Historically, On-Orbit Servicing (OOS), including refueling, maintenance, or upgrades, has been constrained due to high costs and risks of human involvement and expensive launches. Recently, however, with many commercial entities integrating OOS into their business models and rapidly advancing baseline technologies, the landscape is shifting. A particularly dynamic aspect of this evolution is On-Orbit Refueling (OOR), which potentially introduces a paradigm shift by decoupling design propellant mass from design lifetime. This shift necessitates exploring innovative satellite system architectures, diverging from conventional models.
This thesis introduces a novel framework for satellite system architecting, specifically designed to incorporate the distinct elements of OOR. the framework formulates the optimal satellite system architecting problem by treating design lifetime and design propellant mass as independent variables. It employs the mean-variance model, borrowed from Portfolio selection theory, to define objective functions. The evaluation of each proposed architectural solution is facilitated by a new sizing model that treats design propellant mass as an independent variable and a comprehensive satellite lifecycle simulation that includes OOR scenarios. Based on the simulation, a surrogate model-based optimization approach is used as the solution methodology.
To validate the framework's practicality and effectiveness, a case study focusing on a geosynchronous equatorial orbit communication satellite is conducted. This study thoroughly analyzes current service parameters and their variations, identifying service cost as a crucial factor influencing the efficiency of satellite system architecture solutions. Additionally, it quantitatively assesses the cost threshold at which alternative system architectures become viable. The case study demonstrates the framework's ability to effectively evaluate the impacts of OOR on satellite system architecture, providing valuable insights for stakeholders in the space sector.
최근까지 궤도상 서비싱 (On-Orbit Servicing, OOS)은 사람의 물리적 개입 없이 수행되기 어려웠으며, 이에 따라 수반되는 비용과 위험이 매우 컸다. 따라서, 대부분의 우주 시스템은 임무 수행 중 연료 재보급이나 부품 교체와 같은 서비스의 대상이 되지 못했다. 하지만, 뉴 스페이스 시대에 접어들면서 OOS 관련 기술의 진보가 급격히 이루어지고 있으며, 다수의 상업회사들은 OOS 제공을 비즈니스 모델로 취하고 있다. 특히, 궤도상 연료 재보급 (On-orbit Refueling, OOR) 서비스는 빠르게 상업화 되고 있는 OOS 기술 중 하나이다. OOR 서비스의 등장은 위성의 설계 수명과 설계 추진제량의 분리를 가능하게 하며, 이를 성공적으로 받아들이고 최적의 의사결정을 위해서는 기존의 위성 설계 개념과는 다른 새로운 설계 개념의 탐색을 요한다.
본 학위 연구는 이를 위한 새로운 위성 시스템 아키텍쳐를 위한 프레임워크를 제시한다. 제시된 프레임워크는 OOR 서비스를 고려한 위성 시스템 아키텍쳐 최적화 문제의 정의와 이를 해결하기 위한 문제 해결 방법론을 포함한다. 최적화 문제를 수학적으로 정립하기 위해 위성의 설계 수명 (design lifetime)과 설계 추진제량 (design propellant mass)을 독립적인 의사결정 변수로 설정하고, Portfolio selection 이론의 mean-variance 접근법에 기반한 목적함수를 차용하였다. 또한, 의사결정 변수로 대표되는 각각의 시스템 아키텍쳐를 평가하기 위해서 위성의 설계 수명을 독립적인 변수로 고려한 새로운 위성 질량 및 비용 모델을 도출하였고, 운용 중 의사결정의 유연성과 다양한 위험 요소를 고려한 위성의 생애주기 시뮬레이션 (lifecycle simulation)을 고안하였다. 이를 기반으로 대체모델을 이용한 최적화 기법 (surrogate model-based optimization)을 적용한 문제 해결 방법론을 제시하였다.
개발된 프레임워크의 유효성을 입증하고 실제 문제에의 적용 가능성을 탐색하기 위해 정지궤도 통신 위성에 대한 사례 연구가 수행되었다. 현재 궤도상 연료 재보급 회사들의 목표 서비스 성능을 기준으로 하여 다양한 서비스 파라미터에 대한 시나리오 분석이 수행되었다. 구체적으로, 서비스 비용의 감소가 위성 시스템 아키텍쳐 유효해의 변동에 주요한 요인임을 도출하였다. 또한, 유효해의 변화가 일어나는 서비스 비용의 한계값을 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 개발된 프레임워크가 궤도상 연료 재보급 서비스가 위성 시스템 아키텍쳐의 최적해에 미치는 영향을 분석하고, 우주 산업에 관계된 다양한 이해당사자들에게 유의미한 통찰을 제공할 수 있다는 것을 시사하였다.
