低轨卫星发射成本分析及80年后LEO发射成本预测

2100年后LEO发射成本预测

2023 年 3 月 1 日——中小型卫星用于遥感、观测、通信和太空探索等应用预计将在 2023 年推动卫星运载火箭市场 (SLVM) 的增长下一个十年。分析公司 BryceTech 每季度发布一次发射市场最新情况，报告称，2022 年第四季度，小卫星占发射航天器的 89%，占总质量的 39%（见图）。

按应用发射的卫星数量如下：通信80%、遥感10%、技术开发7%、科学1%、其他1%。BryceTech 报道称，在过去 10 年里，小型卫星打破了记录并正在改变太空架构。根据美国联邦航空管理局 (FAA) 的定义，600 公斤及以下反映了五个最小质量等级。601 至 1200 公斤之间被视为小型卫星，1,201 至 2,500 公斤之间被视为中型卫星。

501-2,200 公斤卫星质量部分拥有最高的市场份额，并且由于 SpaceX、Amazon Kuiper、Cloud Constellation、Urthecast、ISRO 等各个主要制造商的小型卫星星座数量增加，预计在预测几年内将会增长。

陆地平台在未来10年的全球SLVM中具有最高的市场渗透率。市场增长归因于具有成本效益的发射以及高成功率和部分运载火箭的恢复。

小卫星占 2013 年至 2022 年期间发射的航天器的 87%，而 2022 年期间则占发射航天器的 95%。2022 年总共发射了 1736 颗 Starlink 和 OneWeb Smallsat 卫星，其余 568 颗用于其他应用。

在发射Smallsat的主要国家中，美国位居榜首，占87%，中国占7%，印度占2%，俄罗斯占1%，其他国家占3%。

关于 2022 年运载火箭的类别，微小型运载火箭有以下火箭（电子、织女星、长征六号和长征十一号以及蓝彻一号。中型运载火箭有猎鹰 9 号、联盟号 2.1、PSLV、安塔瑞斯 230 。

航天工业的制造历来是一个耗时且昂贵的过程，由少数高度专业化的公司主导。波音、洛克希德·马丁和空客等巨头在某些时期占据了该行业高达 80% 的份额。凭借深厚的技术底蕴和行业专业知识，这些公司在航天器制造领域占据了相对寡头垄断地位，并利用自己的力量创造了可观的收入。

由于传统上有大量政府客户群、较高的进入壁垒以及相对较低的竞争，制造商几乎没有动力去追求垂直整合的制造方法。当然，考虑到太空系统的复杂性，承担与综合操作相关的额外技术风险所需的胃口足以吓跑任何制造商。更不用说，如果使用标准的成本加成政府采购方法，垂直一体化战略甚至可能降低公司的整体利润。

埃隆·马斯克、杰夫·贝索斯、保罗·艾伦和众多渴望回报的投资者登场。受到技术企业成功的鼓舞，这种新型太空牛仔带着大量资本突然出现，并期望每一美元都能得到高效、有效和有目的的使用。这些企业家抛弃了既定航天工业的规范，将延长的开发周期换成了专注于降低成本和削减不必要的公司包袱的敏捷方法。这些努力的成果令人震惊，给发射行业带来了 20 世纪 70 年代以来从未有过的重大变革。SpaceX、蓝色起源、Stratolaunch 等公司成功的背后是一个令人惊讶的一致趋势：垂直整合[1] [2]。

什么是垂直整合？

纵向一体化是指一家公司将行业价值链的其他要素归入共同所有制[3]。简而言之，它涉及将以前外包的业务纳入内部。企业可以垂直整合上游（远离最终用户，例如原材料生产）和下游（更靠近最终用户，例如提供数据分析），具体取决于它们在供应链中的相对位置[4 ]；图 1 深入详细介绍了此过程。

