Lancio spaziale: chi, cosa e dove stiamo andando

Per un panorama completo del mercato degli spazi commerciali, vedere il nostro post precedente: Spazio: una mappa del mercato.

Pochi risultati illustrano Dinamismo americano in modo più viscerale del lancio di un razzo. È, in un certo senso, un caos controllato, il culmine dell'esperienza in una serie di discipline scientifiche, che sfrutta forze esplosive per sfuggire alla morsa del nostro pianeta. Negli ultimi anni, le innovazioni tecniche e le opportunità di mercato hanno inaugurato un ecosistema di nuovi fornitori di lancio e un dominio un tempo riservato alle nazioni è ora guidato da società private.

Il loro semplice obiettivo è mettere in orbita la massa, sotto forma di veicoli spaziali commerciali o governativi. Naturalmente, questa è letteralmente scienza missilistica, quindi in realtà non c'è niente di semplice. L'atmosfera terrestre e la gravità tentano di trattenerci, e anche se oggi ci liberiamo regolarmente, c'è ancora molta innovazione in arrivo se vogliamo davvero aprire lo spazio per qualsiasi cosa oltre i satelliti e le missioni di ricerca esplorativa. 

Questa rinascita dell'ecosistema di lancio è giovane, ma i segmenti stanno emergendo. Ci sono molte compagnie missilistiche e ogni anno ne spuntano altre. Quella che segue è una spiegazione di come funziona il mercato del lancio e dove potrebbe essere diretto. 

Il mercato dei lanci di razzi

I prezzi di lancio sono scesi precipitosamente negli ultimi anni, ampliando il potenziale per applicazioni redditizie. In particolare, abbiamo visto i satelliti ridursi di dimensioni, da enormi satelliti di comunicazione in orbite più alte a satelliti più piccoli molto vicini alla superficie terrestre. Sebbene possano differire per dimensioni, rimangono simili in linea di principio: I segmenti più grandi dell'economia spaziale oggi sono i satelliti che trasferiscono informazioni attraverso lo spettro elettromagnetico. Farlo nello spazio è davvero economico, come lo è sulla Terra, e ne vale soprattutto la pena se quei dati possono essere supportati solo da un'infrastruttura spaziale (ad esempio sensori remoti, Internet satellitare, GPS, ecc.). A partire da ora, la tecnologia dell'informazione è il re dello spazio e sia i clienti commerciali che quelli governativi stanno guidando la domanda.

Comprensibilmente, i clienti vogliono raggiungere rapidamente e con successo l'orbita al prezzo più basso. Affidabilità e velocità a parte, prezzo è comunemente misurato in $/chilogrammo (kg). Questo è spesso espresso come prezzo unitario se il razzo è pieno; più praticamente, i costi più bassi sono compresi tra $ 3,000/kg e $ 6,000/kg. Ciò è dovuto in parte alla riusabilità, alla programmazione e ai requisiti di volume. Tuttavia, la maggior parte dei clienti non riempie un razzo da sola, poiché poche aziende hanno richieste di carico utile superiori a decine di migliaia di chilogrammi.

Costo per lancio riflette meglio il vero prezzo per raggiungere l'orbita. È possibile riempire l'intera capacità di carico utile e ottenere i costi in $/kg più bassi, oppure riempire solo una piccola frazione della capacità totale e pagare di più per unità. Ma la società di lancio addebita lo stesso prezzo sia a piena capacità che a vuoto. Naturalmente, i rideshare consentono a più aziende di dividere il costo per lancio, motivo per cui "$/kg" viene comunemente utilizzato per i confronti (ne parleremo più avanti).

Per un'efficienza e un prezzo ottimali, la capacità di lancio verrebbe abbinata alla domanda di carico utile. I grandi razzi che non sono pieni finiscono per essere molto più costosi di un razzo più piccolo che è completamente pieno; la fattibilità economica può prevalere sulla capacità tecnica, in questo senso. Il mercato del lancio è comunemente classificato in base alla massa che il razzo può trasportare: piccolo, medio, pesante, super pesante. Ho scelto di semplificare questo in base ai raggruppamenti di clienti e casi d'uso, non solo alle funzionalità di lancio: Big i razzi lanciano grandi carichi utili, spesso mega costellazioni, e Piccolo medio i razzi lanciano carichi utili più piccoli, consentendo una pianificazione dedicata e un luogo di dispiegamento per i veicoli spaziali.

