우주물류

Space logistics

우주 물류는 "운영성과 지원성을 위해 우주 시스템 설계를 추진하고, 우주 시스템 라이프사이클 전반에 걸쳐 필요한 재료, 서비스, 정보의 흐름을 관리하는 이론과 실천"입니다.[1]우주여행을 지원하는 지상물류를 포함하며, 추가적인 "우주물질의 설계 및 개발, 취득, 보관, 이동, 유통, 유지, 대피 및 처분", 우주 내 사람들의 이동(일상 및 의료 및 기타 비상사태),그리고 우주여행을 유지하기 위해 필요한 모든 지원 서비스를 계약하고 제공합니다.우주 물류 연구와 실습은 주로 지구에서 태양계를 통해 목적지까지 우주 물류 공급망의 모델링과 관리, 우주에서의 물류 요구 사항과 로봇 운영에 따른 운영 비용을 최소화하기 위한 시스템 아키텍처 전략에 중점을 두고 있습니다.[1]

역사

1960년 초 베르너 폰 브라운은 우주 물류의 필요성과 저개발에 대해 다음과 같이 말했습니다.[2]

우주에서 물류 문제가 발생하고 있습니다.그것은 가장 선견지명이 있는 물류 엔지니어들의 생각에 도전할 것입니다.아시다시피, 우리는 현재 우주의 세 지역을 조사하고 있습니다: 지구 근처, 달 지역, 그리고 행성들.우리 모두가 적어도 일반적인 방법으로는 논의에서 물류에 대한 요구사항과 문제점들 중 많은 부분 또는 대부분을 인식하고 있었다고 해도 무방하지만, 우리 중 많은 사람들이 물류 영역에서 수행되는 업무의 방대한 범위를 깨닫지 못하고 있다고 해도 무방하다고 생각합니다.이번 논의를 통해 물류 지원이 대부분의 대형 개발 프로젝트에서 큰 비중을 차지하고 있다는 점이 더 잘 이해되기를 바랍니다.사실 물류 지원은 많은 사업의 성패를 좌우하는 주요 원인입니다.

2004년까지 NASA가 달, 화성 및 그 너머를 탐사하기 위한 정부 계획을 시작하면서 지구 [3]저궤도에서도 물류 수요를 지원할 수 있는 능력과 능력 모두에서 많은 결함이 확인되었습니다.[4][5]


2005년까지 분석가들은 우주왕복선 프로그램과 관련된 각국 정부가 2010년까지 예상되는 [4]국제 우주 정거장 건설 단계의 완료 이후 화물 운송 물류 서비스를 상업적으로 인수함으로써 비용을 절감할 수 있는 기회가 다가오고 있음을 인식했습니다.[5]

2005년 이후 활동

제조 사업 기술에 의하면,[6]

NASA는 두 명의 MIT 공학 교수에게 380만 달러를 수여하여 행성 간 물질 운송 및 이동을 지원하기 위한 공급망 물류 적응을 위한 학제 간 연구를 진행했습니다.MIT 공학 시스템 부서의 David Simchi-Levi와 Olivier de Weck 교수가 제트 추진 연구소, 페이로드 시스템즈, 그리고 유나이티드 스페이스 얼라이언스와 협력하여 프로젝트의 선봉에 서게 될 것입니다.
지속 가능한 우주 탐사는 적절한 공급망 관리 없이는 불가능하며 아폴로와 달리 앞으로의 탐사는 지상과 우주의 복잡한 공급망에 의존해야 할 것입니다.이 사업은 우주물류 종합 공급망 관리 체계 및 계획 수립을 주요 목표로 하고 있습니다.궁극적으로 통합된 우주 물류 체계는 물질과 정보의 지상 이동, 발사 장소로의 이동, 발사체에 탑재되는 탑재체의 통합, 우주 공간 및 행성 이동, 행성 표면 물류를 포함할 것입니다.MIT가 주도하는 행성간 공급망 관리 모델은 다음과 같은 4단계 개발 접근 방식을 취할 것입니다.
1. 해군 잠수함 및 북극 물류를 포함한 지구 기반 상업 및 군사 프로젝트에서 배운 공급망 관리 교훈 검토
2. 지구-달-화성 궤도 및 착륙 예정지 모델링을 통한 우주물류망 분석
3. 수요의 불확실성, 화물 조합, 비용 및 공급망 붕괴를 수용하는 수요/공급 모델링
4. 행성간 공급망 아키텍처 개발

