ศูนย์รวมความรู้

กระทรวงเทคโนโลยี
สารสนเทศและการสื่อสาร

รายละเอียดแนวทางการพัฒนากิจการอวกาศ
ของประเทศไทย
 


หน่วยงานในสังกัดกระทรวงไอซีที












<< เชื่อมโยงเว็บไซต์ >>

  หน้าหลัก \ ศูนย์รวมความรู้

    ศูนย์รวมความรู้

โดย รศ. ดร. สุวัฒน์ กุลธนปรีดา
ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ
1518 ถนนพิบูลสงคราม เขตบางซื่อ กรุงเทพ 10800 โทร 02-913-2500 โทรสาร 02-586-9541 E-mail: [email protected]


1. บทนำ
ระบบอวกาศประกอบด้วยกัน 3 ส่วนคือ ตัวดาวเทียม สถานีภาคพื้นดิน และระบบส่งดาวเทียมเข้าสู่วงโคจร ซึ่งทั้งสามส่วนนี้ถือว่ามีความสำคัญที่เท่าๆ กัน แน่นอนที่สุดความสำคัญของตัวดาวเทียมเองค่อนข้างจะชัดเจน และในส่วนของสถานีภาคพื้นดินนั้น ตัวดาวเทียมจะไม่มีประโยชน์เลย ถ้าผู้ใช้งานบนภาคพื้นดินไม่สามารถติดต่อสื่อสารกับตัวดาวเทียมได้ ความต้องการที่จะติดต่อสื่อสารกับตัวดาวเทียมอาจจะอยู่ในรูปแบบของการควบคุมการทำงานของดาวเทียม และการรับส่งสัญญาณหรือข้อมูลใช้งาน สุดท้ายดาวเทียมไม่สามารถจะดำเนินการพันธะกิจตามจุดประสงค์ได้ ถ้าดาวเทียมไม่ได้ถูกส่งเข้าสู่วงโคจร ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าระบบการส่งดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรนี้มีความสำคัญมาก และการส่งดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรถือว่าเป็นขั้นตอนที่มีความเสี่ยงสูง และเป็นจุดเริ่มต้นของการทำงานของดาวเทียม

ตัวดาวเทียมประกอบด้วยเพย์โหลด (Payload) และบัส (Bus) โดยเพย์โหลดหมายถึงอุปกรณ์หรือเครื่องมือที่ใช้ในการดำเนินกิจกรรมตามจุดประสงค์การใช้งานของดาวเทียม เช่น ดาวเทียมสำรวจทรัพยากรธรรมชาติจะมีกล้องถ่ายภาพความละเอียดสูงเป็นเพย์โหลด ดาวเทียมวิทยาศาสตร์จะมีอุปกรณ์ทดลองและเครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์เป็นเพย์โหลด และดาวเทียมสื่อสารจะมีอุปกรณ์รับส่งและถ่ายทอดสัญญาณเป็นเพย์โหลด เป็นต้น ส่วนบัสของดาวเทียมหมายถึงตัวดาวเทียมในส่วนที่ไม่เป็นเพย์โหลด บัสถือว่าเป็นส่วนของดาวเทียมที่มีความสำคัญมาก หน้าที่หลักๆ ของบัสประกอบด้วย การรองรับมวลของเพย์โหลด การจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้เพย์โหลด การหันชี้เพย์โหลดไปในทิศทางที่ต้องการ การรักษาให้เพย์โหลดอยู่ในวงโคจรตามที่กำหนด การเก็บบันทึกและประมวลข้อมูล การรับส่งข้อมูลกับสถานีภาคพื้นดิน การรักษาระดับอุณหภูมิของเพย์โหลด ตลอดจนการทำหน้าที่ต่อยึดกับตัวจรวดขณะถูกส่งเข้าสู่วงโคจร

2. ระบบวิศวกรรมดาวเทียม
ระบบวิศวกรรมดาวเทียมในที่นี้จะหมายถึงระบบเชิงวิศวกรรมของบัสของดาวเทียม ซึ่งประกอบ ด้วยระบบย่อยต่างๆ ดังนี้ ระบบโครงสร้าง (structure) ระบบการควบคุมและหาค่าการทรงตัว (attitude determination and control) ระบบสื่อสาร (communication) ระบบจัดการข้อมูลและคำสั่ง(command and data handling) ระบบควบคุมความร้อน (thermal control) ระบบต้นกำลัง (power) และระบบขับดัน (propulsion)

