文 | 經(jīng)緯創(chuàng)投
放眼全球，低空經(jīng)濟已經(jīng)變成全球競逐的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，而eVTOL更是成為中堅力量。它代表著未來交通出行的新趨勢，可以在城市交通、物流運輸、緊急救援等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
根據(jù)eVTOL頭部企業(yè)Lilium預(yù)測，2035年全球需要42000架eVTOL(平均4200架/年)，其中北美35%，歐洲和中東30%，中國25%；另據(jù)國新辦數(shù)據(jù)，2023 年中國低空經(jīng)濟規(guī)模超過5000億 ，預(yù)估到2030年突破兩萬億。
在低空經(jīng)濟欣欣向榮的背景下，普通消費者隨手就可打到一輛“空中飛的”的夢想，將何時能夠?qū)崿F(xiàn)？
為了在2025年達(dá)成這一目標(biāo)，eVTOL巨頭Joby又實現(xiàn)一個巨大的技術(shù)里程碑。不久前，Joby的S4 eVTOL完成了523英里（842千米）不間斷飛行，驗證了氫動力在飛機上的應(yīng)用潛力。這意味著Joby不僅可以在城市中運營，未來更有望開展城際出行短途運輸活動。Joby在X寫道：“Joby如果到英國運營，在利茲和曼徹斯特機場等目的地之間僅需要22 分鐘，而不是一個多小時的車程?！?/p>
S4 eVTOL完成垂直起飛和降落的整體飛行任務(wù)，除了水蒸氣，沒有任何排放物。氫是一種無色、無味、無臭的氣體，具有很高的能量密度和多種優(yōu)勢。而氫燃料電池在產(chǎn)生能量時只產(chǎn)生水，不會產(chǎn)生溫室氣體或其他污染物，可以幫助航空系統(tǒng)實現(xiàn)脫碳。
氫電技術(shù)雖然不如鋰電技術(shù)成熟，但有望克服eVTOL行業(yè)的致命弱點——eVTOL的航程限制和續(xù)航焦慮。這次試飛不僅打破了Joby此前154英里（248千米）的紀(jì)錄，更展現(xiàn)了多于電池三倍多的續(xù)航能力。
Joby創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官JoeBen Bevirt表示：“此次試飛是 Joby 發(fā)展歷程中的一個重要里程碑，它證明了氫動力 eVTOL 飛機的可行性。我們相信，氫動力eVTOL飛機將徹底改變?nèi)藗兊某鲂蟹绞?，使空中出租車成為現(xiàn)實?！?/p>
不過，氫燃料電池飛機的能源系統(tǒng)復(fù)雜度與綜合成本大于鋰電池，Joby解決方案有哪些值得借鑒之處？何時能夠迎來清潔航空的里程碑時刻？以下，Enjoy：
01 如何讓氫動力eVTOL上天？
此前，Joby主要重心放在了開發(fā)電池供電的純電動 eVTOL，而一筆收購徹底讓其敲開了進(jìn)軍氫推進(jìn)領(lǐng)域的大門。
2021年，Joby Aviation秘密收購了德國氫推進(jìn)初創(chuàng)公司H2FLY，后者成立于2014年，旨在開發(fā)零排放氫燃料電池系統(tǒng)。2023年9月，H2FLY完成了世界上首次由液氫驅(qū)動的電動飛機載人飛行，這標(biāo)志著未來中程和長途商業(yè)飛行將可能實現(xiàn)零排放。
要知道，H2FLY公司與往常其他氫能載人飛機不同，他們并不是使用加壓氣態(tài)氫，其HY4驗證機采用的是低溫儲存的液態(tài)氫。HY4的動力系統(tǒng)由儲氫裝置、120kW 燃料電池能量轉(zhuǎn)換器和電動機組成。儲氫裝置位于兩個機身內(nèi)，采用了低溫（約-253°C）液態(tài)氫作為燃料。燃料電池能量轉(zhuǎn)換器將液態(tài)氫與空氣中的氧進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生電能和水蒸氣，電能驅(qū)動電動機帶動螺旋槳進(jìn)行推進(jìn)。
