Wirtschaftlichkeit im Massenmaßstab

Einige der Faktoren, die die Größe der Trägerrakete einschränken, sind die gleichen wie bei jedem anderen technologiebasierten Produkt, nämlich Fix- und Zusatzkosten, Lernkurve, Markteinführungszeit und Größenvorteile.

Ein größeres Startsystem hat größere Fixkosten (nicht unbedingt pro Einheit der Nutzlastmasse pro Start). Das Sammeln der Finanzierung für größere Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen ist schwieriger, teilweise weil das Risiko höher ist (die Auszahlung erfolgt wahrscheinlich über einen längeren Zeitraum, was das Risiko einer ungenauen Vorhersage erhöht und die erforderliche Höhe der Auszahlung durch den Zinseszinseffekt erhöht ).

Größere Systeme haben auch größere Fixkosten in Bezug auf die Herstellung.

Wenn eine Technologie relativ unausgereift ist und eine relativ begrenzte Nachfrage hat (sowohl aufgrund der Kosten als auch aufgrund mangelnder Vertrautheit), dominieren tendenziell die Fixkosten.

In Bezug auf die Lernkurve wird versucht, mehr Nutzlast mit einem geringeren Verständnis des Systems zu starten, da ein größeres Startsystem weniger Starts haben wird. Wenn beispielsweise die ersten beiden Starts jeweils eine Erfolgswahrscheinlichkeit von 90 % haben, die nächsten vier 95 %, die nächsten sechzehn 98 %, dann wird ein Vier-Einheiten-pro-Start-System für den Start von 20 Nutzlasteinheiten erwarten, dass 5,37 Starts erforderlich sind und verliert 0,37 Fahrzeuge und 1,5 Nutzlasteinheiten, während ein System mit einer Einheit voraussichtlich 20,69 Starts erfordert, bei denen 0,69 Fahrzeuge und 0,69 Nutzlasteinheiten verloren gehen. Wenn der Wert der Nutzlast das Doppelte der Systemfahrzeugkosten eines Einzelfahrzeugs beträgt, dann muss das schwere Hubfahrzeug nur das 3,56-fache der Mehrkosten des Einzelfahrzeugs haben, um bei 20 gestarteten Nutzlasteinheiten die Gewinnschwelle zu erreichen (11 % günstiger pro Nutzlastkapazität).

Die Lernkurve gilt auch für die Herstellungskosten und sogar die Raketeneffizienz (die die Nutzlastgröße leicht nach oben oder die Treibstoffkosten leicht nach unten anpassen kann).

Time-to-Market interagiert mit der Finanzierung und der Lernkurve. Als Erster Gewinne zu erzielen (oder sogar eine feste Aussicht auf Gewinne zu haben) reduziert die Kosten für die Kapitalbeschaffung (die zusätzliche F&E finanzieren). Der erste erfolgreiche Start bringt mehr Kunden, steigert den Umsatz (und Gewinn) und erhöht die Anzahl der Markteinführungen. (Ein ähnliches Phänomen für Programmiersprachen wurde "Worse Is Better" genannt .)

Größenvorteile geben kleineren Systemen einen bescheidenen Vorteil über das hinaus, was von einem einfachen Modell der oben genannten Faktoren zu erwarten wäre. Mit zunehmendem Volumen wird der Wettbewerb praktikabler (steigender Innovationsdruck und -chancen [Außenstehende sind eher in der Lage/geneigt, einen Beitrag zu leisten] und sinkende Gewinnmargen [aber auch Risiken]) und es entwickeln sich tendenziell Standards, die die Produktions- und Designkosten senken.

Ein weiterer Faktor, der kleinere Systeme begünstigt, besteht darin, dass mehrere Arten von Systemen wirtschaftlicher zu betreiben sind. Wenn ein unerwarteter Fehlermodus einen bestimmten Systemtyp verursacht, stehen andere Systeme zum Start zur Verfügung.

Startsysteme haben einige spezifische Merkmale, die die Minimierung der Nutzlastgröße einschränken. Der Start selbst ist mit Kosten verbunden, die mit der Nutzung eines bestimmten Bereichs verbunden sind, der als Luftfahrtgefahr geräumt werden muss, und der Bodenbereich muss wegen Sicherheitsproblemen bei Startfehlern geräumt werden. Die Überwachungskosten eines Starts sind auch relativ fest pro Start und nicht pro Nutzlasteinheit.

Außerdem wird eine größere Trägerrakete dazu neigen, aufgrund von Flächen-gegen-Volumen-Effekten etwas effizienter zu sein.

