Space Operations Section 1

รายละเอียด: หมวดหลัก: กองลาดตระเวนและเฝ้าตรวจทางอวกาศ; หมวด: บทความเทคโนโลยีอวกาศ; ฮิต: 11553

การปฏิบัติการอวกาศ ตอนที่ ๑

บทความนี้แปลและเรียบเรียงจากหนังสือ Understanding Space (Revised Second Edition) An Introduction to Astronautics Chapter 15 Space Operations จะกล่าวถึง บทบาท หน้าที่หลักของระบบปฏิบัติการทางอวกาศ โดยมีส่วนหลักคือเครือข่ายการสื่อสารสำหรับภารกิจอวกาศการอธิบายหลักการสื่อสารพื้นฐาน กำหนดพารามิเตอร์หลักของการออกแบบระบบ อธิบายภารกิจหลักที่ดำเนินการ โดยทีมงานตลอดระยะเวลาจนกระทั้งสิ้นสุดภารกิจ อธิบายการใช้เครื่องมือพื้นฐานสำหรับการจัดการทีมและโครงการที่มีประสิทธิภาพ ดังรูปที่ ๑

รูปที่ ๑ ห้องควบคุมที่ Jet Propulsion Laboratory, ห้องมืดที่อยู่เบื้องหน้า, ห้องควบคุม Deep Space Network ทางด้านขวาและพื้นที่สนับสนุนภารกิจของ Mars Science Laboratory กลับไปทางซ้าย NASA FILE PHOTO

ตลอดยุคอวกาศส่วนใหญ่เมื่อใดก็ตามที่ยานอวกาศของประเทศสหรัฐอเมริกาจะขึ้นสู่วงโคจรความสนใจของโลกจะเปลี่ยนจากฐานปล่อยยานไปยัง Houston Texas ซึ่งเป็นศูนย์กลางการควบคุมทางภาคพื้นของสหรัฐฯ ในโทรทัศน์เราจะเห็นกลุ่มคนจำนวนมากนั่งที่ Console เปิดคอมพิวเตอร์และเฝ้าสังเกตการณ์ คนเหล่านั้นกำลังทำอะไรกันอยู่ ใช้เวลานานมากในการสนับสนุนภารกิจเดียว เราจะสำรวจว่าภารกิจเกิดขึ้นได้อย่างไร เนื้อหาในหนังสือดลอดทั้งเล่มอ้างถึงแนวคิดการดำเนินงานสำหรับภารกิจ ความสนใจว่าแนวคิดนั้นเกี่ยวข้องกับใคร ทำอะไรและอย่างไร เราจะสำรวจการปฏิบัติภารกิจทางอวกาศที่ครอบคลุมตั้งแต่การออกแบบภารกิจไปจนถึงการเริ่มต้น จนถึงการรวบรวมข้อมูลบนวงโคจร

ปฏิบัติการอวกาศเป็นส่วนที่ได้รับภารกิจจากกระดานวาดภาพและจนกระทั้งขึ้นสู่อวกาศ การรวมองค์ประกอบส่วนต่าง ๆ ของภารกิจการปล่อยยาน
โดยมี ๒ หัวข้อใหญ่เพื่อเรียนรู้ดังนี้
๑. ระบบปฏิบัติการภารกิจ Mission Operations Systems
๑.๑ การผลิตอวกาศยาน Spacecraft Manufacturing
๑.๒ การปล่อยอวกาศยาน Launch
๑.๓ ปฏิบัติการ Operations
๑.๔ การสื่อสาร Communication
๑.๕ เครือข่ายควบคุมดาวเทียม Sattelite Control Networks
๒. การจัดการภารกิจและการปฏิบัติการ Mission Management and Operations
๒.๑ ทีมงานภารกิจ Mission Teams
๒.๒ การจัดการภารกิจ Mission Management
๒.๓ ความอิสระอวกาศยาน Spacecraft Autonomy

