发射市场底部的空间

上周是大型火箭的盛大一周！ SpaceX 第四次发射超重型助推器 + 星舰组合取得了巨大成功。波音公司的星际客机载人航天舱在 阿特拉斯五号，这是一款性能从未出过问题的火箭。在国内外新闻越来越令人沮丧的背景下，太空新闻为全球带来了积极的新闻头条。这些故事在遥远的法属波利尼西亚的电视上随处可见，我在那里潜水了一段时间。

塔希提岛法国电视台播放太空故事

格雷格·奥特里

然而，媒体很少关注新太空竞赛低端的激烈竞争，小型运载火箭和创新有效载荷有望为太空技术和运营带来革命。我们都熟悉技术的稳步小型化——无处不在的智能手机就是一个例子。每两年，我的手机就会像时钟一样变得更薄、更强大。它拥有更大的内存、更快的处理器、更耐用的电池和令我那台值得信赖的旧尼康数码单反相机相形见绌的新相机。这只是整个技术领域趋势的一种表现。类似的力量正在使卫星变得更小、更强大、更便宜。

尽管星际飞船将带来规模经济，但大型火箭不太可能在需要时准确地到达每个有效载荷需要到达的地方。对于 猎鹰 9 号拼车 发射或类似的大型火箭的机会，如 ULA 火神。商业航空是一个成熟的市场，与这种规模现象相似。并非每趟航班都由 A380 运营是有原因的。事实上，尽管双层飞机巨头提供了规模经济，但市场无法填满座位， 空客停止生产。

ULA 的强大 Vulcan 火箭将于 2024 年 1 月首次发射

格雷格·奥特里

在现实世界中，中型 737 / A230 级飞机仍然为商业航空公司做着繁重的工作。巴西航空工业公司和庞巴迪的小型通勤飞机每天飞行数千条航线，尽管每英里每座位的燃油成本高于 A380 或 787。航空公司客户很复杂，他们有超出每公斤美元的切实需求。从长远来看，航天发射行业将继续看到各种运载工具不断优化，以适应不同的有效载荷和客户任务要求。随着零部件和基础设施商品化，所有发射价格都将下降。像 航天发射系统 而星际飞船需要大量的基础设施和后勤规划，而小型发射器则可以轻松避免这些。

政治家 报告称，2022 年将发射超过 2,300 颗重量低于 500 公斤的卫星。其中许多卫星进入了极低轨道，计划运行寿命仅为几年。这种较短的寿命使它们能够依赖现成的芯片，这些芯片比经过辐射硬化的“太空认证”同类产品更便宜、性能更高。持续更新模式也推动了大量替代发射需求。

轨道并非单一目的地，将大量卫星从大型发射器重新定位到目标轨道并非免费，而且会产生大量成本。小型卫星通常推进力非常有限，大多数卫星通过精确地放置在最佳轨道上而受益匪浅。在错误的时间处于错误位置的成本包括额外的推进系统复杂性、推进剂和时间。浪费时间会减少收入机会并缩短卫星的使用寿命。一些公司正在研发有前途的太空拖船，例如 冲量空间 和 精彩瞬间 对于需要进行重大重新定位的卫星来说，这些选择也需要时间和金钱。我们需要拖船，但对于许多小型卫星运营商来说，这些钱可能最好花在首先将卫星发射到最佳轨道上。

考虑一下 SpaceX 猎鹰 9 号运输机任务 对于重量超过 50 公斤的卫星，基准价格约为每公斤 6,000 美元，而使用 Momentus 的 Vigoride 后，价格将跃升至每公斤 15,000 美元左右。

因此，鉴于大型火箭不太可能成为适用于所有发射的完美解决方案，小型发射器又该如何定位呢？ Rocket Lab 的电子火箭能够将约 300 公斤的有效载荷送入低地球轨道，可以说是目前市场领先的小型运载火箭，其服务价格约为每公斤 25,000 美元。这比猎鹰 9 号要贵，但这家美国/新西兰公司在寻找客户方面并不困难。Electron 非常适合专门发射小型（< 500 公斤）卫星或共享发射纳米/微型（< 100 公斤）卫星。

此类火箭适用于部署最小卫星星座，以及补充最初部署在较大飞行器上的卫星星座。（如 Rocket Lab 为 Spire 所做的工作）。调度灵活性和响应性对 Rocket Lab 的客户来说非常有价值。他们的卫星可以及时、正确地发射，他们可以更快地产生收入。响应式发射也为以下企业带来了明显的好处： 国防应用 以及更换因太空垃圾或太阳风暴损坏而突然失效的卫星。

