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액체로켓엔진의 신뢰도 및 개발비용 추정 방법 -LOX/LH2 다단연소 사이클을 중심으로
A Methodology for Estimating Reliability and Development Cost of a New Liquid Rocket Engine -focused on Staged Combustion Cycle with LOX/LH2 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.5, 2014년, pp.437 - 443  

김경미 (Department of Industrial Engineering, Konkuk University) ,  황준우 (Department of Industrial Engineering, Konkuk University)

초록
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엔진은 로켓의 임무성공에 가장 중요한 부품이다. 본 연구에서는 신규 개발하는 액체로켓 엔진의 신뢰도 및 개발비용을 추정하는 방법을 제시한다. 신뢰도에 영향을 미치는 요인들 중 모형화가 어려운 인자들을 고려하여 베이스라인 엔진을 선택하고 신뢰도에 미치는 영향을 양적으로 파악할 수 있는 인자들을 반영하여 베이스라인 엔진의 신뢰도를 수정하였다. 또한 엔진개발비용을 건조 질량과 연소시험횟수로 나타낸 Transcost 엔진 개발비용 모형을 신규 개발하는 엔진의 요구추력과 신뢰도의 함수로 표현하였다. 마지막으로 액체산소와 액체수소를 추진제로 사용하는 다단연소 사이클 엔진에 대해 제안된 방법을 예시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Engine is one of the most important parts in a rocket for completing its mission successfully. In this paper, we provide a methodology for estimating reliability and development cost of a liquid rocket engine newly developed. To estimate reliability, a baseline engine is selected considering factors...

주제어

#엔진 추력   #고장률   #연소시험   #엔진 개발비   #신뢰도 성장  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 현재 우리나라는 3단 모두 액체엔진을 사용하는 KSLV-II를 개발하는 중이다. 따라서 본 연구에서는 고체엔진은 논외로 하고 신규 개발하는 액체엔진의 신뢰도 및 비용을 고려하고자 한다. 2.
  • 연소시험횟수나 요구추력이 신뢰도에 미치는 영향은 정량적으로 분석할 수 있는 자료를 수집할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 다음과 같이 요구추력과 연소시험횟수가 신뢰도에 미치는 영향을 고려하여 베이스라인 엔진의 신뢰도를 보정하도록 한다.
  • 그러나 연소 사이클 유형에 따라 엔진 신뢰도를 정량적으로 평가할 수 있는 자료 또한 공개되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 신규 개발하는 엔진과 동일한 추진제 및 연소 사이클을 사용하는 기존의 엔진을 베이스라인 엔진으로 선정하여 추진제와 연소 사이클이 신뢰도에 미치는 영향을 고려하도록 한다.
  • 본 연구에서는 신규 개발하는 터보펌프식 액체로켓 엔진의 신뢰도를 추정하는 방법을 제시하였다. 신뢰도에 영향을 미치는 인자로 추진제, 연소 사이클, 요구추력, 연소시험횟수를 고려하였다.
  • 또한 Transcost 모형을 이용하여 신규 개발하는 액체엔진의 개발비용을 요구추력과 고장률의 함수로 표현하였다. 액체수소 및 액체산소를 사용하는 다단연소 사이클 엔진을 가정하고 신뢰도 목표를 만족시키는 개발비용을 추정하는 방법을 예시하였다. 이러한 방법론은 일반성을 가지며 가압식 액체로켓엔진의 비용 및 신뢰도에 비슷하게 적용할 수 있다.
  • 엔진개발비용을 추정하는 방법을 예시하기 위해 미국의 Rocketdyne이 1972년-1982년까지 11년동안 개발한 Space Shuttle Main Engine(SSME)을 고려해 보자. 개발당시 신기술을 사용하였으므로 f1 = 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고체엔진의 장단점은? 발사체 엔진은 연소가스를 생성하는 연료와 산화제의 형태에 따라 고체엔진과 액체엔진으로 나눌 수 있다. 고체엔진의 경우 연료를 바로 점화하기 때문에 구조가 단순하고 개발이 용이하며 엔진이 작동하는 과정에서 추력의 방향을 조절하는 것 이외에는 별도의 움직이는 부품이 없어 신뢰도가 높지만 연소되는 추진제의 양을 조절할 수 없고 연소시간이 짧고 힘이 약하기 때문에 주로 상단 엔진으로 사용된다. 한편 액체엔진은 각종 제어장치에서 필요에 따라 추진제 공급을 조절하여 추력을 제어하기 때문에 구조가 복잡하지만 재점화가 가능하고 많은 에너지를 낼 수 있기 때문에 대부분의 우주발사체용 로켓에서 사용한다[2].
발사체의 핵심부품은 무엇인가? 발사체의 핵심부품은 추력을 제공하는 엔진이다. 우주선진국들의 과거 발사자료에 의하면 전체 발사 실패의 절반 가까이가 엔진 고장 때문이며 신뢰도가 높은 발사체를 개발하기 위해서는 신뢰도가 높은 엔진을 확보하여야 하는 것으로 나타난다[1].
우주산업에서 엔진의 신뢰도를 예측하고 신뢰도 목표를 달성하기 위해 필요한 개발비용을 추정할 수 있어야 하는 이유는? 발사체의 핵심부품은 추력을 제공하는 엔진이다. 우주선진국들의 과거 발사자료에 의하면 전체 발사 실패의 절반 가까이가 엔진 고장 때문이며 신뢰도가 높은 발사체를 개발하기 위해서는 신뢰도가 높은 엔진을 확보하여야 하는 것으로 나타난다[1]. 따라서 초기 개발단계에서 엔진의 신뢰도를 예측하고 신뢰도 목표를 달성하기 위해 필요한 개발비용을 추정할 수 있어야 한다.
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참고문헌 (15)

