Космічний запуск: хто, що і куди ми йдемо

Повну картину ринку комерційних приміщень див. у нашій попередній публікації: Космос: карта ринку.

Кілька досягнень ілюструють Американський динамізм більш інтуїтивним способом, ніж вибух ракети. Це, у певному сенсі, контрольований хаос — кульмінація досвіду в ряді наукових дисциплін, що використовує вибухові сили, щоб уникнути тиску нашої планети. В останні роки технічні інновації та ринкові можливості започаткували екосистему нових постачальників, і домен, який раніше був зарезервований для націй, тепер очолюють приватні компанії.

Їхня проста мета — вивести на орбіту масу у вигляді комерційних чи державних космічних кораблів. Звичайно, це буквально ракетна наука, тому насправді в цьому немає нічого простого. Атмосфера Землі та гравітація намагаються стримати нас, і хоча сьогодні ми регулярно вириваємось на свободу, попереду ще багато інновацій, якщо ми справді збираємося відкрити простір для чогось, окрім супутників і дослідницьких місій. 

Це відродження екосистеми запуску є молодим, але з’являються сегменти. Існує багато ракетних компаній, і щороку з’являється все більше. Далі пояснюється, як працює ринок запуску та куди він може рухатися. 

Ринок запусків ракет

Останніми роками ціни на запуск стрімко впали, розширюючи потенціал для прибуткових програм. Примітно, що ми спостерігали зменшення розмірів супутників: від масивних супутників зв’язку на вищих орбітах до менших супутників дуже близько до поверхні Землі. Хоча вони можуть відрізнятися за розміром, вони залишаються схожими в принципі: Найбільшими сегментами космічної економіки сьогодні є супутники, які передають інформацію через електромагнітний спектр. Робити це в космосі справді дешево, як і на Землі, і це особливо варте того, якщо ці дані можуть підтримуватися лише космічною інфраструктурою (наприклад, дистанційними датчиками, супутниковим Інтернетом, GPS тощо). На даний момент інформаційні технології є королем космосу, і попит стимулюють як комерційні, так і державні клієнти.

Зрозуміло, що клієнти хочуть швидко й успішно вийти на орбіту за найнижчою ціною. Крім надійності та швидкості, price зазвичай вимірюється в $/кілограм (кг). Це часто виражається як ціна за одиницю, якщо ракета повна; більш практично, найнижчі витрати коливаються від 3,000 $/кг до 6,000 $/кг. Частково це пов’язано з вимогами до повторного використання, планування та обсягу. Проте більшість замовників не будуть заправляти ракету поодинці, оскільки деякі компанії мають потреби в корисному навантаженні, що перевищує десятки тисяч кілограмів.

Вартість запуску краще відображає справжню ціну досягнення орбіти. Ви можете заповнити повну вантажопідйомність і досягти найнижчих витрат у дол. США/кг, або заповнити лише невелику частину загальної ємності та заплатити більше за одиницю. Але компанія, що займається запуском, стягує однакову ціну, незалежно від того, працює він на повну потужність чи порожній. Природно, спільне використання поїздок дає змогу кільком компаніям розділяти вартість запуску, тому для порівняння зазвичай використовується «$/кг» (про це пізніше).

Для оптимальної ефективності та ціноутворення потужність запуску буде відповідати попиту на корисне навантаження. Великі ракети, які не заповнені, виявляються набагато дорожчими, ніж менші ракети, які повністю заповнені; У цьому сенсі економічна життєздатність може переважати над технічними можливостями. Ринок запуску зазвичай класифікується за масою, яку може нести ракета: мала, середня, важка, надважка. Я вирішив спростити це відповідно до груп клієнтів і випадків використання, а не лише можливостей запуску: Великий ракети запускають великі корисні вантажі, часто мега сузір'я, і Малий / Середній ракети запускають менші корисні вантажі, уможливлюючи спеціальне планування та місце розгортання космічних кораблів.

Сьогодні запустити ринок становить приблизно 12 мільярдів доларів, але, за оцінками, до 30 року він зросте до 2030 мільярдів доларів США або більше. Нижче наведено західних постачальників пускових операцій, які здійснювали принаймні один політ у 2022 році, включно зі старими гравцями, такими як United Launch Alliance (ULA) і Arianespace. 

Якщо ви можете їх заповнити, великі ракети є найдешевшим варіантом запуску на одиницю. SpaceX Falcon 9 виявився найефективнішим засобом для цього ринку, створюючи величезну кількість 60 із 91 західного пуску у 2022 році — а другого немає. Але ця статистика лише ілюструє, хто домінує в запусках: Unpacking the клієнтів у цьому сегменті розкриває ширшу інформацію про ринок запуску та його рух. 