不过，小型发射显然还有成本改进的空间。SpaceX 已经建立了一个普遍的行业共识，即成本降低将不可避免地取决于火箭的可重复使用性，投资者现在也要求这一点。火箭的可重复使用性显然可以降低火箭的成本，因为它可以消除部分或全部制造、组装和验证火箭飞行的高成本。它还可以提高发射节奏，从而降低发射场的固定成本。

火箭再利用还有一个重要的生态角度。火箭对环境的影响大部分是在制造过程中产生的。这些复杂机器的整个供应链的开采、制造和运输过程中都会产生排放和废物。因此，可重复使用性大大减少了每次发射的碳足迹，并且很可能在某个时候得到政府的强制要求。

Rocket Lab 最初并未追求可重复使用性，但该公司已对这一趋势作出反应，并正在努力重复使用 Electron 的助推级。Electron 不可能实现整个运载器的可重复使用性，因为需要更大的助推器来容纳能够再入大气层的上级。

然而，有几家新公司押注于完全可重复使用的小型运载火箭，他们从一开始就将这一点融入到设计中。其中包括总部位于美国的 斯托克空间， 也 天文学系统，一家总部位于英国的初创公司（我曾为该公司提供咨询）。这些公司提供颠覆性的设计，可以大大降低小型卫星的发射成本，提高发射速度，并实现可持续的轨道发射，而这正是市场真正需要的。

斯托克航天公司的 NOVA 火箭

斯托克空间

斯托克空间的“新星”火箭是一种完全可重复使用的小型运载火箭，上面级采用推进式降落。Nova 采用创新的发动机设计，上面级采用激进的主动金属隔热罩，而隔热罩实际上是由发动机提供的。这使得上面级能够直接重新进入地球大气层。它随时可以着陆并重复使用。如果成功，这枚雄心勃勃的小型火箭将成为现代太空工程中最令人印象深刻的工程壮举之一。

斯托克火箭的第一级燃烧甲烷——这是可重复使用助推器的流行燃料选择，因为它比猎鹰 9 号和电子火箭使用的 RP1 煤油燃烧更清洁。该公司在其卓越的上级火箭中使用了更强大的氢气。管理两种低温燃料以及所需的液氧使发射的后勤和基础设施变得复杂。此外，氢气 (H2) 是一种非常小的分子，事实证明它特别难以处理。如果处理得当，这是一个非常强大的组合，也是联合发射联盟为其高能 Vulcan 火箭选择的配置（今年 1 月，我有幸亲眼目睹了它首次发射成功）。

推进式着陆也带来了挑战。SpaceX 一直在这样做，我喜欢看猎鹰火箭助推器返回，感受它们戏剧性着陆后的音爆。不过，SpaceX 提供了一种一次性发射选项，因为着陆需要推进剂储备，这会降低有效载荷能力和发射性能。着陆还限制了可行的发射位置，并且可能需要使用昂贵的着陆驳船系统。

英国Astro Systems的Aurora概念车

天文学系统

另一方面，Astron Systems 对其“Aurora”小型发射器的设计进行了彻底优化，以简化和节省成本。Aurora 具有类似星际飞船的侧向再入结构，并配备被动热保护系统。利用 Aurora 的体积小，他们选择在两个阶段的最后下降时使用降落伞，并用直升机捕获，类似于 Rocket Lab 对 Electron 助推器重复使用的方法。这使得能够以最低的运营成本在海上回收火箭级，这对于从英国/欧洲航天港运营尤为重要。它还可以实现定期飞行，对周围居民的干扰最小。每个 Aurora 火箭级的尺寸都适合放入 45 英尺的集装箱内，便于运输，并将使用通用的甲烷/LOX 发动机，两个阶段共用。这些发动机设计为可重复使用，无需任何维护。Astron Systems 声称，他们的运载火箭的运营成本是所有小型发射器中最低的，专用小型卫星发射每公斤的成本低于目前 Falcon 9 的拼车定价。 对于一家发展速度比斯托克快得多的小型初创公司来说，这是一个大胆的断言，但正是这种想法将彻底改变航天工业。

观看这些年轻公司的竞争将会令人兴奋不已。我将在不久的将来介绍一些其他小型创业公司，并在我的新书中对此进行了讨论， 红月升起新的太空竞赛将不仅限于巨型火箭。正如理查德·费曼在 著名演讲 引发了纳米革命，“底部还有足够的空间。”