Rymdlansering: Vem, vad och vart vi är på väg

För ett fullständigt landskap av den kommersiella rymdmarknaden, se vårt tidigare inlägg: Space: A Market Map.

Få prestationer illustrerar Amerikansk dynamik på ett mer visceralt sätt än en raket som sprängs av. Det är, på sätt och vis, kontrollerat kaos - kulmen på expertis inom ett antal vetenskapliga discipliner, som utnyttjar explosiva krafter för att undkomma vår planets grepp. Under de senaste åren har tekniska innovationer och marknadsmöjligheter inlett ett ekosystem av nya lanseringsleverantörer, och en domän som en gång var reserverad för nationer leds nu av privata företag.

Deras enkla mål är att sätta massa, i form av kommersiella eller statliga rymdfarkoster, i omloppsbana. Naturligtvis är detta bokstavligen raketvetenskap, så det finns faktiskt inget enkelt med det. Jordens atmosfär och gravitation försöker hålla tillbaka oss, och även om vi regelbundet bryter oss loss idag, finns det fortfarande mycket innovation kvar om vi verkligen ska öppna upp utrymme för allt utöver satelliter och utforskande forskningsuppdrag. 

Denna återkomst av lanseringsekosystemet är ung, men segment växer fram. Det finns många raketföretag, och fler dyker upp varje år. Vad som följer är en förklaring av hur lanseringsmarknaden fungerar och vart den kan vara på väg. 

Marknaden för raketuppskjutningar

Lanseringspriserna har sjunkit kraftigt de senaste åren, vilket utökar potentialen för lönsamma applikationer. Noterbart har vi sett satelliter krympa i storlek, från massiva kommunikationssatelliter i högre banor till mindre satelliter mycket nära jordens yta. Även om de kan skilja sig åt i storlek, förblir de lika i princip: De största delarna av rymdekonomin idag är satelliter som överför information genom det elektromagnetiska spektrumet. Att göra detta i rymden är riktigt billigt, som det är på jorden, och är särskilt värt det om denna data endast kan stödjas av rymdbaserad infrastruktur (t.ex. fjärrsensorer, satellitinternet, GPS, etc.). Från och med nu är informationsteknologin kungen av rymden - och både kommersiella och statliga kunder driver efterfrågan.

Förståeligt nog vill kunderna snabbt och framgångsrikt nå omloppsbanan till det billigaste priset. Tillförlitlighet och snabbhet åt sidan, pris mäts vanligtvis i $/kilogram (kg). Detta uttrycks ofta som priset per enhet om raketen är full; mer praktiskt faller de lägsta kostnaderna mellan 3,000 6,000 USD/kg och XNUMX XNUMX USD/kg. Detta beror delvis på återanvändbarhet, schemaläggning och volymkrav. De flesta kunder kommer dock inte att fylla en raket ensam, eftersom få företag har krav på nyttolast som överstiger tiotusentals kilo.

Kostnad per lansering bättre återspeglar det verkliga priset för att nå omloppsbana. Du kan antingen fylla hela nyttolastkapaciteten och uppnå de lägsta $/kg-kostnaderna, eller fylla bara en liten del av den totala kapaciteten och betala mer per enhet. Men lanseringsföretaget tar samma pris oavsett om det är fullt eller tomt. Naturligtvis gör rideshares det möjligt för flera företag att dela upp kostnaden per lansering, vilket är anledningen till att "$/kg" ofta används för jämförelser (mer om detta senare).

För optimal effektivitet och prissättning skulle lanseringskapaciteten anpassas till efterfrågan på nyttolast. Stora raketer som inte är fyllda blir mycket dyrare än en mindre raket som är helt fylld; ekonomisk bärkraft kan övertrumfa teknisk förmåga, i den meningen. Uppskjutningsmarknaden kategoriseras vanligtvis efter hur mycket massa raketen kan bära – liten, medel, tung, supertung. Jag har valt att förenkla detta enligt grupperingen av kunder och användningsfall, inte bara lanseringsmöjligheter: Stor raketer skjuter upp stora nyttolaster, ofta megakonstellationer, och Liten medium raketer skjuter upp mindre nyttolaster, vilket möjliggör dedikerad schemaläggning och utplaceringsplats för rymdfarkoster.

