導 讀

低空飛行器動力類型，有望形成純電為主、混動為輔格局。

旅游觀光場景續航里程要求不高，對安全性、經濟性敏感，更加適配純電動力類別eVTOL；物流末端配送場景適宜選擇噪音小、安全性高、更加靈活的純電無人機；長距離支線物流場景適宜考慮油電或氫電混動，該細分場景放量依賴所貨運產品的低成本敏感和高時效要求；城際間客運場景適配油電或氫電混動支線飛機，中短期場景放量還需時間；城市客運以純電eVTOL 為主，參考國內乘用車運營性質混動占比情況，to B 運營更需要考慮經濟性問題；To C 端，eVTOL 動力類別或將純電、混動長期共存，礎設施建設情況。混動類別滿足消費者跨城際需求，但或由于自由度過高，前期受限于基礎設施建設情況。

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低空飛行器動力類別

電池及電動分布式推進領域技術進步、以及低碳愿景，驅動飛行器動力類別從液態燃料向純電、油電、氫電混動多元化發展。羅蘭貝格統計了約 300 個新能源航空器項目（2010 年以后首飛的開發項目，不包含無人機和簡單概念項目），其中純電動、油電航空器為主要構成部分；2017 年氫電開始上量，2020-2022 年立項的新能源航空器項目約 1/3 是氫動力飛機，占所有在研新能源航空器項目 7%。

不同新能源動力方案優勢區間不同，純電項目主要集中于城市空運和通用航空，氫動力主要集中于城際飛行和大型商用飛機。新能源飛機按照用途、航程和載客（貨）量可分為城市空運飛機（以 eVTOL、通勤飛機為主）、支線客機、中型干線客機、大型干線客機和超大型干線客機。純電推動航空器受限鋰電池能量密度，適用于載客量 20 座級以下、航程 100 km 的城市空運市場。氫燃料電池飛機的能源系統復雜度與綜合成本大于鋰電池，10 座以下無顯著優勢；航程與載荷受限氫燃料電池功率密度，適用于載客量 80 座級以下、航程 1500 km 以下的支線客機或中型干線客機。

通航領域主攻純電、兼顧混動，政策態度明晰。2024 年 3 月 27 日，工信部等四部門聯合發布《通用航空裝備創新應用實施方案（2024-2030 年）》，明確以電動化為主攻方向，兼顧混合動力、氫動力、可持續燃料動力等技術路線。

低空航天器應用場景中短期維度聚焦旅游、物流場景，動力類型有望形成純電為主、混動為輔的格局。

? 旅游觀光場景續航里程要求不高，對安全性、經濟性敏感，更加適配純電動力類別 eVTOL；

? 物流末端配送場景適宜選擇噪音小、安全性高、更加靈活的純電無人機；

? 長距離支線物流場景適宜考慮油電或氫電混動，該細分場景放量依賴所貨運產品的低成本敏感和高時效要求；

? 城際間客運場景適配油電或氫電混動支線飛機，中短期場景放量還需時間；

? 城市客運以純電 eVTOL 為主，參考國內乘用車運營性質混動占比情況，to B 運營更需要考慮經濟性問題；

? To C 端，eVTOL 動力類別或將純電、混動長期共存，混動類別滿足消費者跨城際需求，但或由于自由度過高，前期受限于基礎設施建設情況。

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純電

相比燃油系統，全電推進擁有效率高、排放和噪聲低等優勢。傳統飛機通過發動機將燃料的化學能轉化為機械能產生動力，與之相對的，電推進飛機通過電動機驅動涵道式風扇、螺旋槳或其他裝置產生動力，直接將電能轉化為機械能。目前渦輪風扇發動機對燃料的利用效率約 40%，而電推進系統對電能的利用率超70%。電推進系統具備噪音低，排放環保等優勢。

? 電力推進發動機：電池是飛機的主能量來源，電機僅由電池供電；風扇的推進功率僅由電動機提供。通過電動機將電能轉換成機械能并帶動風扇旋轉。電力推進飛機的優點：（1）飛機的空間設計可以高度靈活，效率高；（2）飛機噪聲、熱輻射和其他發射大大降低。缺點是電池的續航能力低。

