文 | 经纬创投

放眼全球，低空经济已经变成全球竞逐的战略新兴产业，而eVTOL更是成为中坚力量。它代表着未来交通出行的新趋势，可以在城市交通、物流运输、紧急救援等领域发挥越来越重要的作用。

根据eVTOL头部企业Lilium预测，2035年全球需要42000架eVTOL(平均4200架/年)，其中北美35%，欧洲和中东30%，中国25%；另据国新办数据，2023 年中国低空经济规模超过5000亿 ，预估到2030年突破两万亿。

在低空经济欣欣向荣的背景下，普通消费者随手就可打到一辆“空中飞的”的梦想，将何时能够实现？

为了在2025年达成这一目标，eVTOL巨头Joby又实现一个巨大的技术里程碑。不久前，Joby的S4 eVTOL完成了523英里（842千米）不间断飞行，验证了氢动力在飞机上的应用潜力。这意味着Joby不仅可以在城市中运营，未来更有望开展城际出行短途运输活动。Joby在X写道：“Joby如果到英国运营，在利兹和曼彻斯特机场等目的地之间仅需要22 分钟，而不是一个多小时的车程。”

S4 eVTOL完成垂直起飞和降落的整体飞行任务，除了水蒸气，没有任何排放物。氢是一种无色、无味、无臭的气体，具有很高的能量密度和多种优势。而氢燃料电池在产生能量时只产生水，不会产生温室气体或其他污染物，可以帮助航空系统实现脱碳。

氢电技术虽然不如锂电技术成熟，但有望克服eVTOL行业的致命弱点——eVTOL的航程限制和续航焦虑。这次试飞不仅打破了Joby此前154英里（248千米）的纪录，更展现了多于电池三倍多的续航能力。

Joby创始人兼首席执行官JoeBen Bevirt表示：“此次试飞是 Joby 发展历程中的一个重要里程碑，它证明了氢动力 eVTOL 飞机的可行性。我们相信，氢动力eVTOL飞机将彻底改变人们的出行方式，使空中出租车成为现实。”

不过，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，Joby解决方案有哪些值得借鉴之处？何时能够迎来清洁航空的里程碑时刻？以下，Enjoy：

01 如何让氢动力eVTOL上天？

此前，Joby主要重心放在了开发电池供电的纯电动 eVTOL，而一笔收购彻底让其敲开了进军氢推进领域的大门。

2021年，Joby Aviation秘密收购了德国氢推进初创公司H2FLY，后者成立于2014年，旨在开发零排放氢燃料电池系统。2023年9月，H2FLY完成了世界上首次由液氢驱动的电动飞机载人飞行，这标志着未来中程和长途商业飞行将可能实现零排放。

要知道，H2FLY公司与往常其他氢能载人飞机不同，他们并不是使用加压气态氢，其HY4验证机采用的是低温储存的液态氢。HY4的动力系统由储氢装置、120kW 燃料电池能量转换器和电动机组成。储氢装置位于两个机身内，采用了低温（约-253°C）液态氢作为燃料。燃料电池能量转换器将液态氢与空气中的氧进行反应，产生电能和水蒸气，电能驱动电动机带动螺旋桨进行推进。

这一创新技术显著降低了氢能储存的重量和体积，使飞行器的最大航程增加了一倍——将HY4验证飞机的最大航程从750公里增加到了1500公里。而这也为Joby发力氢动力eVTOL埋下了伏笔。

今年5月，在成功完成超过25,000英里的电动飞行后，Joby将飞行器改装成氢电技术验证机，这是Joby与美国联邦航空局正在进行的认证计划中的一部分。

这一次的氢电试验机采用Joby的核心电池电动飞机相同的机身和整体架构，包括使用六个电力推进装置为飞机的每个倾斜螺旋桨，以及统一的飞行控制系统提供动力。不同之处是，该试验机配备了由Joby设计和制造的液氢燃料箱，可储存多达40公斤的液氢，以及减少了质量的电池。

Joby氢气试验机飞行过程中，氢气被送入由H2FLY设计和制造的燃料电池系统，会产生电力、水和热能。氢燃料电池产生的电力为Joby飞机上的电动机提供动力，电池主要在起飞和着陆期间提供额外的动力。整个飞行过程十分环保，水是唯一的副产品。

这次飞行可能尚未释放液氢所有潜力。Joby曾说过，对于像 H2Fly HY4 这样的固定翼飞机来说，超过 900 英里（1500 公里）的航程是一个现实的预期。这次由液氢驱动的垂直起降飞机的首次前向飞行，着陆时还剩下10%的氢燃料负荷。

对Joby、电动eVTOL领域以及整个清洁航空来说，这依旧是一个具有里程碑意义的开端。一旦这种液态 H2动力系统获得认证，就意味着有机会立即大幅增加任何电动飞机的续航能力，这也是航空运输去碳化进程中的一次重大飞跃。

