垂直起降固定翼无人机行业深度研究报告
来源:AUVSC
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作者:东方证券
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发布时间: 1514天前
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垂直起降固定翼飞行器凭借独特的构型，是近年来无人机乃至有人机领域最具活力的细分赛道之一......
在战争运用方面，无人机能大幅提升作战费效比。无人机代替有人机作战，能大幅降低单机、作战 装备体系和实战成本，同时也能减少人这一宝贵作战资源的损失。 1) 单架无人机的采购成本远低于同功能、同级别的有人机。美军“黑鸟”战略侦察机采购成本约为 15~20 亿美元/架，而“全球鹰”战略侦察无人机只需 1 亿元美元/架，仅占有人机单价采购成本 的 1/15。改造退役有人机成无人机，也能带来巨大的成本优势。2017 年，波音公司接受军方 一份合同，将 18 架 F-16s 战斗机通过加装人工智能系统改造为 QF-16 无人机，作为有人机 的“忠诚僚机”使用。每架无人机成本仅 138 万美元，与动辄上亿美元的隐形战斗机相比， 其成本几乎可以忽略不计。 2) 无人机可使美航母编队总成本大幅下降 81%。根据《无人机与未来作战刍议》，从出动率、 燃油消耗、维修成本等多个方面综合分析，未来航母编队可采购 144 架无人机取代原来的 361 架有人机，将成本由约 900 亿美元降至 170 亿美元。采用无人机后，在每艘航母作战能力不 变的情况下，3 艘航母的总成本只相当于当前 2 艘航母的总成本。 3) 大幅降低飞行员训练成本，延长作战时间。有人机飞行员培养时间长、费用大，以美军 F-15 战斗机飞行员为例，培训时间长达 2.5 年，整个费用超 1000 万美元。相比之下，无人机操作 员的培训时间通常只需要 120 小时，训练费用要低得多。从作战时间上看，无人机仅需少量 时间保养和训练，大部分时间都可用于执行作战任务。而有人机通常只有 1/3 时间处于实战 部署状态，2/3 时间用于训练和维护保养。 除此之外，无人机是军用装备的“全新物种”：升级迭代速度快，逐步向察打一体发展；且战损比 例高，具备消耗品属性。我国军用无人机逐步从纯侦察升级至察打一体。目前军用无人机有长空一 号、长虹一号、ASN 系列、WZ-2000、BZK-005、翼龙系列、翔龙、利剑、彩虹系列以及云影等型 号。其中，翼龙系列、彩虹系列、利剑和云影等都是察打一体型无人机，均为 2000 年以后新亮相；而纯侦察无人机则主要包括翔龙和 BZK-005 侦察无人机。据统计，美国捕食者 A 自 2001 年投入 实战以来，已累计生产 550 架，到目前已损失 300 架以上，战损比高达 54.4%。反观美国 F15 系列战机，已累计生产 894 架，到目前已损失 109 架以上，战损比仅 12.2%。因此与有人机相比， 无人机属于消耗性武器。 无人机深刻改变了战争面貌，同时军用也促进无人机系统的强烈需求，引领前沿技术发展。军用无 人机系统更强调在复杂的作战场景和极端的使用环境下，满足先进的技战术性能、高可靠性、保密 安全性等要求，因此，军用无人机系统发展要求更先进更复杂的专业化科技工业体系支撑，同时不 断创新应用高性能材料、新能源动力、人工智能、电子信息等领域的前沿科技，并牵引技术发展的 新方向。 无人机集群化作战是未来空中作战的重要形态，中国电科展示无人机蜂群发射车。有人无人协同、 分布式空中作战、集群作战等被列为未来空中作战的重要形态，高性能无人机系统是未来智慧化空 中力量建设的重中之重。无人机蜂群技术具体是指无人机大规模自组网和自编队技术。中国电科作为从事国家重要军 民用大型电子信息系统的工程建设单位，在 2020 年 10 月 14 日展示了最新的无人机蜂群发射车。该系统可采取地面发射和空中发射两种方式，用于地面发射的发射车可以一次储存和发射 48 架无 人机。空中发射则是借助直升机投掷，无人机到空中后自主展开。 2.2 现状：我国军用无人机技术深厚，名扬国际市场 我国军用无人机关键部件已基本实现国产化。首先是机体材料，近些年随着我国材料行业迅速发 展，国内优质碳纤维制造商不断涌现，彩虹机体材料已可实现全国产化；第二，电子核心器件，无 人机没有大型运算和高精度图像处理，不使用高端芯片所以不受西方制裁和封锁；第三，发动机方 面，例如彩虹使用的很多发动机现都已实现国产化，并完成相关国产化试验工作，可实现国产发动 机替代方案。 