? 常規發動機：主要靠燃油燃燒來產生飛機的動力，推動螺旋槳或者渦輪風扇，使飛機產生前進的動力。優點：（1）飛機發動機技術成熟；（2）相對混合動力推進構型簡單。缺點：（1）飛機污染排放高，效率低；（2）飛機噪聲非常大。

分布式電推進設計更加靈活，提高飛機氣動效率，降低能量消耗，提供高安全冗余。全電推進具有尺寸獨立性優勢，催生了分布式推進，即允許小電機被平行化用于故障安全冗余，并且不犧牲效率和重量，為垂直起降飛行器提供了更自由的設計架構，提高飛行器短期動力和改善飛行器氣動特性。

國內 eVTOL 項目以純電方案為主，受限鋰離子電池能量密度，低載客量的 eVTOL是全電推進技術的最佳落地場景。

鋰離子電池能量密度受限，除了影響 eVTOL 續航里程，也對整機運營成本造成拖累。空客 Vahana eVTOL 項目（傾轉旋翼）對采購、保險、基礎設施、電池更換、能源成本、人工成本等直接運營成本進行了統計，發現在大多數航程條件下，部件更換是直接運營成本的最大組成部分，長壽命電池組是降低直接運營成本的關鍵因素。基于航程 50 km 的傾轉翼構型，當電池能量密度從 150 Wh/kg 提升至 500 Wh/kg時，最大起飛重量從 1000 kg 降至 500 kg，單位直接運營成本從 1.8 美元/km 優化至 0.85 美元/km；500 次、2000 次電池壽命對應的單位直接運營成本為 2.4/1.25 美元/km，電池性能對直接運營成本影響明顯。

液態鋰離子電池能量密度受限，固態鋰離子電池具備較高能量密度潛力。2023 年 10月工信部等四部門印發《綠色航空制造業發展綱要(2023-2035 年)》，2024 年 3 月工信部等四部門印發《通用航空裝備創新應用實施方案（2024-2030 年）》，均要求加快布局新能源通用航空動力技術和設備，推動滿足電動航空器使用需求和適航要求400 Wh/kg 級航空鋰電池產品投入量產，實現 500Wh/kg 級產品應用驗證，到 2027年我國通用航空裝備供給能力、產業創新能力顯著提升。

固態電池技術及產業化進展方面，2024 年以來，多家企業的固態電池在性能提升、量產進度等方面不斷推進，整體來看，目前國內官宣的半固體電池能量密度普遍處于 300 Wh/kg-450 Wh/kg 區間。同時，國內固態電池龍頭企業輝能科技、衛藍新能源、太藍新能源、清陶能源等紛紛表示 2024 年將開啟固態電池批量交付模式，以寧德時代為代表的傳統鋰電池龍頭企業亦在加緊推動固態電池的研發及車規級應用。

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油電混動

混電系統將發動機和電動機結合在一起，實現獨特的推進架構，兼顧長續航和垂直起降飛行要求。常見的飛行器混電系統結構為串聯式混電和并聯式混電推進結構。

? 并聯式混電傳動系統中，電機僅由電池供電，風扇的推進功率僅由電動機和熱力發動機提供。通過電動機將電能轉換成機械能和燃油熱力發動機共同帶動風扇旋轉。電動機提供峰值功率。這種并聯混合動力的優點：常規發動機能夠在最優功率點運行，電機提供峰值功率。缺點是復雜度比常規發動機高；

? 串聯式混電傳動系統中，燃油發動機驅動發電機產生電力，電力（和電池）給電動機供電并給電池充電；風扇的推進功率僅由電動機提供。通過電動機將電能轉換成機械能帶動風扇旋轉。這種串聯混合動力優點：（1）使飛機的電力和推力發電分離；（2）各種飛行模式提供可行性。缺點：（1）增加了發電機的重量；（2）復雜度比常規發動機高。

