[논문 리뷰] Launch Vehicle High-Energy Performance Dataset

Athul Pradeepkumar Girija|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 09.

Spacecraft Design and TechnologyEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 현재 운영 중이거나 계획 중인 장거리 발사체의 고에너지 성능 및 발사 비용 데이터를 종합적으로 정리한 개방형 데이터셋을 제시하며, 핵심 지표 간 직접 비교를 가능하게 한다. 분석 결과, 팰컨 헤비 엑스펜서블이 kg당 0.075M달러의 가장 낮은 비용을 기록했으며, 버틀런 세인터의 성능도 유사해 향후 행성 간 임무에 있어 두 차량 모두 최고의 선택지로 부상한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 행성 간 임무를 위한 발사체 성능 및 비용을 비교할 수 있는 중앙집중화된 개방형 데이터셋이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 임무 기획자가 초기 임무 설계 단계에서 데이터 기반 결론을 내릴 수 있도록 정량적 성능 및 비용 지표를 제공하기 위해.
• 공개된 자료에서 15종 이상의 발사체에 대해 고에너지 성능 및 비용 데이터를 수집하고 표준화하기 위해.
• 에너지 능력과 비용 효율성 기반으로 발사 옵션을 신속하게 비교할 수 있도록 하기 위해.
• 향후 임무 기획을 지원하기 위해 현재 이용 가능한 가장 비용 효율적이고 고성능의 발사체를 식별하기 위해.

제안 방법

• 공식 미션 보고서, 기관 웹사이트, 공개 문서에서 발사체 성능 데이터(예: 주입 에너지 및 저지구궤도(Low Earth Orbit, LEO) 능력)를 수집하였다.
• NASA, 스페이스X, ULA, 업계 보고서 등 공개 자료에서 발사 비용 데이터를 확보하고, 비용을 kg당 기준으로 표준화하였다.
• 각 발사체의 성능을 지구 탈출 궤도 능력에 맞춰 분석하였으며, 특히 고에너지 임무에 초점을 맞추었다.
• 각 차량의 총 미션 비용을 편재량 질량으로 나누어 kg당 비용을 계산하였다.
• 정규화된 성능 지표와 비용 효율성 순위를 활용해 차량 간 교차 비교를 수행하였다.
• 다중 자료를 대조하여 일관성을 검증하고, 확인되지 않은 또는 추측성 수치는 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공개된 자료를 바탕으로, 고에너지 지구 탈출 궤도를 위한 성능이 가장 뛰어난 발사체는 무엇인가?
• RQ2 주요 현재 및 계획 중인 발사체를 대상으로, 고에너지 궤도로 편재량을 발사할 때 kg당 비용은 얼마인가?
• RQ3 팰컨 헤비 엑스펜서블과 버틀런 세인터는 다른 발사체에 비해 성능 및 비용 효율성에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 성능 및 비용 지표를 기준으로 향후 행성 간 임무에 가장 많이 선택될 가능성이 있는 발사체는 무엇인가?
• RQ5 표준화된 개방형 데이터셋은 행성 간 임무 기획의 효율성을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 팰컨 헤비 엑스펜서블 버전은 고에너지 발사에 대해 kg당 0.075M달러의 가장 낮은 비용을 기록하였다.
• 버틀런 세인터는 팰컨 헤비와 유사한 성능을 보이며, 향후 고에너지 임무에 강력한 경쟁자로 부상하고 있다.
• 애틀라스 V401 및 애틀라스 V551은 실용적인 선택지이지만, 팰컨 헤비 엑스펜서블 및 버틀런 세인터에 비해 비용 효율성이 열 劣하다.
• 이 데이터셋은 최고 성능을 가진 차량들과 성능이 떨어지거나 오래된 모델들 사이에 뚜렷한 성능 및 비용 효율성 격차를 드러냈다.
• 본 연구는 팰컨 헤비 엑스펜서블과 버틀런 세인터가 뛰어난 성능과 비용 이점 덕분에 향후 행성 간 임무에 가장 선호되는 발사체가 될 것으로 확인하였다.
• 공개 자료를 종합해 통합된 데이터셋을 구축함으로써, 더 빠르고 정확한 임무 트레이드 오픈 스터디가 가능해졌으며, 전용 도구에 대한 의존도도 감소시켰다.