공급 클래스의 예

MIT 우주물류센터에서 확인한 보급품 클래스 중 다음과 같은 것들이 있습니다.[7]

  • 추진제 및 연료
  • 승무원 조항 및 운영
  • 유지보수 및 유지보수
  • 보관 및 구속
  • 폐기물 및 처리
  • 거주지와 기반시설
  • 운송 및 운송업체
  • 여러가지 종류의

ISS 지원을 위한 우주 운송 범주에는 다음과 같은 항목이 포함될 수 있습니다.

톈저우(Tianzhou)는 중국 우주 정거장으로 가는 유일한 소모성 무인 재보급 우주선입니다.

2005년 ISS 물류능력 현황

2005년 제임스 베이커와 프랭크 아이히슈타트가 종합적인 연구를 통해 단일 우주 시설인 국제 우주 정거장의 물류 현황을 제공했습니다.[8]이 기사 섹션에서는 해당 연구에 대해 광범위하게 언급합니다.

ISS 화물 요구사항

2004년 현재, 미국 우주왕복선, 러시아 프로그레스, 그리고 극히 제한적으로, 러시아 소유즈 차량은 ISS 화물을 수송할 수 있는 유일한 우주 수송 시스템이었습니다.[8]

그러나 2004년에 이미 유럽 자동 전송 차량(ATV)과 일본 H-IIA 전송 차량(HTV)이 ISS 조립이 종료되기 전에 도입될 것으로 예상되었습니다.2004년 현재, 미국 셔틀은 대부분의 가압 및 무압 화물을 운송하고 있으며, 사실상 모든 회수 가능한 다운 매스 능력(화물의 비파괴 재진입 능력)을 제공하고 있습니다.[8][needs update]

화물차량능력

베이커와 아이히슈타트는 2005년에 다음과 같이 썼습니다.[8]

셔틀의 능력과 용량을 대체하고 현재 계획된 대체 차량을 증강하기 위해 설계된 상용 화물 차량의 크기를 결정하기 위해서는 향후 ISS 화물 요건에 대한 이해가 필요합니다.ISS 화물 이송 요건에 대한 정확한 추정치는 물류 요건, 승무원 관리 수준, 차량 가용성, 그리고 NASA의 우주 탐사 및 연구 목표에서 ISS가 수행할 역할의 지속적인 변화로 인해 설정하기가 어렵습니다.
2007-2010년 동안에 증가된 무압 화물 인도 요구 사항을 보여줍니다.이러한 증가된 비율은 셔틀 퇴역 전 ISS에 가압되지 않은 예비 공간을 배치하려는 현재의 계획의 결과입니다.셔틀을 보충하기 위해 비가압 예비물을 운송할 수 있는 상용 화물 운송업체의 제공은 사전 배치 요건을 제거하고 2007-2010년 동안의 추정 평균을 가압 화물의 경우 약 24,000 kg, 비가압 화물의 경우 약 6800 kg으로 정렬합니다.셔틀이 퇴역한 후 남은 시스템의 배송 능력을 고려하면 수익률이 나옵니다.
우주왕복선의 퇴역과 ISS 물류를 위한 Progress, ATV 및 HTV에 의존하는 것은 상당한 복구 가능한 다운 매스 기능을 초래하지 않습니다.또한, 이러한 화물 운송 시스템 중 어떤 것도 화물 운송 부족을 메우기 위해 생산 및 출시율을 증가시킬 수 있다는 증거는 없습니다.

상업적 기회

베이커와 아이히슈타트는 2005년에 다음과 같이 썼습니다.[8]

