导 读

低空飞行器动力类型，有望形成纯电为主、混动为辅格局。

旅游观光场景续航里程要求不高，对安全性、经济性敏感，更加适配纯电动力类别eVTOL；物流末端配送场景适宜选择噪音小、安全性高、更加灵活的纯电无人机；长距离支线物流场景适宜考虑油电或氢电混动，该细分场景放量依赖所货运产品的低成本敏感和高时效要求；城际间客运场景适配油电或氢电混动支线飞机，中短期场景放量还需时间；城市客运以纯电eVTOL 为主，参考国内乘用车运营性质混动占比情况，to B 运营更需要考虑经济性问题；To C 端，eVTOL 动力类别或将纯电、混动长期共存，础设施建设情况。混动类别满足消费者跨城际需求，但或由于自由度过高，前期受限于基础设施建设情况。

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低空飞行器动力类别

电池及电动分布式推进领域技术进步、以及低碳愿景，驱动飞行器动力类别从液态燃料向纯电、油电、氢电混动多元化发展。罗兰贝格统计了约 300 个新能源航空器项目（2010 年以后首飞的开发项目，不包含无人机和简单概念项目），其中纯电动、油电航空器为主要构成部分；2017 年氢电开始上量，2020-2022 年立项的新能源航空器项目约 1/3 是氢动力飞机，占所有在研新能源航空器项目 7%。

不同新能源动力方案优势区间不同，纯电项目主要集中于城市空运和通用航空，氢动力主要集中于城际飞行和大型商用飞机。新能源飞机按照用途、航程和载客（货）量可分为城市空运飞机（以 eVTOL、通勤飞机为主）、支线客机、中型干线客机、大型干线客机和超大型干线客机。纯电推动航空器受限锂电池能量密度，适用于载客量 20 座级以下、航程 100 km 的城市空运市场。氢燃料电池飞机的能源系统复杂度与综合成本大于锂电池，10 座以下无显著优势；航程与载荷受限氢燃料电池功率密度，适用于载客量 80 座级以下、航程 1500 km 以下的支线客机或中型干线客机。

通航领域主攻纯电、兼顾混动，政策态度明晰。2024 年 3 月 27 日，工信部等四部门联合发布《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030 年）》，明确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。

低空航天器应用场景中短期维度聚焦旅游、物流场景，动力类型有望形成纯电为主、混动为辅的格局。

• 旅游观光场景续航里程要求不高，对安全性、经济性敏感，更加适配纯电动力类别 eVTOL；

• 物流末端配送场景适宜选择噪音小、安全性高、更加灵活的纯电无人机；

• 长距离支线物流场景适宜考虑油电或氢电混动，该细分场景放量依赖所货运产品的低成本敏感和高时效要求；

• 城际间客运场景适配油电或氢电混动支线飞机，中短期场景放量还需时间；

• 城市客运以纯电 eVTOL 为主，参考国内乘用车运营性质混动占比情况，to B 运营更需要考虑经济性问题；

• To C 端，eVTOL 动力类别或将纯电、混动长期共存，混动类别满足消费者跨城际需求，但或由于自由度过高，前期受限于基础设施建设情况。

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纯电

相比燃油系统，全电推进拥有效率高、排放和噪声低等优势。传统飞机通过发动机将燃料的化学能转化为机械能产生动力，与之相对的，电推进飞机通过电动机驱动涵道式风扇、螺旋桨或其他装置产生动力，直接将电能转化为机械能。目前涡轮风扇发动机对燃料的利用效率约 40%，而电推进系统对电能的利用率超70%。电推进系统具备噪音低，排放环保等优势。

• 电力推进发动机：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低。

• 常规发动机：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。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。

分布式电推进设计更加灵活，提高飞机气动效率，降低能量消耗，提供高安全冗余。全电推进具有尺寸独立性优势，催生了分布式推进，即允许小电机被平行化用于故障安全冗余，并且不牺牲效率和重量，为垂直起降飞行器提供了更自由的设计架构，提高飞行器短期动力和改善飞行器气动特性。

国内 eVTOL 项目以纯电方案为主，受限锂离子电池能量密度，低载客量的 eVTOL是全电推进技术的最佳落地场景。

锂离子电池能量密度受限，除了影响 eVTOL 续航里程，也对整机运营成本造成拖累。空客 Vahana eVTOL 项目（倾转旋翼）对采购、保险、基础设施、电池更换、能源成本、人工成本等直接运营成本进行了统计，发现在大多数航程条件下，部件更换是直接运营成本的最大组成部分，长寿命电池组是降低直接运营成本的关键因素。基于航程 50 km 的倾转翼构型，当电池能量密度从 150 Wh/kg 提升至 500 Wh/kg时，最大起飞重量从 1000 kg 降至 500 kg，单位直接运营成本从 1.8 美元/km 优化至 0.85 美元/km；500 次、2000 次电池寿命对应的单位直接运营成本为 2.4/1.25 美元/km，电池性能对直接运营成本影响明显。

