최근 위성발사체 시장에서 발사가격은 상당한 수준으로 낮아지고 있다. 이것은 약 10년전부터 발사 시장에 SpaceX 등의 민간기업이 진입하면서 소수 기업의 독점체제가 민간을 포함한 경쟁체제로 변하였고, 민간기업의 기술 및 경영 효율화가 적극적으로 도입되고 있기 때문이다. 또한 SpaceX는 2016년에 위성발사체 1단의 회수에 성공함으로써 재사용발사체의 서막을 열었고, 향후 재사용발사체를 활용하여 위성발사 가격을 획기적으로 낮추겠다고 공언하고 있다. 본 연구에서는 어떤 한 위성을 LEO 궤도에 올리기 위하여 필요한 총 발사비용을 계산하고, 3가지 경우의 임무중량에 대하여 각각의 발사비용을 비교하여 재사용발사체의 비용 효용성에 미치는 임무중량의 영향에 대하여 알아본다. 발사비용은 개발비용, 제작비용, 재사용비용, 운용비용, 고정비용 및 보험비용으로 구분하여 계산하며, 각 계산에 사용된 비용추정관계식은 TRNSCOST 등의 비용계산모델을 활용하여 사용하였다.
최근 위성발사체 시장에서 발사가격은 상당한 수준으로 낮아지고 있다. 이것은 약 10년전부터 발사 시장에 SpaceX 등의 민간기업이 진입하면서 소수 기업의 독점체제가 민간을 포함한 경쟁체제로 변하였고, 민간기업의 기술 및 경영 효율화가 적극적으로 도입되고 있기 때문이다. 또한 SpaceX는 2016년에 위성발사체 1단의 회수에 성공함으로써 재사용발사체의 서막을 열었고, 향후 재사용발사체를 활용하여 위성발사 가격을 획기적으로 낮추겠다고 공언하고 있다. 본 연구에서는 어떤 한 위성을 LEO 궤도에 올리기 위하여 필요한 총 발사비용을 계산하고, 3가지 경우의 임무중량에 대하여 각각의 발사비용을 비교하여 재사용발사체의 비용 효용성에 미치는 임무중량의 영향에 대하여 알아본다. 발사비용은 개발비용, 제작비용, 재사용비용, 운용비용, 고정비용 및 보험비용으로 구분하여 계산하며, 각 계산에 사용된 비용추정관계식은 TRNSCOST 등의 비용계산모델을 활용하여 사용하였다.
Recently, in the space market, there has been a rapid reduction of the launch price. The major reason is that a few commercial companies, especially SpaceX, began to enter into the space market about ten years ago, which has changed the space market from monopolization to competition, and accelerate...
Recently, in the space market, there has been a rapid reduction of the launch price. The major reason is that a few commercial companies, especially SpaceX, began to enter into the space market about ten years ago, which has changed the space market from monopolization to competition, and accelerated the adoption of commercial efficiency in the technology and management. Also, the successful landing and recovery of a first stage in 2016 by SpaceX proved to be a prelude to opening a new era of reusable launch vehicles, and SpaceX declared the groundbreaking launch price through using the reusable launch vehicle. This study calculates the total launch cost required to put a certain satellite into the LEO, compares the launch cost in three cases with different payload weights, and reviews the impacts of the payload on the cost effectiveness of a reusable vehicle. The total launch cost is divided into 6 subsections cost, namely development cost, production cost, refurbishment cost, operation cost, fixed-cost of factory and launch site, and insurance cost. The cost estimation relationships used in the calculation are taken from the commonly proven cost models such as TRANSCOST.
Recently, in the space market, there has been a rapid reduction of the launch price. The major reason is that a few commercial companies, especially SpaceX, began to enter into the space market about ten years ago, which has changed the space market from monopolization to competition, and accelerated the adoption of commercial efficiency in the technology and management. Also, the successful landing and recovery of a first stage in 2016 by SpaceX proved to be a prelude to opening a new era of reusable launch vehicles, and SpaceX declared the groundbreaking launch price through using the reusable launch vehicle. This study calculates the total launch cost required to put a certain satellite into the LEO, compares the launch cost in three cases with different payload weights, and reviews the impacts of the payload on the cost effectiveness of a reusable vehicle. The total launch cost is divided into 6 subsections cost, namely development cost, production cost, refurbishment cost, operation cost, fixed-cost of factory and launch site, and insurance cost. The cost estimation relationships used in the calculation are taken from the commonly proven cost models such as TRANSCOST.