ISS 지원 부족 외에도 상용 화물 운송 시스템을 위한 대체 기회가 존재합니다.우주왕복선의 퇴역은 또한 ISS와 독립적으로 지구 저궤도(LEO) 연구를 수행할 수 없게 되는 결과를 초래할 것입니다.상용 페이로드 서비스는 이러한 요구를 충족시키기 위한 자유 비행 연구 플랫폼 역할을 할 수 있습니다.NASA의 우주 탐사 계획에 대한 물류 지원 요구가 대두됨에 따라 기존의 상용 시스템을 활용할 수 있습니다.
마지막으로, 비정부용 상업 우주 정거장의 개발에 대한 초기의 관심은 재공급 문제를 고려해야 합니다.그러한 고려 사항은 의심할 여지 없이 구매/구매 분석의 대상이 될 것입니다.여러 정부 및 비정부 프로그램에 걸쳐 개발 비용을 상각한 기존 시스템은 상용 우주 정거장 운영자의 "구매" 결정을 선호해야 합니다.이러한 시장이 생겨나면서 상업 기업들은 정부가 개발한 시스템 비용의 일부로 물류 서비스를 제공해야 하는 처지에 놓이게 될 것입니다.그에 따른 규모의 경제는 두 시장 모두에 이익이 될 것입니다.이 결론은 1991년 NASA가 인가한 프라이스-워터하우스 연구에 의해 도출되었습니다.[9]이 연구는 현재 가치가 1억 6천만 달러로 추정되는 SPACEHAB의 비행 자산 기반 상용 모듈 서비스의 가치가 표준 비용과 계약을 사용하여 개발하고 운영하는 데 10억 달러 이상의 비용이 들 것이라는 결론을 내렸습니다.1991년 이후 SPACEHAB의 상업적 운영 및 개발(통합 화물 운반선 등)은 정부 소유 및 운영 시스템에 비해 비용 절감 효과가 더 크다는 것을 나타냅니다.
상업 기업은 서비스 향상, 지속적인 가용성 보장, 서비스 기능 향상에 민간 자본을 효율적으로 투자할 가능성이 높습니다.이러한 경향은 비항공우주 응용 분야에서 흔히 볼 수 있는 것으로, 지속적인 모듈 개선과 새로운 물류 운반선의 도입을 통해 상업용 우주 시스템 시장에서 SPACEHAB에 의해 입증되었습니다.
ISS 화물 운송 능력의 부족, 새로운 기회, 그리고 SPACEHAB의 기존 지상 및 비행 운영에서 얻은 경험이 상업용 페이로드 서비스(CPS)의 개발을 촉진시켰습니다.상업적으로 개발된 시스템으로서 SPACEHAB은 기능과 경제성을 최적화하기 위해서는 시스템 개발 및 운영에 있어서 특정한 접근 방식을 취해야 한다는 것을 인식하고 있습니다.
첫 번째 접근법은 시스템에 적당한 요구사항을 부여합니다.프런트 엔드에 기본 기능을 도입하고 향상된 기능에 대한 흉터를 갖게 되면 나중에 출시 비용이 절감되고 개발 시간이 단축됩니다.
두 번째는 적절한 경우 기존 기술과 기능을 활용하는 것입니다.NASA 프로그램의 대표적인 특징은 새로 개발된 기술에 대한 지속적인 접근입니다.기술적 진보의 관점에서는 매력적이지만, 이 작업은 비용이 많이 들고 운영 능력을 창출하는 데 실패하는 경우가 많습니다.상업적으로 개발된 화물 모듈은 기존 기술의 사용을 극대화하고(가능한 경우 선반에서 제외), 시스템 요구 사항이나 시장 상황이 그러한 발전의 필요성을 유발하는 경우에만 기술적 발전을 추구할 것입니다.또한 우주선의 개발과 관련된 비용은 차량 시스템과 관련된 비용에 국한되지 않습니다.인프라와 관련된 상당한 비용도 고려해야 합니다.SPACEHAB의 기존 물류 및 차량 처리 시설과 동부 발사장 및 Sea Launch 시설은 상당한 시스템 개발 비용을 절감할 수 있습니다.
마지막으로 SPACEHAB은 정부 프로세스 대신 상용 프로세스를 사용함으로써 비용 및 일정 절감을 실현했습니다.결과적으로, 유사한 셔틀 기반 다목적 물류 모듈(MPLM)의 경우 22개월이었던 것에 비해, 셔틀 기반 항공모함의 임무 통합 템플릿은 14개월입니다.[10]

랙 이송 기능

베이커와 아이히슈타트는 2005년에 다음과 같이 썼습니다.[8]

ISS는 ISP(International Standard Payload Rack)를 미국의 모든 운영 모듈에서 기본 페이로드 및 실험 수용 구조로 활용합니다.ISS를 ISS 안팎으로 이송하려면 공통 접안 메커니즘(CBM) 접안 위치에서만 볼 수 있는 해치를 통과해야 합니다.ISPR 비율과 결합된 CBM의 직경은 일반적으로 화물 차량의 직경을 EELV(Evolved Expendable Launch Vehicle)에서 발사되는 5m 페이로드 페어링에 의해서만 수용되는 크기로 이동시킵니다.

