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과설계가 타이탄 로켓엔진의 신뢰도 및 개발비용에 미치는 영향
The Effect of Overdesign on Titan Rocket Engine Reliability and Development Cost 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.4, 2015년, pp.334 - 340  

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

초록
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로켓 엔진을 설계추력보다 낮은 추력으로 운용하면 신뢰도가 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서 엔진을 디레이팅하여 증가하는 신뢰도가 엔진을 과설계하기 위해 증가된 개발비를 상쇄할 수 있다면 개발비를 최소화하기 위해 엔진의 과설계를 고려할 수 있다. 본 연구의 목적은 엔진 과설계와 디레이팅이 신뢰도 및 비용에 미치는 영향을 설명하는 모형을 개발하고자 하는 것이다. 타이탄 로켓 엔진의 운용추력수준 및 연소시험횟수에 따른 신뢰도 자료에 로지스틱 회귀모형을 적합하여 신뢰도 성장을 모형화하고 Transcost 비용모형을 이용하여 엔진을 10% 과설계 하면 신뢰도 요구값에 따라 엔진 개발비를 9%에서 23% 감소시킬 수 있음을 보였다. 또한 이러한 엔진 개발비의 감소는 엔진이 사용하는 연료에 따라 달라짐을 지적하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Engine derating is often considered for reliability benefits because lower power operation reduces its failure probability. To be derated during operation, however, the engine must be initially overdesigned. The engine overdesign is cost effective only if reliability increased from derating is enoug...

주제어

#타이탄 로켓엔진   #엔진개발비용   #Transcost 모형   #로지스틱 회귀모형  

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

문제 정의

  • Koelle[5]은 타이탄 로켓의 엔진시험자료에 근거하여 과설계를 하면 초기 개발비를 약 6% 정도 증가시키지만 디레이팅하여 연소시험횟수를 50% 정도 줄일 수 있기 때문에 최종 개발비를 약 20%-30% 정도 절감할 수 있을 것으로 추측하였다. 본 연구에서는 엔진 과설계와 디레이팅이 신뢰도와 개발비용에 미치는 영향을 정량적으로 분석할 수 있는 방법론을 제시하고 타이탄 로켓 엔진자료를 이용하여 이를 적용해 보고자 한다.
  • 이제 과설계 후 디레이팅으로 인해 감소하는 연소시험횟수를 고려해 보자. 인증을 위한 신뢰도 목표값을 R * 라고 하면 식 (1)을 이용하여 과설계하지 않은 경우 신뢰도 목표값을 만족하기 위해 필요한 연소시험횟수, n*100% 를 구하면 다음과 같다.

가설 설정

  • Aerozine 50과 N2O4를 각각 연료와 산화제로 사용하는 엔진을 신규개발하면서 운용 요구추력이 T kN이라고 가정하자.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
로켓 엔진의 디레이팅이란 무엇인가? 일반적으로 높은 신뢰도를 가지는 시스템을 개발하기 위해서는 중복설계 (redundancy design), 고장안전설계 (fail-safe design), 그리고 디레이팅 (derating)를 고려한다. 로켓 엔진의 디레이팅이란 실제 운용시 설계추력보다 낮게 운용하는 것을 말하는데 엔진을 디레이팅하면 구성품에 걸리는 부하가 경감하므로 신뢰도가 증가한다[2]. 그러나, 운용시 엔진 디레이팅을 사용하기 위해서는 먼저 엔진이 요구추력보다 높은 추력을 가지도록 과설계하여야 한다.
터보펌프식 액체엔진의 엔진 개발비는 무엇에 큰 영향을 받는가? 터보펌프식 액체엔진의 경우 엔진 개발비는 연소시험횟수에 따라 큰 영향을 받는다[5]. 고정된 추진제와 연소사이클에 대해 요구추력을 만족하는 엔진을 설계 및 개발하고 나면 연소시험을 통하여 엔진의 결점들을 감지하고 수정 보완하는 과정을 거치면서 개발된 엔진이 요구된 신뢰도 목표값을 충족한다는 것을 입증하여야 한다.
로켓 엔진의 디레이팅을 사용하기 위해 필요한것은 무엇인가? 로켓 엔진의 디레이팅이란 실제 운용시 설계추력보다 낮게 운용하는 것을 말하는데 엔진을 디레이팅하면 구성품에 걸리는 부하가 경감하므로 신뢰도가 증가한다[2]. 그러나, 운용시 엔진 디레이팅을 사용하기 위해서는 먼저 엔진이 요구추력보다 높은 추력을 가지도록 과설계하여야 한다. 엔진의 과설계는 엔진의 초기 개발비를 상승시키지만 디레이팅으로 인한 신뢰도 증가가 충분히 커서 증가된 개발비를 상쇄할 수 있다면 과설계하는 것이 비용효과적이다.
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참고문헌 (9)

  1. Hammond, W.E. Space Transportation : A Systems Approach to Analysis and Design, AIAA Education Series, Washington D.C., 1999. 

  2. Huang, Z., Fint, J.A., and Kuck, F.M., Key Reliability Drivers of Liquid Propulsion Engines and a Reliability Model for Sensitivity Analysis, In: The Boeing Company, Rocketdyne Propulsion & Power, 41st AIAA Joint Propulsion Conference & Exhibit, Vol. 10, 2005. 

  3. 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. 

  4. 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. 

  5. Koelle, D.E., Handbook of Cost Engineering for Space Transportation Systems with TRANSCOST 8.0, 2010, TransCostSystem. 

  6. Adams, J.D., Hickman, R.A., and Mayberry J.P., Payload Interface Standardization, 46th International Astronatuical Congress, October 2-6, Oslo, Norway, 1995. 

  7. Kececioglu, D. Reliability Engineering Handbook, Volume 2, 1991. 

  8. NASA, Exploration Systems Architecture Study, Final Report, Appendix 6D, 2005 November, pp. 194-195. 

  9. Kim, K.O. and Hwang, J.W., A Methodology for Estimating Reliability and Development Cost of a New Liquid Rocket Engine-focused on Staged Combustion Cycle with LOX/LH2, Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 42, No. 2, 2014, pp. 437-443. 

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