串聯式混電系統可以設計多螺旋槳／旋翼的分布式布局，更適用于固旋翼垂直起降飛行器，通過功率的分散可進一步減縮氣動噪聲總聲級，多推進器的冗余能為飛行器提供更可靠的推力保障。

垂直起降轉平飛飛行器在功率需求方面有較大跳變，垂直起降時的功率約是巡航平飛的 4 倍。飛行器飛行任務剖面一般分為起飛、巡航平飛、降落階段。垂直起降飛行器飛行工況有垂直起降、懸停、巡航等。混合電推進系統主要用于飛行器的垂直起降與巡航平飛的靈活供電。垂直起飛時，主要依靠旋翼提供推力，功率需求大、持續時間短；逐漸轉平飛后，機翼可以提供部分升力，需求功率開始減少；飛行器進入巡航平飛階段后，需求功率約為垂直起飛時 25%；巡航結束后進入下降階段，飛行器減速，需求功率更低；轉為垂直下降階段后，飛行器需求功率提升至垂直起飛水平。

混合動力系統綜合利用燃油發動機的高能量密度和儲能電池的高功率密度,在確保飛行過程中任意時刻的動力功率都滿足的前提下,提高飛行器的航時。飛行過程中,燃油發動機工作在燃油經濟性最高的區域，在飛行器需求功率較大時，電池可快速做出響應，彌補發動機輸出功率的不足，確保系統功率需求；在系統功率需求較小時，發動機輸出的盈余功率可用于電池充電，從而提升能量的利用效率，提高飛行器的航程。

采用混合電推進能源系統可以有效減少能源系統質量。《固旋翼垂直起降混電飛行器推進系統設計》基于固旋翼飛行器設計要求以及初始最大起飛重量的估計值，通過性能約束構造混電系統設計區間，先后得到固定翼模式動力系統和旋翼模式動力系統的初始設計參數，結合具體的飛行任務計算出電池和燃油重量占最大起飛質量的比例分別為 8%、2%，遠小于通常運輸機最大燃油重量占最大起飛質量的 1/3 數值。

海外 eVTOL 主機廠，采用混動路線比較多。Elroy Air 定位物流運營，在行業內進展居前，其渦輪發動機混動 eVTOL Chaparral C1 于 2023 年 11 月實現行業內首飛，公司積壓訂單超 30 億美元，并與美國軍方、梅薩航空、布里斯托公司和聯邦快遞等建立合作關系。Chaparral C1 主要產品參數，續航 483km，最大載荷 136 kg。

目前使用最多的通用航空發動機屬于燃氣渦輪發動機（渦扇主要用于公務機、渦槳和渦噴用于亞聲速固定翼飛機、渦軸用于中型以上直升機）和活塞式內燃機（低速和亞聲速固定翼飛機、小型直升機）兩大類。根據國際通用航空制造商協會統計，2023 年全球固定翼通用航空飛機中活塞式、渦槳式、噴氣式占比 55%、21%、24%。直升機中活塞式、渦輪式占比 20%、80%。

? 活塞式發動機具有油耗低、結構簡單、技術成熟、價格便宜、使用維護費用低以及壽命長等優點，目前在通航飛機中占比最高。目前 500 馬力以下的小功率活塞發動機仍在通航飛機固定翼有人機或無人機，中小型直升機上大量使用。截止“十二五”末，我國通用航空注冊飛機 4511 架，其中 90%以上采用活塞發動機，主要形式為小功率的氣冷水平對缸發動機。航空活塞發動機市場目前被幾大發動機公司所占領，大陸航空、萊康明、林巴賀和龐巴迪。

? 渦輪螺旋槳發動機具有尺寸小、重量輕、振動小、推進效率高和功率重量比大等優點，特別是隨著飛行高度的增加，其性能更為優越；與渦輪噴氣和渦輪風扇發動機相比，它又具有耗油率低和起飛推力大的優點。渦槳發動機的最大功率可超過 10000 馬力（活塞發動機不超過 4000 馬力），功重比為 4 以上（活塞發動機不超過 2），由于減少了往復運動的部件，渦槳發動機的運轉穩定性好、噪音小、工作壽命長、維修費用低。但因螺旋槳特性的限制，裝渦輪螺旋槳發動機的飛機的飛行速度一般不超過 800 km/h。在大型遠程旅客機和運輸機上，它已被高涵道比渦扇發動機所取代，但在中小型運輸機、轟炸機和通用飛機上仍有廣泛的應用。