복구 가능한 재진입 가압 페이로드

베이커와 아이히슈타트는 2005년에 다음과 같이 썼습니다.[8]

러시아 프로그레스호는 우주 정거장을 떠나자마자 모든 "화물"을 파괴적으로 대기권으로 재진입하는 화물 차량의 역할을 오랫동안 수행해 왔습니다.이 방법은 우주 정거장에서 원하지 않는 질량을 제거하는 데 매우 효과적입니다.그러나 NASA는 ISS로부터 페이로드를 반환하는 것이 매우 바람직하다고 밝혔습니다 [5].따라서 상용 시스템은 초기 설계 또는 향후 도입될 서비스의 향상된 기능으로서 가압 페이로드 반송 기능을 포함하는 것의 의미를 검토해야 합니다.이러한 기능을 제공하려면 열 보호 서브시스템, 궤도 이탈 타겟팅 서브시스템, 착륙 복구 서브시스템, 지상 복구 인프라 및 FAA 라이센스를 통합해야 합니다.비가압 페이로드의 복구는 비가압 캐리어의 노출된 특성과 관련된 고유한 과제를 제시합니다.가압되지 않은 페이로드에 대해 복구 가능한 재진입 시스템을 구현하기 위해서는 캡슐화 시스템의 개발이 필요합니다.캡슐화 작업은 재진입 전에 자율적으로 수행되거나 무압 화물 운반선에 반송 화물을 싣는 작업의 일부로 수행되어야 합니다.어느 경우든 우주선 시스템과 관련된 추가 비용이나 운영 요건의 증가는 단순히 파괴적인 재진입을 위해 가압된 운반선을 싣고 떠나는 것보다 더 많을 것입니다.

혼합 매니페스트 기능

베이커와 아이히슈타트는 2005년에 다음과 같이 썼습니다.[8]

일반적으로 포인트 솔루션을 피하면 특정 시스템이 가변 기능을 제공할 수 있는 유연성이 제공됩니다.모든 관련 화물 수용 시설을 모든 비행기에 실어 날라야 한다면, 가압 시스템과 비가압 시스템을 혼합한 화물 운반선을 설계하는 것은 비용 증가로 이어질 수 있습니다.모든 유형의 페이로드에 대해 고정된 상대 용량을 수용하는 구조를 설계하고 비행하는 데 관련된 불필요한 비용을 피하기 위해 CPS에 대해 모듈식 접근 방식을 취합니다.셔틀 퇴역 후 ISS에 대한 예상 화물 운송 요구 사항은 전용 가압 및 비가압 임무가 ISS 업 매스 요구 사항을 지원할 수 있음을 나타냅니다.일반적인 기본 기능(예: 서비스 모듈, 도킹 시스템 등)을 활용하고 우주선의 가압 및 비가압 캐리어 요소를 모듈화하여 포인트 솔루션을 피하면서 유연성을 보장합니다.

추진제 이송

베이커와 아이히슈타트는 2005년에 다음과 같이 썼습니다.[8]

ISS(Russian Segment of the ISS)는 프로브 및 콘 도킹 메커니즘을 통해 추진제 이송을 지원하는 기능을 갖추고 있습니다.추진제 이송 능력의 통합은 여러 기업 및 정부 기관의 조정을 필요로 하는 국제적인 문제를 소개합니다.ISS 추진제 요건은 러시아 진전 및 ESA ATV에 의해 적절히 제공되므로, 이러한 기능의 통합과 관련된 비용을 피할 수 있습니다.그러나 CPS의 모듈 특성과 선택된 하위 시스템의 고유한 기능이 결합되어 ISS가 필요로 할 경우 추진제 이송에 대한 경제적인 대안이 가능합니다.
CPS 아키텍처를 개발하는 데 고려되는 간접 비용에는 ITAR(International Traffic in Arms Regulations) 및 FAA(Federal Aviation Administration) 상용 출시 및 엔트리 라이센스 요건과 관련된 라이센스 요건이 포함됩니다.ITAR 라이센스는 차량 서브시스템 공급업체의 신중한 선택을 유도합니다.미국 이외의 기관에 의한 우주선 서브시스템의 활용 또는 제조는 적절한 국무부 및/또는 상무부 승인이 있어야만 구현할 수 있습니다.FAA 허가 요건에 따라 발사 및 착륙 장소를 신중하게 선택해야 합니다.미국 조직법인이 개발한 차량은 다른 나라에서 출시된 경우에도 FAA의 차량 시스템, 운영 및 안전 프로그램을 검토하여 사람과 재산에 대한 위험이 허용 가능한 범위[11] 내에 있는지 확인해야 합니다.

