[論文レビュー] Launch Vehicle High-Energy Performance Dataset

Athul Pradeepkumar Girija|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Spacecraft Design and TechnologyEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、現在運用中および計画中の打ち上げロケットの高エネルギー性能および発射コストに関する包括的でオープンソースのデータセットを提示し、主要な指標において直接比較を可能にしている。分析の結果、フェルガントリプル・エクスペンダブルがkgあたり0.075百万ドルという最低コストを達成しており、バキューラン・セナウルも同程度の性能を示しており、両者とも今後の惑星間ミッションの最良の選択肢と位置づけられる。

ABSTRACT

The choice of the launch vehicle is an important consideration during the preliminary planning of interplanetary missions. The launch vehicle must be highly reliable, capable of imparting sufficient energy to the spacecraft to inject it on to an Earth-escape trajectory, and must fit within the cost constraints of the mission. Over the recent past, the most commonly used launchers for interplanetary missions include the Atlas V401, Atlas V551, Delta IVH, and Falcon Heavy expendable version. The NASA Launch Vehicle Performance website maintains a tool to help mission planners evaluate various launch vehicles during mission studies. However, there is no comprehensive dataset which can be used to quickly compare the launch performance and launch cost of various options. The present study compiles a dataset of the high energy performance of existing and planned launchers from open-source data and performs a quantitative comparison of the launch performance and the launch cost per kg. The Falcon Heavy expendable offers the lowest cost-per-kg for high-energy launches, with only $0.075M per kg. The Vulcan Centaur offers comparable performance to the Falcon Heavy. The results indicate Falcon Heavy Expendable and the Vulcan Centaur will be the likely choice for several future missions.

研究の動機と目的

• 惑星間ミッション向けに、打ち上げロケットの性能とコストを比較するための中央集権的でオープンソースのデータセットが不足しているという問題に対処すること。
• 定量的な性能とコスト指標を提供することで、ミッションプランナーが初期ミッション設計段階でデータドリブンな意思決定をできるようにすること。
• 15種以上の打ち上げロケットについて、公的公開資料から得られる高エネルギー性能とコストデータを収集・標準化すること。
• エネルギー能力とコスト効率に基づいて、打ち上げオプションを迅速に比較できるようにすること。
• 将来的なミッション計画を支援するために、最もコスト効率が良く、性能の高い打ち上げロケットを特定すること。

提案手法

• 公式ミッションレポート、機関のウェブサイト、および公的文書から、打ち上げロケットの性能データ（注入エネルギーおよび低地球軌道（LEO）能力）を収集した。
• NASA、SpaceX、ULA、業界レポートなど、公的公開ソースから発射コストデータを収集し、kgあたりの指標に統一した。
• 各打ち上げロケットの性能を、地球脱出軌道への能力にマッピングし、特に高エネルギーミッションに焦点を当てた。
• 各ロケットの総ミッションコストをペイロード質量で割ることで、kgあたりのコストを計算した。
• 正規化された性能指標とコスト効率ランク付けを用いて、ロケット間の比較分析を実施した。
• 複数のソースを照合することでデータの一貫性を検証し、検証不能または推測的な数値は除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 公開可能なデータに基づくと、どの打ち上げロケットが高エネルギーの地球脱出軌道に最も高い性能を発揮するか？
• RQ2 主な現在および計画中の打ち上げロケットにおいて、高エネルギー軌道へのペイロード打ち上げのkgあたりコストはどの程度か？
• RQ3 フェルガントリプル・エクスペンダブルとバキューラン・セナウルは、他の打ち上げロケットと比較して性能とコスト効率でどのように差をつけるか？
• RQ4 性能とコスト指標に基づいて、どの打ち上げロケットが今後の惑星間ミッションに最も選ばれる可能性があるか？
• RQ5 標準化されたオープンソースデータセットは、惑星間ミッションの計画効率をどの程度向上させることができるか？

主な発見

• フェルガントリプル・エクスペンダブルは、高エネルギー打ち上げにおいてkgあたり0.075百万ドルという最低のコストを達成している。
• バキューラン・セナウルはフェルガントリプルと同等の性能を示しており、今後の高エネルギーミッションの有力候補である。
• アトラスV401およびアトラスV551は実用的な選択肢ではあるが、フェルガントリプル・エクスペンダブルやバキューラン・セナウルに比べてコスト効率が劣る。
• このデータセットは、最も性能の高いロケットと、性能が低いまたは旧式のモデルとの間で明確な性能およびコスト効率のギャップを特定している。
• 本研究は、フェルガントリプル・エクスペンダブルとバキューラン・セナウルが、併せた性能とコストの優位性により、今後の惑星間ミッションで好まれる可能性が高いと確認した。
• オープンソースデータを統合したデータセットの構築により、より迅速かつ正確なミッショントレードオフ分析が可能になり、特許権を持つツールへの依存が軽減された。