Idag lanseringsmarknad är ungefär 12 miljarder USD, men beräknas växa till 30 miljarder USD eller mer år 2030. De västerländska lanseringsleverantörerna som flög minst en gång under 2022 illustreras nedan, inklusive äldre spelare som United Launch Alliance (ULA) och Arianespace. 

Om du kan fylla dem är stora raketer det billigaste uppskjutningsalternativet per enhet. SpaceX Falcon 9 har visat sig vara det mest effektiva fordonet för denna marknad och utgör en jättestor 60 av de 91 västra uppskjutningarna år 2022 — och det finns ingen nära tvåa. Men den statistiken illustrerar bara vem som dominerar lanseringarna: Packa upp kunder i detta segment avslöjar bredare insikter om lanseringsmarknaden och vart den är på väg. 

Låt oss börja med SpaceX. År 2022, över 50 % av SpaceX lanseringarna tillägnades Starlink, som nu utgör majoriteten av objekt i låg omloppsbana (LEO). Det här är väldigt "fulla" lanseringar. Det är värt att notera här att Falcon 9:s listade maximala nyttolast — 22,800 XNUMX kg — är för förbrukningsversionen; dess återanvändbar raketversion når en topp på cirka 80 % av listad kapacitet — ungefär ~18,000 XNUMX kg för LEO. Ändå, Starlink-uppdrag rymmer regelbundet över 16,000 XNUMX kg (cirka 50 satelliter), och Geosynchronous transfer orbit (GTO) uppdrag packar över 4,000 XNUMX kg. I 2022, fyra av Falcon 9:s lanseringar var tillägnad USA statliga nyttolaster, och tre andra var för allierade regeringar. 

För ULA flög sex av åtta uppskjutningar på deras Atlas V- och Delta IV-raketer amerikanska myndigheters hårdvara. Majoriteten av dessa statliga nyttolaster är dyra, forskningsfokuserade eller klassificerade och kräver tillförlitlighet; de kan inte riskera en misslyckad lansering.

SpaceX s Falcon Heavy hittat ett unikt användningsfall på denna statliga marknad, och dess nuvarande användning illustrerar den bredare betydelsen av att matcha raketstorlek med efterfrågan på nyttolast. Heavy designades från början för den massiva dragkraften för att få in stora telekomsatelliter i GTO - en mycket elliptisk bana som cirkulerar i geosynkron bana (GEO) med tiden och är mycket lättare att nå än att gå direkt till GEO. Men Falcon 9 förbättrades så mycket under åren att den stal denna marknad från sin systerraket. År 2022 var ungefär 20 % av Falcon 9s lanseringar för stora kommersiella nyttolaster som kom in i GTO.

Även om Heavys enhetspriser är mycket låga när de är fulla, är det få kunder som kommer att betala $97 miljoner lanseringspris när Falcon 9 är $67 miljoner kostar kartor bättre för deras behov. Tungt skulle flygas för Starlink-uppdrag, men dess nyttolastvolym liknar faktiskt Falcon 9. Effektivt sett kan du inte passa fler Starlinks i en Heavy ändå, så den extra kraften är värdelös. Ovanpå detta gör svårigheter med att koordinera tillräckligt stora startramper schemaläggning svårt. Falcon Heavy flög bara en gång förra året, som bär tunga Space Force-satelliter direkt till GEO. 