Oggi, la mercato di lancio è di circa $ 12 miliardi, ma si stima che crescerà fino a $ 30 miliardi o più entro il 2030. I fornitori di lancio occidentali che hanno volato almeno una volta nel 2022 sono illustrati di seguito, inclusi attori legacy come United Launch Alliance (ULA) e Arianespace. 

Se riesci a riempirli, i grandi razzi sono l'opzione di lancio per unità più economica. Lo SpaceX F ha dimostrato di essere il veicolo più efficace per questo mercato, costituendo un enorme 60 dei 91 lanci occidentali nel 2022 - e non c'è un secondo vicino. Ma quella statistica illustra solo chi sta dominando i lanci: Disimballare il clienti in questo segmento rivela approfondimenti più ampi sul mercato del lancio e su dove è diretto. 

Iniziamo con SpaceX. Nel 2022, oltre il 50% di SpaceX i lanci erano dedicati a Starlink, che ora costituisce la maggioranza di oggetti in orbita terrestre bassa (LEO). Questi sono lanci molto "completi". Vale la pena notare qui che il carico utile massimo elencato di Falcon 9 - 22,800 kg - è per la versione sacrificabile; suo la versione riutilizzabile del razzo raggiunge circa l'80% della capacità indicata - circa ~ 18,000 kg per LEO. Comunque, Le missioni Starlink contengono regolarmente oltre 16,000 kg (circa 50 satelliti), e Le missioni in orbita di trasferimento geosincrono (GTO) trasportano oltre 4,000 kg. In 2022, quattro dei lanci di Falcon 9 erano dedicati agli Stati Uniti carichi del governo, e altri tre erano per i governi alleati. 

Per ULA, sei lanci su otto sui loro razzi Atlas V e Delta IV hanno effettuato l'hardware del governo degli Stati Uniti. La maggior parte di questi carichi utili del governo sono costosi, incentrati sulla ricerca o classificati e richiedono affidabilità; non possono rischiare un lancio fallito.

SpaceX di Falco pesante ha trovato un caso d'uso unico in questo mercato governativo e il suo utilizzo attuale illustra la più ampia importanza di abbinare le dimensioni del razzo alla domanda di carico utile. Heavy è stato inizialmente progettato per la spinta massiccia per portare i grandi satelliti per le telecomunicazioni in GTO, un'orbita altamente ellittica che circola nell'orbita geosincrona (GEO) con il tempo ed è molto più facile da raggiungere che dirigersi direttamente verso GEO. Tuttavia, il Falcon 9 è migliorato così tanto nel corso degli anni da rubare questo mercato al suo razzo gemello. Nel 2022, circa il 20% dei lanci di Falcon 9 riguardava grandi carichi utili commerciali che entravano in GTO.

Sebbene i prezzi unitari di Heavy siano molto bassi quando sono pieni, pochi clienti pagheranno Prezzo di lancio di $ 97 milioni quando il Falcon 9 è di $ 67 milioni mappe dei costi migliori per le loro esigenze. Heavy sarebbe volato per le missioni Starlink, ma il suo volume di carico utile è in realtà simile al Falcon 9. In effetti, non puoi comunque inserire più Starlink in un pesante, quindi la spinta aggiuntiva è inutile. Inoltre, le difficoltà nel coordinare piattaforme di lancio sufficientemente grandi rendono difficile la pianificazione. Falcon Heavy ha volato solo una volta l'anno scorso, trasportando i pesanti satelliti della Space Force direttamente a GEO. 