目前，中国军用无人机发动机主要以航空活塞发动机为主，但是未来中国发展察打一体无人机，小 型涡扇/涡喷发动机不可或缺。相对比活塞发动机，涡扇/涡喷发动机拥有更大的推重比、更快的速 度、更高的飞行高度。2018 年 11 月，中国航发在珠海航展上展示了 AEF50E 涡扇发动机、AEP50E 涡桨发动机、AEF20E 涡喷发动机等 3 款可用于无人机的发动机，填补了我国急需的无人机动力 空白。 除了关键部件已实现国产化之外，产能方面也有大幅提升，脉动生产线可年产 200 架彩虹无人机。不同于固定站位的传统生产线，脉动生产线是一种不间断快速流动的自动化生产线，是目前航空制 造中效率最高的总装生产线，能保障现代战机的批量生产交付。2020 年 1 月，由中国彩虹无人机 科技公司新建设的彩虹无人机脉动生产线首次亮相。该条彩虹无人机生产线总体设置了 6 个站位， 每个站位都对应着细致精准的工序内容。6 个站位之间的联系是通过一条导轨，如此脉动生产线不 仅有着传统站位的装配特征，也可以实现装备生产的快速流动性。彩虹无人机科技除了这条位于浙 江台州的脉动生产线，在河北固安同样建有多条脉动生产线，所有脉动生产线一年彩虹-4、彩虹-5 的合计产量可以保持在 200 架左右。
同时，我国军用无人机也备受国际市场青睐，市场份额仅次于美国，翼龙系列为出口主力机型。2000-2019 年，全球无人机共出口 1609 架。2000-2004 年，全球无人机出口年均仅 33 架；而 2005- 2019 年，全球无人机出口数量显著提升，年均高达 97 架。按出口国家分，2010-2019 年美国共出 口 474 架无人机，占据全球无人机 48.0%的出口市场。我国紧随其后，以 25.3%的市场份额居于 全球第二。从机型看，翼龙系列无人机为我国出口主力机型，占比高达 64%；彩虹系列无人机占 比 28%，仅次于翼龙系列。
无人机生产线跨出国门，占据中东无人机的主要市场。2017 年 3 月，沙特阿拉伯引进彩虹无人机 生产线，引进的“彩虹-4”配备了卫星通信天线，挂载的武器主要是 AR-1 激光制导近程空对地导 弹以及 FT-9 制导炸弹。在此前，“彩虹”无人机生产线已经出口到了巴基斯坦和缅甸。目前，中 国以翼龙与彩虹为代表的企业已经占据了中东无人机的主要市场。按照出口国分，2010-2019 年沙 特阿拉伯、埃及、阿拉伯联合酋长国合计购买了我国 68%的出口无人机。 2.3 未来：垂直起降（VTOL）是无人机的发展趋势之一 2.3.1 垂直起降——美军十大未来关键装备之首 因不受起降场地限制，能适应航海、山地等复杂地形环境，美国将垂直起降飞行器列为美军十大未 来关键装备之首。垂直起降固定翼无人机主要有两条技术路线。1）倾转旋翼无人机：通过旋转发 动机方向分别提供垂直起降和前飞两个阶段所需的升力和推力，代表型号有美国 V-22 鱼鹰的舰载 无人机版“鹰眼”和我国的彩虹-10 等。2）旋翼固定翼复合式：采取两套动力系统，旋翼提供垂直 升力，固定翼模式下由推进发动机提供动力，代表型号有纵横股份“CW 大鹏”系列，彩虹 CH804D 等。 电推进系统可替代复杂机械传动组件，优化倾转旋翼构型。倾转旋翼构型能够在确保良好垂直起降 性能的前提下提高平飞效率，从而兼顾垂直起降能力与巡航经济性，相较于旋翼构型能够大幅提升 航程。倾转旋翼技术的研发与应用已有数十年历史，V-22 等型号已经在特种作战等场景下获得了 广泛应用，但采用传统动力系统的倾转旋翼机，其发动机功率输出机构与旋翼之间需要极为复杂的 机械传动组件，显著增加了平台复杂性和重量，对可靠性带来了一定影响。电推进系统的应用有效 规避了上述风险，电机可直接安置于倾转翼组件处，通过线缆传输电能驱动电机，无需动力传动组 件，大幅降低了机械结构的复杂度，其维护特性能够得到保证。 相较于倾转旋翼构型，旋翼固定翼混合构型简化了结构，避免了倾转部件的影响。旋翼固定翼复合 无人机在两侧机翼中部的前后方各设置一个定距螺旋桨，提供垂直起降所需升力，机身尾部设置一 个推进螺旋桨，提供平飞巡航阶段的推力。在平飞巡航阶段，机翼位置的 4 个螺旋桨将停转并固定 在最小阻力位置，从而降低平飞阶段的阻力。混合构型在兼顾了多旋翼飞行器的垂直起降性能与固 定翼飞行器的平飞高效特性，相较于倾转旋翼构型，混合构型结构简单、无倾转部件。其次，固定 翼与旋翼结构并存实际是一种妥协，两者会互相影响，一方面结构质量大，另一方面效率受限，在 垂直起降阶段，大面积的机翼会增大起降阻力；在平飞阶段，旋翼会增大阻力。为了平衡这种影响， 可以在平飞阶段停转螺旋桨并固定位置。
