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
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。
3、未来:垂直起降(VTOL)是无人机的发展趋势之一3.1 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 CH-804D 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。

3.2 “敏捷至上”项目——2020 美军极力推进 eVTOL 军事化
美军“敏捷至上”项目推动商业电动垂直起降技术向军事领域转化。2020 年 2 月,美空军启动了名为“敏捷至上”(Agility Prime)项目,探索航空业新兴的电动垂直起降(eVTOL)技术在特种作战、救援搜索、短距运输等军事任务应用的可行性,推动商用技术向军事领域转化。预计于 2023年完成飞行器适航审定,2025 年初具备规模化应用的水平,实现大规模采购。
“敏捷至上”项目将军用电动垂直起降飞行器命名为适应性保障飞行器(ORB),应满足的技术要求主要包括以下 5 个方面:1)机械结构较传统垂直起降飞行器简化,从而降低维护成本和周期;2)应用自主飞行技术,提高安全性、降低人员操作需求;3)经济性,可批量生产应用;4)采用分布式电推进技术实现低噪声;5)灵活、敏捷,减少对基础设施的依赖。相应的,飞行器应具备的技术要素包含:1)采用分布式推进系统;2)采用电推进系统;3)有人驾驶,或遥控驾驶,或自主飞行;4)垂直起降;5)具备悬停能力;6)可具备升力表面;7)模块化设计。
相较于商用领域的电动垂直起降飞行器,“敏捷至上”提出的技术要求有一定差异性。对于上述第一类应用场景,敏捷至上提出的技术指标要高于现有的典型商用技术指标,例如贝尔公司于 2020年 1 月提出的 Nexus 4EX 商用飞行器方案航程为 95km,同期现代公司 S-A1 方案航程同样约100km,这一航程能够满足典型的商用城市空运需求,但不能满足军事任务需求;第二类和第三类飞行器在商用领域的应用场景尚未凸显,因而未得到广泛关注。此外,军事任务的环境条件与城市存在显著差异,需要考虑结冰防护等多种环境控制问题。美空军表示,采购的飞行器型号不会是军用定制的,而是与商用市场版本相同的型号。
“敏捷至上”项目第一阶段投资总额远远超出预算,多家新兴 eVTOL 商企参与,Joby 和 Beta 两家已经进入试飞阶段。美空军对“敏捷至上”项目的风投集中在自主飞控、先进材料和制造工艺、 声学技术、避撞系统等,敏捷至上项目已开始与参与方签署合同,美国初创公司军刀飞机公司(Sabrewing)获得了金额 325 万美元的小型企业创新研究合同。第一阶段计划投资总额为 1000万美元,目前的投资额已经大大超过原计划。截至目前,Joby 和 Beta 两家中标入选试飞阶段。
三、民用无人机:工业级成为新引擎,垂直起降加速城市交通商业化
1、2020 年,全球民用无人机市场逐步由 to C 转向 to B
民用无人机分为消费级无人机和工业无人机。1)消费级无人机主要用于航拍和娱乐,着重拍摄功能和可操作性。2)工业无人机注重经济效益,追求巡航速度、续航时间等性能的平衡,对无人机的专业化应用要求高。通过搭载不同的任务载荷,如热红外相机、高光谱相机、激光雷达、光电吊舱等,实现不同专业功能,从而满足对应的行业需求。其主要应用于测绘与地理信息、巡检、安防监控、应急等领域。
2020-2024 年消费无人机增速疲软,工业无人机成为全球民用无人机新引擎,市场逐步由 to C 转向 to B。根据 Frost & Sullivan 预测,2020-2024 年全球民用无人机市场的 CAGR 高达 43.03%,预计 2024 年市场规模将达 4157.27 亿元。随着应用场景的不断拓展,全球工业无人机实现快速发展,预计 2020年工业无人机市场规模将首次超过消费级无人机,成为全球民用无人机的主要市场。2020-2024 年全球消费无人机的 CAGR 将有所下滑,从 2015-2019 年的 24.09%下降至 20.00%;而同期工业无人机将保持高增速,从 2015-2019 年的 50.62%增长至 56.43%。
中国是全球民用无人机的主要市场,中国工业无人机市场规模将在 2021 年首次超过消费级无人机。2020 年中国民用无人机市场规模为 599.05 亿元,占全球民用无人机市场的 60.30%,属于全球领先地位。从市场结构上看,2020 年我国消费级无人机市场规模为 325.83 亿元,占比 54.39%;工业无人机市场规模 273.21 亿元,占比 45.61%。2021-2024 年,工业无人机将占据我国民用无人机主要市场,市场占比从 55.01%快速增长至 72.65%。同期,我国工业无人机 CAGR 维持 53.27%的高增速,成为我国民用无人机发展的新引擎。
2、垂直起降:新构型拓展行业全新应用场景2.1 垂直起降:加速城市空中交通(UAM)商业化
兼具优秀悬停能力、长巡航速度与航程的垂直起降(VTOL)无人机蕴含巨大市场需求。现今,无人机在悬停时间、巡航速度、航程与起降场地方面都提出了更高的要求,而多旋翼、直升机和固定翼无人机都无法同时满足这种多方位的需求。多旋翼无人机受制于续航时间和航程短;无人直升机则造价较贵,飞控难度也较高;而固定翼无人机则是对起降场地的要求较高,一般需要跑道。垂直起降无人机因兼具优秀悬停能力和较长的巡航速度与航程受到市场关注。其中,复合型垂直起降无人机(VTOL)和垂直起降固定翼无人机各有侧重:复合型 VTOL 偏重于悬停时间,垂直起降固定翼在航程上更有优势。
eVTOL 打开新应用场景城市空中交通(UAM),资本助力新兴 eVTOL 企业加速 UAM 商业化。根据美国国家航空航天局发布的《城市空中交通空域整合概念和考虑因素》中的定义,“城市空中交通(UAM)”是“城市内适用于载人飞行器和无人飞行器系统的安全高效交通运作方式”。目前,具有优秀悬停能力、长巡航速度与航程、低噪音的电动垂直起降(eVTOL)飞行器获得腾讯等资本的追捧。另外,空中客车、波音等大公司以及 Lilium、Volocoper、Kitty Hawk 等新兴企业都正在打造自己的电动垂直起降飞行器以用于城市空中交通。eVTOL 的商业化要经历七个阶段:设计、公告、验证测试、全尺寸测试、载人测试、生产、商业化推广。我国亿航公司是全球为数不多实现量产销售的 eVTOL 公司。
除新兴企业外,传统车企也加紧布局 eVTOL。近年来吉利、丰田、小鹏、现代、克莱斯勒等一众车企纷纷并购布局,也陆续推出了自己的原型机,其中吉利汽车最早于 2020 年 6 月发布的吉利TF-2A 即可实现 180km/h 的飞行速度以及 100 公里的最大飞行里程。在 2020 年 CES 展上,现代、克莱斯勒等汽车巨头也纷纷展示垂直升降汽车概念产品。