Tuttavia, la maggior parte del mercato del lancio consiste nella distribuzione di grandi costellazioni in LEO. Questo non sarà solo Starlink. Anche altre grandi implementazioni di telecomunicazioni, come Project Kuiper e OneWeb di Amazon, richiederanno lanci economici e ad alto volume. Data l'atmosfera competitiva, tuttavia, entrambe queste costellazioni sembrano evitare il lancio con SpaceX. Il progetto Kuiper sta cercando presso Arianespace, ULA e, naturalmente, Blue Origin per le loro esigenze future. E OneWeb ha selezionato il programma spaziale indiano e il futuro razzo di Relativity, Terran R. Inoltre, OneWeb sta lanciando un paio di payload con SpaceX a causa dell'annullamento dell'ultimo minuto dei lanci della Soyuz russa a causa della guerra in Ucraina. 

C'è anche una domanda significativa da parte di altri operatori satellitari, anche se non alla scala dei satelliti per comunicazioni. Ad esempio, dal 2017, Planet Labs è stato lanciato dalle organizzazioni spaziali russe e indiane, Arianespace, Rocket Labs, Northrop Grumman e SpaceX. Oggi, dei circa 7,000 satelliti in varie orbite, circa 1,000 operare in una capacità di telerilevamento come Planet Labs.

Costruire e mantenere costellazioni di satelliti sempre più grandi richiede grandi razzi, e c'è sicuramente una domanda in questo mercato a disposizione di chiunque sia in grado di lanciare in modo affidabile. I grandi razzi degni di nota in fase di sviluppo includono:

Gli attori esistenti probabilmente domineranno questo mercato e i costi di sviluppo elevati - centinaia di milioni, minimo - mettono in svantaggio i nuovi entranti. La maggior parte dei satelliti che andranno nello spazio continueranno ad appartenere ed essere lanciati da SpaceX; il resto del mercato probabilmente combatterà per pezzi di altre grandi costellazioni. Inoltre, la perdita del lancio russo ha effettivamente messo offline circa il 20% della capacità globale e Amazon ha acquistato quasi tutto rimanendo validi partner di lancio fino al 2025 circa. Molte aziende che hanno iniziato a costruire razzi più piccoli, come Relatività e Rocket Lab, si stanno ora spostando verso l'alto per cogliere questa opportunità. Vedremo i razzi diventare grandi quanto la normale domanda di carico utile può riempire - secondo alcune stime, decine di migliaia di satelliti by 2030. 

Tuttavia, sebbene i razzi più grandi siano potenzialmente molto redditizi, c'è ancora domanda nel mercato più piccolo, sostenuto da una significativa attività di avvio.

Razzi piccoli/medi: targeting lancio dedicato

Se hai un singolo satellite da 200 chilogrammi che desideri inserire in LEO, non acquisterai un intero Falcon 9. La soluzione comune a questo è acquistare un giro con un grosso razzo che è già in fase di lancio e condivide la capacità . L'anno scorso, ad esempio, SpaceX ha gestito 3 rideshare a LEO per servire questo mercato "resto" - a partire da circa $ 6,600 / kg. 

Tuttavia, come un autobus, sei soggetto alle loro tempistiche e destinazioni e, francamente, stai competendo per la capacità contro i loro stessi satelliti Starlink. Un'ulteriore preoccupazione, in alcune situazioni, è che il dispiegamento preciso in una specifica posizione orbitale è impossibile senza un lancio dedicato. Attualmente, c'è anche un tempo di attesa di due anni (o più) per le missioni di rideshare. Molte aziende di piccole dimensioni hanno già a che fare con tempistiche ristrette, quindi qualsiasi incertezza o attesa per il lancio è dolorosa. Questa realtà ha aperto la porta per fornitori di lancio più piccoli e dedicati che mappano più vicino alla domanda di carico utile più piccola e hanno orari e destinazioni più personalizzati - in effetti, a corriere spaziale.

Ci sono dozzine di aziende che lavorano in questo segmento. Poiché il razzo è più piccolo e ha costi di sviluppo inferiori, abbiamo visto un po' più di flessibilità nella progettazione del sistema di lancio: decollo da un aereo a metà volo, piattaforme ipersoniche, primo stadio cineticoe razzi completamente riutilizzabili. In questo momento Electron di Rocket Lab è leader in questa categoria di lancio medio/piccolo, il volo nove volte nel 2022 (Avrei inserito Rocket Lab nella categoria "Big", dato lo sviluppo di Neutron, se non fosse stato per il successo di Electron). Anche altri, come Astra e Firefly, sono riusciti a lanciarsi lo scorso anno, e altri sono appena dietro di loro.