๑. ระบบปฏิบัติการภารกิจ Mission Operations Systems

ระบบการปฏิบัติการมีความสำคัญ จำเป็น ในช่วงระยะเวลาการผลิตอวกาศยาน ฐานปล่อยอวกาศยาน และการปฏิบัติการ ต้องอธิบายหลักการพื้นฐานการสื่อสารและระบุถึงส่วนประกอบของสถาปัตยกรรมการสื่อสาร การใช้หลักการพื้นฐานของการสื่อสารวิทยุในการทำความเข้าใจออกแบบ Link บรรยายถึงส่วนประกอบหลักของ NASA และ DoD เครือข่ายควบคุมดาวเทียม

โดยส่วนใหญ่ ระบบปฏิบัติการภารกิจจะอยู่เบื้องหลังของภารกิจใด ๆ โดยทำงานอย่างเงียบอยู่เบื้องหลังหากไม่มีพวกเขาเหล่านี้ภารกิจอวกาศก็จะไม่สามารถสร้างผลิตภัณฑ์ตามที่นักออกแบบคิดไว้ได้ พวกเขาไม่ยอมรับว่าพวกเขาคือวีระบุรุษของโครงการ ทั้งที่มีโครงการนับพันที่พวกเขารับรองแม้แต่ภารกิจง่าย ๆ เช่น Fire Sat ทีมงานจะดูระบบปฏิบัติการที่สำคัญบางส่วนที่ทำงานพื้นฐาน ๓ ขั้นตอนของการสร้าง การปล่อยยานและการปฏิบัติการของอวกาศยานแทน

๑.๑ การผลิตอวกาศยาน (Spacecraft manufacturing) ระบบที่รองรับการออกแบบ การสร้างการประกอบ การรวม และการทดสอบ

ภารกิจทางอวกาศในระยะแรกเริ่มต้นนั้นผู้ปฏิบัติงานต้องเผชิญกับสถานการณ์ที่เกือบจะน่าผิดหวัง
คือพวกเขาต้องประดิษฐ์เกือบทุกอย่างเพื่อให้ภารกิจเป็นไปได้ ชุดฐานปล่อยยาน คอมพิวเตอร์ ชุดนักบินอวกาศ และแม้แต่แถบ (Velcro) แถบตีนตุ๊กแก โชคดีภารกิจในปัจจุบันนี้สร้างขึ้นจากมรดกทางอวกาศกว่า ๔๐ ปี และสามารถใช้ประโยชน์จากเครื่องมือที่มีอยู่อย่างมากมาย และมีความสำคัญมากในการทำให้ภารกิจอวกาศมีความเป็นไปได้ เราจะใช้ส่วนที่เรียกว่า mission operations systems เพื่อรวบรวมเครื่องมือ เครื่องจักรที่มีคุณสมบัติพิเศษหรือโครงสร้างพื้นฐานที่จำเป็น ในการออกแบบเข้าไปในการออกแบบระบบ การประกอบ การผสมผสาน การทดสอบ การปล่อยยาน หรือการปฏิบัติการภารกิจทางอวกาศ ดังรูปที่ ๒

รูปที่ ๒ Schriver Air Force Base ในภาพคือ ศูนย์ควบคุมดาวเทียม เจ้าหน้าที่ปฏิบัติการส่งคำสั่งและรับข้อมูล Telemetry จาก Defense Department Sattelites ในวงกลมสีแดงเป็นภาพมีลักษณะเหมือนลูกกอล์ฟสีขาวซึ่งด้านในประกอบไปด้วยจานสายอากาศเพื่อใช้สำหรับการรับการส่งสัญญาณ (ได้รับความอนุเคราะห์จาก ทอ.สหรัฐฯ)