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문제 정의
또한 대부분의 비용 모델에서 개발비용은 발사체의 구조중량과의 관계식으로 계산한다. 그러나 본 연구에서는 위성발사체의 특성과는 관계없이 동일한 위성을 동일한 궤도에 진입시킬 때의 위성발사체의 발사비용을 비교하기 위한 연구 목적에 적합하도록 개발비용을 Eq. 1과 같이 발사체의 임무중량으로 나타낸다.
계산결과로서 알 수 있듯이, 현재 공개되어 있는 여러 자료들을 통하여 간접적으로 비교 검토해 본 바로는 추정한 발사비용이 상당히 적절한 수준임을 알 수 있다. 또한 다양한 크기의 임무중량을 위성궤도에 올리기 위하여 소요되는 발사비용을 비교 분석하기 위한 목적으로 사용하기에는 적합한 연구 결과이다.
본 연구에서는 현재의 기술 수준에서 재사용발사체와 기존발사체의 발사비용을 발사횟수에 따라 비교 분석하였으며, 발사비용에 영향을 주는 중요한 비용인자에 따라서 발사비용이 어떻게 달라지는가에 대하여 알아보았다. 이러한 연구를 통하여 향후 위성발사체 시장에서 가격 경쟁력을 확보하기 위해서는 어떠한 발사체를 어떻게 개발하여야 하는가에 대한 방향 제시가 될 것이라고 생각한다.
가설 설정
여기에서 비례상수와 나머지 상수는 TRANS COST의 비용모델[12]에서 가져온 값이며, 지수상수는 재사용횟수 10번을 기본으로 하여 100번 재사용 가능한 발사체를 개발할 때의 개발비용이 2배로 증가한다고 가정하여 0.3으로 정한다.
재사용발사체의 최대 재사용횟수도 현재의 기술 능력을 감안하여 결정하며, 발사체의 크기가 동일하여도 재사용발사체의 경우에는 발사체의 회수 등에 필요한 연료와 산화제를 발사에 사용하지 못하기 때문에 임무중량은 30% 정도 줄어드는 것으로 가정하여 계산한다.
여기에서 기준 임무하중은 22톤, 년간 발사횟수는 12회로 한다. 지수상수는 발사체의 크기가 2배로 커지면 발사장의 규모는 15% 정도 커지는 것으로 가정하여 0.2로, 년간 발사횟수가 180회 일 때 발사대의 수는 6대 정도는 되어야 함을 감안하여 발사장의 규모는 2배로 커져야 한다는 가정 하에 0.256으로 정한다.
제안 방법
75로 정한다. 또한 기준 임무하중 Mp,b을 22톤으로 정하고, 이것을 발사하는데 필요한 운용비용 Cop,b를 적절하게 설정하기 위하여 20톤급 발사체인 Atlas V, Ariane 6, Falcon 9 등의 발사체에 대한 공개된 자료들을 바탕으로 정한다[7-11].
따라서 현재 재사용발사체로 성공적인 발사를 수행하고 있는 것은 SpaceX의 Falcon 9 밖에 없기 때문에 임무 중량 22톤인 Falcon 9을 비용분석의 기준 발사체로 정하여 여러 논문과 인터넷상에서 공개된 자료를 바탕으로 비용분석에 필요한 계산 추청치들을 결정한다. 또한 발사체가 쏘아 올리는 위성의 궤도는 Falcon 9의 LEO 궤도인 202km 원궤도를 기준으로 하여 발사비용을 비교 분석한다.
본 연구에서는 발사에 소요되는 모든 비용을 포함하도록 발사비용을 개발비용, 제작비용, 재사용 비용, 운용비용, 고정비용 및 보험비용으로 나누어 총 6가지로 계산한다. 발사비용에서 금융비용은 제외하였기 때문에, 금융비용과 기업의 이윤 등을 더하여 발사가격이 최종적으로 결정된다.
적정한 재사용 비용을 산정하는 것은 비용분석에서 쉽지 않은 것이며, 재사용발사체를 개발할 때에는 재사용 비용이 개발의 중요한 목표가 된다. 본 연구에서는 재사용비용을 첫 번째 발사체의 제작비용을 기준으로 정한다.
위성발사체의 발사비용은 공개된 자료가 아니기 때문에 쉽게 알기가 어려우나, 본 연구를 통하여 ROM(Rough Order of Magnitude) 발사비용을 추정하였다. 계산결과로서 알 수 있듯이, 현재 공개되어 있는 여러 자료들을 통하여 간접적으로 비교 검토해 본 바로는 추정한 발사비용이 상당히 적절한 수준임을 알 수 있다.
