超重型发射器可能对下一代卫星产业产生深远影响

阿布杜拉·穆拉摄 科尼어,利雅得 重型发射器可以深刻影响下一代卫星产业 就像福特T型车一个世纪前革新了汽车的可及性一样，可重复使用的超重型火箭的出现预计将改变太空飞行，并使全球卫星行业民主化。 预计的航天发射成本降低仅仅是开始。这些新型巨大的火箭将改变卫星的形态，实现更大、更简单、更具成本效益的设计。它们将打破小型化的限制，增强卫星的功能，并解锁新的应用。它们还将引领卫星设计的下一步进化，其供应链将进一步催化蓬勃发展的航天经济，开创新型卫星的变革时代 。 登陆太空及对太空经济的影响 在世纪之交，航天发射格局开始转变，受商业航天企业崛起的推动，这些企业需要更经济的发射替代方案。俄罗斯和欧洲的物美价廉的选择成为众多全球商业卫星运营商的首选。美国通过整合其航天发射产业（波音的德尔塔和洛克希德·马丁的阿特拉斯系列是典型案例），并在2005年成立了联合发射联盟 （ULA）以创造成本协同效应，对此作出了回应。为了进一步降低发射成本并刺激航天产业的创新，NASA在2008年设立了商业轨道运输服务（COTS）和商业补给服务（CRS）计划，该计划使其焦点从资助火箭开发转向购买运输服务。SpaceX和OrbitalATK（现北欧格鲁曼）开发的火箭在这个时代发挥了关键作用，最终导致发射成本大幅降低。 为了充分利用这些新兴机遇，航天公司、投资者和政府必须适应不断发展的用例和商业模式，将自己定位为捕捉快速扩张的航天产业全部潜力的主体。 成本降低反过来极大地降低了进入太空的门槛，这一点从轨道发射次数和送往那里物体的不断增加以及全球航天经济的扩张（见第2页的图1）中可以看出。然而，这种好处进一步加剧了当前航天工程面临的挑战：卫星小型化。 新型巨型火箭将改变卫星的形态，使设计更大、更简单、更经济。 超级重型发射器可以深刻影响下一代卫星产业1 卫星小型化及其对航天工业的影响 虽然发射成本有所下降，但将一公斤的有效载荷送入轨道的成本仍是其制造成本的五到十倍。与大众普遍认为的不同，火箭公司根据有效载荷在其货舱中占用的物理空间来收取费用；重量是次要考虑因素。质量和体积的双重限制导致了卫星的小型化，这一趋势深刻影响了卫星的性能、设计复杂性和市场集中度。 —性能约束。卫星小型化导致更小的外形尺寸，限制了天线 、孔径或电源等关键任务组件的尺寸。这些限制限制了基本性能指标，包括数据速率、带宽和图像分辨率。商业应用通常要求卫星的最低质量为200公斤，以有效满足其运行需求。因此 ，小型卫星的平均质量从2018年的196公斤增加到2023年的396公斤。1 —设计复杂性。卫星设计已发展到满足质量和体积的限制，但这需要高昂的成本和时间。钛等先进材料可确保性能，但价格昂贵。此外，设计和加工的复杂性要求劳动密集型生产方式 ，这增加了成本并延长了生产周期，限制了扩大生产的能力， 减缓了卫星部署。一个突出的例子是SpaceX的Starlink，它从最初的1.0版本260公斤发展到了2.0迷你版750公斤，这是由于其容量的增强。2尽管单位容量的成本有所下降，但由于尺寸限制带来的复杂性增加，整体制造成本并未下降（参见图2 ，第3页）。 10% 8% 图1 全球航天经济已迅速扩张 每年轨道火箭发射次数 有效载荷和火箭舱段按轨道1 空间经济规模（十亿美元） CAGR+7% CAGR+6% CAGR+6% 221 12.6k 4% 8% 530 HEOGEO MEO 51k 235 75 LEO 2008 2023 2008 2023 2008 2023 1发射或碰撞产生的碎片不被计算。物体在被重新进入地球大气层后会从时间序列中减去。 来源：BryceTech，美国太空部队；凯尼分析 69% 12% 81% 8% 1来源：BryceTech 两种超重型 —能力集中。许多国家已采取措施发展本国卫星产业，特别是开发卫星星座日益增长的商业潜力。