Ändå är majoriteten av lanseringsmarknaden i att distribuera stora konstellationer i LEO. Det här kommer inte bara att vara Starlink. Andra stora telekominstallationer, som Amazons Project Kuiper och OneWeb, kommer också att kräva stora, billiga lanseringar. Med tanke på den konkurrensutsatta atmosfären verkar dock båda dessa konstellationer undvika uppskjutning med SpaceX. Projekt Kuiper letar på Arianespace, ULA, och, naturligtvis, Blue Origin för deras framtida behov. Och OneWeb valde Indiens rymdprogram och Relativitys framtida raket, Terran R. Dessutom lanserar OneWeb ett par nyttolaster med SpaceX på grund av att deras ryska Soyuz-uppskjutningar i sista minuten ställdes in på grund av kriget i Ukraina. 

Det finns också en betydande efterfrågan från andra satellitoperatörer, om än inte i skalan för kommunikationssatelliter. Till exempel, sedan 2017, har Planet Labs lanserats från de ryska och indiska statliga rymdorganisationerna, Arianespace, Rocket Labs, Northrop Grumman och SpaceX. Idag, av ~7,000 XNUMX satelliter i olika omloppsbanor, runt 1,000 fungerar i en fjärravkänningskapacitet som Planet Labs.

Att bygga och underhålla allt större konstellationer av satelliter kräver stora raketer, och det finns verkligen en efterfrågan på denna marknad tillgänglig för alla som kan skjuta upp pålitligt. Anmärkningsvärda stora raketer under utveckling inkluderar:

Befintliga aktörer kommer sannolikt att dominera denna marknad, och höga utvecklingskostnader – minst hundratals miljoner – sätter nya aktörer i underläge. Majoriteten av satelliterna som går ut i rymden kommer att fortsätta att tillhöra och skjutas upp av SpaceX; resten av marknaden kommer sannolikt att slåss om bitar av andra stora konstellationer. Dessutom har förlusten av rysk lansering i praktiken tagit omkring 20 % av den globala kapaciteten offline, och Amazon köpte upp nästan allt kvarvarande livskraftiga uppskjutningspartners fram till omkring 2025. Många företag som började bygga mindre raketer, som Relativitet och Rocket Lab, flyttar nu exklusivt för att möta denna möjlighet. Vi kommer att se raketer bli så stora som efterfrågan på vanlig nyttolast kan fylla - enligt vissa uppskattningar, tiotusentals satelliter genom 2030. 

Men även om större raketer potentiellt är mycket lönsamma, finns det fortfarande efterfrågan på den mindre marknaden, som stöds av betydande startaktivitet.

Små / medelstora raketer: riktar in sig på dedikerad uppskjutning

Om du har en enda satellit på 200 kilo som du vill komma in i LEO, kommer du inte att köpa ut en hel Falcon 9. Den vanliga lösningen på detta är att köpa en åktur med en stor raket som redan startar och delar kapacitet . Förra året drev till exempel SpaceX 3 samåkning till LEO för att betjäna denna "återstående" marknad - med start kl ungefär $6,600 XNUMX/kg. 

Men som en buss är du föremål för deras tidslinjer och destinationer - och ärligt talat konkurrerar du om kapaciteten mot deras egna Starlink-satelliter. En ytterligare oro, i vissa situationer, är att exakt utplacering i en specifik omloppsposition är omöjlig utan en dedikerad uppskjutning. För närvarande finns det också en tvåårig (eller mer) väntetid för samåkningsuppdrag. Många smallsat-företag har redan att göra med snäva tidslinjer, så all osäkerhet eller väntan på lansering är smärtsam. Denna verklighet har öppnat dörren för mindre, dedikerade lanseringsleverantörer som kartläggs närmare efterfrågan på mindre nyttolast och har mer personliga scheman och destinationer — effektivt, en rymdbud.

Det finns dussintals företag som arbetar i detta segment. Eftersom raketen är mindre och har lägre utvecklingskostnader, har vi sett lite mer flexibilitet när det gäller design av uppskjutningssystem: uppskjutning från ett mellanflygplan, hypersoniska plattformar, kinetisk första etappoch helt återanvändbara raketer. Just nu är Rocket Labs Electron ledande i denna små/medelstora uppskjutningskategori, flygande nio gånger 2022 (Jag skulle ha placerat Rocket Lab i kategorin "Big" med tanke på Neutrons utveckling, om inte för framgången med Electron). Andra, som Astra och Firefly, lyckades också lansera förra året, och fler ligger precis bakom dem.