图 1. 上游与下游垂直整合

在石油和天然气等行业，完全垂直整合的方法不仅很常见，而且是开展业务的必要条件。在其他领域，例如汽车行业，企业可能更喜欢准一体化方法或其等效方法（例如长期合同）。一般来说，垂直整合战略是提高效率、控制成本和降低第三方风险的一种手段。图 2 详细介绍了垂直整合的常见好处，但值得注意的是，为了使该策略有效，这些激励措施必须超过与整合运营相关的高设置成本和额外风险。

图 2. 垂直整合的好处

卫星行业垂直整合的兴起

SpaceX 和 Blue Origin 出现近 15 年之后，航天工业几乎面目全非。星座计划早已不复存在，LEO 已取代 GEO 成为投资者的游乐场，大型、性能驱动的平台正在被成群的小型卫星所取代。以前存在加价文化，价格下降的压力和向商业收入来源的转变激发了人们对维持成本效益和高效运营的兴趣。

在很大程度上受到发射行业垂直整合活动的推动，卫星行业现在开始表现出更大的倾向，完全在内部制造、集成、运营，甚至管理最终用户销售。特别是在小型卫星领域，Planet、Spire 和GomSpace 等主要参与者已经至少部分采用了这一策略，SpaceWorks 的研究表明还有更多的公司仍在效仿。

图 3. 现代卫星制造价值链

卫星制造商很难抗拒像 SpaceX 这样的垂直整合运营的诱惑。对大型、分散的卫星星座（相对于单个、高性能的航天器）的日益关注，有助于实现规模经济以完成资本密集型业务案例。不一致的零部件供应商还带来了垂直整合有望解决的难题。对于小型卫星领域的许多人来说，为了开发他们希望服务的新兴市场，这甚至可能是势在必行的。

查看 SpaceWorks 的纳米/微型卫星市场评估，第 9 版，了解有关新兴小型卫星市场的更多信息。

尽管如此，垂直整合仍然是一项成本高昂、几乎不可逆转的企业战略，并具有重大的相关风险。虽然好处可能很大，但未能有效实施的公司会使自己处于极端劣势，在一个率先进入市场的公司似乎往往胜过快速追随者的行业中，这可能会付出高昂的代价——但事实不太可能CXO 团队中的迷失。那么，是什么让垂直整合突然在一个曾经几乎不知道存在这种战略的行业中如此引人注目呢？

为了更好地了解卫星制造行业垂直整合兴起背后的企业动机，SpaceWorks 进行了一项多部分研究，调查内部和外部控制、风险和不断变化的行业趋势如何改变卫星制造商的运营方式。这个不断发展的系列最初在 NASA 成本与进度研讨会上提出，旨在帮助卫星行业高管充分了解垂直整合决策的框架。

第一部分：必要之恶

随着小型卫星行业的兴起，整个行业都转向了分散的星座架构。这种转变对整个卫星制造行业产生了重大影响——也许最公开可见的是 Maxar 令人震惊的公告，即他们将缩减 GEO 部门，完全专注于小型卫星生产[5]。

当 Maxar 这样的传统巨头回归基础并提醒自己精益革命的教训时，Planet 和 Spire 等更敏捷的初创企业正在依靠软件革命来推动他们的努力 [6 ]。无论灵感如何，有一件事是明确的：游戏的名称是高效制造。对于追求大星座的运营商来说，规模经济不是奢侈品，而是绝对必要的。

这些公司绝大多数不是财力雄厚的政府机构或电信公司，而是跑道有限、富有进取精神的初创企业。这些组织在几周或几个月内进行思考，而不是几年或几十年……这与卫星行业相关的传统开发时间相去甚远。SpaceWorks 研究表明，他们不仅面临更短的时间框架，而且平均每年希望发射多达50 颗卫星。如果不进行极其精益的运营，那么完成一个需要每隔几年生产和发射数百颗卫星的商业案例是一项艰巨的任务。

尽管如此，建造卫星并不像组装电路板那么简单。垂直整合未能在 20世纪末的卫星制造领域获得关注是有原因的……部落专业知识、专有测试程序和既定流程都有助于保护传统制造企业免受垂直整合新进入者的影响。然而，随着小型卫星星座的涌入，传统制造可能已经遇到了对手。虽然使用传统方法和老牌公司生产较小的星座几乎肯定是有意义的，但 SpaceWorks 的研究表明，垂直整合的盈亏平衡点可能没有人们预期的那么高。