กระบวนการทำงานเริ่มต้นจากการสนใจในระบบปฏิบัติการที่จำเป็นและสนับสนุนกระบวนการนี้จากแผ่นกระดาษเปล่าผ่านการทดสอบขั้นสุดท้ายจากทีมวิศวกรรม โดยทีมวิศวกรรมออกแบบระบบอวกาศยานต้องอาศัยเครื่องมือออกแบบและวิเคราะห์ที่หลากหลายจากสิ่งเหล่านี้บางอย่างเช่นซอฟท์แวร์จำลองวงโคจร ความพยายามที่จะลดค่าใช้จ่าย ผู้จัดการภารกิจที่ชาญฉลาดจะมองหาเครื่องมือทั้งฮาร์ดแวร์หรือซอฟท์แวร์ที่ใช้งานได้หลากหลาย ซึ่งสามารถใช้ซ้ำได้ตลอดภารกิจและภารกิจที่ตามมา จากนั้นช่างเทคนิคจะประดิษฐ์ส่วนประกอบโครงสร้างโดยใช้เครื่องมือกลทั่วไปเช่นเครื่องกลึงและแท่นเจาะหรืออุปกรณ์การผลิตที่ใช้คอมพิวเตอร์ช่วย ดังแสดงในรูปที่ ๓ เครื่องมือขับเคลื่อนด้วยคอมพิวเตอร์เหล่านี้ช่วยให้ช่างเทคนิคสามารถเปลี่ยนภาพวาดอิเล็กทรอนิกส์เป็นชิ้นงานสำเร็จรูปได้โดยตรง ช่างเทคนิคได้รับการฝึกฝนมาพิเศษ การประกอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ใช้งานปืนบัดกรี เครื่องมือทั่วไปอื่น ๆ จากอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และเพื่อเป็นการรับประกันสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้ ส่วนประกอบของยานอวกาศส่วนใหญ่จะประกอบและรวมอยู่ในห้องปลอดเชื้อโดยเฉพาะห้องที่สะอาด ดังห้องที่แสดงในรูปที่ ๔

รูปที่ ๓ แสดง Computer-aided Manufacturing Equipment เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้นักออกแบบสามารถนำแบบ Electronics Drawings เข้าสู่ Hardware เพื่อสร้างชิ้นงานโดยอัตโนมัติ (รูปได้รับความอนุเคราะห์จาก CNC Automation, Inc. at www.cncauto.com)

รูปที่ ๔ Clean Room ห้องปลอดเชื้อจัดทำขึ้นเพื่อให้ปราศจากสภาพแวดล้อมสิ่งสกปรก เพื่อการประกอบกับอุปกรณ์อวกาศยานที่มี่ความไวสูงต่อไฟฟ้าสถิตยสูง ช่วยทำให้เกิดการควบคุมที่มีความระมัดระวัง ซึ่งเป็นกฎที่แข็ง เข้มงวดที่สุดช่วงกระบวนการการประกอบเพื่อให้เกิดความมั่นใจว่าผลงานที่ได้รับมีคุณภาพสูงสุด กับลูกเรืออวกาศ เจ้าหน้าที่แสดงการสวมชุดปลอดฝุ่นและที่ครอบศีรษะ (รูปได้รับความอนุเคราะห์จาก Surrey Satellite Technology Ltd. U.K.)

เพื่อประกันคุณภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ ส่วนประกอบของยานอวกาศส่วนใหญ่จะประกอบและรวมอยู่ในห้องปลอดเชื้อที่สะอาดโดยเฉพาะดังในรูปที่ ๔ เป็นพื้นที่ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษโดยมีการควบคุมระดับฝุ่นละอองในอากาศอย่างระมัดระวัง ความสะอาดจะแค่ไหนขึ้นอยู่กับคะแนนห้องนั้น ๆ ตัวอย่างเช่นห้องปลอดเชื้อ CLASS 1000 มีอนุภาคน้อยกว่า ๐.๐๑ ม.ม. ต่อปริมาตรลูกบาศก์เมตร

เหตุผลที่สองของห้องปลอดเชื้อคือด้านจิตวิทยา บางส่วนประกอบของอวกาศยานสามารถประกอบได้อย่างปลอดภัยในโรงเก็บอาจทำงานได้ดีบนอวกาศสำหรับบางภาระกิจ อย่างไรก็ตามระเบียบวินัยที่กำหนดโดยการทำงานที่มีการควบคุมอย่างรอบคอบจะช่วยป้องกันความประมาทลดข้อผิดพลาด เมื่อช่างเทคนิคสวมใส่มอคสีขาวที่คมชัดพร้อมกับรองเท้าบูทแบบใช้แล้วทิ้ง ตาข่ายคลุมผม พวกเขาเคลื่อนไหวอย่างรอบคอบใกล้อุปกรณ์ราคาแพง

