前沿观察新太空经济低成本,高技术Par
编译来源：花旗银行
报告原标题：“SPACE：TheDawnofaNewAge”
本文逻辑
发射成本的降低，推动新太空经济发展
可重用性是发射成本降低的主要驱动因素
新材料和工业方法将支持降低成本
机器人和电子系统
卫星技术不断改进
正文字，7-9分钟
自上世纪80年代以来，卫星的发射成本已经下降了大约40倍。根据预测，由于可重复使用、“新”材料和商业机构低成本经营的方法的采用，到年，发射成本将再下降95%，达到每公斤美元。同时，卫星技术不断改进：通信运营商转向采用更低运行轨道的更小、分散的解决方案，提高数据的吞吐量，具备更低的延迟，以及分辨率、刷新率和覆盖面积的全方位改进。
发射成本的降低，推动新太空经济发展
更低的发射成本是使太空服务易于获得更广泛应用的主要推动因素。自上世纪80年代以来，发射成本已经急剧下降，行业龙头的生产成本比同行低近75%。
进入太空时代以来，发射成本经过当前的美元/通货膨胀调整后的每公斤低地球轨道(LEO)的发射价格计算，成本下降呈现出三个阶段性特点：
早期的成本下降：一些早期系统的发射成本超过每公斤10万美元（如，20世纪60年代中期的Thor-DeltaE和Scout）。从年开始，用于阿波罗发射的土星五号的成本大幅下降（价格约为美元/公斤），在SpaceX最近两次猎鹰发射和几次俄罗斯发射（如安加拉）之前，仍然是最低的发射成本之一。
年至年保持稳定：年至年的平均发射成本保持相对稳定，中/重型有效载荷的平均成本约为美元/公斤，轻型有效载荷的平均成本为约美元/公斤。成本有范围限制，主要是由于新系统的开发很少、发射次数被减少、人类航天飞行所需的高可靠性，以及非工业和非商业文化（当时的发展都是由政府资助）。
年后成本下降：SpaceX率先在年发射猎鹰9号（约美元/公斤），年发射猎鹰重型（约美元/公斤）。这些火箭发射成本水平比年美国宇航局航天飞机的发射成本低30倍，比年至年的平均发射成本低11倍。另外，据法国航天局估计，蓝色起源的“新格伦”将发射公斤有效载荷的低地球轨道火箭，花费约万美元，表明发射成本约为美元/公斤，成本水平进一步下降。
图1.近地轨道卫星的发射成本(千美元/每千克,经年通胀调整后的美元)
据测算，由于发射规模的增加以及可重复性、更低的投入成本和高效的生产方法的采用，到年，发射成本将再下降95%，至大约美元/公斤。
SpaceX创始人兼CEO埃隆·马斯克提出了一个更雄心勃勃的目标，即实现SpaceX的星际飞船每公斤10美元的发射成本，其中大约三分之一是推进剂成本。这意味着运送吨进入轨道的总发射成本为万美元，如果通过推进技术的进步消除燃料成本，总发射成本将降低为万美元。然而，我们认为，如果要达到这一发射成本水平，需要在材料设计、推进技术和操作成本方面看到一个重大的变化。
可重用性是发射成本降低的主要驱动因素
火箭的可重复使用性是降低发射成本的关键。然而，由于技术障碍、较高的开发成本和着陆需要携带燃料而减少的有效载荷，使得大多数现有的火箭都不支持可重复使用性。
猎鹰9号和猎鹰重型火箭都有可重复使用的第一级（火箭中最昂贵的部分），然而，这花费了大约10亿美元来开发，而预计节省的成本可能需要一段时间获得规模来实现。马斯克此前曾表示，SpaceX的星际飞船将拥有完全可重复使用的上层/第二级和整流罩。
通过猎鹰9号和星际飞船来分析通过可重用性产生更低廉的发射成本的方式：
猎鹰9号目前在商业发射市场上领先，新火箭价格约为美元/公斤，可重复使用的价格约为美元/公斤（不包括猎鹰重型为美元/公斤）。未来，猎鹰9号能够推动价格进一步降低，因为它将继续朝着其假设的次发射极限前进。我们已经看到它的第一阶段达到了第10次重用，这意味着它的内部成本约为美元/公斤到0美元/公斤。
星际飞船的开发进展良好，完全的可重用性能再次降低发射成本。假设发射定价策略类似于猎鹰9号（新的发射=建造成本），根据预测，星际飞船可以将发射成本降低到约美元/公斤。然而，我们预计改进的可重用性可以帮助推动随着时间的推移，定价将从美元/公斤到美元/公斤，这是由于星际飞船能够利用更便宜的材料，支持全产品的可重用性和提高发射周转时间。
新材料和工业方法将支持降低成本
随着制造商利用包含钢铁、碳复合材料和3D打印等新材料的设计，以及私营部门/工业方法的生产技术，发射成本正在进一步降低。
带有煤油燃料发动机的铝-钛(Alu-Ti)火箭几十年来一直是市场标准，但目前的新进入者正在使用不锈钢、碳复合材料和液态甲烷燃料等材料，以推动可重复使用性和可负担性的更好结合。