在图 4 和图 5 中，SpaceWorks 探讨了假设的 3U 和 300 kg 通信卫星星座在不同制造方法下的成本。在这两种情况下，成本都是根据SpaceWorks 工程团队提供的主设备列表进行参数估算的。平均单位成本（APUC）反映了星座的总开发和生产成本，按运行卫星的数量摊销。

对于垂直整合方法来说，APUC 最初相当高，反映了与建设新设施、流程等相关的前期成本。随着时间的推移，随着制造商开始实现显着的规模经济，APUC 显着下降，且下降速度比传统制造。SpaceWorks 的研究表明，由于企业能够吸收学习效应中几乎所有的盈余（不与供应商共享），并且可以更轻松地加快开发进度，因此能够大幅降低成本。

图 4. 3U 通信立方体卫星星座平均每单位成本

对于 3U 卫星星座，这些结果表明，在大约 88 颗卫星上，垂直集成制造方法与传统制造方法收支平衡。鉴于平均 3U 星座接近 150 颗卫星，这对运营商制造商具有重要意义：如果您不考虑垂直集成方法，您可能会浪费金钱。

图 5. 300 公斤通信小卫星星座平均每单位成本

在较大的卫星星座中，这个数字可能要低得多。对假设的 300 公斤通信卫星星座进行的类似分析得出，只有 39 颗卫星就达到了盈亏平衡点。许多因素导致该领域的盈亏平衡较低，包括渐进的学习效应以及传统和垂直整合方法的开发成本较高。鉴于这些类型的卫星的单位成本高出一个数量级，可以理解为什么资本限制阻碍了该领域过度采用垂直整合战略，但这些结果表明这实际上可能是值得的。对于较大卫星星座的运营商来说，这意味着尽管前期支出较高，但垂直整合方法可以迅速弥补较高的初始设置成本。

当然，单位成本只是一个更为复杂的等式的一部分，该等式必须考虑资金的时间价值、企业风险和现实的资本约束。然而，至少在最初阶段，实现规模经济似乎可能是选择垂直整合制造方法的重要动力。特别是对于追求大型卫星星座（100 个以上）的公司来说，尽管这种方法面临着巨大的挑战，但回报可能是巨大的。

2008 年9 月 28 日， SpaceX 首次成功将猎鹰 1 号运载火箭送入轨道。这次发射标志着航天工业的新时代，因为 200 公斤有效载荷火箭成为第一个由私人资助开发并进入轨道的液体燃料运载工具[1]。十三年后，SpaceX 占美国所有发射总量的 87% 以上。如今，更多的私人资助公司已开始测试自己的运载火箭，希望在未来几年内进入市场 [2 ]。

图 1.1美国主要运载火箭每年的发射次数

私人发射部门的成功促使美国宇航局加强私人航空航天合作，并开始向经过验证的和正在开发的发射器提供政府合同。此类合同的出现以及商业发射需求的增加使得航天发射行业迅速扩张。目前，仅美国境内就有 10 多枚重型和中型运载火箭以及 70 多枚小型运载火箭处于不同的开发或运行阶段[3]。虽然这提供了竞争机会，但太空发射需求可能不足以维持这么多公司，并可能导致市场饱和和整合。在本文中，我们旨在探索发射行业，并评估预计发射行业的经济可行性与未来 10 年预计有效载荷的数量，以确定真正需要多少运载火箭。