ในห้องปลอดเชื้อจะมีอุปกรณ์ Special Ground Support Equipment (GSE) ดังในรูปที่ ๕ เพื่อช่วยงานในช่วงประกอบระบบย่อยเข้ากับระบบใหญ่ เพื่อการรวม และการทดสอบ เป็นอุปกรณ์ทางกลที่สร้างขึ้นเองหรือ jigs สำหรับแขวน หมุน เคลื่อนที่ อวกาศยาน ในท่าทางต่าง ๆ เพื่อทำการ Functional Testing, Environmental Testing

รูปที่ ๕ Specialized Ground Support Equipment (GSE) เป็นภาพแสดงเครนที่ออกแบบพิเศษสำหรับยกกระสวยอวกาศน้ำหนัก ๑๐๐,๐๐๐ กิโลกรัมไปยังถังทดสอบภายนอก อวกาศยานทุกขนาดจำเป็นต้องมีอุปกรณ์พิเศษเฉพาะสำหรับ AIT และช่วงการเตรียมตัวปล่อยยาน

หลังจากที่เราประกอบและรวมอวกาศยานแล้ว การทดสอบการทำงานรวมจึงจะสามารถเริ่มได้ ระบบย่อยต่าง ๆ ได้ผ่านการทดสอบมาแล้ว มาถึงตอนนี้จะทดสอบภาพรวม ตามลำดับความสำคัญ เพื่อให้มั่นใจว่า อวกาศยานสามารถเอาตัวรอดจากความร้อน ความเย็น สุญญากาศ การแผ่รังสี การสั่นสะเทือน การพิมพ์ แรง G-Loading สิ่งเหล่านั้นจะถูกส่งผ่านประสบการณ์ ภารกิจต่อภารกิจ การทดสอบความสัมพันธ์ สภาพแวดล้อมส่งต่อเอกสารข้อมูล มือต่อมือ การทดสอบต้องให้ทำให้เหมือนธรรมชาติมากที่สุด ทดสอบซ้ำแล้วซ้ำอีกเพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุที่มีราคาแพงจะผ่านกระบวนการทดสอบทางอุณหภูมิ/สุญญากาศ เราจะต้องตรวจสอบการทำงานซ้ำ หากมีวัสดุใดเสียหายต้องแก้ไขแล้วทดสอบใหม่อีกครั้ง นอกเหนือจากอุปกรณ์สร้างความร้อน สุญญากาศ แล้วยังมีปฏิบัติการอื่น ๆ ที่ใช้ในระหว่างการทดสอบ ได้แก่

- Shaker table โต๊ะเครื่องปั่น จัดโครงสร้างอวกาศยานให้เข้ากับสภาพแวดล้อมภาระกรรมแบบไดนามิคหรือแรง G ที่จะได้รับในช่วงปล่อยยานขึ้น
- Acoustic chamber นำโครงสร้างอวกาศยาน เข้าสู่ห้องเพื่อทดสอบด้วยคลื่นเสียงรบกวน (Noise)
- Anechoic chamber นำโครงสร้างอวกาศยาน เข้าสู่ห้องเพื่อทดสอบอุปกรณ์วิทยุบนอวกาศยานให้มั่นใจว่าเสาอากาศทำงานและให้ความแรงของสัญญาณที่ถูกต้อง
- Sun simulation chamber จำลองการแผ่รังสีดวงอาทิตย์บนอวกาศ เพื่อทดสอบพลังงานออกจากโซล่าเซล ตลอดจนการออกแบบระบบควบคุมอุณหภูมิ

รูปที่ ๖ Anechoic Chamber ผนังห้องที่มีรูปทรงไม่ปกติ จะดูดซับคลื่นพลังงานความถึ่วิทยุ เพื่อจะป้องกันการสะท้อนที่หลงทางจากการรบกวนเครื่องมือที่มีความละเอียดสูงซึ่งบันทึกระดับพลังงานที่ส่งผ่าน ในรูปคือดาวเทียม AFRISTAR ซึ่งสร้างโดย Worldspace,Inc ผ่านการทดสอบ Mistral ใน Toulouse, ฝรั่งเศส (ได้รับความอนุเคราะห์)ภาพจาก Matra Marconi Space)