  1. Chang, I.S., "Investigation of Space Launch Vehicle Catastrophic Failures", AIAA Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 33, No. 2, 1996, pp.198-205. 

    상세보기 crossref

  2. Sutton, G.P, and Biblarz, O., Rocket Propulsion Elements, John Wiley & Sons, Inc., 2010, pp.194-244. 

  3. Jennings, C.N., Design Criteria for Spacecraft Propulsion Systems, Space Center Plant, California, 1967, pp.360-364. 

  4. NASA, Exploration Systems Architecture Study, Final Report, 2005. 

  5. Young, D.A., An Innovative Methodology for Allocating Reliability and Cost in a Lunar Exploration Architecture, Ph.D. Dissertation, Georgia Institute of Technology, 2007. 

  6. Emdee, J.L., "A Survey of Development Test Programs for LOX/Kerosene Rocket Engines," 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Salt Lake City, UT, AIAA Paper 2001-3985, 2001. 

  7. Strunz, R., and Hermann, J.W., "Reliability as an Independent Variable Applied to Liquid Rocket Engine Test Plans," Journal of Propulsion and Power, Vol. 27, No. 5, 2011, pp.1032-1044. 

    상세보기 crossref

  8. Ning, J.F., Yan, X.Q., and Zhang, S.F., "Study on Reliability Analysis Method for Liquid Rocket Engine in the Case of Zero-failure Data," Journal of National University of Technology, Vol. 28, No. 5, 2006, pp.22-28. 

  9. Koelle, D.E., Handbook of Cost Engineering for Space Transportation Systems with TRANSCOST 8.0, TransCost System, 2010. 

  10. Seo, Y.K., and Oh, B.S., "KSLV-II Cost Estimate using TRANSCOST 7.1", Aerospace Engineering and Technology, Vol. 6, No. 2, 2007, pp.119-125. 

  11. Yoo, I.S.,, Seo, Y.K., Lee, J.H., and Oh, B.S., "Application of Cost Estimation to Space Launch Vehicle Development Program", Journal of the Society of Korea Industrial and Systems Engineering, Vol. 30, No. 3, 2007, pp.165-173. 

  12. Barlow, R.E., and Proschan, F. Statistical Theory of Reliability and Life Testing, Holt, Rinehart and Winston, New York, 1975, pp.56. 

  13. MIL-HDBK-189C, Reliability Growth Management, Department of Defense, 2011, pp.31-32. 

  14. Kim, H.R., Yoo, D.S., and Chang, Y.K.. "Studies of Reliability-corrected Cost Estimation Methodology of Launch Vehicle Development," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 40, No. 4, 2012, pp.364-374. 

    원문보기 상세보기 crossref

  15. Sutton, G.P,, History of Liquid Propellant Rocket Engines, AIAA, 2006, pp.821. 

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