液态锂离子电池能量密度受限，固态锂离子电池具备较高能量密度潜力。2023 年 10月工信部等四部门印发《绿色航空制造业发展纲要(2023-2035 年)》，2024 年 3 月工信部等四部门印发《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030 年）》，均要求加快布局新能源通用航空动力技术和设备，推动满足电动航空器使用需求和适航要求400 Wh/kg 级航空锂电池产品投入量产，实现 500Wh/kg 级产品应用验证，到 2027年我国通用航空装备供给能力、产业创新能力显著提升。

固态电池技术及产业化进展方面，2024 年以来，多家企业的固态电池在性能提升、量产进度等方面不断推进，整体来看，目前国内官宣的半固体电池能量密度普遍处于 300 Wh/kg-450 Wh/kg 区间。同时，国内固态电池龙头企业辉能科技、卫蓝新能源、太蓝新能源、清陶能源等纷纷表示 2024 年将开启固态电池批量交付模式，以宁德时代为代表的传统锂电池龙头企业亦在加紧推动固态电池的研发及车规级应用。

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油电混动

混电系统将发动机和电动机结合在一起，实现独特的推进架构，兼顾长续航和垂直起降飞行要求。常见的飞行器混电系统结构为串联式混电和并联式混电推进结构。

• 并联式混电传动系统中，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；

• 串联式混电传动系统中，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。

串联式混电系统可以设计多螺旋桨／旋翼的分布式布局，更适用于固旋翼垂直起降飞行器，通过功率的分散可进一步减缩气动噪声总声级，多推进器的冗余能为飞行器提供更可靠的推力保障。

垂直起降转平飞飞行器在功率需求方面有较大跳变，垂直起降时的功率约是巡航平飞的 4 倍。飞行器飞行任务剖面一般分为起飞、巡航平飞、降落阶段。垂直起降飞行器飞行工况有垂直起降、悬停、巡航等。混合电推进系统主要用于飞行器的垂直起降与巡航平飞的灵活供电。垂直起飞时，主要依靠旋翼提供推力，功率需求大、持续时间短；逐渐转平飞后，机翼可以提供部分升力，需求功率开始减少；飞行器进入巡航平飞阶段后，需求功率约为垂直起飞时 25%；巡航结束后进入下降阶段，飞行器减速，需求功率更低；转为垂直下降阶段后，飞行器需求功率提升至垂直起飞水平。

混合动力系统综合利用燃油发动机的高能量密度和储能电池的高功率密度,在确保飞行过程中任意时刻的动力功率都满足的前提下,提高飞行器的航时。飞行过程中,燃油发动机工作在燃油经济性最高的区域，在飞行器需求功率较大时，电池可快速做出响应，弥补发动机输出功率的不足，确保系统功率需求；在系统功率需求较小时，发动机输出的盈余功率可用于电池充电，从而提升能量的利用效率，提高飞行器的航程。

采用混合电推进能源系统可以有效减少能源系统质量。《固旋翼垂直起降混电飞行器推进系统设计》基于固旋翼飞行器设计要求以及初始最大起飞重量的估计值，通过性能约束构造混电系统设计区间，先后得到固定翼模式动力系统和旋翼模式动力系统的初始设计参数，结合具体的飞行任务计算出电池和燃油重量占最大起飞质量的比例分别为 8%、2%，远小于通常运输机最大燃油重量占最大起飞质量的 1/3 数值。

海外 eVTOL 主机厂，采用混动路线比较多。Elroy Air 定位物流运营，在行业内进展居前，其涡轮发动机混动 eVTOL Chaparral C1 于 2023 年 11 月实现行业内首飞，公司积压订单超 30 亿美元，并与美国军方、梅萨航空、布里斯托公司和联邦快递等建立合作关系。Chaparral C1 主要产品参数，续航 483km，最大载荷 136 kg。

目前使用最多的通用航空发动机属于燃气涡轮发动机（涡扇主要用于公务机、涡桨和涡喷用于亚声速固定翼飞机、涡轴用于中型以上直升机）和活塞式内燃机（低速和亚声速固定翼飞机、小型直升机）两大类。根据国际通用航空制造商协会统计，2023 年全球固定翼通用航空飞机中活塞式、涡桨式、喷气式占比 55%、21%、24%。直升机中活塞式、涡轮式占比 20%、80%。