推出市场概览

在美国私人航天发射市场的现状下，我们将探索重型、中型和小型运载火箭。

图 2.1车辆分类、每公斤价格和主要应用

这三种运载火箭类别之间的主要区别在于近地轨道（LEO）的有效载荷能力。在本分析中，重型发射器是指能够向近地轨道发送 15,000 公斤或更多有效载荷的发射器，其中包括 SpaceX 的猎鹰 9 号和蓝色起源的新格伦号等运载工具。中型发射器的能力范围为 1,000 公斤至 15,000 公斤，例如 Firefly 的 Alpha 和 Rocket Lab 的 Neutron。小型发射器可覆盖 1,000 公斤以下的任何物体，包括 Astra Space 即将推出的 Rocket 4 和 Virgin Orbit 的 LauncherOne 等运载工具。每种类型的发射器都适合不同的任务类型，并且价格也有所不同，以反映客户的要求（见图 2.1）。

图 2.2当前或新兴运载火箭的发射价格（按类别划分）

重型发射器通常以每公斤低得多的价格提供服务，因为相对于小型发射器增加的固定成本负担，由于多个固定运营成本被摊销到较大的有效载荷上（见图2.2 ）。对于预算紧张或有效载荷没有敏感轨道或时间要求的客户来说，这通常是首选。通常，有效载荷与多个客户共享旅程，并被运送到低地轨道上对发射器来说最方便的一般区域。从那里，卫星使用机载推进器或轨道传输飞行器 (OTV) 到达预期目的地，这可能需要一些时间，具体取决于轨道。在大多数情况下，这仍然是最便宜的选择，但一些客户选择为其有效载荷提供专用的中型或小型发射。专用发射使用户能够更好地控制其有效载荷，并为其有效载荷提供更灵活的发射地点、调度和轨道交付选项。最终，选择哪个启动器的决定取决于多种因素，并且在很大程度上取决于客户的需求。根据美国联邦航空局的一份报告，在选择发射器时，车辆可靠性、性能、适用性和价格是最重要的因素[4]。

市场份额和有效负载预测

与 2012 年相比，重型运载工具已逐渐占据了向近地轨道交付的大部分有效载荷，这些有效载荷可由美国发射装置处理，我们预计它们将在本十年余下的时间内保持有效载荷交付的主导份额（参见图 3.3）。考虑到这些市场份额预测，我们对低地轨道有效载荷采用了 20-40% 的复合年增长率 (CAGR)，并根据业务运营的经济可行性和平等的市场份额生产了每个发射级别的最大可行车辆数量每个班级内。这一增长率说明了向美国私人发射提供商提供的政府合同的存在速度正在不断加快。进行了敏感性分析并在附录中进行了说明，以说明政府参与有限的航天发射市场。在每一类中，都使用加权平均质量计算来确定低地轨道的有效载荷。

对于重型发射器，考虑到 SpaceX 的 Falcon 9、Falcon Heavy 和 Starship 以及 Blue Origin的 New Glenn 和 ULA 的 Vulcan Centaur 等运载火箭，我们确定到 2030 年每次发射到 LEO 的有效载荷为 60,000 公斤，作为此类运载火箭的代表性估计。中型发射器的容量从 1,000 公斤到 15,000 公斤不等，主要代表火箭实验室的 Neutron 和 Firefly 的Beta 等正在开发的运载工具，因此到 2030 年，每次发射向近地轨道发射的加权平均重量为 8,500 公斤。最后，小型发射器的平均重量为 500 公斤每次发射，包括 Astra Space 的 Rocket 3、Virgin Orbit 的 LauncherOne 和 Rocket Lab 的 Electron 等运载工具。

图 3.3 2012 年、2021 年、2030 年每年 LEO 有效负载的市场份额（预计）

在每个运载火箭类别中，将预计的年度有效载荷质量送入轨道所需的发射总数是使用该类别的平均有效载荷容量来确定的。该数字除以单辆车每年实现收支平衡所需的发布数量。所得值提供了基于同等市场份额的特定年份经济上可行的运载火箭的最大数量。盈亏平衡计算包括劳动力、开发和发布成本，以及 5-10% 的应急利润，以应对意外费用或需求变化。业界预计运营商的启动成本和消费者的启动价格将普遍下降。花旗集团的一项行业分析预测，到 2040 年，运营商向 LEO 发射的成本将为每公斤 100 美元，这将反映在客户发射价格的大幅降低上[6]。本文的预测使用了这一假设，即所有车型的上市成本和价格都会下降，而利润率则会略有增加。

