Исследование рынка малых пусковых установок: где мы есть и в какую сторону движемся?

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 3(9) 2016

На фоне материала «Стратегия запуска малых спутников» Майка Сафьяна, директора по вопросам запусков и нормативно-правового регулирования компании Planet, в предыдущем номере журнала ROOM, в рамках настоящей статьи Дэниэл Лим, генеральный директор компании Xtenti в Лос-Анджелесе предлагает обзор рынка небольших пусковых установок и наводит на мысль о том, что он держит в руках ключ, чтобы распахнуть двери космического пространства для большего числа пользователей. Как утверждает автор, создание надлежащих условий откроет пресловутые шлюзы для космических технологических инноваций и доступной модернизации приходящих в упадок космических архитектур.

Доступ к космическому пространству всегда будет оставаться существенным препятствием для развития глобальной ракетно-космической отрасли, если только внезапно не появятся какие-либо весьма революционные технологические открытия. Как показывает серия неудачных запусков, предпринятых в первой половине 2015 года, вывод спутников на орбиту ни в коем случае не является тривиальной задачей. Вместе с тем эти события подтвердили, что ни одна космическая программа любой страны не застрахована от проблем, связанных с успешным подъёмом объектов на орбитальной скорости, значительно превышающей один километр в секунду, особенно стран, которые были первыми в индустрии космических запусков и в течение более полувека устремлялись вверх.

С учётом того, что формула запуска всегда будет представлять соотношение сил и средств на старте и требует очень сложных инженерных решений с многочисленными взаимосвязанными компонентами систем, которые должны выдерживать самые суровые условия, стоимость запуска, вероятно, останется относительно высокой, даже для наиболее перспективных новых стартовых систем, которые появляются на мировом рынке.

Однако при этом международная космическая отрасль должна по-прежнему переживать снижение стоимости запуска с применением инновационных технологий и стартовых подходов. Данная статья представляет собой сбалансированную дискуссию о тенденции увеличения числа малых ракет-носителей (РН), разрабатываемых для удовлетворения растущего спроса на запуски небольших спутников по всему миру.

Растущий спрос

Международная космическая отрасль наблюдает значительный рост интереса к потенциалу малых спутников (smallsat) для удовлетворения, казалось бы, неутолимой глобальной потребности в космических функциональных приложениях, таких как наблюдение за поверхностью Земли (EO), связь и наземные метеорологические данные. Подобный рост спроса на технологии и услуги smallsat является результатом взаимодействия по крайней мере четырёх основных факторов.

Синергетический эффект ускоряющего продвижения технологий и инновационных методик и наблюдаемой тенденции закона Мура, определяющего миниатюризацию аппаратных средств, подготовил технологическую базу, которая позволила более мелким спутниковым системам реализовать эффективные эксплуатационные возможности.

Кроме того, под влиянием глобального экономического спада, начавшегося в 2008 году, специалисты, принимающие решения в области космических программ, были вынуждены рассмотреть более эффективные и экономичные методы для создания, запуска и эксплуатации спутниковых систем и возможностей.

Соответственно, мы отметили повышенный интерес к ответу на вопрос, каким образом smallsats вписываются в уравнение более низкой стоимости космических архитектур за счёт того факта, что затраты на разработку космических аппаратов для этих небольших систем значительно ниже, чем для больших агрегированных систем. Кроме того, за прошедший год или около того сформировалась огромная часть рыночного спроса в свете перспективных возможностей, которые будут в состоянии обеспечить системы и архитектуры smallsat.

Журнал Forbes сообщает, что в США за последние 10 лет в коммерческую промышленность smallsat было вложено $ 2,5 млрд, причём более половины инвестиционных средств поступило в последние два года. Это инвестиции в коммерческие оперативные проекты smallsat, а не просто для демонстрации технологий и осуществления базовых научных экспериментов, проводимых государственными космическими организациями. И они обеспечивают широкий спектр возможностей, таких как мультиспектральные и гиперспектральные изображения, сбор метеорологических данных, GPS-радио и видеоэкранирование.

Откуда ни возьмись

По мере того как рынок smallsat продолжает расцветать, появляются многочисленные международные компании с различными системами и методологиями для удовлетворения растущего спроса на доступ подобных группировок небольших спутников к космическому пространству. Существуют три основные опции для доставки на орбиту smallsats: выделенные малые РН, совместное использование автономного космического корабля и размещение модуля полезной нагрузки на космическом аппарате сторонней компании.

Хотя в рамках данной статьи мы конкретно не рассматриваем последние два варианта запусков небольших полезных нагрузок, важно отметить, что инновации в этих областях, в свою очередь, приумножаются в результате увеличивающегося спроса на запуски smallsats.

Несмотря на экономию средств по сравнению с другими подходами, многие поставщики коммерческих космических аппаратов требуют большего контроля в рамках требований к целевым характеристикам, от которых в противном случае отказываются при полёте в качестве вторичного космического аппарата по отношению к первичному космическому аппарату при долевом полёте.

