การเดินทางของดาวเทียม สู่อวกาศที่เต็มไปด้วยอันตราย…!!

จะมีใครรู้บ้างว่า..? ดาวเทียมที่ถูกส่งไปยังอวกาศนั้น รอบตัวเต็มไปด้วยสิ่งที่มีความอันตรายเป็นอย่างยิ่ง นับตั้งแต่วินาทีที่ 0 ที่จรวดลำเลียง (Launch Vehicle) จุดระเบิดเชื้อเพลิงทะยานขึ้นสู่ฟากฟ้าไปจนกระทั่งการแยกตัวของดาวเทียมออกจากจรวดขนส่ง ตัวจรวดจะต้องเผชิญทั้งแรงลมปะทะ แรงสั่นสะเทือนมหาศาลขณะแหวกกำแพงเสียง แรงสั่นสะเทือนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์จรวด แรงเค้นจากความเร่ง หรือแม้แต่แรงระเบิดจากการแยกตัวของท่อนจรวดเมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ไปจนหมดแล้ว ซึ่งแรงทั้งหมดนี้จะถูกส่งผ่านไปยังดาวเทียมที่ติดตั้งอยู่ภายในส่วนหัวจรวจ (payload fairing)

แม้จะเป็นระยะเวลาเพียงไม่กี่นาทีในการขึ้นสู่วงโคจร แต่นับเป็นช่วงเวลาลุ้นระทึกที่ชี้เป็นชี้ตายต่อความอยู่รอดของดาวเทียม และความสำเร็จของโครงการเลยทีเดียว ขณะขนส่งดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศ ดาวเทียมจะต้องเผชิญกับแรงทางกล (Mechanical Load) อันมหาศาล ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ซึ่งสามารถจำแนกแรงออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่

แรงกระทำแบบคงที่ (Quasi-static load) เช่น แรงจี (Gravitational Force) อันเนื่องมาจากอัตราเร่งของจรวดที่อาจสูงได้ถึง 4-5 เท่าของความเร่งโน้มถ่วงโลก

แรงกระทำแบบแปรผัน (Dynamic load) เช่น แรงสั่นสะเทือนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์จรวด, แรงลมปะทะตัวจรวดขณะเคลื่อนผ่านชั้นบรรยากาศ

แรงกระทำแบบเฉียบพลัน (Shock load) เช่น การจุดระเบิดสลักยึดท่อนจรวดในระหว่างการแยกตัว (Stage Separation)

ทั้งหมดนี้ ล้วนแล้วสามารถสร้างความเสียหายให้กับดาวเทียมที่ถูกติดตั้งอยู่บนจรวดได้ ดังนั้นวิศวกรผู้ทำการออกแบบโครงสร้างดาวเทียม จะต้องคำนึงเสมอว่าดาวเทียมที่พวกเขากำลังสร้างอยู่ นอกจากจะต้องสามารถใช้งานได้ตามที่ได้ออกแบบไว้แล้ว ยังจะต้องมีความแข็งแรงมากพอที่จะทนทานต่อแรงทางกลเหล่านี้ได้ โดยที่ไม่เกิดความเสียหายขึ้นในระหว่างปล่อยขึ้นสู่วงโคจร เพราะนับตั้งแต่วินาทีที่เครื่องยนต์จรวจถูกจุดขึ้น ทีมวิศวกรไม่มีโอกาสที่จะทำการแก้ไขหรือซ่อมแซมดาวเทียมได้อีกต่อไป (ยกเว้นบางภารกิจ เช่น กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิ้ล)

คำถามต่อมาคือ แล้วทำอย่างไรล่ะ? จึงจะมั่นใจว่าดาวเทียมที่จะสร้างขึ้นมาจะมีแข็งแรงเพียงพอ และเดินทางขึ้นสู่อวกาศได้อย่างปลอดภัย คำตอบก็คือ เราจะต้องมีมาตรการอย่างน้อย 2 อย่าง ที่จะต้องดำเนินการควบคู่ไปกับการออกแบบและผลิตดาวเทียม ดังต่อไปนี้

