[论文解读] Launch Vehicle High-Energy Performance Dataset

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

Spacecraft Design and TechnologyEngineering被引用 3

一句话总结

本文提出一个全面的开源数据集，整合了现有及计划中的运载火箭的高能性能与发射成本数据，使关键指标的直接比较成为可能。研究发现，猎鹰重型火箭（Falcon Heavy expendable）的单位载荷成本最低，为每公斤 0.075 百万美元，维珍银河的火神-半人马（Vulcan Centaur）表现相当，两者均成为未来深空探测任务的首选方案。

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.

研究动机与目标

• 解决当前缺乏集中化、开源的运载火箭性能与成本对比数据集，以支持深空探测任务的现状。
• 通过提供定量的性能与成本指标，使任务规划人员能够在初步任务设计阶段做出数据驱动的决策。
• 从公开可获取的来源收集并标准化 15 种以上运载火箭的高能性能与成本数据。
• 基于能量能力与成本效率，实现对运载火箭选项的快速比较。
• 通过识别当前最经济高效且性能优越的运载火箭，支持未来的任务规划。

提出的方法

• 从官方任务报告、机构网站和公开文档中收集运载火箭性能的开源数据，包括注入能量和近地轨道（LEO）运载能力。
• 从公开来源（包括 NASA、SpaceX、ULA 和行业报告）收集发射成本数据，并将成本统一标准化为每公斤指标。
• 将每种运载火箭的性能映射到其执行地球逃逸轨道任务的能力，重点关注高能任务。
• 通过将每项任务的总成本除以有效载荷质量，计算每公斤成本。
• 使用归一化的性能指标和成本效率排名，进行跨运载火箭的对比分析。
• 通过交叉核对多个来源验证数据一致性，并排除未经证实或推测性的数值。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于公开可获取的数据，哪些运载火箭在高能地球逃逸轨道任务中具备最高性能？
• RQ2 在主要现役及计划中的运载火箭中，将有效载荷送入高能轨道的单位成本（每公斤）是多少？
• RQ3 猎鹰重型火箭（Falcon Heavy expendable）与火神-半人马（Vulcan Centaur）在性能与成本效率方面相较于其他运载火箭表现如何？
• RQ4 基于性能与成本指标，哪些运载火箭最有可能被选用于未来的深空探测任务？
• RQ5 标准化的开源数据集在多大程度上能够提升深空探测任务规划的效率？

主要发现

• 猎鹰重型火箭（Falcon Heavy expendable）在高能发射任务中单位载荷成本最低，为每公斤 0.075 百万美元。
• 火神-半人马（Vulcan Centaur）在性能上与猎鹰重型火箭相当，是未来高能任务的有力竞争者。
• 阿特拉斯 V 型 401 和 551 型仍具可行性，但成本效率低于猎鹰重型火箭与火神-半人马。
• 该数据集揭示了最先进运载火箭与性能较弱或老旧型号之间在性能与成本效率方面存在明显差距。
• 本研究证实，猎鹰重型火箭（Falcon Heavy Expendable）与火神-半人马（Vulcan Centaur）因其综合性能与成本优势，极有可能成为未来深空探测任务的首选运载火箭。
• 将开源数据整合为统一数据集，可显著加快任务方案比较速度，提升准确性，并减少对专有工具的依赖。