Учитывая тот факт, что такие провайдеры коммерческих smallsat имеют потребности доставки их космического корабля к определённым орбитам для создания своих группировок, многие из них ищут выделенные опции запуска вместо того, чтобы участвовать в первичной миссии при условии соблюдения требований. Такие коммерческие компании также надеятся на точность выдерживания графика, чтобы иметь гарантию, что их системы запущены и развёрнуты на рынке в срок по их выбору. Долевой полёт не является предметом контроля календарного графика полезных нагрузок smallsat по сравнению с выделенным запуском.

Тем не менее финансы компенсируют растущую потребность в оперативном контроле и точности выдерживания графика. Многие из новых поставщиков системы smallsat не в состоянии или не желают приобретать всю среду большого РН, стоимостью начиная от 60 миллионов до $ 120 миллионов долларов США. Даже цена вопроса для небольших и средних ракет-носителей такого класса, как «Минотавр C» компании Orbital Sciences Corporation и ракетоноситель Indian Polar Satellite Launch Vehicle, достаточно высока, чтобы удержать одного поставщика космических аппаратов от желания выкупить весь бустер для себя.

Эти факторы вызвали огромный интерес к поиску более дешёвых, выделенных опций запуска, особенно на небольшом рынке РН. В своём материале под названием «Обзор состояния индустрии малых ракетоносителей – 2015» Карлос Найдерштрассер и Уоррен Фрик представили исследование 22 новых небольших систем ракеты-носителя, а Натаниэль Крисп и др. представили подробный перечень новых небольших РН в своей статье «Запуск малого спутника на НОО: обзор текущих и будущих концепций стартовых систем».

В таблице приведён список текущих и будущих концепций малых РН, составленный на основе вариантов пусковых установок, параметры которых определили из нескольких источников. Таблица не ставит целью обеспечить всестороннее представление о всех малых РН, доступных на рынке на сегодняшний день и/или в ближайшем будущем. Данные получены из общедоступных источников информации, представляющих кое-какие статьи, интернет-исследования, а также сведения, разрешённые для передачи, полученные посредством личного контакта с поставщиками РН. Кроме того, автор получил информацию о других небольших пусковых установках, создатели которых ещё не готовы представить публично свои новые системы.

Перечень в таблице начинается с систем с наименьшей грузоподъёмностью до ракет-носителей, которые могут поднять 2500 кг на низкую околоземную орбиту. Из 38, зарегистрированных в списке, 13 в настоящее время функционируют и 25 ракет-носителей, новых участников рынка, в настоящее время находятся в стадии разработки с ориентацией на упомянутый выше возрастающий интерес к этому классу пусковых установок.

Ещё более достойный внимания факт: 30 малых пусковых установок, грузоподъёмность которых классифицируются как менее или равная 1000 кг: 24 из них, являются новыми участниками рынка в стадии разработки. В стадии разработки находится только одна ракета-носитель («Ангара 1.2», планируемая замена более ранней версии «Днепр») грузоподъёмностью от 1000 до 2500 кг по сравнению с существующими семью небольшими пусковыми установками в этой группе. Такое впечатление, что данные тенденции подчёркивают интерес к выделенным запускам с прямым выводом одного или очень скромного числа небольших спутников с долевым участием. Как можно заметить, на самом деле прошёл большой бум в перспективных малых пусковых установках по всему земному шару.

Уравновешиваем оптимизм реальностью

Реальность стоимости запуска требует обсуждения сопутствующих факторов. Согласно автору статьи «Изменение методики расчёта доступа SmallSats в космическое пространство в корне меняет расстановку сил в промышленном секторе», существует общее заблуждение, что стоимость запуска ракеты-носителя прямо пропорциональна размеру пусковой установки.

По сути, масса ракеты-носителя, составляющая ноль килограммов, не сопоставима с нулевыми затратами. Дело в том, что совокупные расходы на проектирование бустера, производство, запуск, логистику и инфраструктуру накручивают базовую стоимость запуска даже самых маленьких систем ракеты-носителя. Порог стоимости запуска почти неизбежно будет относительно высоким даже для небольших ракет-носителей из-за колоссальных трудностей, связанных с выводом космического аппарата на орбиту в отсутствие крупных научных прорывов.

На самом же деле малые выделенные РН конкурируют на рынке с более крупными полётными версиями в секторе как выделенного долевого участия – райдшеринга (так называемый кластер), так и традиционного райдшеринга (так сказать, «падать на хвост»), состоящего из вторичных smallsats, сами собой пристроенных к запуску основной миссии. Проблема заключается в том, что чем больше РН, тем более увеличивается вероятность разделить затраты на запуск на большее количество квот для smallsat, тем самым снижая стоимость запуска для каждого отдельного маленького спутника.

Несколько статей, написанных на эту тему, отметили, что стоимость запуска малых спутников обычно возрастает по мере уменьшения размера РН, используя критерий, называемый «удельная стоимость», которая измеряется в цене за килограмм. В другой своей статье Крисп и др. отмечают, что «удельная стоимость полезной нагрузки, доставленной на орбиту... отметили снижение по мере расширения возможностей ракеты-носителя доставлять полезную нагрузку на орбиту». Они использовали критерий под названием «полезная нагрузка импульса» – «полный импульс, придаваемый полезной нагрузке», который после сопоставления между пусковыми установками выявил основную тенденцию обратной зависимости между способностью РН и ценой за килограмм.