不过，液氢想要成为商业航空的“游戏规则改变者”，还需要克服一些困难。液态氢需要约-253°C的低温，增加了运输和加注的复杂性。因此，液态氢eVTOL的商业化还需要优化液态氢储存和使用技术，提高效率和安全性，建立完善的液态氢供应链和基础设施，才能让eVTOL更加快速走入市场、得到社会认可度。

但Joby正努力加速氢动力eVTOL商业化进程。“我们在电池电动飞机上完成的绝大多数设计、测试和认证工作都延续到氢电飞行的商业化。”创始人兼首席执行官 JoeBen Bevirt表示。Joby计划最早在2025年开始商业运营，使用其电池电动空中出租车。该公司在纽约证券交易所上市，迄今已筹集超过20亿美元的资金，包括丰田、达美航空、SK电讯、优步和Baillie Gifford的投资。

02 从手机支架到飞机，Joby如何走到现在？

1985年上映的《回到未来》中，一辆能穿越时间的飞车成为了无数科技极客的启蒙。这部充满创意与想象力的科幻喜剧片为不少产品提供了创意原型，如包括特斯拉的赛博皮卡，也在不少人心中埋下了梦想的种子，其中就包括Joby公司创始人JoeBen Bevirt。

看过电影《回到未来》中的飞行汽车后，JoeBen Bevirt产生了研发eVTOL的兴趣。那时，他一放学就开始自顾自地改装汽车，直到他不小心把改装车撞了。“我意识到我还有很多东西要学。”于是他先后进入加州大学戴维斯分校和斯坦福大学学习工程学。在UC Davis求学期间，JoeBen Bevirt师从航空和机械工程教授Paul Moller，后者早在1967年成立了飞行汽车公司，应该是在该领域坚持时间最长的创业者。

JoeBen Bevirt完成学业后并未像老师Paul Moller一头扎进eVTOL行业，而是分析了当时的行业现状——从技术来看，技术限制无法实现飞车稳定悬停；从市场前景来看，微电子、电机、半导体和软件等技术尚未完全发展成熟，造出能稳定、安全运行的飞行汽车更是遥遥无期。

于是，JoeBen Bevirt先后成立三家公司，其中JoeBen创办的手机支架公司靠着“八爪鱼”的手机支架设计专利大获成功。有了启动资金后，他带领七人精英团队在房屋后院的谷仓创业，在2009年创立Joby Aviation公司。

Joby成立初期，适逢eVTOL行业发展早期阶段，产业配套不完善、供应链不成熟。因此，Joby早期主要精力致力于探索电动航空的不同组件，包括电动机、飞行软件和锂离子电池等，几乎从头设计每一个零部件。

期间，Joby曾被选中与美国宇航局（NASA）合作几个开创性的电动飞行项目，如X-57和LEAPTech等。2015年，在经过多年非全尺寸原型机的测试和分析，Joby达到2022年直升机的配置，并第一次试飞该非全尺寸原型机；2年后，Joby的第一架全尺寸原型机试飞成功。2019年，Joby 对其预生产原型机(pre-production prototype)开展严格的飞行测试项目。

2021年，Joby通过与特殊目的公司Reinvent Technology Partners合并，在纽交所成功上市。同年，Joby的第一架预生产原型机飞行了5300英里，即超过8500公里，一次充电飞行154.6英里，约合250公里。同时，Joby生产了第二台预生产原型机，通过了FAA第一次制造符合性检查。截至2024 年 3 月，FAA 发布了美国 Joby 公司的 JAS4-1 型五座倾转旋翼 eVTOL 的正式适航准则，将于 2024 年 4 月 8 日生效，这是 FAA 发布的第一个 eVTOL适航专用条件。

目前，Joby是唯一一家完成美国联邦航空管理局（FAA）型号合格证（TC）认证流程五个阶段中前三个阶段的电动空中出租车公司，并且FAA仍然是全球航空监管认证体系的标杆。

03 Joby的技术创新点

作为全球电动垂直起降飞机先驱龙头，Joby的eVTOL设计有何与众不同之处？Joby飞机由一个圆形的宽窗机身组成，前排只有一个飞行员座位，后面安排了 4 个乘客位置。Joby的1号原型机的机翼翼展长 10.7 米，机身长 7.3 米，在其 2 号原型机上翼展长变为了 11.6 米，机身长则为 6.4 米。

而S4的机身由复合材料制成，采用三点式起落架。Joby S4的飞机翅膀在中部，背面有一条V形尾巴——六个大小相等的旋翼大致呈六边形位置：两个在前，两个在翼尖，两个在尾部每个V形的顶点。