Почнемо зі SpaceX. У 2022 році понад 50% SpaceX запуски були присвячені Starlink, яка зараз становить більшість об'єкти на низькій навколоземній орбіті (НОО). Це дуже «повні» запуски. Тут варто зазначити, що максимальне корисне навантаження Falcon 9 — 22,800 XNUMX кг — призначене для одноразової версії; його багаторазова версія ракети досягає максимуму приблизно на 80% зазначеної місткості — приблизно ~18,000 XNUMX кг для LEO. Навіть так, Місії Starlink регулярно упаковують понад 16,000 XNUMX кг (приблизно 50 супутників), і місії на геосинхронній орбіті (GTO) мають понад 4,000 кг. У 2022, чотири запуски Falcon 9 були присвячені США урядові корисні навантаження, а три інші були для союзних урядів. 

Для ULA шість із восьми запусків їхніх ракет Atlas V і Delta IV здійснювалися на урядовій апаратурі США. Більшість цих урядових корисних навантажень є дорогими, орієнтованими на дослідження або секретними та вимагають надійності; вони не можуть ризикувати невдалим запуском.

SpaceX Сокіл важкий знайшов унікальний варіант використання на цьому державному ринку, і його поточне використання ілюструє ширшу важливість відповідності розміру ракети попиту на корисне навантаження. Heavy спочатку був розроблений для потужної тяги, щоб доставити великі телекомунікаційні супутники на GTO — високоеліптичну орбіту, яка з часом переходить на геосинхронну орбіту (GEO), і її набагато легше досягти, ніж напряму до GEO. Однак за ці роки Falcon 9 настільки вдосконалився, що вкрав цей ринок у своєї сестринської ракети. У 2022 році приблизно 20% запусків Falcon 9 стосувалися великих комерційних корисних вантажів, що надходять у GTO.

Хоча ціни на одиницю Heavy дуже низькі, коли вона заповнена, лише деякі клієнти заплатять Ціна запуску 97 мільйонів доларів, коли Falcon 9 коштує 67 мільйонів доларів карти вартості краще відповідають їхнім потребам. Важкий літав би для місій Starlink, але його корисне навантаження фактично подібне до Falcon 9. По суті, ви все одно не можете вмістити більше Starlinks у Heavy, тому додаткова тяга нічого не варта. Крім того, труднощі з координацією досить великих панелей запуску ускладнюють планування. Минулого року Falcon Heavy літав лише один раз, доставляючи важкі супутники Космічних сил безпосередньо на GEO. 

Тим не менш, більшість ринку запуску припадає на розгортання великих угруповань на LEO. Це буде не просто Starlink. Інші великі розгортання телекомунікацій, як-от Amazon Project Kuiper і OneWeb, також потребуватимуть великих обсягів дешевих запусків. Однак, враховуючи конкурентну атмосферу, обидва ці угруповання, схоже, уникають запуску з SpaceX. Проект Койпер шукає в Arianespace, ULA і, звичайно, Blue Origin для їхніх майбутніх потреб. І OneWeb вибрав космічну програму Індії та майбутню ракету Relativity Terran R. Крім того, OneWeb запускає кілька корисних навантажень разом із SpaceX через останню хвилину скасування запусків російських кораблів «Союз» через війну в Україні. 

Існує також значний попит з боку інших супутникових операторів, хоча й не в масштабі супутників зв’язку. Наприклад, з 2017 року Planet Labs запускає російські та індійські державні космічні організації Arianespace, Rocket Labs, Northrop Grumman і SpaceX. Сьогодні з ~7,000 супутників на різних орбітах близько 1,000 працювати в якості дистанційного зондування, як Planet Labs.

Створення та підтримка все більшого угруповання супутників потребує великих ракет, і на цьому ринку, безсумнівно, є попит на тих, хто здатний надійно запускати. Варті уваги великі ракети в розробці:

Існуючі гравці, швидше за все, домінуватимуть на цьому ринку, а високі витрати на розробку — мінімум сотні мільйонів — поставлять нових учасників у невигідне становище. Більшість супутників, які відправляються в космос, як і раніше належатимуть і запускатимуться SpaceX; решта ринку, ймовірно, боротиметься за шматки інших великих сузір’їв. Крім того, втрата російського запуску фактично вивела з ладу близько 20% глобальних потужностей Amazon скупив майже все залишаючись життєздатними партнерами по запуску приблизно до 2025 року. Багато компаній, які почали будувати менші ракети, наприклад Відносність і Rocket Lab, зараз просуваються на вищий ринок, щоб скористатися цією можливістю. Ми побачимо, що ракети стануть настільки великими, наскільки зможе задовольнити звичайний попит на корисне навантаження — за деякими оцінками, десятки тисяч супутників по 2030. 