Candidamente, però, Mi aspetto che questo mercato sia duro. Mentre c'è una domanda per il lancio dedicato, e sicuramente aumenterà nei prossimi anni, probabilmente ci sarà solo una manciata di giocatori (o meno) con una quota di mercato significativa. Oggi, chiunque possa effettivamente lanciare otterrà affari, anche se mi aspetto che questo cambierà man mano che più sistemi saranno online. (Tuttavia, anche i lanci di successo non ti salveranno se l'economia non funziona, come mostrato di recente nel caso di Orbita Vergine.) L'affidabilità e la programmazione saranno importanti elementi di differenziazione rispetto ai razzi più grandi, ma all'interno dell'ecosistema di razzi più piccoli, il costo sarà un fattore di differenziazione per ottenere affari. I ribassi dei prezzi rientreranno probabilmente in tre categorie: 

1. Minimizzazione della massa del propellente: Utilizzo di motori a reazione a respirazione d'aria per raggiungere velocità elevate prima di accendere un razzo meno efficiente o utilizzare un altro metodo senza combustione per aumentare la velocità
2. Maggiore riutilizzabilità: Costruire sistemi rapidi e completamente riutilizzabili, rendendo di fatto il costo di lancio pari al costo del propellente
3. Costruire razzi più grandi: I costi fissi e le economie di scala rendono i razzi più grandi più economici per chilogrammo, ma è necessario trovare la domanda dei clienti per renderlo fattibile

Stiamo anche già vedendo aziende come Rocket Lab, Relativity e Astra concentrare i loro sforzi sulla costruzione di razzi più grandi ed economici per unità, come Neutron, Terran R e Rocket 4. I piccoli razzi vogliono diventare medi, se non più grandi – Anche SpaceX ha iniziato con il piccolo Falcon 1 prima di concentrarsi sul più grande Falcon 9. Inoltre, le aziende di questo segmento si sono estese in mercati adiacenti; Rocket Lab in realtà fa gran parte del loro entrate dal loro Photon veicolo spaziale, e Astra sta concentrando gli sforzi sulle entrate sul sistema di propulsione acquisito. Tutto questo per dirlo la dimensione di questo mercato di lancio dedicato rimane poco chiara, e la sopravvivenza potrebbe richiedere l'espansione in altri spazi a margine più elevato. 

Più pessimisticamente, poiché il grande mercato dei lanci cresce per alimentare mega costellazioni e destinazioni in orbita ad alta energia, potrebbero anche gestire più passaggi in auto. Questi da soli non copriranno i costi di sviluppo dei grandi razzi, ma possono comunque essere redditizi da lanciare su base regolare e probabilmente attireranno la domanda dal lancio dedicato. Inoltre, lo sviluppo di efficienti sistemi di propulsione satellitare e di rimorchiatori spaziali potrebbe eliminare il desiderio di discese orbitali precise. Ridesharing potrebbe fare la parte difficile, quindi puoi trovare un altro modo per percorrere l'ultimo miglio una volta in orbita.

La sicurezza nazionale guiderà i lanci

Come notato sopra, anche i governi lo sono grandi acquirenti dei servizi di lancio e il loro coinvolgimento è sicuramente importante quando si tratta di come si evolverà il mercato dei lanci. Infatti, 109 dei 186 lanci a livello globale dello scorso anno sono stati dedicati a payload governativi. Quando si tratta di industrie rilevanti per la sicurezza nazionale, i governi faranno di tutto per mantenere un industria sana di fornitori nazionali - e naturalmente, lo spazio sta diventando sempre più critico. 