這一創(chuàng)新技術(shù)顯著降低了氫能儲存的重量和體積，使飛行器的最大航程增加了一倍——將HY4驗證飛機的最大航程從750公里增加到了1500公里。而這也為Joby發(fā)力氫動力eVTOL埋下了伏筆。
今年5月，在成功完成超過25,000英里的電動飛行后，Joby將飛行器改裝成氫電技術(shù)驗證機，這是Joby與美國聯(lián)邦航空局正在進(jìn)行的認(rèn)證計劃中的一部分。
這一次的氫電試驗機采用Joby的核心電池電動飛機相同的機身和整體架構(gòu)，包括使用六個電力推進(jìn)裝置為飛機的每個傾斜螺旋槳，以及統(tǒng)一的飛行控制系統(tǒng)提供動力。不同之處是，該試驗機配備了由Joby設(shè)計和制造的液氫燃料箱，可儲存多達(dá)40公斤的液氫，以及減少了質(zhì)量的電池。
Joby氫氣試驗機飛行過程中，氫氣被送入由H2FLY設(shè)計和制造的燃料電池系統(tǒng)，會產(chǎn)生電力、水和熱能。氫燃料電池產(chǎn)生的電力為Joby飛機上的電動機提供動力，電池主要在起飛和著陸期間提供額外的動力。整個飛行過程十分環(huán)保，水是唯一的副產(chǎn)品。
這次飛行可能尚未釋放液氫所有潛力。Joby曾說過，對于像 H2Fly HY4 這樣的固定翼飛機來說，超過 900 英里（1500 公里）的航程是一個現(xiàn)實的預(yù)期。這次由液氫驅(qū)動的垂直起降飛機的首次前向飛行，著陸時還剩下10%的氫燃料負(fù)荷。
對Joby、電動eVTOL領(lǐng)域以及整個清潔航空來說，這依舊是一個具有里程碑意義的開端。一旦這種液態(tài) H2動力系統(tǒng)獲得認(rèn)證，就意味著有機會立即大幅增加任何電動飛機的續(xù)航能力，這也是航空運輸去碳化進(jìn)程中的一次重大飛躍。
不過，液氫想要成為商業(yè)航空的“游戲規(guī)則改變者”，還需要克服一些困難。液態(tài)氫需要約-253°C的低溫，增加了運輸和加注的復(fù)雜性。因此，液態(tài)氫eVTOL的商業(yè)化還需要優(yōu)化液態(tài)氫儲存和使用技術(shù)，提高效率和安全性，建立完善的液態(tài)氫供應(yīng)鏈和基礎(chǔ)設(shè)施，才能讓eVTOL更加快速走入市場、得到社會認(rèn)可度。
但Joby正努力加速氫動力eVTOL商業(yè)化進(jìn)程?！拔覀冊陔姵仉妱语w機上完成的絕大多數(shù)設(shè)計、測試和認(rèn)證工作都延續(xù)到氫電飛行的商業(yè)化?！眲?chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 JoeBen Bevirt表示。Joby計劃最早在2025年開始商業(yè)運營，使用其電池電動空中出租車。該公司在紐約證券交易所上市，迄今已籌集超過20億美元的資金，包括豐田、達(dá)美航空、SK電訊、優(yōu)步和Baillie Gifford的投資。
02 從手機支架到飛機，Joby如何走到現(xiàn)在？
1985年上映的《回到未來》中，一輛能穿越時間的飛車成為了無數(shù)科技極客的啟蒙。這部充滿創(chuàng)意與想象力的科幻喜劇片為不少產(chǎn)品提供了創(chuàng)意原型，如包括特斯拉的賽博皮卡，也在不少人心中埋下了夢想的種子，其中就包括Joby公司創(chuàng)始人JoeBen Bevirt。