1. ทำการวิเคราะห์ความแข็งแรงของโครงสร้าง (Structural Analysis) โดยใช้ซอฟท์แวร์ที่เรียกว่า Finite Element Software ทำการวิเคราะห์แบบจำลองของโครงสร้างดาวเทียม เพื่อคำนวณหาตัวแปรที่บ่งชี้ถึงความแข็งแรง เช่น ค่าแฟกเตอร์ความปลอดภัย (Factor of Safety) โดยกระบวนการนี้จะดำเนินการควบคู่ไปกับการออกแบบโครงสร้างดาวเทียม (Structural Design) จนกว่าจะมั่นใจได้ว่าโครงสร้างที่ออกแบบมามีค่าแฟกเตอร์ความปลอดภัยที่เพียงพอ ก่อนที่จะส่งแบบไปผลิตจริง

2. เพื่อเพิ่มความมั่นใจขึ้นไปอีกขั้น ภายหลังจากที่โครงสร้างดาวเทียมได้ถูกผลิตและประกอบเสร็จแล้ว ตัวดาวเทียมจะถูกส่งไปทดสอบ Environment Test (EVT) ที่จำลองแรงทางกลที่ดาวเทียมจะเผชิญในระหว่างการส่งขึ้นสู่อวกาศ เพื่อพิสูจน์ว่ามันจะสามารถทนทานต่อภาระกรรมเหล่านี้ โดยไม่เกิดความเสียหายขึ้นได้หรือไม่  ยกตัวอย่างเช่น วิศวกรทราบอยู่แล้ว ว่าในระหว่างส่งดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศ จะมีการสั่นสะเทือนเกิดขึ้น ดังนั้น วิศวกรก็จะทำการพิสูจน์ตั้งแต่บนพื้นโลก ด้วยการนำโครงสร้างดาวเทียม ไปทดสอบด้วยการเขย่าบนเครื่องกำเนิดการสั่นสะเทือน (Vibration test) ด้วยความรุนแรงที่ใกล้เคียง หรืออาจมากกว่าระดับที่คาดว่าจะเกิดขึ้นจริง โดยภายหลังการทดสอบเสร็จสิ้น จะมีการตรวจสอบด้วยสายตา (Visual Inspection) การเปรียบเทียบกราฟการตอบสนองของโครงสร้างก่อนและหลังทดสอบ (Pre and Post Test Mode Shape Comparison) รวมถึงการทดสอบฟังก์ชั่นการทำงานของดาวเทียม (Functional Check) หากผลลัพธ์ออกมาเป็นปกติ ไม่มีส่วนใดของโครงสร้างเกิดความเสียหาย ก็แสดงว่าดาวเทียมมีความแข็งแรงที่จะต้านทานแรงสั่นสะเทือนของจรวดขนส่งได้

อย่างไรก็ตาม หากมีความผิดปกติ หรือเกิดเสียหายขึ้นในระหว่างการทดสอบ วิศวกรก็ยังสามารถที่จะทำการสืบสวนหาสาเหตุ และทำการแก้ไข แล้วนำมาทดสอบใหม่จนกว่าจะได้ผลลัพธ์เป็นที่น่าพอใจ ก่อนที่จะส่งมอบดาวเทียมไปประกอบบนตัวจรวจ เพื่อทำการส่งขึ้นสู่อวกาศต่อไป

และนี่เป็นเพียงเบื้องหลังส่วนหนึ่งในบทบาทของพวกเรา วิศวกรออกแบบโครงสร้างดาวเทียม (Mechanical Design Engineer) และวิศวกรวิเคราะห์โครงสร้างดาวเทียม (Structural Analyst Engineer) ที่ช่วยให้ทุกคนมั่นใจว่า การลงทุน ลงแรงเป็นระยะเวลาแรมปีในโครงการดาวเทียม จะได้ใช้ประโยชน์อย่างแท้จริง และไม่สูญเปล่า เพียงเพราะมันไม่แข็งแรงพอและพังเสียก่อนที่จะได้เริ่มใช้งานจริง

เรียบเรียงโดย
นายปณชัย สันทนานุการ
Mechanical Engineer โครงการTHEOS-2 SmallSAT
#เกร็ดความรู้จากวิศวกรดาวเทียม #เรื่องเล่าจากแดนไกล #THEOS2 #จิสด้า #จิสด้าก้าวสู่ปีที่21 #space #Thailand #อวกาศ #mhesi #อว #GISTDA #ดาวเทียม #gistdathenameyoucantrust