2.1 ระบบโครงสร้าง
ระบบโครงสร้างทำหน้าที่รองรับมวลและจับยึดชิ้นส่วนและอุปกรณ์ของดาวเทียมทั้งหมดเข้าด้วยกัน ตลอดจนการทำหน้าต่อยึดกับตัวจรวดขณะถูกส่งเข้าสู่วงโคจร โครงสร้างจะต้องมีความแข็งแรงที่สูงแต่น้ำหนักเบา ความแข็งแรงของโครงสร้างจะต้องมากพอที่จะไม่พังระหว่างการถูกส่งเข้าสู่วงโคจร ซึ่งเป็นช่วงที่ดาวเทียมต้องรับแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนที่สูง นอกจากนี้โครงสร้างควรจะต้องมีน้ำหนักเบาที่สุด เพราะจะเป็นการลดค่าการส่งเข้าสู่วงโคจร รูปที่ 1 และ 2 แสดงตัวอย่างภาพถ่ายของโครงสร้างดาวเทียม ซึ่งจะสังเกตว่าลักษณะโครงสร้างจะมีความซับซ้อนในระดับหนึ่ง ที่ได้ผ่านการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อให้ได้มาซึ่งโครงสร้างที่แข็งแรงแต่มีน้ำหนักเบา

รูปที่ 1 โครงสร้างดาวเทียม HESSI
(High Energy Solar Spectroscopic Imager)
โดยพันธะกิจของดาวเทียมคือการสำรวจการเคลื่อนที่ของอนุภาค
และพลังงานที่เกิดจากการลุกไหม้ของดวงอาทิตย์
รูปที่ 2 โครงสร้างยานอวกาศ ATV
(Automated Transfer Vehicle)
โดยพันธะกิจของยาน คือ ใช้ในการขนส่งวัสดุอุปกรณ์
ไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ

2.2 ระบบควบคุมและการหาค่าการทรงตัว
การทรงตัวของดาวเทียมในที่นี้หมายถึงการหันชี้ตัวดาวเทียม ดังนั้นระบบควบคุมและการหาค่าการทรงตัวทำหน้าที่วัดและควบคุมการหันชี้ตัวของดาวเทียม เพื่อให้เพย์โหลดหันชี้ไปในทิศทางที่ต้องการ เช่น ดาวเทียมสื่อสารต้องการให้จานถ่ายทอดสัญญาณหันชี้เข้าหาโลกตลอดเวลา เป็นต้น การควบคุมการทรงตัวมีทั้งแบบแอ็กทิฟ (Active) และแพสซิฟ (Passive) การควบคุมแบบแพสซิฟเป็นวิธีการควบคุมที่ไม่ใช้พลังงานในการควบคุม ทำให้ระบบไม่มีความซับซ้อน แต่มีระดับความถูกต้องในการควบคุมไม่สูง เช่น การควบคุมโดยใช้หลักเกรเดียนต์ของแรงดึงดูดโลก (Gravity Gradient) และการควบคุมด้วยแม่เหล็ก (Passive Magnetic) ซึ่งทั้งสองวิธีจะให้ค่าความถูกต้องของมุมการทรงตัวในระดับ 5 องศา และสามารถใช้ได้กับดาวเทียมวงโคจรโลกต่ำเท่านั้น ส่วนวิธีการหมุนรอบตัวเองเพื่อสร้างเสถียรภาพ (Spin stabilization) จะให้ค่าความถูกต้องของมุมการทรงตัวในระดับ 1 องศา แต่มีข้อจำกัดของการใช้งาน เนื่องจากตัวดาวเทียมจะหมุนรอบตัวตลอดเวลา รูปที่ 3 แสดงตัวอย่างดาวเทียมที่ควบคุมด้วยหลักเกรเดียนต์ของแรงดึงดูดโลก