看過電影《回到未來》中的飛行汽車后，JoeBen Bevirt產(chǎn)生了研發(fā)eVTOL的興趣。那時，他一放學(xué)就開始自顧自地改裝汽車，直到他不小心把改裝車撞了。“我意識到我還有很多東西要學(xué)?！庇谑撬群筮M(jìn)入加州大學(xué)戴維斯分校和斯坦福大學(xué)學(xué)習(xí)工程學(xué)。在UC Davis求學(xué)期間，JoeBen Bevirt師從航空和機械工程教授Paul Moller，后者早在1967年成立了飛行汽車公司，應(yīng)該是在該領(lǐng)域堅持時間最長的創(chuàng)業(yè)者。
JoeBen Bevirt完成學(xué)業(yè)后并未像老師Paul Moller一頭扎進(jìn)eVTOL行業(yè)，而是分析了當(dāng)時的行業(yè)現(xiàn)狀——從技術(shù)來看，技術(shù)限制無法實現(xiàn)飛車穩(wěn)定懸停；從市場前景來看，微電子、電機、半導(dǎo)體和軟件等技術(shù)尚未完全發(fā)展成熟，造出能穩(wěn)定、安全運行的飛行汽車更是遙遙無期。
于是，JoeBen Bevirt先后成立三家公司，其中JoeBen創(chuàng)辦的手機支架公司靠著“八爪魚”的手機支架設(shè)計專利大獲成功。有了啟動資金后，他帶領(lǐng)七人精英團隊在房屋后院的谷倉創(chuàng)業(yè)，在2009年創(chuàng)立Joby Aviation公司。
Joby成立初期，適逢eVTOL行業(yè)發(fā)展早期階段，產(chǎn)業(yè)配套不完善、供應(yīng)鏈不成熟。因此，Joby早期主要精力致力于探索電動航空的不同組件，包括電動機、飛行軟件和鋰離子電池等，幾乎從頭設(shè)計每一個零部件。
期間，Joby曾被選中與美國宇航局（NASA）合作幾個開創(chuàng)性的電動飛行項目，如X-57和LEAPTech等。2015年，在經(jīng)過多年非全尺寸原型機的測試和分析，Joby達(dá)到2022年直升機的配置，并第一次試飛該非全尺寸原型機；2年后，Joby的第一架全尺寸原型機試飛成功。2019年，Joby 對其預(yù)生產(chǎn)原型機(pre-production prototype)開展嚴(yán)格的飛行測試項目。
2021年，Joby通過與特殊目的公司Reinvent Technology Partners合并，在紐交所成功上市。同年，Joby的第一架預(yù)生產(chǎn)原型機飛行了5300英里，即超過8500公里，一次充電飛行154.6英里，約合250公里。同時，Joby生產(chǎn)了第二臺預(yù)生產(chǎn)原型機，通過了FAA第一次制造符合性檢查。截至2024 年 3 月，F(xiàn)AA 發(fā)布了美國 Joby 公司的 JAS4-1 型五座傾轉(zhuǎn)旋翼 eVTOL 的正式適航準(zhǔn)則，將于 2024 年 4 月 8 日生效，這是 FAA 發(fā)布的第一個 eVTOL適航專用條件。
目前，Joby是唯一一家完成美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）型號合格證（TC）認(rèn)證流程五個階段中前三個階段的電動空中出租車公司，并且FAA仍然是全球航空監(jiān)管認(rèn)證體系的標(biāo)桿。
03 Joby的技術(shù)創(chuàng)新點
作為全球電動垂直起降飛機先驅(qū)龍頭，Joby的eVTOL設(shè)計有何與眾不同之處？Joby飛機由一個圓形的寬窗機身組成，前排只有一個飛行員座位，后面安排了 4 個乘客位置。Joby的1號原型機的機翼翼展長 10.7 米，機身長 7.3 米，在其 2 號原型機上翼展長變?yōu)榱?11.6 米，機身長則為 6.4 米。
而S4的機身由復(fù)合材料制成，采用三點式起落架。Joby S4的飛機翅膀在中部，背面有一條V形尾巴——六個大小相等的旋翼大致呈六邊形位置：兩個在前，兩個在翼尖，兩個在尾部每個V形的頂點。
如此算來，Joby S4擁有 6 個高強度螺旋槳，螺旋槳直徑達(dá) 2.9 米，每個螺旋槳上擁有 5 片槳葉。值得一提的是，S4 的五個螺旋槳葉片均有一個反面翼尖。這一設(shè)計是為了S4具有更好的懸停性能，同時能顯著降低噪音。