如此算来，Joby S4拥有 6 个高强度螺旋桨，螺旋桨直径达 2.9 米，每个螺旋桨上拥有 5 片桨叶。值得一提的是，S4 的五个螺旋桨叶片均有一个反面翼尖。这一设计是为了S4具有更好的悬停性能，同时能显著降低噪音。

低噪音是Joby的一大特点。Joby双绕线电机与逆变器组合共重28 千克，峰值功率达 236KW，可以让eVTOL在低速下产生推力，同时保证了低噪音。此外，S4 的桨尖速度只有 113m/s，而同类产品中最畅销的直升机桨尖速度为 215m/s，这也是Joby能做到低噪音的玄机。

除了产品设计方面，Joby垂直整合生产的模式更值得深入研究。与eVTOL行业一同发展起来的Joby，从一个个零部件开始研发、生产飞行器，积累了深厚的行业Know-How，为公司建立了更稳固的护城河。

eVTOL飞行汽车结构主要包括三大部分：动力推进系统、车体平台和飞行控制总系统。其中，Joby S4 的推进系统由 6 个可倾转的电动螺旋桨构成，每个螺旋桨由两个电机驱动，每个电机的额定功率为 70KW，两个电机可以为每个螺旋桨工作提供一层冗余。

驱动Joby飞机的电机为公司自创。从外部来看，公司设计Joby Direct Drive 电机架构是由一个3D打印的钛外壳，驱动旋转的磁性元件由铜和钢制成，没有任何齿轮。但每个推进电机均由双余度逆变器驱动提高任务可靠性，每个电机对应的双余度中每个逆变器又由两个独立的电池供电从而防止电池故障蔓延。如一个推进电机、逆变器或电池包失效，飞机仍然可以安全飞行。

电池方面也做了改进，Joby开发出了专门针对航空用途的商用三元锂离子电池（正负极分别采用 811NMC 和石墨），能够更好地在能量密度、垂直起降功率和充放电循环寿命三方面取得平衡，可支持一万次充放电循环。

而Joby飞控系统巧妙之处在于采用 POE 以太网交换机，将供电和通信网络合二为一。同时，Joby 的航电飞控系统是自研的“统一的飞行控制系统”，让飞行员有着超乎意料的飞行体验——飞行员坐在Joby飞机驾驶舱中央的单人座位，左手握动操纵杆，右手握操纵杆式飞行控制装置，双脚则被解放了出来。如果飞行员操作超出飞控系统的预期，系统会执行包线保护，不会出现失速或超过极限负载情况，从而使驾驶飞机更加安全和容易。

Joby电池、动力总成和电子设备的负责人乔恩·瓦格纳（Jon Wagner）表示：“除了飞行员所需的显示屏，我们从零出发，从电机到电池组到所有电子设备，制造了所有其他航空电子设备和电子设备。”

同时，Joby的eVTOL飞机采用模块化设计思路，便于维护和升级。这种设计使得飞机在出现故障时能够快速更换故障部件，缩短维修时间并降低维修成本。更为关键的是，飞机随时根据技术变化，升级和改进部件。“我们在电池电动飞机上完成的绝大多数设计、测试和认证工作都延续到氢电飞行的商业化，”JoeBen Bevirt 告诉 Axios。

这些都是Joby快步走向商业化的基石。Joby的主要目标尚未改变——依旧是最早在2025年推出电动空中出租车，从纽约、洛杉矶和迪拜开始，在城市中心和机场之间短途旅行。

Joby甚至已经准备了“打空中的士”的软件。今年6月，Joby宣布推出用于空中出租车运营的“ElevateOS”软件套件。“我们计划提供的空中出租车服务与以前存在的任何类型的航空旅行都不同。我们希望旅客按需预订，就像今天使用地面拼车的体验一样，清楚地知道自己几分钟后登机。”Joby 首席产品官兼 Uber Elevate 前负责人 Eric Allison 说。“这要求我们完全重新思考这些飞机的软件和操作。于是，我们从头开始构建 ElevateOS，以实现高节奏、按需飞行，从而真正节省时间并为客户提供无缝移动性。”

Joby 专有的 ElevateOS 空中出租车软件系统包括一个运营核心、一个飞行员应用程序和一个消费者友好的乘客应用程序，从左到右，所有这些都已获得 FAA 授权。图源：Joby Aviation