다운 매스

우주 물류의 상당한 초점은 지구에서 궤도로 운반되는 페이로드 질량 또는 업 매스에 맞추어져 있지만, 우주 정거장 운영에도 상당한 다운 매스 요구 사항이 있습니다.지구 저궤도에서 지구로 화물을 반송하는 것은 우주에서 지구 표면으로 반송되는 총 물류 페이로드 질량인 다운 매스(down mass)를 운반하는 것은 후속 사용이나 분석을 위해 우주에서 지구 표면으로 반송되는 총 물류 페이로드 질량입니다.[12]다운 매스 물류는 궤도 우주 시설에서 발생하는 연구 및 제조 작업의 중요한 측면입니다.2020년대에 이 용어는 다른 행성체로 또는 다른 행성체로 이동하는 질량의 맥락에서도 사용되기 시작했습니다.예를 들어, "[스페이스X 스타쉽 HLS 달 착륙선의] 질량과 질량의 증가는 나사의 요구 사항을 훨씬 초과했습니다."[13]

국제 우주 정거장의 경우, 다운 매스 능력이 심각하게 제한된 기간이 있었습니다.예를 들어, 2011년 7월 STS-135 임무 이후 우주왕복선이 퇴역한 이후 약 10개월 동안, 그리고 우주왕복선이 페이로드 질량을 반환할 수 있는 능력을 상실함에 따라, 지구 저궤도에서 지구로 대량의 화물을 반환하여 차후에 사용하거나 분석할 수 있을 것이라는 우려가 커졌습니다.[12]이 기간 동안 국제우주정거장에 화물을 싣고 갈 수 있는 4대의 우주선 가운데 러시아 소유스호만 아주 작은 화물 탑재체도 지구로 돌려보낼 수 있었습니다.소유즈가 돌아올 때마다 돌아오는 3명의 ISS 승무원들로 우주 캡슐 전체가 가득 찼기 때문에 소유즈 화물의 다운 매스 능력은 제한적이었습니다.러시아 우주국 프로그레스, 유럽 우주국(ESA) ATV, 일본 우주항공연구개발기구(JAXA) HTV 등 현재 남아있는 화물 재보급 차량 중 어느 것도 지상에서 사용하거나 시험하기 위한 저질량 화물을 반납할 수 없었습니다.[12]

2012년 5월 Dragon C2+ 임무 중 상업적으로 계약된 SpaceX Dragon의 성공적인 정박과 2012년 10월 운영 화물 비행 개시로 [14]ISS로부터의 다운 매스 캐퍼빌리티는 현재 Dragon 화물 캡슐에 의해 정기적으로 제공되는 서비스인 Dragon 비행당 3,000 kg(6,600 lb)입니다.[15]2018년에 시험된 HTV 소형 재진입 캡슐(HSRC)은 향후 HTV 비행에 사용될 수 있습니다.[16]HSRC의 최대 다운 매스 용량은 20kg(44lb)입니다.[17]