Интервью с ключевыми субъектами в отрасли, казалось, указывают на уравновешенную настороженность по отношению к реальности рынка малых запусков. Каждый из респондентов выразил обеспокоенность тем фактом, что, по-видимому, оказалось чуть ли не слишком много новых участников рынка малых РН и рынок будет быстро насыщаться выделенными опциями запуска для smallsats.

Один хорошо известный поставщик РН заявил, что «ожидается естественное разреживание рынка небольших пусковых установок». Поставщик отметил, что многие из новых игроков требуют «высокий уровень запуска для достижения [их] агрессивных целевых показателей стоимости» и что присутствует некоторая «оторванность от жизни в оценке того, что требуется для космического запуска... но они узнают... сопутствующие факторы, обязательные для запуска, являются очень дорогостоящими; это больше, чем просто ракета и топливный бак». Несколько других респондентов выразили аналогичные чувства.

Несмотря на представленные факты, рынок показывает, что некоторые поставщики smallsat были готовы заплатить немного больше, чтобы получить оперативный контроль и точность выдерживания графика, выкупив специальную пусковую установку, например, приобретение компанией Skybox Imaging целого бустера Vega. Тем не менее в своей статье «Разработка пусковых опций для распределенных систем малых спутников» Крисп и др. обращают внимание, что многие из участников рынка smallsat могут оказаться «не в состоянии экономически обосновать использование специальных ракет-носителей».

Тот факт, что многие провайдеры более грузоподъёмных РН не решаются признать использование квот (райдшеринг) любого вида из-за сложности, которую демонстрируют космические аппараты с многочисленными отсеками, впоследствии уравновесит рынок. Многие из поставщиков крупных бустеров начали отсылать небольших поставщиков космических аппаратов к сторонним интеграторам, которые агрегируют райдшеринг-миссии, чтобы облегчить нагрузку на поставщиков бустеров. Кроме того, многие поставщики первичных космических аппаратов не решаются включать традиционные вторичные квоты в свои запуски, опасаясь потревожить свои дорогостоящие миссии. Эти факторы толкают маятник обратно в пользу малых ракет-носителей.

Силы для будущего

Чтобы сбить дополнительную стоимость малых ракет-носителей, индустрия небольших пусковых установок должна продолжить использовать новые технологии и методы для вывода спутников на орбиту. Один из респондентов заметил, что большая часть пусковой индустрии «слишком сильно полагается на известные технологии для использования в новых системах», что, очевидно, является разумным и консервативным подходом. В то же время они рекомендуют промышленности продолжить рассматривать вливание инновационных технологий и упрощённых методик в будущие системы и космические полёты, которые включают в себя использование 3D-печати в космическом пространстве, гибридные двигатели и другие революционные способы для вывода системы на рынок.

Необходимо приложить все усилия, чтобы снизить стоимость запуска, чтобы сделать космическое пространство доступным для большего числа людей. Один космический инвестор лаконично заявил: «Нам потребуется всего 15 студентов в лаборатории, чтобы сделать спутник, но гораздо больше усилий, чтобы этот спутник запустить. РН должен стать быстрее, дешевле, проще».

Это интересно с точки зрения, что относительная стоимость разработки индивидуального небольшого спутника становится значительно ниже, чем стоимость его вывода на орбиту. Например, в веб-статье «Обоснование Cubesat и причины построить один» автор объясняет, что для создания приблизительно 1 кг 1 U CubeSat требуется, «как правило, меньше, чем US $ 50 000». Поэтому, если для создания 5 кг 3U CubeSat требуется приблизительно от US $ 100,000 до US 150,000, а в целом рыночная стоимость запуска 3U Cubesat составляет более US $ 300 000, то получается, что стоимость запуска в два-три раза превышает стоимость создания такого спутника. Промышленность должна продолжать стремиться к поиску решения дальнейшего снижения стоимости запуска.

В целом глобальная космическая отрасль испытывает необходимость сбалансировать три основных требования, а именно: оперативный контроль, точность выдерживания графика и доступность запуска, чтобы выработать лучшее решение о доступе к космическому пространству для своих конкретных потребностей. Космический запуск должен стать «продуктом, ориентированным на категории товаров широкого спроса», и стать предсказуемым по частоте и цене для малых спутников, а также стать относительно «недогматическим» с точки зрения ракетоносителя или метода доступа в космическое пространство. Сегмент рынка для выделенных небольших пусковых установок в сочетании с попутной полезной нагрузкой и традиционным, выделенным райдшерингом, является ключом к открытию космического пространства для большего числа пользователей. Создание такой среды откроет пресловутые шлюзы для космических технологических инноваций и доступной модернизации стареющих космических архитектур.

Автор материала:

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Small launcher market survey
 журнал ROOM №3 (9) 2016