รูปที่ 3 ดาวเทียมที่ควบคุมด้วยหลักเกรเดียนต์ของแรงดึงดูดโลก

อุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมการทรงตัวแบบแอ็กทิฟจะประกอบด้วย เซนเซอร์ แอคชูเอเตอร์ และคอมพิวเตอร์ซึ่งทำหน้าที่ประมวลกฎการควบคุมและประมาณค่าการทรงตัว โดยเซนเซอร์ทำหน้าที่วัดค่าตัวแปรการทรงตัว เพื่อใช้เป็นข้อมูลสำหรับการควบคุมหรือการประมาณค่าการทรงตัว ในขณะที่แอคชูเอเตอร์ทำหน้าที่ในการขับหมุนตัวดาวเทียมให้หันชี้ไปในทิศทางที่ต้องการ ตามผลการประมวลกฎการควบคุม

เซนเซอร์ที่ใช้ในการวัดค่าตัวแปรการทรงตัวของดาวเทียมมีอยู่ด้วยกันหลายประเภท เซนเซอร์หลักๆ ที่ใช้กันทั่วไปประกอบ แมกนิโทมิเตอร์(Magnetometer) เซนเซอร์โลก (Earth sensor) เซนเซอร์ดวงอาทิตย์ (Sun sensor) และไจโรสโกป (Gyroscope) การเลือกใช้ประเภทของเซนเซอร์ขึ้นอยู่กับลักษณะการทำงานของดาวเทียม ความถูกต้องของการวัด และวงโคจรเป็นหลัก เช่น ดาวเทียมวงโคจรโลกต่ำอาจจะใช้แมกนิโทมิเตอร์ (Magnetometer) เป็นเซนเซอร์ ซึ่งทำงานโดยการวัดสนามแม่เหล็กของโลก แต่แมกนิโทมิเตอร์ให้ความถูกต้องในระดับ 1 องศาเท่านั้น ถ้าต้องการความถูกต้องที่ดีกว่านี้จะต้องเลือกใช้เซนเซอร์ดวงอาทิตย์ ซึ่งทำงานโดยการวัดมุมของดวงอาทิตย์เทียบกับการหันชี้ตัวของดาวเทียม หรือใช้สตาร์แทกเกอร์ (Star Tracker) ซึ่งทำงานโดยการวัดการหันชี้ตัวเทียบกับกลุ่มดาวแทน ซึ่งเซนเซอร์ทั้งสองประเภทหลังไม่จำกัดการใช้งานเฉพาะดาวเทียมวงโคจรโลกต่ำ เป็นต้น รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างของเซนเซอร์ดวงอาทิตย์และสตาร์แทกเกอร์

(ก) เซนเซอร์ดวงอาทิตย์ (Sun sensor)
ให้ค่าความถูกต้องของการวัดในระดับ 0.01 องศา
(ข) แทกเกอร์ (Star tracker)
ให้ค่าความถูกต้องของการวัดในระดับมุมฟิลิปดา
รูปที่ 4

แอคชูเอเตอร์ทำหน้าที่ในการขับหมุนตัวดาวเทียมให้หันชี้ไปในทิศทางที่ต้องการ มีอยู่ด้วยกันหลายประเภท เช่น หัวฉีดแก็ส (Gas jet) ล้อปฏิกิริยา (Reaction Wheel) ล้อโมเมนตัม (Momentum wheel) คอนโทรลโมเมนต์ไจโร (Control moment gyro) และทอร์กเกอร์แม่เหล็ก (Magnetic torquer) ซึ่งแอคชูเอเตอร์ทั้งหมด ยกเว้นทอร์กเกอร์แม่เหล็ก อาศัยการขับหมุนตัวดาวเทียมด้วยหลักการแลกเปลี่ยนโมเมนตัม ในขณะทอร์กเกอร์แม่เหล็กอาศัยแรงกิริยาระหว่างสนามแม่เหล็กโลกกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นในตัวทอร์กเกอร์แม่เหล็ก รูปที่ 5 แสดงตัวอย่างแอคชูเอเตอร์ประเภทต่างๆ

(ก) หัวฉีดแก็ส (Gas jet)

(ข) ล้อโมเมนตัม (Momentum wheel)