แม้จะเป็นภารกิจที่มีขนาดเล็กมากเช่นตัวอย่าง FireSat ก็จำเป็นต้องเข้าถึงระบบปฏิบัติการ AIT โดยจำเป็นต้องเข้าถึงห้องปลอดเชื้อในการประกอบ การรวม การทดสอบ โดยเฉพาะเลนส์ที่ละเอียดอ่อนของเซ็นเซอร์ Payload ระบบย่อย ตลอดจนถึงการถ่ายเทความร้อน/สุญญากาศ เพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบต่าง ๆ จะทำงานได้ในสภาพแวดล้อมของอวกาศ เราต้องมีห้อง Anechoic เพื่อทดสอบและตรวจสอบรูปแบบของสายอากาศ เครื่องส่งสัญญาณ ท้ายที่สุด ผู้ให้บริการปล่อยยานจะขอร้องให้ทีมงานปฏิบัติการกำหนดโครงสร้างทั้งหมด เพื่อจำลองการสั่นสะเทือนของการปล่อยยานแรง G เพื่อให้มั่นใจว่ามันจะไม่แตกระหว่างทางหรือการทดสอบครั้งสุดท้ายนี้มีความสำคัญที่สุด เพราะถ้าหาก FireSat ทำงานได้จริงหลังจากปล่อยขึ้นสู่วงโคจรบนอวกาศ ตามภารกิจหลักแล้วจะต้องไม่หัก พังเสียหาย เพราะเป็นอวกาศยานที่มีราคาแพง

๑.๒ การปล่อยยาน Launch บางครั้งการปล่อยยานอาจคิดเป็นมูลค่าเกือบร้อยละ ๓๐ ของงบประมาณทั้งภารกิจไม่เพียงแต่การปล่อยยานจะมีราคาแพง แต่ปฏิบัติการที่ซับซ้อนในการจัดหาโครงสร้างพื้นฐานเพื่อให้ได้มาซึ่งอวกาศยาน เพื่อออกตัวจากพื้นดินไปสู่อวกาศได้อย่างปลอดภัย ระบบเหล่านี้ได้แก่

- ฐานปล่อยยานและช่วงที่เกี่ยวข้อง
- แผ่นปล่อยยาน
- สิ่งที่ต้องบรรทุกขึ้นไป และพาหนะอำนวยความสะดวก
- ศูนย์ปฏิบัติการปล่อยยาน

รูปที่ ๗ Kenedy Space Center (KSC) เจ้าหน้าที่ NASA เลือกแนวชายฝั่ง Florida ตะวันออกเพื่อความปลอดภัยในการปล่อยยานและเพิ่มความเร็วจากการหมุนของโลก

โดยทั่วไปแล้วที่ตั้งปล่อยยานจะถูกเลือกตามภูมิศาสตร์และความปลอดภัย ละติจูดของที่ตั้งปล่อยยาน จะกำหนดความเอียงของวงโคจรขั้นต่ำที่มีให้ เช่นกระสวยอวกาศถูกปล่อยออกมาจากศูนย์เคนเนดี้ ซึ่งอยู่ละติจูดที่ ๒๘.๕ องศาตะวันออก ดังนั้นจากมุมมองทางด้านภูมิศาสตร์สถานที่เหมาะสำหรับสถานที่ยิงอยู่ที่เส้นศูนย์สูตร Kourou Launch Site ซึ่งถูกใช้โดยยานปล่อยของ Ariene ตั้งอยู่ที่ละติจูด ๔ องศาเหนือ ข้อได้เปรียบที่แตกต่างจากสถานที่ปล่อยที่มีละติจูดเหนือหรือใต้ที่มากกว่าสำหรับการส่งอวกาศยานสื่อสารขนาดใหญ่เชื่อมต่อวงโคจรแบบ geosynchronous orbit ในขณะที่ยังอนุญาตให้ปล่อยยานเข้าสู่ polar orbit