Uppriktigt dock, Jag förväntar mig att den här marknaden kommer att bli tuff. Även om det finns en efterfrågan på dedikerad lansering, och den kommer säkert att öka under de kommande åren, kommer det sannolikt bara att finnas en handfull spelare (eller färre) med betydande marknadsandelar. Idag kommer den som faktiskt kan lansera att få affärer, även om jag förväntar mig att detta kommer att förändras när fler system går online. (Men även framgångsrika lanseringar kommer inte att rädda dig om ekonomin inte fungerar, som nyligen visades i fallet med Jungfru Orbit.) Tillförlitlighet och schemaläggning kommer att vara viktiga skillnader mot större raketer, men inom det mindre raketekosystemet kommer kostnaden att vara en differentiator för att vinna affärer. Prisnedgångar kommer sannolikt att delas in i tre kategorier: 

1. Minimera drivmedelsmassan: Använda luftandande jetmotorer för att nå snabba hastigheter innan man tänder en mindre effektiv raket, eller använda en annan icke-förbränningsmetod för att öka hastigheten
2. Större återanvändbarhet: Att bygga snabba, helt återanvändbara system som effektivt gör kostnaden för lansering lika med kostnaden för drivmedel
3. Att bygga större raketer: Fasta kostnader och stordriftsfördelar gör större raketer billigare per kilo, men du måste hitta kundens efterfrågan för att göra detta lönsamt

Vi ser också redan företag som Rocket Lab, Relativity och Astra fokusera sina ansträngningar på att bygga större, billigare raketer per enhet, som Neutron, Terran R och Rocket 4. Små raketer vill bli medelstora raketer, om inte större – Även SpaceX började med den lilla Falcon 1 innan de fokuserade på den större Falcon 9. Dessutom har företag i detta segment utvidgats till närliggande marknader; Rocket Lab gör faktiskt mycket av dem intäkter från deras Photon rymdfarkoster och Astra fokuserar intäktsinsatser på deras förvärvade framdrivningssystem. Allt detta för att säga det storleken på denna dedikerade lanseringsmarknad är fortfarande oklart, och överlevnad kan kräva att expandera till andra utrymmen med högre marginal. 

Mer pessimistiskt, när den stora lanseringsmarknaden växer för att driva megakonstellationer och destinationer i omloppsbana med högre energi, kan de också driva fler åkande. Dessa ensamma kommer inte att täcka utvecklingskostnaderna för stora raketer, men de kan fortfarande vara lönsamma att skjuta upp på regelbunden basis och de kommer sannolikt att dra efterfrågan bort från dedikerad uppskjutning. Vidare kan utvecklingen av effektiva satellitframdrivningssystem och rymdbåtar eliminera önskan om exakta omloppsbortfall. Rideshare kan göra det svåra, då kan du hitta ett annat sätt att gå den sista milen en gång i omloppsbana.

Nationell säkerhet kommer att driva lanseringar

Som nämnts ovan är också regeringar stora köpare av lanseringstjänster, och deras engagemang spelar definitivt roll när det kommer till hur lanseringsmarknaden kommer att utvecklas. Faktiskt, 109 av de 186 lanseringarna globalt förra året var dedikerade till statliga nyttolaster. När det gäller branscher som är relevanta för nationell säkerhet kommer regeringar att göra allt för att upprätthålla en hälsosam industri av inhemska leverantörer - och naturligtvis, utrymmet blir allt mer kritiskt. 

