Beta Technologies如何为电动飞行铺平道路：以飞机、电机、电池和充电网络带动整个行业
在Beta Technologies的Alia CX300驾驶舱内，飞行员克里斯·卡普托将飞机驶向佛蒙特州帕特里克·莱希伯灵顿国际机场的33号跑道。获得起飞许可后，他松开刹车，轻推油门。
在飞机尾部，五叶推进式螺旋桨骤然转动，Alia猛然加速前冲。没有涡扇发动机启动时的尖啸，没有活塞发动机的颤动，也无需等待推力产生，只有电动机低沉的嗡鸣和瞬间加速的推力。
几秒钟内，我们达到85节（约每小时160公里）的速度，卡普托将机头抬起。随着爬升，跑道骤然从视野中消失。在获得速度和高度后，我们朝西北方向飞越香普兰湖。透过环绕式座舱罩，我看到佛蒙特州绵延的绿山在右翼下方逐渐缩小，而纽约州更高的阿迪朗达克山脉则在左侧。
卡普托曾是美国空军战斗机飞行员，他将操纵杆猛向左打，又猛向右打。尽管Alia拥有15米的翼展，但凭借电传操纵系统自动协调副翼与方向舵的输入，飞机操作起来十分灵敏。他说，相比我在学飞期间驾驶环游澳大利亚的塞斯纳182，这架飞机的操作要简单得多。
更重要的是，我们这次半小时的Alia飞行只消耗了约9美元的电费。而同等航程下，类似的塞斯纳208 Caravan大约需要消耗25至30加仑的Jet A航空燃油，按发稿时的价格计算，成本约为210至255美元。"即便全油门运行，我们在空中也不会燃烧任何燃料，"卡普托说道，此时他操纵Alia进行一次大幅左转，朝湖面南侧飞去。"我们不会污染环境，也没有噪音污染。"
在Beta位于佛蒙特州南伯灵顿的工厂，工人们正在组装Alia A250的机身。该公司表示，目前已积累近1000架飞机的订单和购买期权。
这次飞行发生在电动航空领域异常活跃的时期。更低的运营成本和更清洁的飞行前景，已将电动飞机从边缘实验推向航空业最受关注的前沿领域之一。经过多年的概念图、原型机和过于乐观的时间表，各家公司如今正在试飞全尺寸飞机，向监管机构提交认证材料，建设工厂，并与潜在客户测试航线。
在美国三大电动飞机开发商中，Archer Aviation和Joby Aviation都专注于有人驾驶的垂直起降电动飞机，即eVTOL（电动垂直起降飞行器）领域的空中出租车。而Beta Technologies则走了一条更为广泛——在某些方面也更具创新性——的市场路径。Beta并未首先押注空中出租车，而是希望通过使用传统跑道的短途货运飞机进入电动航空市场，并依托一个开放式充电网络（该网络旨在让包括Beta及其竞争对手的电动飞机都能融入一套实际运行的交通系统）来支撑这一战略。
为此，该公司正在开发其Alia机身的两种变体：我乘坐的基于跑道起降的CX300，以及增加了四个垂直升力螺旋桨以实现垂直起降的A250。Beta表示，其测试飞行员已驾驶Alia系列飞机累计飞行超过30万公里，包括多次横跨美国和海外演示飞行。该公司称其订单和购买期权积压量已达991架飞机。
"我们在认证和市场准入方面都采取务实的渐进式策略，"Beta首席执行官兼创始人凯尔·克拉克表示。"我们已经准备好今天就投入运营医疗和货运飞机，在机场之间飞行。"他说，接下来将是常规起降的客运飞机，随后是货运eVTOL，最后才是载客eVTOL。
降低FAA认证风险
Beta占地17500平方米的生产设施坐落在伯灵顿机场旁，看起来更像是一个巨大的阳光车间，而非传统的飞机工厂。地源热泵帮助调节建筑的冷暖。屋顶最终将铺设1兆瓦的太阳能电池板。在车间地面，技术人员在美国国旗和骄傲旗下制作复合材料结构并拼接飞机部件。
三种殊途同归的电动航空路径
美国三大电动飞机制造商正以不同方式应对同一个挑战：如何让短途飞行更清洁、更安静、更具商业价值。
