Costs and risks analysis tool for conceptual launch vehicle MDO

In recent years, the design philosophy in the aerospace field has mostly shifted from the classical “design-to-performance” to “design-to-cost”, “design-to-reliability” or similar concepts. Cost and risk engineering have therefore taken a primary role. Specifically in the space transportation industry, the goal of launch vehicles design is often the minimum cost for development, production and operations, subject to constraints in terms of system reliability and safety, as well as pure performance. Moreover, Multidisciplinary Design Optimization (MDO) is nowadays starting to gain a foothold in the conceptual and early preliminary design of launchers and complex aerospace systems in general, with the purpose of shortening schedules and reducing costs. The motivation of the work described in this thesis stems from these two considerations: in the European Space Agency’s context, there’s today the need of a simple and reliable cost and risk assessment model for space transportation systems. The model should be able to provide – on the basis of high-level design specification only - estimates of program life cycle cost and vehicles reliability appropriate for a Pre-Phase A or early Phase A projects. To satisfy this need, a cost and reliability model for expendable launch vehicles has been developed, originally conceived as a part of a MDO framework developed within a common research effort at Politecnico di Milano and Universität Bremen in collaboration with ESA. As regards to costs, a statistical model has been developed, based on Koelle’s “TRANSCOST 7.2” (T.C.S. - 2007) and integrated with ESA data. It consists mainly of mass-based cost estimating relationships, and additional correction factors which consider aspects such as team experience, cost-per-unit reduction due to series production and technical complexity. Particular attention is paid to the modelling of those aspects at the basis of typical cost vs. performance technological trade-offs. This allows to estimate development, production and operations cost, and to produce a high level Cost Breakdown Structure, in which, for every stage, propulsion subsystem cost and overall system cost are shown. For the risk model instead, a “reliability vs time” approach has been followed. Every component is characterized by a failure rate, which determines the related exponential reliability function. These functions are appropriately combined for each mission phase from pre-launch storage to payload injection, to obtain an overall reliability vs. time history and hence the final mission success probability. Also for risks a breakdown structure can be produced. This life cycle cost estimation and launch reliability tool has been validated against several launcher actual designs and foreseen concepts in the European scenario, with the support of ESA cost and risk sections. For the targeted design phase, the typical accuracy is in the order of magnitude of 15-20%, and validation results are in line with these values. Moreover, the models seem particularly suited to fairly and quickly compare different design solutions. That is why this is a perfect tool for the integration in a MDO framework for conceptual and early preliminary design, the phase in which the main decisions involving a launcher’s cost and reliability are taken.

Negli ultimi anni la filosofia di progetto in campo aerospaziale è passata dalla classica massimizzazione delle prestazioni, alla ottimizzazione dei costi, dell’affidabilità o concetti simili. L’ingegneria dei costi e dei rischi, pertanto, è ascesa ad un ruolo primario. Nell’industria spaziale, in particolare, l’obbiettivo di progetto per lanciatori è la minimizzazione dei costi di sviluppo, di produzione o per le operazioni (sia a terra che in volo), insieme al mero aspetto prestazionale. D’altro canto le tecniche di progetto ad ottimizzazione multidisciplinare (“MDO”) stanno guadagnando credito e aumentando la propria diffusione nel progetto concettuale e preliminare di lanciatori e sistemi spaziali complessi in generale, con il proposito di accorciare le tabelle di marcia e ridurre sensibilmente i costi di sviluppo. Il lavoro descritto in questa tesi nasce principalmente dai due argomenti sopracitati. In ambito ESA (European Space Agency - Agenzia Spaziale Europea) vi è oggi il bisogno di modelli semplici e affidabili per la valutazione di costi e rischi, per sistemi di trasporto spaziale. Il modello dovrebbe essere in grado di fornire, sulla base di specifiche di progetto ad alto livello, senza eccessivi dettagli, come tipico delle fasi di progetto A e pre-A, stime dei costi complessivi del programma e dell’affidabilità dei veicoli. Per rispondere a questa necessità è stato sviluppato un modello di costi e affidabilità per lanciatori spendibili, originariamente concepito come parte di una struttura MDO sviluppata in collaborazione con ESA dal Politecnico di Milano e dall’Università di Brema. Per quanto riguarda i costi è stato sviluppato un modello statistico basato principalmente sul “TRANSCOST 7.2” (T.C.S. – 2007) di D.E. Koelle, e integrato con dati ESA. Consiste principalmente di relazioni di stima dei costi (“CER”) basate sulla massa, con fattori correttivi addizionali che considerano aspetti quali l’esperienza del gruppo di lavoro, la riduzione del costo di produzione dovuta alla produzione in serie, la complessità tecnica. Particolare attenzione è stata rivolta alla modellazione di quegli aspetti alla base dei tipici confronti tecnologici costo/prestazioni Tale modello permette di stimare i costi di sviluppo, produzione e operazioni, e di produrre una struttura ad albero dei costi ad alto livello, in cui, per ogni stadio, sono indicati i costi per il sottosistema propulsivo e per l’intero sistema. Per quanto riguarda l’affidabilità invece, è stato seguito un approccio del tipo “affidabilità nel tempo”. Ogni componente è caratterizzato da una probabilità di rottura, che determina la relativa funzione esponenziale di probabilità di successo. Queste funzioni sono appropriatamente combinate per ogni fase di missione, dal pre-lancio all’inserimento in orbita del payload, in modo tale da ottenere una storia temporale dell’affidabilità complessiva e stabilire la probabilità di successo globale. Anche per l’affidabilità può essere prodotta una struttura ad albero. Questo strumento di stima di costi e affidabilità è stato validato con diversi lanciatori realmente esistenti in ambito europeo, con il supporto delle sezioni di ingegneria dei costi e dei rischi di ESA. Nella fase di progetto per la quale il modello è stato sviluppato, l’accuratezza tipica nella stima di queste quantità è nell’ordine del 15-20%, requisito ampiamente rispettato dal modello. In ogni caso, il modello sembra particolarmente adatto per veloci ed efficaci paragoni tra diverse soluzioni di progetto. Per questo è uno strumento perfetto per l’integrazione in una struttura MDO per il progetto concettuale / preliminare, la fase di progetto in cui vengono intraprese le decisioni più rilevanti sulla filosofia del progetto, che influiscono maggiormente sui costi e sull’affidabilità del sistema.