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Analysis of on-orbit refueling opportunity using flexible architecture assessment framework = 유연 아키텍처 평가 프레임워크를 이용한 궤도상 연료 재보급 기술의 분석 연구
서명 / 저자 Analysis of on-orbit refueling opportunity using flexible architecture assessment framework = 유연 아키텍처 평가 프레임워크를 이용한 궤도상 연료 재보급 기술의 분석 연구 / Seung-Bum Hong.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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A space system is unique in that it is a complex system without routine repair, maintenance, and upgrade since the access to operating space systems requires plenty of resources. Therefore, the cost to develop, produce, and operate space systems is very high. High cost and difficulty in maintenance requires longer lifetime and more reliability. As a result, they induce the increase of cost. To overcome these difficulties, many researches have been done or are being developed to enable the on-orbit maintenance and upgrade. Technical difficulties must be removed, and moreover, the cost-effectiveness of on-orbit servicing must be proven in the early stage of development. Refueling is one of on-orbit servicing, and this thesis analyzes on-orbit refueling opportunities using flexible architecture assessment framework. This framework provides important information on whether on-orbit refueling needs to be investigated with enough resources in the early stage of development. First, the dual-mode disaster monitoring constellation supported by on-orbit refueling depots are proposed. The switches between two modes are done by orbit transfers, and the fuel required for orbit transfers is supplied by on-orbit refueling depots. In addition, trade-off studies regarding operation of the constellation and on-orbit refueling depots are performed. Through this analysis, the limits of traditional approach to assess on-orbit refueling service are revealed and in order to overcome these limits, flexible architecture assessment framework is introduced. This thesis evaluates the value of flexibility that the on-orbit refueling may provide, using the real options theory. The flexibility of systems can change forms or functions to respond to uncertainties. As a result, it is able to reduce risks and catch opportunities. Flexible architecture assessment framework consists of four steps to help system architects define the elements of the framework. System architects can evaluate the value of flexibility with the elements and procedure of generic framework. On-orbit refueling can provide three options: 1) abandon systems, 2) operate degraded systems, and 3) refuel systems. The valuation of flexibility is done with Monte Carlo simulation after modeling uncertainties. Using this framework, valuation of flexibility for the dual-mode disaster monitoring constellation and sensitivity analysis are performed. In addition, an architecture analysis of the Globalstar communication constellation case is done. It is confirmed that the value of flexibility in both cases increases as uncertainties increases. Flexible architecture assessment framework for architecting space systems with support of on-orbit refueling depots is expected to help decision makers systematically estimate the value of flexibility and develop an innovative space system that traditional approach cannot design. In addition, the extension of on-orbit refueling to generic on-orbit servicing is expected to extend the value of flexibility.

우주 시스템은 전개된 곳에 접근하기가 매우 힘들기에 유지 보수 및 업그레이드가 매우 어려운 복잡 시스템이며 그 개발, 제작 및 운용비용이 매우 높다. 높은 비용과 유지 보수의 어려움은 더욱 더 긴 설계 수명과 높은 안정성을 요구한다. 이는 다시 비용의 상승을 야기하고 있다. 이런 어려움을 극복하기 위하여 궤도상에서의 유지 보수 및 업그레이드의 현실화를 위한 여러 연구가 진행이 되었다. 이를 위해서는 기술적 장애 요소가 제거되어야 하며 무엇보다 설계 초기 단계에서 궤도상 유지 보수 및 업그레이드를 위한 아키텍처의 비용 대비 이득을 증명해야만 한다. 기존의 연구는 궤도상 유지 보수 임무를 위한 우주 시스템의 특정 설계를 가정한 후 이를 바탕으로 특정 우주 시스템에서의 비용 대비 이득을 추산하는 것에 중점을 두고 있다. 본 연구는 유연성을 평가하는 프레임워크를 적용하여 궤도상 유지 보수 임무 중 하나인 재보급이 제공하는 유연성의 가치를 평가하였다. 이는 시스템 설계 초기 단계에서 충분한 자원을 들여 궤도상 연료 재보급이 포함한 아키텍처를 고려해야 할 지에 관한 중요한 정보를 제공할 것이다. 먼저 궤도상 연료 재보급 기지의 지원을 받는 새로운 개념의 이중 모드 지구 전역 재난 감시 위성군 아키텍처를 설계하고 그 운용과 관련된 트레이드-오프 연구를 수행하였다. 모드 간의 전환은 궤도 천이를 통해 이루어지는데 이 때 필요한 연료를 궤도상 보급기지로부터 수급 받는다. 그와 관련한 위성군의 운용 방안 및 재보급 기지의 운용 방안에 관한 트레이드 오프 연구를 병행하였다. 이를 통해 전통적인 방법의 접근법의 한계를 파악하고 그를 극복하기 위해 궤도상 연료재보급이 제공하는 유연성의 가치를 측정하여 시스템 설계 초기에 반영해야 함을 보인다. 본 연구에서는 리얼 옵션 기법을 사용하여 궤도상 연료 재보급이 제공하는 유연성의 가치를 측정하였다. 시스템의 유연성은 외부 상황의 변화에 따라 시스템 자체를 변화시켜 그 불확실성에 대응하여 위험성을 줄이고 보다 나은 기회를 잡을 수 있다. 이 논문은 4단계로 이루어진 프레임워크의 필수 요소들을 시스템 설계자가 각 단계에 거쳐 정의할 수 있게 도우며 이를 바탕으로 불확실한 시장 상황 및 우발 고장 등에 대처할 수 있는 유연성의 가치를 추산할 수 있게 돕는다. 궤도상 연료 재보급은 세 가지 옵션을 시스템에 제공하는데 이는 1) 시스템의 포기, 2) 시스템의 하향 운용, 그리고 3) 시스템 재보급이다. 유연성의 추산은 불확실성을 모델링 한 후 몬테 카를로 시뮬레이션을 통해 이루어진다. 제공된 프레임워크를 이용하여 지구 재난 감시 위성군에서의 궤도상 연료 재보급이 제공하는 유연성의 가치에 대해 추산하고 이에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 불확실성이 클수록 유연성이 가지는 가치가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 위성 전화 시스템인 Globalstar에 대한 궤도상 연료 재보급 아키텍처 연구도 수행하였다. 이 시스템에서도 유연성이 가지는 가치는 수요의 불확실성이 증가할수록 따라 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 일반적 우주 시스템을 위한 궤도상 연료 재보급 아키텍처 프레임워크는 재보급 아키텍처가 우주 시스템에 제공할 수 있는 유연성의 가치를 시스템 설계자가 체계적으로 추산하게 도울 수 있으며 기존의 패러다임을 벗어난 새로운 우주 시스템의 설계를 가능케 할 것으로 기대된다. 더불어 이 방법론을 연료 재보급에 한정하지 않고 다른 기능으로 확대한다면 더 큰 성과를 얻을 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DAE 14030
형태사항 ix, 97 p. : 삽화 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 홍승범
지도교수의 영문표기 : Jae-Myung Ahn
지도교수의 한글표기 : 안재명
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 References : p. 86-93
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