启动成本因车辆类别和车辆类型而异。由于制造此类车辆需要额外的时间、劳动力和设计要求，可重复使用的车辆通常会增加开发成本，但一旦定期推出，可以实现更低的成本。不可重复使用的车辆的开发成本较低，但每次发射总是需要制造一辆新车。这导致了更高的发布成本和价格，同时降低了利润率，并最终增加了实现收支平衡所需的发布节奏。可重复使用性在重型和中型起重车辆中受到青睐，几乎所有这两个类别的车辆都追求完全或部分可重复使用性。

考虑到其较大的运载火箭尺寸，对于这些发射器来说，降低发射成本和价格，同时承担额外的开发成本，最具有经济意义。对于小型发射器来说情况有所不同，其中只有约 40% 的正在开发的车辆计划可重复使用。该市场领域的大多数公司更愿意扩大更简单和更小型车辆的生产规模，而不是增加开发时间和成本来开发部分或完全可重用性。然而，如果这些公司无法实现高发射和生产节奏，这将使它们面临风险，其发射价格和成本的增加将使它们无法争夺小型升力车辆市场空间的市场份额。在本次分析中，重型和中型车辆将被视为可重复使用，因此在增加利润率的同时承担额外的开发成本。小型举升车辆市场将根据当前的可重复使用状况进行划分，其中40%的车辆可完全或部分可重复使用，其余车辆无意在2030年之前实现可重复使用。有关计算所用的基本假设和指标，请参见表3.1 。

表 3.1本次评估的基本假设

结果分析

考虑到这些假设和 40% 的有效载荷复合年增长率，所有三类车辆的总目标市场与当前运营或开发中的车辆之间存在显着差异（见图 4.1 a、b 和 c）。

虽然我们预计重型运载火箭将获得最大需求，但市场目前预计到 2030 年将有 5 辆重型运载火箭，而我们的预测可持续现有运载火箭最多为 4 辆。这些现有或正在开发的飞行器包括 SpaceX 的 Falcon 9、Heavy和 Starship，以及 Blue Origin 的 New Glenn 和 ULA 的Vulcan Centaur。作为三类中最大的一类，重型车辆通常声称其开发成本超过 20 亿美元，但向 LEO 宣传每公斤成本最低。我们预计他们的服务将有一个重要的市场，因为价格仍然是客户的首要考虑因素。航天器推进技术的进步和OTV可用性的提高将进一步降低客户到达所需轨道的价格，并巩固重型运载工具作为航天发射主要提供者的地位。尽管如此，我们的预测仍然认为，此类车型的需求将无法维持所有五款车型的巨大开发和运营成本，并且该市场空间中效率最低的参与者将采取整合行动。

图4.1(a)预计公司（基于当前公告）和最大经济可行公司（基于计算）

虽然拼车在航天发射行业中受到了大部分关注，但喜欢灵活性和对其有效载荷加强控制的客户将为使用中小型运载工具的专用发射支付额外费用。中型运载火箭以火箭实验室的 Neutron 和 Firefly 的Beta 等正在开发的火箭为主导，平均开发成本为 5 亿美元，同时保持到 LEO 每公斤 8,000 美元的发射价格。尽管到 2030 年预计发射频率较低（40-50 次），但我们预计市场最多可容纳 3 辆中型车辆。专用发射市场最适合小型卫星，因为它们可能无法在需要的时间范围内乘坐共享发射。考虑到其规模，中型专用发射的大部分需求来自同一运营商的多颗小型卫星发射，或寻求特定发射时间和地点的重型卫星。我们认为对该服务的需求不足以维持市场目前预期的 4 家公司。