이론/모형
비용은 ROM(Rough Order of Magnitude)비용이며, 비용을 계산하기 위하여 사용된 비용추정관계식(Cost Estimation Relationship, CER)은 현재 위성발사체의 비용 모델로서 널리 알려진 TRANSCOST, NAFCOM 등에서 사용된 CER을 활용하여 사용하였으며[5,6], 비용모델에 사용된 계수들은 현재의 기술수준 및 인터넷을 통하여 공개된 여러 자료들을 최대한 반영하여 결정하였다[7-11]. 본 연구에서 가격추정관계식으로 계산되는 것은 인/연(Man-Year)이며, 2019년도 미국의 엔지니어링 인/연 임률을 기준으로 비용을 계산하였다.
따라서 기업의 사업 전략 등에 따라 발사가격은 발사비용과는 다르게 책정된다. 비용은 ROM(Rough Order of Magnitude)비용이며, 비용을 계산하기 위하여 사용된 비용추정관계식(Cost Estimation Relationship, CER)은 현재 위성발사체의 비용 모델로서 널리 알려진 TRANSCOST, NAFCOM 등에서 사용된 CER을 활용하여 사용하였으며[5,6], 비용모델에 사용된 계수들은 현재의 기술수준 및 인터넷을 통하여 공개된 여러 자료들을 최대한 반영하여 결정하였다[7-11]. 본 연구에서 가격추정관계식으로 계산되는 것은 인/연(Man-Year)이며, 2019년도 미국의 엔지니어링 인/연 임률을 기준으로 비용을 계산하였다.
여기에서 지수상수와 비례상수는 TRANSCOST의 비용모델[12]에 근거하여 수정한 값을 사용한다.
성능/효과
계산 결과를 보면 년간 발사횟수가 20회보다 적을 경우에는 재사용발사체의 발사비용이 더 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 소형 발사체일수록 재사용 발사체의 비용 효용성이 떨어진다는 것을 알 수가 있다.
위성발사체의 발사비용은 공개된 자료가 아니기 때문에 쉽게 알기가 어려우나, 본 연구를 통하여 ROM(Rough Order of Magnitude) 발사비용을 추정하였다. 계산결과로서 알 수 있듯이, 현재 공개되어 있는 여러 자료들을 통하여 간접적으로 비교 검토해 본 바로는 추정한 발사비용이 상당히 적절한 수준임을 알 수 있다. 또한 다양한 크기의 임무중량을 위성궤도에 올리기 위하여 소요되는 발사비용을 비교 분석하기 위한 목적으로 사용하기에는 적합한 연구 결과이다.
계산결과로서 임무중량이 클수록 재사용에 따른 비용 효용성이 커짐을 알 수 있다. 임무중량이 클 경우에는 년간 발사횟수와 상관없이 발사당 비용은 재사용발사체가 기존 발사체에 비하여 항상 낮으며, 년 20회를 기준으로 보면 기존 발사체 발사비용의 57% 정도 수준인 41M$ 까지 낮아진다.
본 연구에서는 비교 검토하지 않았으나 비용 효용성을 결정하는 중요한 인자로서 재사용 가능한 횟수가 있다. 본 연구에서는 현재의 기술수준을 감안하여 재사용 횟수를 10번으로 가정하여 고정하였으나, 재사용 횟수가 많아짐에 따라 발사비용은 점점 줄어들게 될 것이다. 그리고 재사용비용을 최대한 줄이는 것도 재사용발사체의 비용 효용성을 높이기 위한 중요한 요인이 될 것이다.
이상에서와 같이 발사체의 발사비용을 줄이기 위한 재사용발사체의 개념은 여러 비용 요인을 감안하여 신중하게 결정하여야 비용 효용성의 효과를 볼 수가 있다 것을 본 연구를 통하여 확인할 수 있다.
임무중량 2톤급의 소형발사체의 경우에는 재사용 효과가 년간 70회 이상 발사를 하여야 나타나며, 년간 200회 발사의 경우에도 기존 발사체 대비 14% 정도의 비용 감소 효과밖에 없다는 것을 알 수가 있다.
7과 같다. 재사용발사체의 경우에는 임무중량이 70%로 줄어들기 때문에 발사당 비용에 비해서는 기존 발사체와의 차이가 다소 적어지지만 임무중량이 커질수록 재사용에 따른 비용 효용성이 여전히 커진다는 것을 확인 할 수가 있다.