• 活塞式发动机具有油耗低、结构简单、技术成熟、价格便宜、使用维护费用低以及寿命长等优点，目前在通航飞机中占比最高。目前 500 马力以下的小功率活塞发动机仍在通航飞机固定翼有人机或无人机，中小型直升机上大量使用。截止“十二五”末，我国通用航空注册飞机 4511 架，其中 90%以上采用活塞发动机，主要形式为小功率的气冷水平对缸发动机。航空活塞发动机市场目前被几大发动机公司所占领，大陆航空、莱康明、林巴贺和庞巴迪。

• 涡轮螺旋桨发动机具有尺寸小、重量轻、振动小、推进效率高和功率重量比大等优点，特别是随着飞行高度的增加，其性能更为优越；与涡轮喷气和涡轮风扇发动机相比，它又具有耗油率低和起飞推力大的优点。涡桨发动机的最大功率可超过 10000 马力（活塞发动机不超过 4000 马力），功重比为 4 以上（活塞发动机不超过 2），由于减少了往复运动的部件，涡桨发动机的运转稳定性好、噪音小、工作寿命长、维修费用低。但因螺旋桨特性的限制，装涡轮螺旋桨发动机的飞机的飞行速度一般不超过 800 km/h。在大型远程旅客机和运输机上，它已被高涵道比涡扇发动机所取代，但在中小型运输机、轰炸机和通用飞机上仍有广泛的应用。

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氢电混动

氢燃料电池和氢涡轮发动机是氢动力飞机的两种动力方案，分别通过氢燃料电池给电动机供电产生动力，或直接在氢涡轮发动机中燃烧氢产生动力。氢燃料电池实现难度相对较低，目前已具备商用化基础，适用于 100 座以下支线飞机。受限氢燃料电池和电动机的功率密度，100 座以上飞机更加适配氢涡轮发动机。低空飞行器主要涉及氢燃料电池动力方案。

氢燃料电池由于功率密度低，不足以单独作为 eVTOL 动力源。氢电混动具备长续航、绿色、低噪音等优点：

• 长续航：工业级锂电池能量密度达到 250 Wh/kg，氢燃料电池系统功率密度达到 0.75 kW/kg。氢存储罐的能量密度远高于储能电池，采用最新技术的氢存储罐能量体积密度和能量质量密度分别是 1.7 kWh/L 和 2.3 kWh/kg；

• 绿色清洁：不产生污染物，可以使用可再生能源为电池充电，或驱动水电解产生氢气作为燃料；

• 低噪音：燃料电池系统噪声级整体较小，噪音比发动机弱。

氢燃料电池与锂离子电池有望充分互补。氢燃料电池能量密度高，但氢燃料电池功率密度低于储能电池，锂离子电池放电倍率（放电电流/额定容量）可达 3-5 C。氢燃料电池与储能电池的混合能量存储系统具有互补特性，既能保证飞机的峰值功率需求，又能保证飞机的续航能力。氢燃料电池在储能电池辅助的情况下可以更多地在高效区运行，从而提高氢燃料经济性。由于氢燃料电池在负载变化时的动态响应较慢，响应速度更快的储能电池可以改善系统动态特性，在飞机起降时提供更大的电流。

海外氢燃料电池飞机发展以支线航空为主，零航空（ZeroAvia）和环球氢能（Universal Hydrogen）进展居前，已完成两款氢燃料电池混合动力涡桨支线飞机首飞。ZeroAvia 公司将多尼尔 228 机翼一侧的 TPE331 涡轮螺旋桨发动机更换为电动机，使用氢燃料电池和锂电池组合供电，氢燃料采用气态存储。2023 年 1 月 19 日，改装后的多尼尔 228 飞机在英国成功首飞。ZeroAvia 正在开发两套氢燃料电池动力系统总成，分别是面向9~19 座飞机的 ZA600 动力总成，预计 2025 年投入使用，以及面向 40~80 座飞机（如 ATR-72 系列）的 ZA2000 动力总成，预计 2027 年投入使用。

2023 年 3 月 3 日，环球氢能的冲-8混合动力涡桨支线飞机成功首飞。该架飞机一侧的涡桨发动机被替换成一个兆瓦级氢燃料电池动力系统。环球氢能计划在 2025 年前使 ATR-72 成为首架投入使用的氢能支线飞机，截至试飞前，环球氢能已收到全球 16 个客户的 247 架飞机改装订单。

国内氢电混动低空飞行器尚处于起步阶段。亿维特（上市公式商洛电子持股 14.6%）ET3 氢锂混动电动垂直起降飞机翼展近 3 米，航程 500 公里以上，滞空时间长，速度快，可以做到在超过 3 米宽的道路上随时起降。2024 年 4 月，大连化物所自主研发的高比能氢混动力电源适配工业级无人机试飞成功，氢混动力电源比能量达每千克 600 瓦时，燃料电池稳定输出 2030 瓦，具有系统稳定性高、效率高、可靠性高、寿命长等特点，搭载的无人机续航时间达到 2 个小时。

精选报告来源：银创智库

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