图 4.1(b)预计公司（基于当前公告）和最大经济可行公司（基于计算）

按年发射次数（而非有效载荷质量）衡量，小型发射器预计将占据大部分专用发射市场。它们较小的尺寸提高了发射地点和时间方面的灵活性，并且每次发射的发射价格比中型运载火箭更低。预计到 2030 年将有近 180-200 次发射，小型运载工具平均运载 500 公斤到近地轨道，不可重复使用的运载工具需要 1.5 亿美元的开发成本，可重复使用的运载工具需要 2 亿美元的开发成本。根据我们对每年盈亏平衡收入和发射次数的预测，我们预计市场将有 5个小型运载火箭。由于规模较小、开发成本较小，小型发射市场的进入门槛最低，一直是许多寻求加入航天发射和物流市场的初创公司的切入点。截至 2021 年，仅在美国就宣布了 73 种运载火箭，其中大多数正在开发中，但目标是在 2030 年之前发射。与我们认为经济上可行的运载火箭数量相比，正在开发的运载火箭数量存在巨大差异，这主要是由于脱节公司估计与总目标市场之间的关系。一些小型发射商预计到 2025 年每年将进行 300 多次发射[7]，而 FAA 预计整个市场同一年将进行 160 次发射[8]。因此，我们认为没有足够的需求来维持大多数这些启动器，市场整合、产品转向和/或公司停产可能会随之而来。

图 4.1(c)预计公司（基于当前公告）和最大经济可行公司（基于计算）

采用更保守的方法和 20% 的有效载荷复合年增长率，市场预期大幅下降，并且进一步脱离当前运营或开发中的车辆。使用我们对发射市场增长更为保守的观点的相同方法，美国市场可以维持更少的未来发射运营商。2030 年市场发射总数为 134 枚，足以维持一枚重型运载火箭、一枚中型运载火箭和两枚小型运载火箭。在这两项估计中，我们仅考虑来自太空发射业务的收入。一些航天发射公司，如SpaceX和Rocket Lab，已经扩大了服务范围，以进入利润率更高的航天物流市场，并分摊了一些固定成本。虽然这可能会增加航天发射公司的盈利能力并减少所需的发射次数，但它只会让更多的运载火箭进入市场，因此对我们的分析影响很小，特别是在小型运载火箭类别中。

结论

低成本进入太空已被认为是商业太空经济的最大推动力。随着发射提供商通过改进制造技术和更好的技术降低成本，竞争正在帮助降低发射价格。因此，每年发送到轨道的有效载荷数量预计将在未来十年内大幅增加，许多公司都致力于为这些有效载荷提供运输服务。然而，我们的 SpaceWorks 商业与咨询团队进行的分析表明，运载火箭公司已经过度饱和，特别是在小型运载火箭类别中，有 73 家公司的运载火箭处于不同的开发或运营阶段。能够及早建立市场并证明自己能够可靠地交付客户有效载荷的发射提供商将拥有实现长期可持续发展的最佳机会。十年后的新进入者可能必须利用颠覆性技术和/或大幅降低的价格点来占领市场份额。

最终，随着预期的市场饱和和近期的经济状况，航天发射行业可能会出现资源整合、公司转向邻近市场（发动机供应商等）和/或公司无法运营的情况。发射行业对整个太空经济至关重要，但隐喻的桌子几乎已经满了，许多公司仍在寻找席位。

参考文件

https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_orbital_launch_systems

https://brycetech.com/downloads/FAA_Annual_Compendium_2018.pdf

https://www.gao.gov/assets/690/686613.pdf

http://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/e544/e544032.pdf

https://www.ulalaunch.com/docs/default-source/evolution/vulcan-aces-and-beyond-providing-launch-services-for-tomorrows-spacecraft-(american-astronomical-society-2016).pdf

https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/345520/Feasibility%20analysis%20of%20a%20Satellite%20%26%20Broadband%20Internet%20Communications%20specialised%20NGO%20-%20Ignacio%20Cagiga%20Vila.pdf

https://www.spaceworks.aero/survival-of-the-fittest_launch_industry/

https://ourworldindata.org/grapher/cost-space-launches-low-earth-orbit

原文始发于微信公众号（太空安全）：低轨卫星发射成本分析及80年后LEO发射成本预测