不锈钢：由于强度/重量的缺点，通常被认为不如Alu-Ti合金和碳复合材料。但是提高的工作温度和导热性性能不锈钢在几个方面具有可重用性和可负担性：钢较高的工作温度降低了大气进入期间的材料消融水平，减少但没有消除对热屏蔽的需要；钢较低的导热系数降低了燃料负荷的能量转移水平，允许更有效地储存较冷的燃料，如甲烷；不锈钢在较低温度下的延展性降低了在空间和在较冷燃料储存时形成裂纹的风险。钢的价格比铝-钛合金便宜60%-70%，比碳复合材料便宜95%，降低了生产成本。
碳复合材料：由于强度/重量优势和更高的工作温度，通常被认为优于Alu-Ti合金。然而，目前有一些因素阻碍了它们实现更好的低成本性：碳复合材料有时需要环氧树脂，无法承受大气进入时产生的热量，限制了可重用性；碳复合材料更大的导热性使得使用甲烷等较冷的燃料更具挑战性；碳复合材料非常昂贵，花费大约是Alu-Ti合金的7-9倍，是不锈钢的22倍。然而，由于更多的创新和行业规模的扩张，碳复合材料成本正在下降。更先进的制造方法(如3D打印)可以减少对环氧树脂的需求，有助于随着时间的推移提高可重用性。
甲烷：长期以来，甲烷火箭燃料一直被认为是运载火箭的“中间地带”燃料——不像煤油那样容易使用，也不像氢气那样高能。但行业领先者越来越多地考虑它作为煤油的替代品，主要考虑到：甲烷能量密度高，能够比煤油产生更大的推力；比煤油价格更便宜；燃烧更清洁，减少火箭发动机的“结焦”，允许发动机在不翻新的情况下重复使用；由于沙巴蒂工艺（将二氧化碳转化为甲烷和水）的改进，更容易获得，也更容易合成。然而，关键的挑战是，甲烷比煤油更难处理，因为它需要更低的温度才能液化。
机器人和电子系统
机器人技术和电子系统的进步将使探索和执行那些人类无法执行或风险太大而无法执行的任务成为可能。这包括勘探、装配、施工、维护和维修任务。机器人已经在太空中使用了几十年（例如，火星探测漫游者、罗塞塔太空探测器），但再加上越来越强大的自主和智能系统，它们允许进行更广泛的探索，降低成本和风险。
美国宇航局在其年的技术路线图中确定了到年需要的机器人和自主系统；欧洲航天局(ESA)已经开始通过欧洲委员会资助的各种项目制定技术路线图，如PERASPERA以及SpacePlan(SP)。包括俄罗斯、中国、印度和日本在内的诸多国家也宣布了未来太空任务的机器人开发计划。
太阳风、极端温度波动和宇宙辐射对空间电子学的影响意味着，为地球设计的电子学可能不一定适合用于太空，许多电子产品公司正在开发技术来应对这种情况。例如，目前正在开发的辐射硬化芯片，它能在极端温度下工作，该技术已经被用于控制SpaceX的国际空间站CRS-10货物补给任务。
卫星技术不断改进
新的卫星技术与基于云计算和物联网的更好的操作程序相结合，将扩大现有的卫星数量，并培育新卫星。
卫星通常是大型的，能够实现广泛的通信成果。然而，红外通信和合成孔径雷达等新技术正在实现通信中更快的吞吐量速度和更好的网络负载管理，以及更快的刷新率和更广泛的智能区域监测。较低的发射成本也使卫星运营商能够寻求卫星部署的新方法，例如在通信领域由较小的短寿命卫星组成的大型星座。
这些技术和运营模式变化产生的影响，是扩大空间经济的关键：虚拟全球互联网的使用、物联网设备、网络普及到互联网难以到达的地方等等。简而言之，我们对通信和智能数据的思考方式的根本性改善，可能会加速全球经济数字化和统一过程中现有的潜在经济趋势。
随着时间的推移，企业利用红外线等“较短的”电磁频谱区域，卫星数据吞吐量和负载管理将得到改善，美国宇航局年的月球激光通信演示就已经能够在,英里外的航天器上实现兆每秒的速度。我们还看到一些公司在许多商业和政府项目中实施了电光/红外(EO/IR)技术，如星链和NASA的Psyche任务。就目前的影响而言，EO/IR链路旨在改善项目的负荷管理，因为低大气干扰限制了连通性问题；从长远来看，更低的成本、算法改进和相应操作的调整将越来越多地推动EO/IR链路商业应用。
根据预测，随着成本的降低、技术的提升，到年，太空经济的年销售额将超过1万亿美元，年约为亿美元，呈现5%的复合年增长率(CAGR)，同时，整个卫星行业、政府空间预算以及一系列新的应用程序和行业都正在呈现出强劲增长。
（编译：崔帅；转载请标明出处。）
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