(ค) คอนโทรลโมเมนต์ไจโร (Control moment gyro)
(ง) ทอร์กเกอร์แม่เหล็ก (Magnetic torquer)
รูปที่ 5

2.3 ระบบสื่อสาร
ระบบสื่อสารเป็นการเชื่อมโยงดาวเทียมกับสถานีภาคพื้นดินและดาวเทียมดวงอื่น ข้อมูลหลักที่ถูกส่งจากสถานีภาคพื้นดินขึ้นไปหาดาวเทียมคือคำสั่งการทำงาน ในขณะที่ข้อมูลที่ถูกส่งลงมาจากดาวเทียมจะเป็นข้อมูลแสดงสถานะภาพของดาวเทียมและข้อมูลจากเพย์โหลด อุปกรณ์หลักของระบบสื่อสารประกอบไปด้วย ตัวส่งสัญญาณ (transmitter) ตัวรับสัญญาณ (receiver) และเสาหรือจานรับส่งสัญญาณ (antenna)

รูปที่ 6 ดาวเทียมจะไม่ต่างไปจากขยะในอวกาศเลย ถ้าไม่มีการติดตั้งระบบสื่อสารเพื่อรับส่งข้อมูลกับสถานีภาคพื้นดิน

2.4 ระบบจัดการข้อมูลและคำสั่ง
ระบบจัดการข้อมูลและคำสั่งทำหน้าที่ในการแปลงหรือถอดรหัสสัญญาณและส่งผ่านกระจายคำสั่งที่ได้รับมาจากสถานีภาคพื้นดินให้กับอุปกรณ์และเพย์โหลดที่เกี่ยวข้อง และทำหน้าที่บันทึกข้อมูลดาวเทียมและเพย์โหลด การจัดเก็บหรือรวบรวมข้อมูล และแปลงหรือใส่รหัสสัญญาณ ก่อนที่จะส่งต่อให้ระบบสื่อสารเพื่อดำเนินการส่งข้อมูลลงมายังสถานีภาคพื้นดิน ระบบจัดการข้อมูลและคำสั่งโดยทั่วไปจะประกอบด้วยคอมพิวเตอร์เป็นหลัก

2.5 ระบบควบคุมความร้อน
ระบบควบคุมความร้อนทำหน้าที่รักษาระดับอุณหภูมิภายในตัวดาวเทียมและของเพย์โหลดให้อยู่ในระดับที่ต้องการ การควบคุมความร้อนกระทำได้ในหลายรูปแบบ เช่น การหุ้มด้วยฉนวนกันรังสีความร้อน และการใช้อุปกรณ์ส่งผ่านความร้อนจากด้านที่ร้อน (ด้านหันเข้าหาดวงอาทิตย์) ไปแผ่ทิ้งในด้านที่เย็น (ด้านหันเข้าหาอวกาศ) รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างดาวเทียมที่ถูกห่อหุ้มด้วยฉนวนกันรังสีความร้อน

รูปที่ 7 ส่วนภายนอกต่างๆ ของดาวเทียมจะถูกห่อหุ้มด้วยฉนวนกันรังสีความร้อน
เพื่อรักษาให้ระดับอุณหภูมิภายในไม่สูงเกินไป แหล่งความร้อนหลักจะมาจากรังสีของดวงอาทิตย์และโลก

2.6 ระบบต้นกำลัง
ระบบต้นกำลังทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับเพย์โหลดและบัส ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก ดังนี้ อุปกรณ์กำเนิดพลังงาน อุปกรณ์สะสมพลังงาน และอุปกรณ์แปลงพลังงานไฟฟ้า เป็นที่ทราบกันดีว่าแหล่งพลังงานในอวกาศที่มีอยู่คือดวงอาทิตย์ ดังนั้นอุปกรณ์กำเนิดพลังงานที่ใช้โดยทั่วไปจะเป็นแผงเซลล์สุริยะ (Solar cell) ซึ่งทำหน้าที่แปลงพลังงานของแสงดวงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า ส่วนอุปกรณ์สะสมพลังงานที่ใช้โดยทั่วไปคือแบตเตอร์รี (Battery) ระบบต้นกำลังนี้โดยทั่วไปจะไม่มีความซับซ้อนมาก แต่มีความสำคัญสูงมาก และเป็นระบบหนึ่งที่กำหนดระยะเวลาการใช้งานดาวเทียม ดาวเทียมจะหมดอายุการใช้งานทันทีที่หมดพลังงานไฟฟ้า เพราะจะทำให้ไม่สามารถติดต่อสื่อสารกับสถานีภาคพื้นดินได้ ตลอดจนทั้งเพย์โหลดและบัสที่ต้องทำงานด้วยไฟฟ้าก็จะหยุดการทำงานเช่นกัน