Однак, незважаючи на те, що більші ракети потенційно дуже прибуткові, все ще існує попит на меншому ринку, що підтримується значною активністю стартапів.

Малі/середні ракети: цілеспрямований спеціальний запуск

Якщо у вас є один 200-кілограмовий супутник, який ви хочете потрапити на LEO, ви не будете купувати цілий Falcon 9. Загальне рішення для цього полягає в тому, щоб придбати поїздку з великою ракетою, яка вже запускається та ділиться потужністю. . Минулого року, наприклад, SpaceX експлуатувала 3 спільні поїздки до LEO, щоб обслуговувати цей «залишок» ринку — починаючи з приблизно $6,600/кг. 

Однак, як і автобус, ви підпорядковуєтесь їхнім графікам і пунктам призначення — і, відверто кажучи, ви конкуруєте за пропускну здатність із їхніми супутниками Starlink. Додатковим занепокоєнням у деяких ситуаціях є те, що точне розгортання в конкретну орбітальну позицію неможливо без спеціального запуску. Наразі також існує дворічний (або більше) час очікування для місій із спільними поїздками. Багато компаній малого супутникового зв’язку вже мають справу зі стислими термінами, тому будь-яка невизначеність або очікування запуску є болючим. Ця реальність відкрила двері для менші спеціалізовані постачальники які наближаються до меншого попиту на корисне навантаження та мають більш персоналізовані розклади та пункти призначення — ефективно, a космічний кур'єр.

У цьому сегменті працюють десятки компаній. Оскільки ракета менша і має менші витрати на розробку, ми побачили трохи більше гнучкості в конструкції системи запуску: старт з бортового літака, гіперзвукові платформи, кінетична перша стадія та повністю багаторазові ракети. Наразі Electron від Rocket Lab є лідером у цій категорії малих/середніх запусків, польотів дев'ять разів у 2022 році (Я б відніс Rocket Lab до категорії «Великі», враховуючи розвиток Neutron, якби не успіх Electron). Інші, як-от Astra та Firefly, також досягли успіху в запуску минулого року, і багато інших лише за ними.

Але якщо чесно, Я очікую, що цей ринок буде жорстким. Незважаючи на те, що попит на спеціалізований запуск є, і він, безумовно, зросте в найближчі роки, ймовірно, буде лише кілька гравців (або менше) зі значною часткою ринку. Сьогодні той, хто справді зможе запустити, отримає бізнес, хоча я очікую, що це зміниться, коли все більше систем підуть в Інтернет. (Однак навіть успішні запуски не врятують вас, якщо економіка не спрацює, як нещодавно було показано у випадку з Дівоча орбіта.) Надійність і планування будуть важливими відмінностями від більших ракет, але в меншій екосистемі ракет вартість буде відмінною рисою, щоб виграти бізнес. Зниження цін, ймовірно, розподілятиметься на три категорії: 

1. Мінімізація маси палива: Використання повітряно-реактивних двигунів для досягнення високих швидкостей перед тим, як запалити менш ефективну ракету, або використання іншого методу без горіння для збільшення швидкості
2. Більше повторного використання: Створення швидких, повністю багаторазових систем, що фактично зрівнює вартість запуску з вартістю палива
3. Створення більших ракет: Постійні витрати та економія на масштабі роблять більші ракети дешевшими за кілограм, але вам потрібно знайти попит клієнтів, щоб зробити це життєздатним

Ми також уже бачимо, як такі компанії, як Rocket Lab, Relativity і Astra, зосереджують свої зусилля на створенні більших і дешевших за одиницю ракет, таких як Neutron, Terran R і Rocket 4. Малі ракети хочуть стати середніми, якщо не більшими – SpaceX також починала з маленького Falcon 1, а потім зосередилася на більшому Falcon 9. Крім того, компанії в цьому сегменті вийшли на суміжні ринки; Rocket Lab насправді робить багато з них дохід від їх Photon космічний корабель, і Astra зосереджує свої зусилля на придбанні силової установки. Все це, щоб сказати це розмір цього спеціального ринку запуску залишається неясним, і виживання може вимагати експансії в інші простори з вищою маржею. 