현재 SpaceX의 Falcon 9 발사체가 년간 약 20대 정도 발사되는 것을 감안하여 발사비용을 검토해보면, 여러 공개된 자료 혹은 문헌에서 추정한 값과 유사한 수준으로 판단되므로 발사에 소요되는 ROM 비용을 추정하기 위하여 본 연구에서 제안된 계산방법은 적절한 것으로 결론지을 수 있다.
후속연구
본 연구에서는 현재의 기술수준을 감안하여 재사용 횟수를 10번으로 가정하여 고정하였으나, 재사용 횟수가 많아짐에 따라 발사비용은 점점 줄어들게 될 것이다. 그리고 재사용비용을 최대한 줄이는 것도 재사용발사체의 비용 효용성을 높이기 위한 중요한 요인이 될 것이다. 즉, 재사용하기 위하여 필요한 수리, 검사 및 시험 비용을 현재의 항공기 운용 수준으로 줄인다면 재사용발사체의 효용성은 매우 높아 질 것이다.
본 연구에서는 현재의 기술 수준에서 재사용발사체와 기존발사체의 발사비용을 발사횟수에 따라 비교 분석하였으며, 발사비용에 영향을 주는 중요한 비용인자에 따라서 발사비용이 어떻게 달라지는가에 대하여 알아보았다. 이러한 연구를 통하여 향후 위성발사체 시장에서 가격 경쟁력을 확보하기 위해서는 어떠한 발사체를 어떻게 개발하여야 하는가에 대한 방향 제시가 될 것이라고 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
재사용 비용이란 무엇인가?
재사용 비용은 회수한 발사체를 수리하고, 검사 및 시험하여 다시 사용 가능한 발사체로 복원 하는데 소요되는 모든 비용을 말한다. 재사용 비용이 많이 들어가면 재사용발사체의 비용 효용성이 떨어지게 되게 되는데, Space Shuttle의 경우 에는 이 비용이 당초 계획보다 엄청나게 많이 소요됨으로써 프로그램 실패의 큰 원인이 되었다.
발사체를 재사용함으로써 발사비용을 줄이고자 한 대표적인 프로그램은 무엇인가?
재사용을 통하여 발사비용을 획기적으로 줄일수 있다는 야심찬 계획으로 시작된 대표적인 프로그램이 Space Shuttle이다. 일주일에 한번 발사, 최대 재사용 100번, 10년 수명으로, 발사비용을 118$/lb(1972년 달러)로 낮추겠다는 계획서를 미의회에 제출하여 승인받음으로써 1972년부터 시작된 Space Shuttle 개발은 1981년 첫 발사를 성공하였으나 발사비용이 계획한 것에 비하여 엄청나게 높을 뿐만 아니라 2번의 대형 참사를 겪으면서 결국 2011년에 프로그램이 종료되었다.
발사가격은 발사비용과 다르게 측정되는이유는 무엇인가?
본 연구에서는 발사에 소요되는 모든 비용을 포함하도록 발사비용을 개발비용, 제작비용, 재사용 비용, 운용비용, 고정비용 및 보험비용으로 나누어총 6가지로 계산한다. 발사비용에서 금융비용은 제외하였기 때문에, 금융비용과 기업의 이윤 등을 더하여 발사가격이 최종적으로 결정된다. 따라서 기업의 사업 전략 등에 따라 발사가격은 발사비용과는 다르게 책정된다.
참고문헌 (13)
Jones “The Recent Large Reduction in Space Launcg Cost“
“Criticism of the Space Shuttle Program”
Webb “Is It Worth It? The Economics of Reusable Space Transportation“
“Comparison of orbital launcher families“
“Handbook of Cost Engineering and Design of Space Transportation Systems” Koelle 2012
“Falcon 9 Launch Vehicle NAFCOM Cost Estimates”
Herrmann 2006 “A Critical Parameter Optimization of Launch Vehicle Costs“
“Economic Model of Reusable vs. Expendable Launch Vehicles“ Wertz
Magazine of Aviation Development Tomanek 6 2 5 2018 “Reusable Launch Space Systems“
Wertz “Responsive Launch Vehicle Cost Model”
Gstattenbauer 2006 “Cost Comparison of Expendable, Hybrid, and Fully Reusable Launch Vehicles”
Koelle “Development and Transportation Costs of Space Launch Systems”
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