Oggi solo una manciata di nazioni può regolarmente entrare in orbita. Ci sono effettivamente tre giocatori - Stati Uniti, Russia e Cina - con lontani rivali in Europa, India, Iran, Israele e Corea del Sud. Forse la cosa più preoccupante è che la Cina ha accelerato i propri sforzi di lancio negli ultimi anni e prevede di schierare un Mega costellazione di 13,000 satelliti dei loro. Nel 2022, la suddivisione geografica del lancio si presentava così:

C'è una domanda globale per il lancio; l'anno scorso, SpaceX ha effettuato 3 missioni costituito da hardware governativo straniero e ci sono molte compagnie satellitari internazionali che cercano l'accesso orbitale. I maggiori fornitori di lancio rimarranno nelle maggiori economie, ma la crescente domanda internazionale sarà probabilmente sovvenzionata dai governi che lo desiderano e incanalata verso l'industria nazionale. I giorni in cui SpaceX lanciava satelliti governativi tedeschi o giapponesi probabilmente scompariranno.

Se una nazione non ha capacità di lancio e può permettersela, probabilmente la svilupperà. Corea del Sud ha recentemente raggiunto questo obiettivo, e L'Australia sta tentando di seguire entro quest'anno. Tuttavia, le piattaforme di lancio accessibili sono un fattore limitante qui, poiché la maggior parte dei paesi non dispone di buone posizioni. Molti dei lanci europei, ad esempio, hanno luogo nella Guyana francese. Per risolvere questo problema, probabilmente vedremo i paesi collaborare per sviluppare rampe di lancio condivise o concentrarsi su metodi di lancio alternativi che non li richiedono, come il lancio da un aereo a metà volo.

Perché la capacità di lancio è importante? Risposta tattica: la capacità di progettare e lanciare rapidamente un veicolo spaziale per sostituire un satellite danneggiato... o altro ancora cinetico cose. Un paese con problemi di sicurezza non dovrebbe fare affidamento su un'altra nazione per questo servizio. Col tempo, mi aspetto che le nazioni più avanzate sviluppino un'industria di lancio nazionale, probabilmente piccoli carichi utili, se non altro per mantenere capacità di risposta rapida in tempi di conflitto. La risposta tattica è esplicita obiettivo della US Space Forcee l'anno scorso Firefly è stata selezionata per partecipare nel terzo esercizio TacRS, “Vitto Nox" 

Futuro del lancio

L'ascesa dell'industria dei lanci commerciali ha catalizzato la crescita della moderna economia spaziale, sia direttamente in orbita che nei mercati abilitati dalle risorse nello spazio. Come le ferrovie transcontinentali della fine del XIX secolo, molte di queste compagnie non sopravvivranno, ma i loro sforzi getteranno le basi per una nuova frontiera. Senza dubbio, finora SpaceX è stato il principale architetto di questo progresso. 

Tuttavia, anche con i lanci settimanali di Falcon 9, è ancora incredibilmente costoso spostare la massa dentro e intorno allo spazio. Questo in parte perché anche i migliori razzi soffrono di “la tirannia del equazione del razzo”, un principio fisico che illustra una delle grandi sfide del campo: il fatto che ci vuole propellente per sollevare il propellente. Mentre gli aerei in genere decollare con circa il 50% della loro massa essendo carburante, i razzi si librano intorno all'85%, conteggio sia carburante che comburente (ossigeno liquido). Per ridurre al minimo il propellente totale necessario per una missione, il peso viene ridotto a metà del lancio. Spesso ciò comporta l'abbassamento del primo stadio pesante e ad alta spinta dopo essere salito oltre le parti più spesse dell'atmosfera. Riducendo il peso durante il volo, è più facile raggiungere la velocità orbitale con il motore del secondo stadio. Tipicamente, il secondo stadio brucia nell'atmosfera al rientro.

SpaceX ha raggiunto una serie di primati qui. Vale a dire, pionieristico riutilizzo rapido del primo stadio attraverso l'atterraggio verticale e sviluppo di alcuni dei migliori motori a razzo con il Merlin e il Raptor, quest'ultimo in lizza per essere il primo sistema di propulsione metalox a flusso pieno per raggiungere l'orbita. In termini di missilistica, questo sarebbe un risultato significativo che aiuta a bilanciare l'impulso specifico (risparmio di carburante), la massa di stoccaggio del propellente e la spinta pura, temperando la tirannia dell'equazione del razzo.