Joby Aviation的有人驾驶四座S4飞机配备六个可倾转的螺旋桨，同时提供垂直升力和巡航推进力。该机型专为快速、安静的空中出租车服务优化设计。该公司还在研发氢燃料电池以实现更长航程的运输。Joby表示S4已处于美国联邦航空管理局（FAA）认证流程的最后阶段，并已在迪拜、纽约和得克萨斯州完成试飞。
Archer Aviation的有人驾驶四座Midnight配备12个螺旋桨——六个倾转旋翼和六个固定旋翼。该机型已在垂直和常规起降模式下进行测试，目标是服务于城市地区的空中出租车业务。该公司表示Midnight已处于FAA认证流程的第四阶段，并已完成试飞。
Beta Technologies的有人驾驶Alia飞机有两种形态：A250 eVTOL配备独立的垂直升力旋翼和后置巡航螺旋桨，而CX300则是常规起降的固定翼飞机。两款机型共用同一款推进电机、电池组、飞行控制计算机和定距螺旋桨。该公司最初专注于货运与医疗运输、区域物流以及机场间运营，客运服务将在之后推出。Beta预计CX300将于2027年获得FAA认证，A250则将在一年后获得认证。
凯尔·克拉克是佛蒙特州本地人，2017年创立Beta，以实现他长久以来打造混合动力电动飞机的梦想（他在哈佛大学本科毕业论文中，就设计了此类飞机的飞行控制系统）。生物科技公司United Therapeutics首席执行官、SiriusXM卫星广播联合创始人玛蒂娜·罗斯布拉特向Beta投资4800万美元，资助其首架原型机的研发，最终目标是利用该飞机运输用于移植的器官。
该公司将大部分设计与制造环节保留在内部完成，部分原因在于各组件之间联系紧密，部分原因则是在研发初期，市场上并不存在合适的航空部件。垂直整合使Beta的工程师能够掌控各接口及任何故障数据。但这也意味着该公司必须同时在多个业务领域保持专业能力：机身、电动机、逆变器、电池、软件、充电设备和飞机生产。
该生产线既能制造固定翼的CX300，也能制造垂直起降的A250，两者共用同一机身、机翼、推进电机（用于水平推进）、电池、航电设备以及大部分工装设备。这导致了一些"一刀切"的设计决策：CX300的双尾撑（连接机翼与尾翼的结构）看起来似乎多余，直到你看到A250将四个升力螺旋桨安装在类似结构上时才能理解其用意。
在CX300上，这些尾撑增加了重量和阻力，尽管它们并不承担任何升力功能。但这种权衡——换来更简洁的整体设计——正是Beta核心战略的一部分：与为更新颖、更复杂（具有多套升力系统并需要在悬停与机翼承载飞行之间转换）的eVTOL机型A250申请FAA认证不同，该公司选择先推进基于跑道的版本。公司正在通过这款更简单的飞机来认证电机、电池、电传操纵控制系统以及大部分机身结构；随后在认证A250时，将重复利用已有的证据和制造经验。
另一个从CX300起步的重要原因在于后勤层面：美国拥有超过5000个公共使用机场，因此CX300可以利用现有基础设施运营。该机型最初承担的货运和医疗飞行任务目标明确，相较于客舱舒适度，更看重更低的能源和维护成本。因此该公司决定（至少目前）在CX300上取消客舱空调。"飞机上不存在的东西不会增加任何重量，"克拉克说。"它们也不会损坏……不需要维护……也不需要认证。"
"这一策略在最初被视为他们VTOL项目的失败，"分析师、SMG Consulting管理合伙人塞尔吉奥·切库塔表示。"但我认为很多人当时的视野太狭隘了。这实际上是（Beta）将认证过程拆分为两部分的一种方式，由此他们已经消除了大量风险。CX300的大部分零部件都与VTOL机型共用，这意味着当VTOL认证启动时，许多认证文件可以直接复用。"
冗余设计如何提升安全性
在电动汽车显著打入汽车市场十五年后的今天，电动飞机技术也在快速发展。从某些方面来看，电动汽车的电力工程要求比电动飞机更为复杂。电动汽车的功率需求不断变化，而电动飞机则在相对较窄的功率区间内运行：起飞、平飞和下降。