低噪音是Joby的一大特點。Joby雙繞線電機與逆變器組合共重28 千克，峰值功率達(dá) 236KW，可以讓eVTOL在低速下產(chǎn)生推力，同時保證了低噪音。此外，S4 的槳尖速度只有 113m/s，而同類產(chǎn)品中最暢銷的直升機槳尖速度為 215m/s，這也是Joby能做到低噪音的玄機。
除了產(chǎn)品設(shè)計方面，Joby垂直整合生產(chǎn)的模式更值得深入研究。與eVTOL行業(yè)一同發(fā)展起來的Joby，從一個個零部件開始研發(fā)、生產(chǎn)飛行器，積累了深厚的行業(yè)Know-How，為公司建立了更穩(wěn)固的護城河。
eVTOL飛行汽車結(jié)構(gòu)主要包括三大部分：動力推進(jìn)系統(tǒng)、車體平臺和飛行控制總系統(tǒng)。其中，Joby S4 的推進(jìn)系統(tǒng)由 6 個可傾轉(zhuǎn)的電動螺旋槳構(gòu)成，每個螺旋槳由兩個電機驅(qū)動，每個電機的額定功率為 70KW，兩個電機可以為每個螺旋槳工作提供一層冗余。
驅(qū)動Joby飛機的電機為公司自創(chuàng)。從外部來看，公司設(shè)計Joby Direct Drive 電機架構(gòu)是由一個3D打印的鈦外殼，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的磁性元件由銅和鋼制成，沒有任何齒輪。但每個推進(jìn)電機均由雙余度逆變器驅(qū)動提高任務(wù)可靠性，每個電機對應(yīng)的雙余度中每個逆變器又由兩個獨立的電池供電從而防止電池故障蔓延。如一個推進(jìn)電機、逆變器或電池包失效，飛機仍然可以安全飛行。
電池方面也做了改進(jìn)，Joby開發(fā)出了專門針對航空用途的商用三元鋰離子電池（正負(fù)極分別采用 811NMC 和石墨），能夠更好地在能量密度、垂直起降功率和充放電循環(huán)壽命三方面取得平衡，可支持一萬次充放電循環(huán)。
而Joby飛控系統(tǒng)巧妙之處在于采用 POE 以太網(wǎng)交換機，將供電和通信網(wǎng)絡(luò)合二為一。同時，Joby 的航電飛控系統(tǒng)是自研的“統(tǒng)一的飛行控制系統(tǒng)”，讓飛行員有著超乎意料的飛行體驗——飛行員坐在Joby飛機駕駛艙中央的單人座位，左手握動操縱桿，右手握操縱桿式飛行控制裝置，雙腳則被解放了出來。如果飛行員操作超出飛控系統(tǒng)的預(yù)期，系統(tǒng)會執(zhí)行包線保護，不會出現(xiàn)失速或超過極限負(fù)載情況，從而使駕駛飛機更加安全和容易。
Joby電池、動力總成和電子設(shè)備的負(fù)責(zé)人喬恩·瓦格納（Jon Wagner）表示：“除了飛行員所需的顯示屏，我們從零出發(fā)，從電機到電池組到所有電子設(shè)備，制造了所有其他航空電子設(shè)備和電子設(shè)備?！?/p>
同時，Joby的eVTOL飛機采用模塊化設(shè)計思路，便于維護和升級。這種設(shè)計使得飛機在出現(xiàn)故障時能夠快速更換故障部件，縮短維修時間并降低維修成本。更為關(guān)鍵的是，飛機隨時根據(jù)技術(shù)變化，升級和改進(jìn)部件?！拔覀冊陔姵仉妱语w機上完成的絕大多數(shù)設(shè)計、測試和認(rèn)證工作都延續(xù)到氫電飛行的商業(yè)化，”JoeBen Bevirt 告訴 Axios。
這些都是Joby快步走向商業(yè)化的基石。Joby的主要目標(biāo)尚未改變——依舊是最早在2025年推出電動空中出租車，從紐約、洛杉磯和迪拜開始，在城市中心和機場之間短途旅行。
