กิจกรรมใด ๆ ที่ดำเนินการโดยใช้อวกาศยานกลายเป็นส่วนสำคัญที่แพร่หลายในสังคมของมนุษย์เรา ตั้งแต่การติดตามพายุไปจนถึงการวัดระดับของชั้นโอโซน ในปัจจุบัน รัฐบาลสหรัฐอเมริกาต้องพึ่งพาการใช้งานดาวเทียมและเทคโนโลยีด้านการบินและอวกกาศเพื่อดำเนินการกิจกรรมต่าง ๆ ในแต่ละวัน แต่ดาวเทียมนั้นถูกสร้าง ออกแบบ ผลิตและใช้งานอย่างไร
องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ ของสหรัฐอเมริกา หรือ National Aeronautics and Space Administration (NASA) อธิบายอวกาศยานไว้ว่า “ยานพาหนะหรืออุปกรณ์ที่ออกแบบเพื่อเดินทาง หรือปฏิบัติการ นอกชั้นบรรยากาศของโลก” และดาวเทียม คือ “อวกาศยานชนิดหนึ่งที่โคจรรอบโลก ดวงจันทร์ หรือเทหวัตถุในท้องฟ้าหรือในอวกาศ” ในบทความนี้จะใช้ “อวกาศยาน” และ “ดาวเทียม” สลับกัน
ประเด็นที่ท้าทายมากที่สุดประการหนึ่งของการพัฒนาอวกาศยาน รวมถึงส่วนที่สนับสนุนความสำเร็จของภารกิจที่ใช้ดาวเทียมคือ กระบวนการแบบวนซ้ำ (Iterative Process) ที่เรียกว่า Systems Engineering เมื่อผ่านกระบวนการนี้ ผู้พัฒนาอวกาศยานอย่างบริษัท Northrop Grumman พิจารณาเลือกวิธีการออกแบบที่ดีที่สุด การนำส่ง และการสนับสนุนระบบดาวเทียม เพื่อที่จะตอบสนองต่อความต้องการของภารกิจของลูกค้า รวมถึง งบประมาณ ตารางเวลา ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ
Systems Engineering เริ่มต้นขี้นระหว่างการตกลงในช่วงแรกของบริษัทผู้ผลิตและลูกค้า ในข้อตกลงพูดคุยนั้นจะเกี่ยวกับระบบใหม่ ถัดมาจนถึงขึ้นของการศึกษา ข้อเสนอ และขั้นตอนการออกแบบโดยละเอียดของการพัฒนาดาวเทียม ซึ่งไม่เคยหยุดดำเนินการ จนกว่าระบบดาวเทียมจะได้รับการอนุมัติจากลูกค้าอย่างเป็นทางการสำหรับการผลิต โดยมีรายละเอียดของกระบวนการดังนี้
- กระบวนการแบ่งย่อยภารกิจ (Breaking Down the Mission)
“สิ่งแรกในการเริ่มกระบวนการคือการแยกย่อยภารกิจดาวเทียม” โดย Erin Shaw หัวหน้าฝ่ายวิศวกรรมระบบของ Northrop Grumman’s Spacecraft Resiliency and Rapid Prototyping Division “แยกย่อยออกเป็นหน้าที่ต่างๆ เพื่อปฏิบัติภารกิจ เพื่อคงสภาพของสุขภาพและความปลอดภัยของอวกาศยาน (Space Vehicle) และเพื่อใช้ในการสื่อสาร สั่งการ และควบคุม ระหว่างดาวเทียมและสถานีภาคพื้น ”
นอกเหนือจากกระบวนการเหล่านี้จะเป็นข้อกำหนดระดับบนสุดที่วิศวกรระบบจะต้องทำการจัดสรร หรือ ไปยังส่วนหลักของภารกิจ: เช่น อวกาศยานซึ่งจะต้องบรรจุ Payload ของภารกิจ ระบบภาคพื้นดินที่ต้องจัดการคำสั่งการและควบคุมดาวเทียม และยานนำส่งซึ่งจะนำดาวเทียมขึ้นสู่วงโคจร
ในโครงการพัฒนาดาวเทียมทั่วไป วิศวกรระบบจะอยู่ในทุกที่ทั่วองค์กร ซึ่งจะทำหน้าที่หลักในการตัดสิน แก้ไขปัญหาระหว่างและภายในภารกิจย่อยต่าง ๆ เป้าหมายของพวกเขารับรองว่าข้อกำหนดทั้งหมดได้รับการพิจารณา. และระบบดาวเทียมตรงตามความคาดหวังของลูกค้า
- ศึกษาตัวเลือก (Studying the Options)