但如果你的汽车传动系统出现故障，你可以直接靠边停车。而对于在1000米高空的飞行员来说，这并不是一个选项。问题的关键并不在于电动机本身脆弱，而在于航空安全标准极为严苛。灾难性故障的发生概率通常必须控制在每十亿飞行小时约一次或更低。
Beta的两款Alia飞机——A250（图中所示）和CX300——共享许多相同的部件，公司认为这将加快FAA认证进程。
由于单个电气部件本身无法达到这一标准，电动飞机依赖于多层冗余设计：双重电力路径、独立逆变器、故障隔离、监控系统以及备用容量。每一层设计都有助于缩小安全差距，但也都会增加重量和复杂性。
为缩小可靠性差距，并说服那些对电动飞机经验有限的监管机构，Beta的工程师在电机本身设计了冗余结构。当我参观公司的电机车间时，技术人员正在组装H500A推进电机，该电机将逆变器和定子部分等关键组件分成多个独立单元。
"你可以失去系统的整整一半，它仍能正常运行，"Beta飞行运营负责人亚当·洛表示。
H500A宽大的直径使磁力作用拥有更大的力臂，从而在较低转速下产生高扭矩——这对驱动大型螺旋桨十分有用。H500A重约75千克，功率约为640千瓦。根据公司内部测试数据，该电机效率达到97.5%；而典型传统涡轮螺旋桨发动机的效率范围仅为25%至35%。
Beta原计划在2026年上半年完成电机认证，但该截止日期已过去，公司并未公开宣布相关进展。尽管该公司的认证策略旨在简化流程，但获得美国联邦航空管理局的飞行许可可能仍是其最大障碍。对于Beta以及任何试图将电动飞机投入使用的公司而言，FAA必须先批准螺旋桨，再批准电机，最后批准整机。此后，制造商还必须向FAA申请生产许可证，证明公司能够反复制造出符合批准标准的同一机型，并具备相应的工具、记录、检查、质量控制、供应商监督、培训、校准和零部件追溯能力。Beta找到了一条让A250在完全获得认证之前先行飞行的狭窄通道。根据FAA的eVTOL一体化试点计划，企业和公共机构可以在FAA监督下开展真实场景试验，以测试先进空中交通飞机如何在国家空域中运行。对Beta而言，这包括7月在弗吉尼亚州至马里兰州航线上进行的飞行，其中包括使用医疗隔离系统运输一个人造可移植器官。Beta还被选中参与另外六项FAA支持的试验项目。
与此同时，固定翼Alia CX300的客户试验也在并行推进。今年3月，Beta的CX300在苏格兰六座城市之间的Loganair航线上，于10天内成功完成了23次飞行。该航空公司此后已签署一份条款协议，拟购买五架Beta飞机，并附带再购买五架的选择权，预计服务将于2029年启动。
eVTOL领域的创新
Beta之所以大力推进A250，是因为在垂直升力飞机上，电动飞行的优势体现得更加引人注目。与固定翼飞机相比，直升机和其他VTOL飞行器的飞行状态更为复杂多变。它们必须悬停、侧移、原地转向、下沉、爬升，并依靠自身动力维持在空中。但传统直升机的旋翼转速变化幅度通常只有几个百分点，因为其发动机、变速箱和旋翼系统都是围绕一个狭窄的工作点设计的。
"垂直飞行领域的一个长期梦想，就是让旋翼转速可变，"马里兰大学帕克分校航空航天工程教授阿努巴夫·达塔表示，他研究电动推进和垂直飞行技术。他认为，电动机的技术已经足够成熟，可以让这一设想变为现实。能够随工况变化而加速或减速的旋翼，可以减少能量浪费、降低噪音，并更好地适应垂直飞行所需完成的各种复杂任务。
电动推进还使设计师能够将动力需求分摊到多台电机上。电动机的重量与其扭矩密切相关。如果将扭矩分摊到多台电机上，每台电机都可以做得更小，这意味着它们的总重量会低于单一大型发动机所需的重量。这正是众多电动飞机设计方案看起来"长满"螺旋桨——只要工程师找到合适位置，就安装一个——的原因之一。
使用多台小型电机也存在缺点：如果其中一台电机失效，与传统直升机单一大旋翼所具有的巨大惯性相比，该电机所驱动的旋翼几乎没有多少储存的能量。而这种惯性在发动机停转时非常有用，因为旋翼会继续旋转，使飞行员能够以一种称为自转下降的紧急技术保持可控下降。