Більш песимістично, оскільки великий ринок запуску зростає, щоб підживлювати мегасузір’я та пункти призначення з вищою енергією на орбіті, вони також можуть використовувати більше спільних поїздок. Вони самі по собі не покриють витрати на розробку великих ракет, але вони все одно можуть бути прибутковими для регулярних запусків, і вони, ймовірно, відвернуть попит від спеціального запуску. Крім того, розробка ефективних супутникових силових установок і космічних буксирів може позбавити потреби в точних орбітальних висадках. Спільна поїздка може зробити важку частину, тоді ви зможете знайти інший спосіб пройти останню милю, опинившись на орбіті.

Національна безпека керуватиме запусками

Як зазначалося вище, уряди також великі покупці служб запуску, і їхня участь безперечно має значення, коли справа доходить до того, як розвиватиметься ринок запуску. Насправді, 109 із 186 запусків у всьому світі минулого року були присвячені державним корисним навантаженням. Коли справа доходить до галузей, що мають відношення до національної безпеки, уряди докладатимуть усіх зусиль, щоб підтримувати a здорова промисловість вітчизняних постачальників - і звичайно, простір стає все більш критичним. 

Сьогодні лише кілька країн можуть регулярно виходити на орбіту. Є фактично три гравці — Сполучені Штати, Росія та Китай — з віддаленими суперниками в Європі, Індії, Ірані, Ізраїлі та Південній Кореї. Можливо, найбільше занепокоєння викликає те, що Китай прискорив свої зусилля щодо запуску в останні роки та планує розгорнути a Мегасузір'я з 13,000 XNUMX супутників своїх власних. У 2022 році географічний поділ запуску виглядав так:

Існує глобальний попит на запуск; минулого року, SpaceX здійснила 3 ​​місії що складається з обладнання іноземних держав, і є багато міжнародних супутникових компаній, які прагнуть отримати доступ до орбіти. Найбільші постачальники запусків залишаться в найбільших економіках, але зростаючий міжнародний попит, ймовірно, субсидуватиметься урядами, які цього хочуть, і спрямовуватиметься на вітчизняну промисловість. Дні, коли SpaceX запускала урядові супутники Німеччини чи Японії, ймовірно, зникнуть.

Якщо країна не має пускових потужностей і може собі це дозволити, вони, ймовірно, розроблятимуть її. South Korea нещодавно досягла цього, і Австралія намагається слідувати пізніше цього року. Однак доступні стартові майданчики тут є обмежуючим фактором, оскільки більшості країн бракує хороших місць. Багато європейських запусків, наприклад, відбуваються у Французькій Гвіані. Щоб вирішити цю проблему, ми, ймовірно, побачимо країни-партнери для розробки спільних стартових майданчиків або зосередимося на альтернативних методах запуску, які їх не вимагають, як-от запуск із бортового літака.

Чому потужність запуску має значення? Тактична відповідь: здатність швидко розробити та запустити космічний корабель для заміни пошкодженого супутника … або інше kinetic речі. Країна, яка має проблеми з безпекою, не повинна покладатися на цю послугу від іншої країни. Я очікую, що з часом більшість розвинених країн розвинуть індустрію пускових установок, імовірно, невеликих корисних навантажень, хоча б лише для підтримки можливостей швидкого реагування під час конфлікту. Тактична відповідь явна мета Космічних сил США, і минулого року Для участі був обраний Світлячок у третій вправі TacRS, “Віктус Нокс" 

Майбутнє запуску

Зростання індустрії комерційних запусків стало каталізатором зростання сучасної космічної економіки — як безпосередньо на орбіті, так і на ринках, завдяки активам у космосі. Подібно до трансконтинентальних залізниць кінця 19-го століття, багато з цих компаній не виживуть, але їхні зусилля закладуть основу для нового кордону. Без сумніву, SpaceX досі була головним архітектором цього прогресу. 

Однак, навіть із щотижневими запусками Falcon 9, переміщення маси в космос і навколо нього все одно неймовірно дороге. Частково це тому, що навіть найкращі ракети страждають від «тиранія в рівняння ракети”, фізичний принцип, який ілюструє одну з найбільших проблем галузі — те, що потрібен пропелент, щоб підняти паливо. Тоді як літак типовий злітають, приблизно 50% їх маси становить паливо, ракети зависають близько 85%, підрахунок як паливо, так і окислювач (рідкий кисень). Щоб мінімізувати загальну кількість палива, необхідного для місії, вага зменшується в середині запуску. Часто це передбачає скидання важкої та потужної першої ступені після підйому за межі товщі частин атмосфери. Завдяки зменшенню ваги в польоті досягти орбітальної швидкості з двигуном другого ступеня легше. Як правило, друга ступінь згорає в атмосфері при повторному вході.