หัวใจสำคัญของการสนทนาระหว่างวิศวกรระบบและวิศวกรอวกาศยานอื่นๆ คือกระบวนการที่เรียกว่า Trade Study สมาชิกในทีมจะชั่งน้ำหนักของประโยชน์และความเสี่ยงของการใช้แนวทางระหว่างทางเทคนิคแบบใดแบบหนึ่งและแบบอื่น ๆ
ตัวอย่างเช่น การพิจารณาใช้โปรเซสเซอร์ (Processor) ที่เล็กกว่าและมีราคาแพงกว่าโดยมีประสิทธิภาพที่สูงกว่า แทนที่จะใช้โปรเซสเซอร์ที่หนักกว่า เก่ากว่า แต่ราคาถูกกว่า หรืออาจเปรียบเทียบค่าใช้จ่ายและประโยชน์ของภารกิจในการประมวลผลข้อมูลของเซ็นเซอร์ระหว่างดาวเทียมในอวกาศกับสถานีภาคพื้น
ความน่าเชื่อถือของภารกิจ ก็เป็นปัจจัยหนึ่งที่ใช้พิจารณาบ่อยครั้งในการทำ Trade Study “หากลูกค้าของคุณขอให้คุณออกแบบดาวเทียมสำหรับภารกิจ Class A ที่จะต้องไม่มีผลล้มเหลว คุณจะไม่สามารถใช้ชิ้นส่วนที่มีความเสี่ยงหรือไม่ได้รับการพิสูจน์ได้เลย” Mike Ciffone ผู้อำนวยการโครงการในแผนก Strategic Space Division ของ Northrop Grumman ได้อธิบายไว้ “ในทางกลับกัน หากคุณกำลังทำภารกิจ Class D ซึ่งเป็นไปในทางระบบสาธิตมากกว่า คุณอาจใช้ส่วนประกอบที่ได้รับการพิสูจน์ที่น้อยกว่า แต่ให้ผลตอบแทนภารกิจที่เป็นไปได้สูงกว่า”
- สร้างความสมดุล (Creating Balance)
หลังจากที่มีการมอบหมายข้อกำหนดต่างๆ ไปยังส่วนหลักของภารกิจแล้ว ทีมงานของส่วนย่อยต่าง ๆ จะเห็นถึงรายละเอียดมากขึ้นสำหรับวิธีการดำเนินการตามส่วนย่อยต่าง ๆ
ขั้นตอนแรกของกระบวนการวิศวกรระบบอวกาศยาน เช่น การคำนวณขนาดน้ำหนักคาดการณ์ของดาวเทียม การใช้กำลังไฟฟ้า และขัดความสามารถในการผลิตกำลังไฟฟ้า
โดยการออกแบบดาวเทียมเป็นการสร้างความสมดุลระหว่างข้อกำหนดต่าง ๆ ของภารกิจ และ วามสามารถพื้นฐานของดาวเทียม ซึ่งโดยปกติทีมวิศวกรของลูกค้าจะต้องแสดงองค์ประกอบต่าง ๆ ที่สำคัญต่อการปฏิบัติภารกิจ รวมถึงขนาดของมวลรวมและกำลังไฟฟ้าที่ต้องใช้ในองค์ประกอบดังกล่าว ต่อมาจะนำมาเปรียบเทียบกับขีดความสามารถของบรรจุของยานนำส่งและค่าจำกัดของกำลังไฟฟ้าที่ดาวเทียมสามารถผลิตได้ ซึ่งเป้าหมายต้องการให้การโคจรดาวเทียม เป็นกำลังบวก (อัตราใช้น้อยกว่าผลิต) คือสามารถรองรับการจ่ายให้ Paylaod และส่วนอื่น ๆ ได้ หลังจากพิจารณาแล้วว่าสามารถบรรลุเป้าหมายได้ จะเริ่มดำเนินการสร้างแผนผังโดยละเอียดของโครงสร้างหลักอวกาศบานและระบบย่อยที่สำคัญ รวมถึงพลังงานไฟฟ้า การขับเคลื่อน ความร้อน การควบคุมท่าทาง และส่วนจัดการคำสั่งและข้อมูล
อย่างไรก็ตาม หากงบประมาณไม่สามารถ เพิ่ม เพื่อตอบสนองต่อแบบที่คำนวณไว้ ทางวิศวกร จะแนะนำให้ปรับเปลี่ยนขนาด, กำลัง, ประสิทธิภาพ, และค่าใช้จ่ายของ Payload และอวกาศยาน ตลอดจนระบบย่อยที่สำคัญ
ยังไม่จบเพียงเท่านี้ ยังมีอีกหลายกระบวนการให้ติดตามต่อใน Part 2
ที่มา : https://now.northropgrumman.com/how-spacecraft-are-designed-balancing-requirements-with-reality/
แปลและเรียบเรียงโดย จ.อ.ธวัชชัย หันจันทร์
