。拿到G-1认证基础意味着Joby的飞机符合现有第23部分对正常类别飞机的要求，Joby是第一家达到FAA G-1认证基础的eVTOL公司


认证的下一步是通过G-2合规性确定（确定要进行的正确测试和分析），并证明符合 FAA进行这些测试的条件。Joby计划在2023年开始合规性验证，并最终获得FAA认证。虽然该公司迄今已进行了1000多次飞行测试，但仍然要到2023年才能对实际飞机进行正式的FAA测试。

对于欧洲来说，欧盟航空安全局（EASA）的要求更为严格。EASA并未在现有法规框架中监管eVTOL，而是在2020年5月发布了针对eVTOL认证的拟议合规方法（MOC），目标是安全引入混合动力和全电动VTOL飞机，重建了监管框架。


MOC力求解决诸如储能、高强度辐射场（HIRF）保护、雷击、结构设计、载荷条件、操纵性能、碰撞安全、电传控制系统设计等等监管问题。


EASA要求的是十亿分之一的事故率，比FAA更低。从历史上看，欧洲就对旋翼和单引擎活塞飞机，在城市环境中的飞行更为严格。由于eVTOL针对城市交通，所以监管十分严格也就不足为奇了。


另一方面，城市空中交通会是一个更加远期的愿景。除了对飞行器的认证外，eVTOL的兴起会导致空中交通量的增加，天空变得拥挤。


eVTOL“空中出租车”和货物运输，需要先进的检测和防撞系统、推进和感知系统。这些飞行器需要雷达、光学和地理定位传感器，以及人工智能等先进技术，才能实现城市空中交通。


当航空器数量激增，必须更加有效地管理空中交通，无人机系统交通管理（UTM）需要与现有的空中交通管理系统协同工作。这就需要可靠的通信、一致的导航，以及可访问、可信赖的监控系统。


这些要素涉及多个方面，需要eVTOL运营商、通信系统服务提供商、数据服务提供商和监管机构共同协作，生成全新的空中交通系统。

参考自动驾驶，自动飞行（autonomous flying）的分级标准

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中国市场可行吗？

与美国相比，中国的通用航空市场还发展比较初期，而通用航空的既有基础是eVTOL在起步阶段的重要助力。


这种助力体现在空域开放程度、针对数量众多航空器的监管体系、既有直升机机场的复用、人们对各种航空形式的接纳度等等。


美国通用航空机群（私人飞机、直升机等等）占全美注册航空器的90%以上，累计飞行小时占总飞行小时的80%左右，通航产业链产值超过美国GDP的1%，可与铁路抗衡。


20世纪30年代，美国超过85%的空域就已被划归为民用。1960年美国机载应答器开始投入使用，空域管理的范围也从最初的个别机场，扩展到航线和整个地区区域，逐步形成了ABCDEG分层管理的空管结构，通用航空飞行器可以在除特定管理的ABCD之外的E和G空域自由飞行，例如B类属于靠近机场的区域和密集城市中心。

纽约上空的空域管理；FAA

美国通航主要采用目视飞行和仪表飞行规则。飞行员可以选择目视飞行，不与空管联系与协调, 完全依靠自主巡视避让的方法，确保与其它飞机之间的安全。或者可以选择仪表飞行，向空管要求雷达跟踪服务，每个仪表飞行需要一个飞行计划，在交通不过于拥挤时从提交计划到放行起飞，只需要几分钟的时间。

为了整体安全考量，中国空域的开放情况还是比较复杂和多层次的，开放空间主要限定在高度1000米以下，整片通航飞行区域较少。在低空空域开放政策方面，中国也在逐渐尝试。2010年11月，国务院、中央军委相继发布了《关于深化我国低空空域管理改革的意见》，确定了我国通用航空分三阶段开展的目标。2017年，四川成为全国第一个开展低空空域协同管理改革的省份，随后湖南、江西、安徽三省也获批成为全域低空飞行试点的省份。

除了监管部门的批准外，eVTOL还需要基础设施，例如垂直起降机场和充电站。现有的直升机停机坪可以复用，在这一点上由于我国通航产业起步晚，所以在初期可供eVTOL直接复用的直升机场也非常少。


当然，如果eVTOL要达到理想的那种无处不在，实现颇具未来感的出行方式，那肯定需要超越现有的直升机产业。其中一些公司已在尝试新办法，例如Joby在2021年与美国最大的停车场运营商REEF达成合作关系，为在停车场顶层建立新的起降平台。


此外，由于是全电力，还需要建立充电站，以及维修、服务设施。嗅觉灵敏的公司，已经盯上了空中基础设施扩建，现代汽车在年初就声称将在未来五年，向全球推出200个eVTOL站点；巴西航空工业也在布局研究eVTOL充电桩。


不过，虽然我国通用航空产业发展比较初期，但与电动车的逻辑一样，电动车的逻辑是我国汽车工业比较薄弱，发动机等技术沉淀比较短，但电动车完全走了不一样的技术路径，三电系统制造简单，同时我国又在动力电池方面占据了有利位置。


针对eVTOL，我国民用直升机工业也比较薄弱，但eVTOL完全走了另一条技术路径，不再需要发动机和复杂的传动装置，并且构建了一个更加波澜壮阔的新型空中出行方式，这也是通用航空领域潜在弯道超车的机遇。

对未来空中交通的设想

综合来说，eVTOL提供了一种颇具未来感的空中出行方式，它垂直起降无需跑道，且噪音很小，可以令eVTOL尽可能的渗透到城市中心。


分布式电力推进和冗余的电池组还让eVTOL变得很安全。随着动力电池技术的提升，eVTOL可以飞得更远，在20-250公里的距离内代替汽车，让“空中出租车”可行，大大缩短交通拥堵时的通勤时间。


由于是全电力，并且无需直升机复杂的发动机和传动装置，也令eVTOL非常具有价格竞争力，其空中拼车服务可以在每英里2-3美元的价格区间。


与汽车电动化的逻辑一样，电力不仅仅作为动力，还可以供应给软件，让设备变得智能。在科幻电影中出现的，那种错综复杂但井然有序的空中交通网络，eVTOL是实现它的潜在基础。


当然，eVTOL的发展肯定是远期的。目前还没有一家公司拿到全面的适航认证，都处于试飞中。监管不想扼杀新事物，但也非常谨慎，漫长且艰巨的认证过程，可能要持续到2024-2026年。


真正能在都市核心区飞行之前，货运或是在景区旅游中替代直升机，可能是eVTOL最可行的选择。

一个垂直机场的七座Lilium飞机设想图

1940年，汽车制造商亨利·福特说：“记住我的话：飞机和汽车的组合即将到来。” 当然，福特后来被大家取笑了。但在几十年后的今天，高效电池、人工智能和先进制造工艺的突破，正在令这一设想成为现实。


References：
1、Morgan Stanley：eVTOL/Urban Air Mobility TAM Update: A Slow Take-Off，But Sky's the Limit
2、Morgan Stanley：Joby Aviation Inc Skys the Limit, But Under FAA Oversigh
3、J.P.Morgan：Urban Air Mobility/eVTOL 101：A Nascent Market with Big Potential
4、Deutsche Bank：Flight Deck eVTOL rising
5、WSJ：Air Taxis Could Be Coming, but Not in the Way You Might Think
6、WSJ：As Electric Air Taxis Land on Stock Markets, Investors Need a Flight Guide
7、NYT：Where’s Your Flying Car? Still Years From Reality