Beta Technologies：佛蒙特制造
据Beta Technologies创始人兼首席执行官凯尔·克拉克介绍，他的家乡佛蒙特州——这个以枫糖浆和户外生活方式而闻名、而非以科技成就著称的地方——正是Beta能够吸引人才的秘密所在。"我们的招聘策略就是：找到任何在佛蒙特州度过假期或在这里上过学的人。然后告诉他们，'你完全可以在这里生活，同时在一家使命驱动的企业中获得高薪工作，与优秀的人一起做你真正关心的事情。'"该公司目前约有1500名员工，大部分位于佛蒙特州南伯灵顿，并正在为工程、制造、软件、飞行运营和商业团队积极招聘人才。
作为一家航空公司，Beta为所有员工提供飞行课程——这项福利旨在为工程师、软件开发人员、飞行员和机械师提供共同的语言基础。公司还为员工及其家属运营一家健康诊所，并正在建设一座日托中心。这些项目带有浓厚的佛蒙特理想主义色彩，这种风格由克拉克和他的妻子凯蒂·克拉克共同塑造，凯蒂目前担任Beta品牌、创意、文化与空间负责人。但这些举措同时也具有现实意义：在这个劳动力市场规模较小的地区，吸引并留住最优秀的人才。
电动飞机制造商通过冗余电机和电气通道来弥补这一缺陷，但大多数主流设计也配备了机翼，以便在紧急情况下实现滑翔。在Beta的A250上，这意味着即便一切都失效，飞行员仍有机会抵达合适的降落地点。
这也解释了当今eVTOL设计趋同的现象。Joby Aviation的S4采用六个可在升力与巡航模式间切换的螺旋桨。Archer Aviation的Midnight配备六个倾转螺旋桨和六个专用升力螺旋桨。而Beta的A250则保持四个升力螺旋桨水平固定，并使用独立的推进电机实现前向飞行。
Beta的电池策略
在Beta的所在地佛蒙特州，该州产生的电力几乎全部来自可再生能源。当然，电动航空的气候优势不仅取决于电网的清洁程度，还取决于飞机的能源使用效率。传统喷气发动机中的涡轮机堪称精妙，但也会以热能形式浪费大量能量。此外，它们还需要携带用于管理这些热量的硬件——进气口、管道、散热器、机油冷却器——以及因空气流经这些部件而产生的阻力。
相比之下，不含燃烧、变速箱或油路系统的电动设计，避免了大部分这类能量负担。其结果是一种升阻比效率提升超过两倍的"更顺滑"飞机。电池的能量密度永远无法接近石油燃料。但由于电力传动系统的效率远高于内燃机，电池不一定需要达到石油燃料的能量密度才能发挥实用价值。
虽然电动飞机的电机在起飞和降落时最为引人注目，但电池几乎决定了一切边界条件：航程、载荷、充电时间、散热负荷、备用能量以及最终的使用寿命。目前，制约电动航空发展的最大硬性限制并非想象力、软件，甚至也不是电机，而是储能重量这一顽固的制约因素。
"你会注意到（电动）飞机的一个共同特点是，它们都很小，"航空分析师切库塔说。"它们之所以小，并不是因为有人做过市场调研，认为这是最优尺寸，而是因为它们根本无法做大。这一限制正是来自电池。"
在传统飞机中，燃料占起飞重量的很大比例，但这部分重量会在飞行过程中逐渐消耗。在电动飞机中，电池组同样占据很大重量比例；在Beta的CX300上，电池重量接近飞机总质量的一半。但一块耗尽电量的电池在降落时，重量与起飞时满电状态完全相同。这意味着飞机的其余部分必须足够轻，才能承载这个永远不会变轻的动力源，同时又要足够坚固，以承受振动、颠簇、硬着陆以及多年的疲劳损耗。达塔指出，工程师越努力减重，机身结构就越容易变得柔韧，从而使机翼和其他结构更容易发生弯曲、扭转和振动。从这个意义上说，电池问题也演变成了一个结构问题。
Beta的CX300搭载五组液冷电池包，每组容量约45千瓦时，使飞机总额定容量约为225千瓦时，尽管飞行中并非所有电量都可使用。每个电池包重255千克，包含2772个圆柱形电芯。总计约1.4万个电芯分布在客舱下方，每一个都是微型的能量、热量与潜在隐患的集合体。