참고 항목

참고문헌

  • Rodolfo Monti, ed. (2005). "Infinite Possibilities Global Realities: Selected Proceedings of the 55th International Astronautical Federation Congress, Vancouver, Canada, 4–8 October 2004". Acta Astronautica. Pergamon. 57.
  • Evans, Andy (January–March 2005). "Space Logistics: The Ultimate Logistics Enterprise Challenge". Logistics Spectrum. International Society of Logistics. Retrieved 8 August 2011.
  1. ^ a b AIAA STLC. "Definition of Space Logistics". AIAA. Retrieved 22 November 2022.
  2. ^ Wernher von Braun (1960). Wernher von Braun discussing the importance of space logistics. AIAA. Archived from the original on 18 October 2010.
  3. ^ 새로워진 발견의 정신, G.W. 부시:미국 우주 탐험에 대한 프레지던츠 비전, 2004년 1월.
  4. ^ a b Baker, James D.; Eichstadt, James (May 2005). "Commercial cargo transport service for ISS". Acta Astronautica. 57 (2). Bibcode:2005AcAau..57..257B. doi:10.1016/j.actaastro.2005.04.001.
  5. ^ a b 미국 의회, 1958년 개정된 미국 항공우주법, 공법 85-568, 1984.
  6. ^ "Supply chain management and material transport study goes interplanetary: Lunar Logistics". Manufacturing Business Technology. 23 (8): 12. 1 August 2005. Archived from the original on 6 November 2012.
  7. ^ "Classes of Supply for Exploration Logistics". Interplanetary Supply Chain Management and Logistics Architecture. MIT Space Logistics Center. Archived from the original on 5 July 2008. Retrieved 8 August 2011.
  8. ^ a b c d e f g h i "Commercial cargo transport service for ISS". Acta Astronautica. 57 (2). May 2005. Bibcode:2005AcAau..57..257B. doi:10.1016/j.actaastro.2005.04.001.
  9. ^ 프라이스 워터하우스, 상업용 미드덱 증강 모듈의 NASA 임대 및 구매 대안 분석, 1991.
  10. ^ 미국 항공우주국, 스테이션 프로그램 구현 계획, vol. 6: 화물 물리적 통합, SSP 50200-06, 1997년 12월
  11. ^ 연방항공청-상업우주교통국, 14 CFR, 2000년 11월 (Ⅲ장).
  12. ^ a b c Bergin, Chris (20 April 2012). "Cargo up and down: Dragon to demonstrate the importance of downmass". NASA Spaceflight. Retrieved 23 April 2012. "Cargo runs in general are vital to the Station, however, not least since the end of the massive capability enjoyed by the ISS via the Space Shuttle fleet. With the orbiters now retired, an array of resupply vehicles are aiming to take up the slack, ranging from the ongoing Russian Progress vehicles, to Europe's ATV, Japan's HTV and – to a very small extent – the Russian Soyuz vehicles. However, it was the additional capability of the Shuttle's downmass role with the ISS that was often understated during the final years of their flights to the Station, something the Russian, European and Japanese resupply vehicles could not mitigate once the fleet was retired, bar the very small downmass allowed by the Soyuz."
  13. ^ Burghardt, Thomas (20 April 2021). "After NASA taps SpaceX's Starship for first Artemis landings, agency looks to on-ramp future vehicles". SpaceNews. Retrieved 21 April 2021.
  14. ^ "SpaceX capsule returns with safe landing in Pacific". BBC. 28 October 2012. Retrieved 23 December 2012.
  15. ^ Black, Charles (24 December 2012). "When Dragon made commercial spaceflight a reality". SEN. Retrieved 26 December 2012. [Dragon's] ability to return goods is currently unique because all the other regular supply ships - Europe's Automated Transfer Vehicle (ATV), Japan's HTV (or "Kounotori") and Russia's Progress - all burn up during controlled re-entry.
  16. ^ Hayashi, Kimiyo (13 December 2018). "数多くの困難、時間との闘いを乗り越えて。小型回収カプセルが拓く未来" (in Japanese). Retrieved 22 January 2019. ... 貨物船「こうのとり」は残り2機（8号機、9号機）で終了となり、2021年度に打ち上げ予定の新型宇宙ステーション補給機HTV-Xにバトンタッチする。今回と同様の小型回収カプセル実験は9号機で再度行う可能性はあるが、自立的な回収カプセルはHTV-Xが運ぶことになるだろう。 ...
  17. ^ "日本独自の宇宙回収カプセル開発進む ＩＳＳの実験試料を迅速に研究者へ 有人船に応用も". Sankei Shimbun (in Japanese). 18 March 2018. Retrieved 10 April 2018. ... 回収能力はわずか約２０キロ。試料を冷蔵する場合は５キロ足らずだ。 ...

외부 링크