우주 발사 실패에 따른 발생 가능한 인명 피해 및 손실 산정 = Assessment of Probable Loss and Casualties for Space Launch Vehicle Failure

국문 초록 (Abstract)

지속 가능한 발사 시스템 운용을 위해 우주 발사체의 비행 안전 분석 및 사고 발생 시 피 해 규모 예측은 필수적이다. 본 연구에서는 발사 중 비정상 비행 발생 시 발사체 사양, 비 행 궤적, 환경 정보를 활용하여 기대 손실 비용(Expected Probable Loss, EPL)과 최대 손실 비용(Maximum Probable Loss, MPL)을 산정한다. 기대 사상자 수(Expected Casualty)와 최대 사상자 수(Maximum Casualty)를 기반으로 손실 비용을 평가하며, 이는 발사체 고장 응답 모드, 위험 지역의 인구 분포, 건물 구조 등 다양한 요인을 종합적으로 고려하여 발사의 위험 지표로 제시된다. 본 논문에서는 FAA의 국제 표준 문서에서 제시된 지상 피해 평가 절차를 구체화하여 비 행 안전 분석 소프트웨어를 구성한다. 지상 피해 평가를 위한 요구 데이터를 모델링하기 위 해 전세계 발사체의 고장 데이터와 Falcon 9의 시험 파편 데이터를 활용한다. 또한 파편의 낙하 및 지상 충돌 과정을 모의하기 위해 궤도 투입 시뮬레이션과 파편 탄착 분산 시뮬레 이션을 수행하며 파편 충돌로 인한 인명 피해를 산출하기 위해 사상자 영역(Casualty Area), 인구 중심지의 파편 충돌 확률을 계산한다. 누리호 2차 발사 시나리오를 적용하여 기대 사상자 수를 산출하고 이를 국제 표준 권고값과 비교한다. 또한 최대 사상자 수를 산 출하여 최악의 사고 시나리오를 탐색하고 인명 피해에 영향을 미치는 요인을 분석한다. 고 장 시간에 따른 예상 인명 피해 결과를 통해 발사체의 궤적 설계와 운용 안전성 향상에 기 여할 수 있는 가이드라인을 제공한다. 핵심어: 발사체, 파편 탄착 분산, 충돌 확률 등고선, 예상 인명 피해, 최대 손실 비용, 기대 손실 비용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In order to facilitate the operation of a sustainable launch system, it is imperative to analyse the flight safety of space launch vehicles and predict the scale of damage in the event of an accident. In this study, the Expected Probable Loss (EPL) and Maximum Probable Loss (MPL) are calculated using the projectile specifications, flight trajectory, and environmental information in the event of an abnormal flight during the launch. The loss cost is evaluated based on the expected and maximum casualties, which are presented as risk indicators for launches by comprehensively considering various factors such as the launch vehicle failure response mode, population distribution in the risk area, and building structure. The paper presents a flight safety analysis software that refines the ground damage assessment procedure presented in the FAA's international standard document. The analysis is supported by data on Falcon 9 test debris and global launch vehicle failure, which are used to model the required data for ground damage assessment. In addition, an orbit insertion simulation and a debris impact dispersion simulation are performed to simulate the debris fall and ground impact process, and to calculate the probability of debris impact in the Casualty Area and population centres, and the casualties caused by debris impact. The expected number of casualties is calculated by applying the Nuri-2 launch scenario and compared with the international standard recommendation. Furthermore, the maximum number of casualties is calculated in order to explore the worst-case scenario and analyse the factors that affect casualties. The results of the expected casualties according to the failure time provide guidelines that can contribute to improving the trajectory design and operational safety of the projectile.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 관련 연구 사례 2
• 1.3 연구 내용 및 의의 3
• 2. 발사체 궤적의 비행 안전 피해도 분석 및 피해 금액 산정 방안 4
• 2.1 손실 산정 기법 개요 4
• 2.1.1 Maximum Probable Loss 5
• 2.1.2 Expected Probable Loss 6
• 2.2 지상 피해 평가 절차 6
• 2.2.1 발사체 실패율 평가 8
• 2.2.2 고장 모드에 따른 고장률 할당 10
• 2.2.3 고장 모드와 발사체 건조 중량에 따른 파편 카테고리 모델링 21
• 2.2.4 파편 초기 조건 산출을 위한 발사체 궤적 모델링 28
• 2.2.4.1 발사체 유도조종 루프 28
• 2.2.4.2 Powered Explicit Guidance 29
• 2.2.4.3 발사체 및 시뮬레이션 환경 모델링 35
• 2.2.4.4 발사체 궤도 투입 시뮬레이션 43
• 2.2.5 파편 탄착 분산 시뮬레이션 46
• 2.2.6 충돌 상황에 따른 사상자 영역 계산 49
• 2.2.6.1 비폭발성 파편의 사상자 영역 계산 51
• 2.2.6.2 폭발성 파편의 사상자 영역 계산 56
• 2.2.6.3 총사상자 영역 계산 62
• 2.2.7 지상 격자 내 파편 충돌 확률 산출 63
• 2.2.8 사상자 수 계산 67
• 2.2.9 피해 금액 산정 69
• 3. 피해 안전 분석 결과 71
• 3.1 지상 피해 평가 및 손실 산정 결과 71
• 4. 결론 80
• 5. 참고 문헌 83