然而，复杂的设计和劳动密集型生产构成了进入壁垒，主要原因是高技能人才匮乏。这些人才往往集中在少数几个国家和公司，限制了供应链的全球化。 由于小型化，卫星工业仍然保持着手工艺性质，类似于高端机械手表，采用高度定制化的技术进行小批量定制设计。 75 图2 为了SpaceX的Starlink，单位容量的成本降低了，但整体制造成本并没有 单位产能成本 （‘000美元/千兆比特） –24% 每质量成本 （‘000美元/千克） +39% 11.8 1.1 8.9 0.8 星链 v1.0 星链v2.0迷你 星链 v1.0 星链v2.0迷你 来源：QuiltySpace；Kearney分析 51k 小型化限制了卫星行业从许多其他技术驱动市场中看到的典型学习曲线和规模经济中充分受益的能力。该行业仍然保持着手工艺的特点，类似于高端机械手表，即高度定制化的技术被小批量定制生产。每颗卫星的独特定制导致了上述的长期生产周期以及对一小群高技能人才的依赖。 2来源：QuiltySpace 超级重型发射器可以深刻影响下一代卫星产业3 巨型火箭新时代及其对卫星行业的影响 确保发射能力是源于日益激烈的卫星市场的另一个挑战。 在过去的二十年中，市场集中度显著提高，仅剩少数几家火箭公司能够满足成功发射的三个关键因素：可靠性、发射频率和成本。SpaceX的猎鹰9号火箭在同时满足这三个方面处于领先地位，实现了每周发射频率，处理了大约80%的所有送往轨道的有效载荷。 对少数发射公司的过度依赖迫使许多政府寻找能够在由SpaceX猎鹰系列主导的利基重型发射市场中竞争的发射替代方案。在2024年，ULA的火神半人马座、三菱重工业的H3和Arianespace的阿丽亚娜6成功进行了首飞，而蓝色起源的新格伦也取得了显著的研发进展。除了可靠性、发射频率和成本之外，随着新一代火箭的崛起，增加数量已成为另一个重要因素（见图3）。 为了不被超越，SpaceX正打算凭借其具有划时代意义的星舰巨型火箭再次颠覆发射市场。 图3 增加的容量已成为新一代火箭的另一个重要因素 高度(m) 30m25m20m 重型运载火箭 （20~50吨至近地轨道） 超重型运载火箭 （50~100吨至近地轨道） 15m10m5m 290m3 5.4米 直径 300m3 5.2m直径 300m3 5.4米 直径 490米3 7m直径 1000m3 8m直径 1300米3 10m直径 ariane64FalconHeavy(可消耗的) VulcanCentaur新格伦 （部分可重复使用） 飞船(reusable) SLS区块2 arianespaceSpaceX 从地球到达近地轨道20t63.8t27.2t45t150t143t ULABlueOrigin SpaceX阿尔忒弥斯 价格/公斤 6,7002,3514,4121,48920028,671 体积(m) 3)高频 少女之光 测试灯开发 来源：Kearney分析 超级重型发射器可能对下一代卫星产业产生深远影响4 它设计用于以可重复使用配置运输高达150公吨，并在可消耗模式下使用时运输高达250公吨。只有NASA的SLSBlock1a和Block2以及长征9与其相当，将星际飞船定位在重型运载能力的最前沿。其可重复使用技术可以将后续发射的边际成本降低至1000万美元。3在相对较短的时间内，星际飞船已经取得了重要的里程碑，例如安全发射许可、级间分离、达到轨道速度和再入（见图4）。 凭借这一史无前例的数量，星舰将引入一种新的卫星设计形态，这将凭借新的商业机会颠覆太空市场。 —下游应用的新用例。 更大型的卫星，由巨型火箭推动，可以携带更大的天线或孔径，为下游应用（包括卫星通信、物联网（IoT）、导航和地球观测）提供更高的数据率和分辨率。这种性能提升可以解决直接到设备技术的当前带宽限制，同时为潜在的人脸识别应用提供厘米级以下的图像分辨率。 然而，星舰似乎不仅能够提高可靠性、节奏和成本指标，还能提供前所未有的有效载荷容量。