“乘客不用去机场，打个空中的士就可以从旧金山市中心飞往圣地亚哥或波士顿。”没准，这样的畅想真的有可能在明年实现呢？

Joby的氢动力eVTOL创纪录飞行，让众人看到了氢能航空的未来，是具有里程碑意义的突破。除了Joby，国内外尝试氢动方向的公司逐年增加。

罗兰贝格统计了约300 个新能源航空器项目，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%。

其中包括，澳大利亚AMSL Aero公司推出的5座氢燃料电池eVTOL航空器Vertiia，采用8个倾转旋翼，最大航程1000公里。

AMSL Aero是一家澳大利亚的航空航天初创公司，由夫妻团队Andrew Moore和Siobhan Lyndon于2017年创立，专注于开发氢动力电动垂直起降（eVTOL）飞机，名为Vertiia。Vertiia它具有垂直起降、高速飞行、高载荷和多功能的特点，可以为紧急服务、空中救护和货物和乘客运输提供创新的解决方案。它还展示了在可再生能源领域的先驱性，为航空部门的净零排放目标做出了贡献。该飞机预计在2026年商业化推出，将为澳大利亚和其他地区的空中交通带来革命性的变化。

美国航空公司（American Airlines）最近计划同意从燃料电池航空初创公司ZeroAvia购买100台氢电发动机，为其支线喷气式飞机提供动力。其中，ZeroAvia是一家致力于氢燃料电池和电动飞机技术的英国初创公司，使命是在每架飞机上提供氢电动发动机。该公司已与主要飞机原始设备制造商签署了多项关键工程合作伙伴关系，并已从多家全球主要航空公司预订了近2,000台发动机，未来收入潜力超过100亿美元。

总部位于马萨诸塞州的Alaka'i Technologies正在开发一种氢动力垂直起降飞机，该垂直起降飞机Skai将与Joby、Archer和其他eVTOL公司竞争。Skai采用氢燃料电池发电，为所有车载系统和 6 个静音电机供电。飞行时长长达 4 小时，但大多数航班只需几分钟。对于特殊应用，辅助油箱可以根据任务需要增加飞行时间。

瑞士Sirius Aviation发布的氢动力eVTOL航空器Sirius Jet，包括3座和5座两个型号，采用氢燃料电池和涵道风扇推进系统。这架飞机是Sirius与宝马集团旗下的Designworks以及因一级方程式赛车而闻名的索伯集团（Sauber Group）合作设计。据Sirius称，Sirius Jet是一款高性能、零排放的垂直起降飞机，由氢电推进系统驱动。它利用喷气空气动力学并结合飞机与直升机的多功能性，以实现更长的续航里程、更快的飞行速度以及近乎静音的高空飞行。

但氢能航空尚有诸多需要攻克的研发难题，商业化之路可能是一条漫长且充满挑战的道路。一般而言，氢动力飞机主要采用两种动力方案：氢燃料电池和氢涡轮发动机。氢燃料电池方案可以通过氢燃料电池给电动机供电产生动力，而氢涡轮发动机则是直接在氢涡轮发动机中燃烧氢产生动力。

目前，氢燃料电池实现难度相对较低，已具备商用化基础，适用于 100 座以下支线飞机，低空飞行器主要涉及氢燃料电池动力方案。不过，氢燃料电池在功率密度上难以快速提升，是其走向商业化过程中继续突破的问题。

中金报告指出，eVTOL对于电池包能量密度和峰值功率密度的理想要求分别为400-500Wh/kg和1.5-2.0kW/kg，而氢燃料电池尽管能量密度能达到600Wh/kg-1000Wh/kg，但功率密度只能达到600W/kg，远低于eVTOL对于峰值功率密度要求。因此，氢燃料电池需要在储能电池辅助的情况下可以更多地在高效区运行、提高氢燃料经济性。

对于坚守在这条赛道的玩家来说，技术挑战、资金压力都有可能让一家有情怀的初创公司倒下。今年6月，据《西雅图时报》报道，美国氢能航空初创企业(环球氢能Universal Hydrogen)董事长兼首席执行官马克·库辛(Mark Cousin) 在致股东的一封信中写道，在从新投资者那里筹集更多资金的努力失败后，董事会已正式决定解散公司。

但环球氢能的一位联合创始人乔恩·戈登坚信：“也许我们为时过早。也许我们无法让世界相信，氢气，而不仅仅是SAF（可持续航空燃料），对航空业的未来是必需的。时间会证明一切。”

让氢动力商业飞行变为现实，这背后的复杂性、长期性和不确定性提醒着每个玩家要保持清醒的头脑，要持续不断投入大量的研发资源、克服重重困难，才有可能实现那个看似不可能的目标。这注定是一条光明但又充满曲折的道路。因此，每一次突破都值得掌声，每一个失败也值得被铭记。

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.专访：Joby创始人JoeBen Bevirt by：电动航空报道

6.低空经济专题报告：电动垂直起降飞机龙头Joby的前世今生 by:华福证券

7.中金：eVTOL需要什么样的电池和基础设施？

8.向哥谈eVTOL之三：Joby为什么可能会最早商业化运营? by: 向哥谈无人机与低空产业