ที่ตั้งปล่อยยานจะเกี่ยวข้องกับระยะทางที่อ้างอิง หมายถึงพื้นที่ขนาดใหญ่รอบ ๆ ที่ตั้ง จะต้องไม่อยู่ในแนววิถีของยาน พื้นที่ทั้งหมดไม่จำเป็นต้องอยู่ในที่ตั้งจริง ๆ แต่จะต้องไม่มีศูนย์กลางประชากร และต้องอยู่ภายใต้การควบคุมของหน่วยงานผู้มีอำนาจควบคุมการปล่อยยาน ตัวอย่างเช่น ที่ตั้งปล่อยยาน ฐานทัพอากาศแวนเดนเบริกในแคลิฟอร์เนียมีพื้นที่ขนาดใหญ่แนวชายฝั่งทางตอนเหนือของแซนต้า บาบาร่า ด้วยเหตุผลความปลอดภัยการปล่อยยานต้องมุ่งหน้าไปทางทิศใต้และทิศตะวันออกจากแวนเดนเบิก รักษาพื้นที่ให้ปลอดโปร่ง ปลอดภัย

รูปที่ ๘ มุมเอียงที่ใช้ได้ ขณะที่ขอบเขตทางกายภาพจำกัดระยะของมุมเอียงที่สามารถใช้งานได้ โดยต้องพิจารณาจากทั้งด้านการเมืองและความปลอดภัยด้วย เราจะมองเห็นมุมเอียงที่สามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัย สอดคล้องกับมุมทิศทางที่สามารถปล่อยยานได้ของศูนย์อวกาศเคนเนดี้ และสถานที่ปล่อยยานกองทัพอากาศสหรัฐฯ ณ ฐานทัพอากาศแวนเดนเบิก แคลิฟอเนีย

หนทางหนึ่งในการแก้ปัญหาที่ตั้งปล่อยยานแบบประจำที่ คือการสร้างแท่นปล่อยจรวดแบบเคลื่อนที่ได้ ดังแสดงในรูปที่ ๙ เป็นแท่นยิงบนทะเลออกแบบและสร้างโดยหุ้นส่วนระหว่างประเทศ บริษัทโบอิ้ง สหรัฐฯ และ Kronecchev ยูเครน ใหญ่มาก ดัดแปลงฐานขุดเจาะน้ำมัน ลากจูงไปได้ทุกที่เพื่อปล่อยยาน ความคล่องตัวนี้ช่วยให้ผู้วางแผนภารกิจสามารถวาง Booster Payload บนเส้นศูนย์สูตรได้ เพื่อใช้ประโยชน์สูงสุด และปล่อยยานเข้าสู่ วงโคจรเส้นศูนย์สูตร เพื่อใช้ประโยชน์สูงสุด ประหยัดพลังงานเชื้อเพลิงที่ต้องใช้ในการแบกมวลน้ำหนักขึ้นไป ทำให้บรรทุกสิ่งสำคัญได้มากขึ้น สำหรับปฏิบัติการบนวงโคจรระดับสูง Geostationary

ในส่วน ภารกิจ FireSat ระลึกไว้ว่าอวกาศยานของเราจะเดินทางโดยมี payload สำรอง บน Hypothetical Facal Launch ในฐานะที่เป็น payload สำรอง มันจะรับบทบาทของคนโบกรถ ขึ้นอยู่กับ payload หลักในการกำหนดความต้องการสำหรับการปล่อยยานและการเชื่อมต่อกับพาหนะบรรทุกฐานปล่อยยาน มันจะขับเคลื่อนไปพร้อมกัน โดยใช้ประโยชน์จากโครงสร้างฐานปล่อยที่พร้อมสำหรับ payload หลัก

รูปที่ ๙ Sea Launch The sea launch complex ถูกสร้างโดยหุ้นส่วนระหว่างประเทศหุ้นส่วนระหว่างประเทศ บริษัทโบอิ้ง ประเทศสหรัฐอเมริกาและ Kronecchev Aero-Space ประเทศยูเครน มีที่อยู่ตามธรรมชาติ สถานที่ปล่อยจะอยู่กับที่โดยการบรรทุกสิ่งที่จำเป็นทั้งหมดลงบนแท่นฐานปล่อยยานลอยน้ำแท่นเดียวจากนี้นพวกเขาสามารถเคลื่อนย้ายไปที่ ๆ เหมาะสมเช่นเหนือเส้นศูนย์สูตรเพื่อปล่อยยานเข้าสู่วงโคจร Geo Station Orbit

ที่มา หนังสือ Understanding Space (Revised Second Edition) An Introduction to Astronautics
ผู้แปลและเรียบเรียง เรืออากาศเอกยุทธนา สุพรรณกลาง