2.7 ระบบขับดัน
ระบบขับดันมีหน้าที่ในการสร้างแรงขันดันเพื่อรักษาหรือให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลักษณะวงโคจร ตลอดจนใช้ในการสนับสนุนการควบคุมการทรงตัว ประกอบด้วยหัวขับดัน (thruster) อุปกรณ์ควบคุม และระบบเชื้อเพลิง โดยที่เชื้อเพลิงที่ใช้มีอยู่หลายรูปแบบ โดยเฉพาะประเภทไฮดราซีน (Hydrazine) และแก็สอัด (Compressed gas) โดยไฮดรอซีนจะใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับระบบขับดันขนาดใหญ่ที่ใช้ในการเพิ่มหรือลดความเร็ว เพื่อเปลี่ยนแปลงวงโคจร ในขณะที่แก็สอัดจะใช้ในการสนับสนุนการควบคุมการทรงตัวและปรับแต่งขนาดวงโคจร รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างของระบบขับดัน

(ก ) ใช้ในการเพิ่มหรือลดความเร็วของดาวเทียม
เพื่อเปลี่ยนแปลงลักษณะวงโคจร
(ข) ใช้สนับสนุนการควบคุมการทรงตัว
และปรับแต่งวงโคจร
รูปที่ 8 หัวขับดัน (thruster)

3. สรุป
ระบบวิศวกรรมดาวเทียมหมายถึงระบบบัสของดาวเทียม ซึ่งมีหน้าที่หลักๆ เช่น การรองรับมวลของเพย์โหลด การจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้เพย์โหลด การหันชี้เพย์โหลดไปในทิศทางที่ต้องการ การรักษาให้เพย์โหลดอยู่ในวงโคจรตามที่กำหนด การเก็บบันทึกและประมวลข้อมูล การรับส่งข้อมูลกับสถานีภาคพื้นดิน การรักษาระดับอุณหภูมิของเพย์โหลด และการทำหน้าต่อยึดกับตัวจรวดขณะถูกส่งเข้าสู่วงโคจร เป็นต้น บัสประกอบด้วยระบบย่อย คือ ระบบโครงสร้าง (structure) ระบบการควบคุมและหาค่าการทรงตัว (attitude determination and control) ระบบสื่อสาร (communication) ระบบจัดการข้อมูลและคำสั่ง(command and data handling) ระบบควบคุมความร้อน (thermal control) ระบบต้นกำลัง (power) และระบบขับดัน (propulsion) ซึ่งแต่ละระบบย่อยมีหน้าที่ที่แตกต่างกันไป

เอกสารอ้างอิง
[1] W.J. Larson and J.R. Wertz, Space Mission Analysis and Design, Microcosm Inc., 1992.
[2] P. Fortescue and J. Stark, Spacecraft Systems Engineering, John Wiley and Sons, 1995.
[3] M.D. Griffin, Space Vehicle Design, AIAA, 2004.
[4] http://www.nasa.gov
[5] http://www.esa.int

กลับไปด้านบน


copyright © 2016 กองโครงสร้างพื้นฐานเทคโนโลยีดิจิทัล สำนักงานคณะกรรมการดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ กระทรวงดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจและสังคม
ชั้น 7 อาคาร B ศูนย์ราชการเฉลิมพระเกียรติ 80 พรรษา 5 ธันวาคม 2550 ถนนแจ้งวัฒนะ แขวงทุ่งสองห้อง เขตหลักสี่ กรุงเทพฯ 10210
โทรศัพท์ 0-2141-6877 โทรสาร 0-2143-8027 e-mail: [email protected]