Joby甚至已經(jīng)準(zhǔn)備了“打空中的士”的軟件。今年6月，Joby宣布推出用于空中出租車運營的“ElevateOS”軟件套件。“我們計劃提供的空中出租車服務(wù)與以前存在的任何類型的航空旅行都不同。我們希望旅客按需預(yù)訂，就像今天使用地面拼車的體驗一樣，清楚地知道自己幾分鐘后登機。”Joby 首席產(chǎn)品官兼 Uber Elevate 前負(fù)責(zé)人 Eric Allison 說。“這要求我們完全重新思考這些飛機的軟件和操作。于是，我們從頭開始構(gòu)建 ElevateOS，以實現(xiàn)高節(jié)奏、按需飛行，從而真正節(jié)省時間并為客戶提供無縫移動性?！?/p>
Joby 專有的 ElevateOS 空中出租車軟件系統(tǒng)包括一個運營核心、一個飛行員應(yīng)用程序和一個消費者友好的乘客應(yīng)用程序，從左到右，所有這些都已獲得 FAA 授權(quán)。圖源：Joby Aviation
“乘客不用去機場，打個空中的士就可以從舊金山市中心飛往圣地亞哥或波士頓?！睕]準(zhǔn)，這樣的暢想真的有可能在明年實現(xiàn)呢？
Joby的氫動力eVTOL創(chuàng)紀(jì)錄飛行，讓眾人看到了氫能航空的未來，是具有里程碑意義的突破。除了Joby，國內(nèi)外嘗試氫動方向的公司逐年增加。
羅蘭貝格統(tǒng)計了約300 個新能源航空器項目，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%。
其中包括，澳大利亞AMSL Aero公司推出的5座氫燃料電池eVTOL航空器Vertiia，采用8個傾轉(zhuǎn)旋翼，最大航程1000公里。
AMSL Aero是一家澳大利亞的航空航天初創(chuàng)公司，由夫妻團隊Andrew Moore和Siobhan Lyndon于2017年創(chuàng)立，專注于開發(fā)氫動力電動垂直起降（eVTOL）飛機，名為Vertiia。Vertiia它具有垂直起降、高速飛行、高載荷和多功能的特點，可以為緊急服務(wù)、空中救護和貨物和乘客運輸提供創(chuàng)新的解決方案。它還展示了在可再生能源領(lǐng)域的先驅(qū)性，為航空部門的凈零排放目標(biāo)做出了貢獻(xiàn)。該飛機預(yù)計在2026年商業(yè)化推出，將為澳大利亞和其他地區(qū)的空中交通帶來革命性的變化。
美國航空公司（American Airlines）最近計劃同意從燃料電池航空初創(chuàng)公司ZeroAvia購買100臺氫電發(fā)動機，為其支線噴氣式飛機提供動力。其中，ZeroAvia是一家致力于氫燃料電池和電動飛機技術(shù)的英國初創(chuàng)公司，使命是在每架飛機上提供氫電動發(fā)動機。該公司已與主要飛機原始設(shè)備制造商簽署了多項關(guān)鍵工程合作伙伴關(guān)系，并已從多家全球主要航空公司預(yù)訂了近2,000臺發(fā)動機，未來收入潛力超過100億美元。
總部位于馬薩諸塞州的Alaka'i Technologies正在開發(fā)一種氫動力垂直起降飛機，該垂直起降飛機Skai將與Joby、Archer和其他eVTOL公司競爭。Skai采用氫燃料電池發(fā)電，為所有車載系統(tǒng)和 6 個靜音電機供電。飛行時長長達(dá) 4 小時，但大多數(shù)航班只需幾分鐘。對于特殊應(yīng)用，輔助油箱可以根據(jù)任務(wù)需要增加飛行時間。
瑞士Sirius Aviation發(fā)布的氫動力eVTOL航空器Sirius Jet，包括3座和5座兩個型號，采用氫燃料電池和涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)。這架飛機是Sirius與寶馬集團旗下的Designworks以及因一級方程式賽車而聞名的索伯集團（Sauber Group）合作設(shè)計。據(jù)Sirius稱，Sirius Jet是一款高性能、零排放的垂直起降飛機，由氫電推進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動。它利用噴氣空氣動力學(xué)并結(jié)合飛機與直升機的多功能性，以實現(xiàn)更長的續(xù)航里程、更快的飛行速度以及近乎靜音的高空飛行。