Idag kan bara en handfull nationer regelbundet gå in i omloppsbana. Det finns faktiskt tre spelare – USA, Ryssland och Kina – med avlägsna rivaler i Europa, Indien, Iran, Israel och Sydkorea. Det kanske mest oroande är att Kina har accelererat sina lanseringsansträngningar de senaste åren och planerar att distribuera en 13,000 XNUMX-satelliter megakonstellation av sina egna. 2022 såg den geografiska uppdelningen av lanseringen ut så här:

Det finns en global efterfrågan på lansering; förra året, SpaceX flög 3 uppdrag bestående av utländsk statlig hårdvara, och det finns många internationella satellitföretag som söker orbital access. De största lanseringsleverantörerna kommer att finnas kvar i de största ekonomierna, men en växande internationell efterfrågan kommer sannolikt att subventioneras av de regeringar som vill ha det och kanaliseras mot inhemsk industri. Dagarna då SpaceX skjuter upp tyska eller japanska statliga satelliter kommer sannolikt att försvinna.

Om en nation inte har lanseringskapacitet och har råd med det, kommer de troligen att utveckla den. Sydkorea har nyligen uppnått detta, och Australien försöker följa efter senare i år. Däremot är tillgängliga startplattor en begränsande faktor här, eftersom de flesta länder saknar bra lägen. Många av Europas lanseringar sker till exempel i Franska Guyana. För att komma till rätta med detta kommer vi sannolikt att se länder som samarbetar för att utveckla delade avfyrningsramper, eller fokusera på alternativa uppskjutningsmetoder som inte kräver dem – som uppskjutning från ett mellanflygplan.

Varför spelar uppskjutningskapaciteten någon roll? Taktisk respons: förmågan att snabbt designa och skjuta upp en rymdfarkost för att ersätta en skadad satellit ... eller annat kinetisk saker. Ett land med säkerhetsproblem bör inte förlita sig på en annan nation för denna tjänst. Med tiden förväntar jag mig att de flesta avancerade länder utvecklar en inhemsk lanseringsindustri, troligen små nyttolaster, om så bara för att upprätthålla snabba insatser i tider av konflikt. Taktisk respons är en explicit mål för den amerikanska rymdstyrkan, och förra året Firefly valdes ut att delta i den tredje TacRS-övningen, "Victus Nox" 

Framtiden för lanseringen

Framväxten av den kommersiella uppskjutningsindustrin katalyserade tillväxten av den moderna rymdekonomin - både direkt i omloppsbana och på marknader som möjliggörs av tillgångar i rymden. Liksom de transkontinentala järnvägarna i slutet av 19-talet kommer många av dessa företag inte att överleva, men deras ansträngningar kommer att lägga grunden för en ny gräns. Utan tvekan har SpaceX varit huvudarkitekten för detta framsteg hittills. 

Men även med veckovisa uppskjutningar av Falcon 9 är det fortfarande otroligt dyrt att flytta massa till och runt i rymden. Detta beror delvis på att även de bästa raketerna lider av "tyranni raketekvationen,” en fysikprincip som illustrerar en av fältets stora utmaningar — att det krävs drivmedel för att lyfta drivmedel. Medan flygplan vanligtvis lyfta med cirka 50 % av deras massa som bränsle, raketer svävar runt 85 %, räkna både bränsle och oxidationsmedel (flytande syre). För att minimera den totala mängden drivmedel som behövs för ett uppdrag, minskar vikten mitt i lanseringen. Ofta innebär detta att man släpper det tunga och kraftiga första steget efter att ha stigit bortom de tjockare delarna av atmosfären. Genom att minska vikten mitt under flygningen är det lättare att uppnå omloppshastighet med andrastegsmotorn. Vanligtvis brinner det andra steget upp i atmosfären vid återinträde.

SpaceX har uppnått ett antal förstaplatser här. Nämligen banbrytande snabb återanvändning av det första steget genom vertikal landning, och utveckla några av de bästa raketmotorerna med Merlin och Raptor, där de senare tävlar om att bli den första framdrivningssystem med fullflödesmetalox att nå omloppsbana. När det gäller raketer skulle detta vara en betydande prestation som hjälper till att balansera specifik impuls (bränsleekonomi), lagringsmassa för drivmedel och ren dragkraft – dämpar raketekvationens tyranni.