电池所带来的重量负担，解释了我在Beta飞机其他部位所看到的许多设计：15米翼展、复合材料结构，以及几乎教条式地去除一切对任务非必要的硬件和舒适配置的努力。CX300甚至没有配备襟翼——大多数飞机使用襟翼在低速时产生额外升力——因此这款飞机起降速度对于其尺寸而言显得异常之快。
在Beta的电池生产线上，商用供应的标准21毫米直径、70毫米长度的电芯经过测试和组装。电芯组成模块，模块组成子电池包，十一个子电池包组成一个45千瓦时的电池包。冷却板负责管理正常运行期间产生的热量，而被动隔离层和电气隔离设计则旨在应对Beta测试流程中故意触发的各种极端故障情况。
电池包的模块化设计将为Beta的飞机提供随着电芯和电池化学技术进步而升级换代的路径。卡普托告诉我，公司已经在位于佛蒙特州圣奥尔本斯附近的电池测试设施中评估更高能量密度的电芯。每公斤更高的瓦时数最终可能意味着更长的航程、更大的载荷，或两者兼得。
Beta Technologies的电动生态系统
Beta Technologies与竞争对手的不同之处在于其野心的广度：它不仅在打造电动飞机，还在培育一个更为广泛的生态系统，以推动电动航空的发展。
例如，Beta打算让其电机业务延伸到自身飞机之外。该公司已为Eve Air Mobility的概念验证飞机提供了升力电机，并签订合同，随着Eve项目的推进，将提供价值最高达10亿美元的推进电机。此外，Beta还向Horizon Aircraft出售飞行控制计算机和软件。该公司还为军方生产推进系统，以及用于防务任务的混合动力自主飞机MV250。
Beta的快速充电站（左）已在138个地点安装完成。热管理站（右）用于防止电池在充电过程中过热。该公司采用开放标准的组合充电系统（CCS），以便其他飞机也能使用其充电设施。
在南伯灵顿工厂的电池生产线附近，还可以看到Beta广泛布局计划的进一步证据：工人们正在为公司1.5米高的充电立方体（Charge Cube）做发货准备。这些设备专为机场安装设计，每台立方体从电网接入480伏交流电，可提供最高1000伏直流电、320千瓦的输出功率。据Beta介绍，无论是哪种型号的Alia飞机，从目视飞行规则所要求的最低电量充至满电状态，大约需要35分钟。另有一台独立的热管理立方体，可在充电过程中通过飞机循环水-乙二醇冷却液，防止电池过热。
这些充电立方体采用组合充电系统（CCS），这是一种在电动交通行业中日益被广泛采用的开放标准。Beta的策略与特斯拉将充电业务视为整车业务一部分的做法相似，但有一个重要区别：Beta正积极吸引其他飞机制造商、机场和运营商使用其充电技术。Archer、Atlantic Aviation、Signature Aviation以及多家政府机构均已采购或安装了Beta的充电设备。截至10月，Beta已建成138个快充站点，另有多个站点正在许可审批或建设中。
对于固定充电网络之外的充电需求，Beta还提供一款可移动的40千瓦Mini Cube和65千瓦的Mini Cube+，可装载于Alia机内，并接入条件较为普通的电力设施进行充电。Mini Cube同样可为汽车、公交车和卡车充电——任何采用CCS标准的车辆均可使用。
回到香普兰湖上方，CX300趋于平飞，电机的声音渐渐减弱为微弱的嗡鸣。随后卡普托将其关闭，座舱罩周围只剩下风声呼啸。飞机凭借长长的机翼继续滑翔，而此时螺旋桨的滑转带动电机转变为发电机，以约9千瓦的功率向电池反向充电。
随后我们转向东方，排在一架国民警卫队C-130大力神运输机之后进入降落队列，卡普托重新打开电源并推动油门。电机再次轰鸣苏醒，推动着这架飞机——或许也推动着整个航空业——驶向未来。