但氫能航空尚有諸多需要攻克的研發(fā)難題，商業(yè)化之路可能是一條漫長且充滿挑戰(zhàn)的道路。一般而言，氫動力飛機主要采用兩種動力方案：氫燃料電池和氫渦輪發(fā)動機。氫燃料電池方案可以通過氫燃料電池給電動機供電產(chǎn)生動力，而氫渦輪發(fā)動機則是直接在氫渦輪發(fā)動機中燃燒氫產(chǎn)生動力。
目前，氫燃料電池實現(xiàn)難度相對較低，已具備商用化基礎(chǔ)，適用于 100 座以下支線飛機，低空飛行器主要涉及氫燃料電池動力方案。不過，氫燃料電池在功率密度上難以快速提升，是其走向商業(yè)化過程中繼續(xù)突破的問題。
中金報告指出，eVTOL對于電池包能量密度和峰值功率密度的理想要求分別為400-500Wh/kg和1.5-2.0kW/kg，而氫燃料電池盡管能量密度能達(dá)到600Wh/kg-1000Wh/kg，但功率密度只能達(dá)到600W/kg，遠(yuǎn)低于eVTOL對于峰值功率密度要求。因此，氫燃料電池需要在儲能電池輔助的情況下可以更多地在高效區(qū)運行、提高氫燃料經(jīng)濟性。
對于堅守在這條賽道的玩家來說，技術(shù)挑戰(zhàn)、資金壓力都有可能讓一家有情懷的初創(chuàng)公司倒下。今年6月，據(jù)《西雅圖時報》報道，美國氫能航空初創(chuàng)企業(yè)(環(huán)球氫能Universal Hydrogen)董事長兼首席執(zhí)行官馬克·庫辛(Mark Cousin) 在致股東的一封信中寫道，在從新投資者那里籌集更多資金的努力失敗后，董事會已正式?jīng)Q定解散公司。
但環(huán)球氫能的一位聯(lián)合創(chuàng)始人喬恩·戈登堅信：“也許我們?yōu)闀r過早。也許我們無法讓世界相信，氫氣，而不僅僅是SAF（可持續(xù)航空燃料），對航空業(yè)的未來是必需的。時間會證明一切。”
讓氫動力商業(yè)飛行變?yōu)楝F(xiàn)實，這背后的復(fù)雜性、長期性和不確定性提醒著每個玩家要保持清醒的頭腦，要持續(xù)不斷投入大量的研發(fā)資源、克服重重困難，才有可能實現(xiàn)那個看似不可能的目標(biāo)。這注定是一條光明但又充滿曲折的道路。因此，每一次突破都值得掌聲，每一個失敗也值得被銘記。
References:
1.Hydrogen could power the next-gen aircraft of tomorrow by:Axios
2.Joby Announces ‘ElevateOS’ Software Suite for Air Taxi Operations by:jobyaviation.com
3.Joby Demonstrates Potential for Emissions-Free Regional Journeys With Landmark 523-Mile Hydrogen-Electric Flight by:jobyaviation.com
4.A First Look at Joby’s eVTOL Future by:flying
5.專訪：Joby創(chuàng)始人JoeBen Bevirt by：電動航空報道
6.低空經(jīng)濟專題報告：電動垂直起降飛機龍頭Joby的前世今生 by:華福證券
7.中金：eVTOL需要什么樣的電池和基礎(chǔ)設(shè)施？
8.向哥談eVTOL之三：Joby為什么可能會最早商業(yè)化運營? by: 向哥談無人機與低空產(chǎn)業(yè)