Liksom ett flygplan är det dock mycket dyrare att bygga en raket än att tanka den - Falcon 9:s drivmedel kostnaderna är bara runt 200,000 XNUMX USD per flygning. Den överlägset dyraste delen av en raket är det massiva första steget, nästan 60 % av den totala kostnaden för Falcon 9. Ett återanvändbart första steg amorterar detta över ett antal lanseringar, som nu överstiger 10 för Falcon 9. Naturligtvis skakade lanseringsmarknaden om att minska den största kostnadsfaktorn.

Frågan är nu: Vad är nästa för lansering i sitt nuvarande tillstånd? Ser man längre fram, vilka nya möjligheter som kommer att öppna sig när nästa steg funktionsnedgång i lanseringskostnader inträffar?

En våg av nya raketföretag försöker avsätta Falcon 9:an genom att uppnå ännu större återanvändbarhet och ytterligare sänka produktionskostnaderna. Personligen är jag exalterad över Stoke Spaces helt återanvändbara raket, Relativity Spaces 3D-printade motorer och Rocket Labs strukturella innovationer i deras neutronuppskjutningssystem. Verklig konkurrens på lanseringsmarknaden kommer, och det är troligt att vi kommer att se Falcon 9:s dominans – och marginaler – urholkas när konkurrensen kommer online.

Dock SpaceXs Starship, en 100,000 XNUMX kg nyttolast, helt återanvändbar raket kommer att helt förändra rymdens ekosystem. Och detta är inte bara för att distribuera stora volymer Starlink-satelliter. Starship gör rymdmarknader för fysiska varor och att flytta människor, blir mycket verkliga möjligheter. 

Även om Starship inte kommer att starta vid breakeven, inte heller kraftigt underskrida befintliga priser, det kommer inte desto mindre att inleda en era av större nyttolaster, obegränsad av massa, för både i omloppsbana och djupa rymdmål - realistiskt sett skulle något närmare $1000/kg fortfarande skaka om marknaden. Ett rymdskepp som sitter i LEO skulle också kunna fungera som en bensinstation och driva på ett nät av rymdfarkoster som betjänar kommersiella stationer och transporterar tillgångar överallt cis-månens rymd. Med Starship för logistik, budgetar för en månbas bli jämförbar med andra statliga forskningsprogram, och den försörjningskedja som krävs för en Marskoloni blir uppnåelig. 

Ser vi längre fram, kan vi tänka oss ett science-fiction-inspirerat enstegs rymdplan - något som liknar ett Star Wars X-Wing som kan lyfta från stillastående, nå marschhastigheter och sedan accelerera ut i rymden. Att helt optimera uppskjutningssystem för specifika atmosfärer och hastigheter - en övergång från jetmotorer till raketer - är otroligt svårt, men det är teoretiskt optimalt när det kommer till höghastighetsflyg. Vid lägre hastigheter skulle luftandande jetmotorer minimera riskerna med att bära oxidationsmedel, och vingar möjliggör assistans från aerodynamisk lyft. Att nå omloppsbana är en hastighet, inte en höjd, och om du utnyttjar jetmotorer när du accelererar i de tjockare delarna av atmosfären, innan du tänder snabbare raketmotorer, kan det vara möjligt att konkurrera med Starship-priserna. I denna mening skulle man kunna betrakta många hypersoniska företag som effektiva startsteg. Jag är fortfarande hoppfull om att mer avancerad teknik kommer att göra denna sci-fi-vision möjlig, banbrytande orbital access som speglar moderna flygfraktshastigheter för runt $2 till $5/kg. 

Lansering är den vackra början på en aldrig sinande resa. Att nå omloppsbana, än mindre bygga ett företag ur det, är oerhört svårt. I en värld av ökande oseriöshet, den rena komplexiteten i det hela ger dig hopp, vilket återspeglar mänsklighetens eldiga ande och djupa, eviga nyfikenhet för rymdens mysterier.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://a16z.com/2023/04/13/space-launch-who-what-where/