Es gibt auch Beschränkungen dafür, wie viele Geräte in konfliktfreien Umlaufbahnen verfolgt, mit ihnen kommuniziert und gewartet werden können, sodass eine größere Nutzlast einige Vorteile hat. Ohne Montage im Weltraum kann die Größe eines Systems, das als Ganzes effektiv funktioniert, ein begrenzender Faktor am unteren Ende der Größe sein.

Die Planung der Starts ist ebenfalls ein Faktor. Bei einem Start mit mehreren Nutzlasten muss die gesamte Fracht gleichzeitig starten können. Bei mehreren Starts wirkt sich die Verzögerung eines Starts nicht unbedingt auf den Zeitplan anderer Starts aus. Darüber hinaus würde es bei mehr Starts wahrscheinlich mehr Startplätze geben, sodass lokalisierte Effekte wie das Wetter einen geringeren Einfluss auf die Startfähigkeit haben würden.

Ein Multi-Payload-System würde auch dazu neigen, die Anzahl von Fehlermodi zu erhöhen, und könnte die Spezialisierung auf bestimmte Komponenten weniger attraktiv machen.

(Die Wirtschaftlichkeit von Weltraumstarts ist eines der Argumente für Treibstoffdepots, obwohl ein erheblicher Teil der kryogenen Treibstoffe durch Erwärmung im Orbit verloren gehen würde.)

Die inkrementellen Kosten eines Startdienstes in $/kg sinken mit zunehmender Fahrzeuggröße. Auf dieser Grundlage würden Sie also die größte Trägerrakete wollen, die Sie bauen können.

Dies wird jedoch durch die Overhead-Kosten zum Aufrechterhalten der Startfähigkeit ausgeglichen. Sie müssen den Startplatz, die Startmannschaften, die Fertigungskapazitäten, die Lieferkette für Teile usw. aufrechterhalten. Dies treibt Sie in Richtung kleinerer Trägerraketen, um die über die Starts amortisierten Gemeinkosten zu minimieren.

In ähnlicher Weise möchten Sie eine höhere Startrate für Zuverlässigkeit, obwohl dies schwieriger in die Kosten einzubeziehen ist, da die Versicherung normalerweise nicht vom Startanbieter, sondern vom Nutzlastanbieter bezahlt wird.

Wenn Sie also für den Moment ignorieren, welche Nutzlastgröße der Kunde benötigt, erhalten Sie am Ende einen Sweetspot in der Fahrzeuggröße, basierend auf dem Umfang des Geschäfts, das Sie haben oder zu haben erwarten. Wo das ist, hängt von all den oben genannten Faktoren ab.

Ein gutes Beispiel ist der Delta II. Das Delta II hatte einen stetigen Geschäftsstrom, der durch den Start von GPS-Satelliten angetrieben wurde. Dies ermöglichte es ihnen, einen sehr kostengünstigen und äußerst zuverlässigen Startdienst bereitzustellen, der von vielen anderen Kunden, einschließlich der NASA, genutzt wurde. Mars Pathfinder, MGS, MPL, MCO, Stardust, Genesis, die MERs, Spitzer und andere wurden auf der Delta II gestartet. Als jedoch die GPS-Starts abgeschlossen waren, änderten sich die Overhead-Kosten von Delta II nicht wesentlich (sie versuchten, sie zu reduzieren), und infolgedessen stiegen die Kosten für einen einzelnen Start dramatisch an. Es war nicht mehr kosteneffektiv, und die NASA konnte die Aufrechterhaltung der Startfähigkeit von Delta II für ihre geringe Anzahl von Starts nicht mehr unterstützen. Die NASA ist ein relativ kleiner Kunde auf dem kommerziellen Markt. Die Delta II wurde von der Liste der verfügbaren Trägerraketen für NASA-Missionen gestrichen.

Ein weiteres gutes Beispiel könnte SLS sein. Bei einer Einführungsrate von einmal alle zwei Jahre scheint dieses Fahrzeug zu groß zu sein, um die Gemeinkosten zu rechtfertigen. Die resultierenden Gesamtkosten pro Start (nicht inkrementell) werden, nun ja, astronomisch. Es ist auch schwer vorstellbar, wie sie mit einer so niedrigen Startrate ein akzeptables Maß an nachgewiesener Zuverlässigkeit erreichen würden. Vielleicht stellen sie sich eine Welt mit einer viel höheren Startrate vor, aber es ist nicht klar, woher diese Finanzierung kommen würde, weder für die Trägerraketen noch für die Nutzlasten.