其货舱内部容积约为1,000立方米，与国际空间站的规模相当。货舱整流罩直径为8米，高度超过20米，能够容纳相当于两只半座头鲸那么大的货物，并且还有额外的空间和重量承载能力。 —小用户终端和其对消费者可穿戴设备的影响。另一个潜在的更大空间资产的好处是地面设备和用户终端的尺寸减小。如今，导航芯片组（GPS或替代品）是消费电子产品的不可分割的一部分，从手表到智能手机和无人机。具有更高传感和物联网能力的较小半导体可以为消费电子产品市场开辟新的前沿。 3来源：2024年载荷星舰报告 图4SpaceX的星舰巨型火箭已经达到了重要的里程碑 启动里程碑 重新进入地球的大气 伸手去轨道速度 阶段分离 启动板间隙 航班1（2023年4月）航班2(2023年11月)航班3(2024年3月)航班4（2024年6月）飞行时长~4分钟~8分钟~50分钟~65分钟 成就首个完全集成光源 of星舰，达到一个39km的高度 stageseparationbetween星舰和超重型火箭 星际飞船达到轨道速度和测试了 星链分配器门 成功再入 助推器与星际飞船 学习Identifiedissueswith 发动机故障，阶段分离，和 启动板 识别进一步发动机改进可靠性和光照控制系统 已识别改进 对于重新进入动力学以及热防护 系统 Identifiedissueswith航天器的热 保护系统在再入期间 来源：Kearney分析 5重型发射器 —提升太空商业模式的可行性。新式发射器和它们增加的货运能力将加速更快、更廉价的太空基础设施建设，这些是太空应用的主要推动力。例如，可以解锁微重力技术（如3D组织打印和超合金）的商业太空站，或能够全天候提供能源的太空太阳能电站。另一个潜在领域可能是载人航天和太空旅游，目前只有那些能负担得起高昂票价的人才能接触到。潜在地，巨型火箭未来可能提供点对点的飞行（例如从纽约到伦敦仅需30分钟），其经济性类似于商业飞机。 卫星设计与全球利益相关者的战略选择 太空重型发射器，如SpaceX的星舰、NASA的SLS以及中国的长征9号，将通过实现前所未有的质量和容量能力来革新太空能力，最终将影响卫星设计和全球供应链。对于投资者、卫星行业和政府来说，有几个战略选择需要考虑： —更多数据和数字经济。下游应用和整体数字经济驱动了超过80%的经济活动。4一个数量增加且容量增强的卫星将不可避免地产生大量的太空数据（在带宽、速度和维度方面），这将需要增强的处理和传输能力，例如轨道边缘计算和星间光链路。这些丰富的优质数据将为使用人工智能的应用创造机会。 —投资者下一波卫星，配备更大天线和孔径，将加速巨型星座的扩张。这一进步不仅将提高数据速率和分辨率，还将吸引航天投资者的兴趣，特别是在连接性（直连设备、物联网）和地球观测领域。此外，更广泛的投资界，特别是那些寻求数字经济机会的人，也将发现有吸引力的商业机会。由于数据在量和维度上的增长，光卫星链路、太空边缘计算和人工智能/机器学习应用将获得更多投资。 —卫星产业。新时代将通过减少传统上源于小型化组件需求的复杂性，将参与者的关注点从注重重量转向注重成本的卫星设计。更大更重的卫星允许使用更广泛的原材料，例如使用钢而不是钛，这将简化设计和制造流程。在这个新时代，卫星制造商将考虑改进他们的系统设计，因为通用平台和常见子系统的采用预计将加速。这将降低卫星成本，并使其更符合航空和消费电子行业的制造原则。 新纪元将使参与者在卫星设计中的关注点从关注重量转向关注成本。 —政府。卫星设计的变革将深刻影响制造业流程以及新兴经济体的竞争格局。卫星产业将从独特的卫星定制工坊模式转向大规模生产模式，加速太空资产的部署，并在国际范围内分散太空能力。在这个新阶段，新兴国家将复制其在消费电子和汽车产业发展中证明成功的策略。他们将专注于培养关键人才，并吸引具备成本效益的全球卫星制造商。 4来源：CST✲告 超级重型发射器可以深刻影响下一代卫星产业6 因此，重型运载火箭可以改变卫星产业，开