Come un aereo, tuttavia, costruire un razzo è molto più costoso che alimentarlo: il propellente del Falcon 9 i costi sono solo di circa $ 200,000 per volo. La parte di gran lunga più costosa di un razzo è il massiccio primo stadio, quasi il 60% del costo totale per il Falcon 9. Un primo stadio riutilizzabile lo ammortizza in un numero di lanci, che ora superano i 10 per il Falcon 9. Naturalmente, la riduzione del fattore di costo maggiore ha scosso il mercato dei lanci.

La domanda ora è: Qual è il prossimo lancio nel suo stato attuale? Guardando più avanti, quali nuove opportunità si apriranno quando si verifica il declino della funzione passo successivo nei costi di lancio?

Un'ondata di nuove compagnie missilistiche cerca di detronizzare il Falcon 9 ottenendo una riusabilità ancora maggiore e riducendo ulteriormente i costi di produzione. Personalmente, sono entusiasta del razzo completamente riutilizzabile di Stoke Space, dei motori stampati in 3D di Relativity Space e delle innovazioni strutturali di Rocket Lab nel loro sistema di lancio Neutron. La vera concorrenza nel mercato del lancio sta arrivando ed è probabile che vedremo il dominio e i margini di Falcon 9 erodersi con l'arrivo della concorrenza online.

Tuttavia, SpaceX Starship, un razzo completamente riutilizzabile con un carico utile di 100,000 kg cambierà completamente l'ecosistema spaziale. E questo non è solo per la distribuzione di grandi volumi di satelliti Starlink. L'astronave fa i mercati spaziali di beni fisici e le persone in movimento diventano possibilità molto reali. 

Anche se Starship non partirà in pareggio, né sottoquotare gravemente i prezzi esistenti, inaugurerà comunque un'era di carichi utili più grandi, non vincolati dalla massa, sia per gli obiettivi in ​​orbita che per quelli nello spazio profondo: realisticamente, qualcosa di più vicino a $ 1000/kg scuoterebbe ancora il mercato. Un'astronave situata in LEO potrebbe anche fungere da stazione di servizio, alimentando una rete di attività di veicoli spaziali che servono stazioni commerciali e trasportano risorse in tutto il mondo spazio cis-lunare. Con Starship per la logistica, budget per una base lunare diventare paragonabile ad altri programmi di ricerca governativi e la catena di approvvigionamento necessaria per una colonia su Marte diventa realizzabile. 

Guardando più avanti, potremmo immaginare un aereo spaziale monostadio ispirato alla fantascienza, qualcosa come Star Wars X-Wing che può decollare da fermo, raggiungere velocità di crociera e quindi accelerare nello spazio profondo. L'ottimizzazione completa dei sistemi di lancio per atmosfere e velocità specifiche - una transizione dai motori a reazione ai razzi - è incredibilmente difficile, ma è teoricamente ottimale quando si tratta di volo ad alta velocità. A velocità più basse, i motori a reazione a respirazione d'aria minimizzerebbero i pericoli del trasporto di ossidante e le ali consentirebbero l'assistenza dalla portanza aerodinamica. Raggiungere l'orbita è una velocità, non un'altitudinee se si sfruttano i motori a reazione durante l'accelerazione nelle parti più spesse dell'atmosfera, prima di accendere motori a razzo più veloci, potrebbe essere fattibile competere con i prezzi delle astronavi. In questo senso, si potrebbero considerare molte compagnie ipersoniche come efficienti stadi booster di lancio. Rimango fiducioso che una tecnologia più avanzata renderà realizzabile questa visione fantascientifica, un accesso orbitale pionieristico che rispecchi le moderne tariffe di trasporto aereo di circa $ 2 a $ 5 / kg. 

Il lancio è il bellissimo inizio di un viaggio senza fine. Raggiungere l'orbita, figuriamoci costruirci un business, è estremamente difficile. In un mondo in aumento mancanza di serietà, l'assoluta complessità di tutto ciò ti dà speranza, riflettendo lo spirito ardente dell'umanità e la profonda ed eterna curiosità per i misteri dello spazio.

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• Fonte: https://a16z.com/2023/04/13/space-launch-who-what-where/