SpaceX досягла ряду перших тут. А саме, піонерське швидке повторне використання першого ступеня шляхом вертикальної посадки та розробка одних із найкращих ракетних двигунів із Merlin та Raptor, останній змагається за те, щоб стати першим. повнопотокова металоксова силова установка вийти на орбіту. З точки зору ракетобудування, це було б значним досягненням, яке допомагає збалансувати питомий імпульс (економію палива), масу палива та чисту тягу – пом’якшуючи тиранію ракетного рівняння.

Однак, як і для літака, створення ракети набагато дорожче, ніж її паливо — паливо Falcon 9 витрати становлять лише близько 200,000 XNUMX доларів США за рейс. Безумовно, найдорожчою частиною ракети є масивний перший ступінь, близько 60% від загальної вартості для Falcon 9. Багаторазовий перший ступінь амортизує це через кількість запусків, які тепер перевищують 10 для Falcon 9. Природно, що зниження найбільшого фактора витрат похитнуло ринок запуску.

Питання зараз: Що далі для запуску в його поточному стані? Дивлячись далі вперед, які нові можливості відкриються коли відбудеться зниження витрат на запуск функції наступного кроку?

Хвиля нових ракетних компаній прагне скинути Falcon 9, досягнувши ще більшої можливості повторного використання та подальшого зниження витрат на виробництво. Особисто я в захваті від повністю багаторазової ракети Stoke Space, 3D-друкованих двигунів Relativity Space і структурних інновацій Rocket Lab у їхній системі запуску Neutron. Справжня конкуренція на ринку запуску наближається, і, ймовірно, ми побачимо, що домінування Falcon 9 — і маржа — зменшаться, коли конкуренція з’явиться в мережі.

Однак SpaceX Starship, повністю багаторазова ракета вагою 100,000 XNUMX кг повністю змінить космічну екосистему. І це стосується не тільки розгортання великої кількості супутників Starlink. Starship робить космічні ринки фізичних товарів і рухомих людей стають цілком реальними можливостями. 

Хоча Starship не буде запущено в беззбитковості, і не сильно знижувати існуючі ціни, тим не менш, це відкриє еру більшого корисного навантаження, необмеженого масою, як для орбітальних цілей, так і для цілей у глибокому космосі — реалістично, щось ближче до 1000 доларів США за кг все одно сколихне ринок. Starship, що знаходиться на LEO, також може діяти як заправна станція, підживлюючи мережу космічних кораблів, які обслуговують комерційні станції та транспортують активи по всьому світу. цис-місячний простір. З Starship для логістики, бюджети бази на Місяці стануть порівнянними з іншими урядовими дослідницькими програмами, а ланцюг поставок, необхідний для колонії на Марсі, стане досяжним. 

Дивлячись у майбутнє, ми могли б уявити одноступеневий космічний літак, натхненний науковою фантастикою — щось на зразок Зоряних війн X-Wing який може злетіти з місця, досягти крейсерської швидкості, а потім прискоритися в глибокий космос. Повністю оптимізувати системи запуску для конкретних атмосфер і швидкостей — перехід від реактивних двигунів до ракет — неймовірно складно, але теоретично це оптимально, коли мова йде про високошвидкісний політ. На менших швидкостях реактивні двигуни, що дихають повітрям, зведуть до мінімуму небезпеку транспортування окислювача, а крила допоможуть за рахунок аеродинамічної підйомної сили. Досягнення орбіти - це швидкість, а не висота, і якщо ви використовуєте реактивні двигуни під час прискорення в товщі шарів атмосфери, перш ніж запускати більш швидкісні ракетні двигуни, конкурувати з цінами Starship може бути реально. У цьому сенсі можна вважати багато гіперзвукових компаній ефективними розгінними ступенями запуску. Я все ще сподіваюся, що новітні технології зроблять це науково-фантастичне бачення здійсненним, новаторський доступ до орбіти, який відображає сучасні тарифи авіаперевезень приблизно від 2 до 5 доларів США/кг. 

Запуск — це прекрасний початок нескінченної подорожі. Вийти на орбіту, не кажучи вже про те, щоб побудувати на ній бізнес, надзвичайно складно. У світі зростання несерйозність, сама складність усього цього дає надію, віддзеркалюючи полум’яний дух людства та глибоку, вічну цікавість до таємниць космосу.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://a16z.com/2023/04/13/space-launch-who-what-where/