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氫電混動

氫燃料電池和氫渦輪發動機是氫動力飛機的兩種動力方案，分別通過氫燃料電池給電動機供電產生動力，或直接在氫渦輪發動機中燃燒氫產生動力。氫燃料電池實現難度相對較低，目前已具備商用化基礎，適用于 100 座以下支線飛機。受限氫燃料電池和電動機的功率密度，100 座以上飛機更加適配氫渦輪發動機。低空飛行器主要涉及氫燃料電池動力方案。

氫燃料電池由于功率密度低，不足以單獨作為 eVTOL 動力源。氫電混動具備長續航、綠色、低噪音等優點：

? 長續航：工業級鋰電池能量密度達到 250 Wh/kg，氫燃料電池系統功率密度達到 0.75 kW/kg。氫存儲罐的能量密度遠高于儲能電池，采用最新技術的氫存儲罐能量體積密度和能量質量密度分別是 1.7 kWh/L 和 2.3 kWh/kg；

? 綠色清潔：不產生污染物，可以使用可再生能源為電池充電，或驅動水電解產生氫氣作為燃料；

? 低噪音：燃料電池系統噪聲級整體較小，噪音比發動機弱。

氫燃料電池與鋰離子電池有望充分互補。氫燃料電池能量密度高，但氫燃料電池功率密度低于儲能電池，鋰離子電池放電倍率（放電電流/額定容量）可達 3-5 C。氫燃料電池與儲能電池的混合能量存儲系統具有互補特性，既能保證飛機的峰值功率需求，又能保證飛機的續航能力。氫燃料電池在儲能電池輔助的情況下可以更多地在高效區運行，從而提高氫燃料經濟性。由于氫燃料電池在負載變化時的動態響應較慢，響應速度更快的儲能電池可以改善系統動態特性，在飛機起降時提供更大的電流。

海外氫燃料電池飛機發展以支線航空為主，零航空（ZeroAvia）和環球氫能（Universal Hydrogen）進展居前，已完成兩款氫燃料電池混合動力渦槳支線飛機首飛。ZeroAvia 公司將多尼爾 228 機翼一側的 TPE331 渦輪螺旋槳發動機更換為電動機，使用氫燃料電池和鋰電池組合供電，氫燃料采用氣態存儲。2023 年 1 月 19 日，改裝后的多尼爾 228 飛機在英國成功首飛。ZeroAvia 正在開發兩套氫燃料電池動力系統總成，分別是面向9~19 座飛機的 ZA600 動力總成，預計 2025 年投入使用，以及面向 40~80 座飛機（如 ATR-72 系列）的 ZA2000 動力總成，預計 2027 年投入使用。

2023 年 3 月 3 日，環球氫能的沖-8混合動力渦槳支線飛機成功首飛。該架飛機一側的渦槳發動機被替換成一個兆瓦級氫燃料電池動力系統。環球氫能計劃在 2025 年前使 ATR-72 成為首架投入使用的氫能支線飛機，截至試飛前，環球氫能已收到全球 16 個客戶的 247 架飛機改裝訂單。

國內氫電混動低空飛行器尚處于起步階段。億維特（上市公式商洛電子持股 14.6%）ET3 氫鋰混動電動垂直起降飛機翼展近 3 米，航程 500 公里以上，滯空時間長，速度快，可以做到在超過 3 米寬的道路上隨時起降。2024 年 4 月，大連化物所自主研發的高比能氫混動力電源適配工業級無人機試飛成功，氫混動力電源比能量達每千克 600 瓦時，燃料電池穩定輸出 2030 瓦，具有系統穩定性高、效率高、可靠性高、壽命長等特點，搭載的無人機續航時間達到 2 個小時。

精選報告來源：銀創智庫

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