ทำไมจานรับสัญญาณของยานกาลิเลโอถึงเสีย กับอนาคตของวงการสื่อสาร

Written by CRAFTS

ธันวาคม 1990 ยานกาลิเลโอบินโฉมผ่านโลก มันเป็นช่วงเทศกาลแห่งความสุข ผู้คนบนโลกต่างล้วนกำลังเตรียมตัวฉลองกับเทศกาลแห่งความสุขประจำปี ยานกำลังลอยผ่านโลกไปแล้ว ระบบทำการตรวจเช็คสภาพของตัวยาน ทุกอย่างสมบูรณ์แบบ ระบบจึงเริ่มทำการกางจานรับสัญญาณแบบร่มออกเพื่อเตรียมตัวส่งภาพถ่ายโลกและดวงจันทร์กลับสู่โลก

ขณะที่มอเตอร์กำลังหมุนรอบทำงานเพื่อกางจานรับสัญญาณอยู่นั้นอยู่ ๆ ระบบของยานก็ขึ้นแจ้งเตือนหยุดการทำงานป้องกันจานรับสัญญาณขาด ระบบส่งข้อความขึ้นแจ้งเตือนระบบผิดพลาดกลับมายังโลกในทันที เหล่าทีมวิศวกรของ JPL วิ่งวุ่นกันแต่เริ่มต้นภารกิจ

จานรับสัญญาณไม่สามารถกางออกได้เพราะมอร์เตอร์เสีย ยานราคาหลายร้อยล้านเหรียญกำลังจะลอยออกสู่อวกาศและขาดการติดต่อไปตลอดกาล

ปัญหาจากการออกแบบ

ยานกาลิเลโอเป็นยานสำรวจอวกาศที่ถูกออกแบบเพื่อการขนส่งด้วยกระสวยอวกาศ ปัญหาของการยัดของเขาไปในกระสวยอวกาศคือขนาด Payload ของมันจะถูกจำกัด หากต้องการให้มันใหญ่กว่า Payload คุณก็จำเป็นต้องพับมันเสีย ส่วนมากของที่ยัดลงไปใน payload ของกระสวยอวกาศก็ล้วนแล้วมีขนาดเล็กไม่ว่าจะเป็น กล้องโทรทัศน์อวกาศฮับเบิล โมดูลของสถานีอวกาศนานาชาติ ยานกาลิเลโอ กล้องจันทรา-X เป็นต้น (ประชด)

โดยปกติทั่วไปอุปกรณ์ไฟฟ้าภายในยานส่วนใหญ่ก็ถูกออกแบบมาให้พับได้อยู่แล้วไม่ว่าจะเป็น Solar Panel , High Gain Antenna หรือ Low Gain Antenna และอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่หรือถูกออกแบบให้ยื่นออกจากตัวยาน การพับอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้ลดค่าใช้จ่ายจากการสร้าง Payload ให้มีขนาดใหญ่เท่ากับขนาดของอุปกรณ์ อีกทั้งยังลดค่าใช้จ่ายในด้านเชื้อเพลิงอีกด้วย ซึ่งส่วนใหญ่อุปกรณ์เหล่านี้ก็จะถูกตรวจเช็คเป็นอย่างดีและไม่ค่อยมีปัญหาเกี่ยวกับการใช้งานหลังถูกปล่อยออกไปแล้วเกิดขึ้น

ไม่ใช่ว่าการพับอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ดี มันดีแต่มันย่อมมีความเสี่ยงจากการขนส่งและความเสื่อมสภาพระหว่างการเดินทาง แต่ในเมื่อจ่ายเงินน้อยกว่าแถมได้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า ความเสี่ยงก็ย่อมคุ้มค่าใช่มั้ยละ

วิศวกรผู้ออกแบบยานกาลิเลโอมีความประสงค์ในการสร้างยานที่สามารถส่งข้อมูลจานยานกลับมายังโลกด้วยข้อมูลในการส่งที่มากขึ้น Upload ได้เร็วขึ้น ด้วย Bandwidth ที่กว้างขึ้น เมื่อเทียบกับยานวอยเอเจอร์ในวงโคจรของดาวพฤหัสบดี พวกเขาจำเป็นต้องสร้างยานที่มีจานรับสัญญาณขนาดใหญ่กว่ายานวอยเอเจอร์ อีกทั้งเขายังต้องการที่จะให้ยานสามารถ Steam ข้อมูลจาก Probe ที่ถูกส่งลงไปสำรวจชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีกลับมายังโลกได้ภายในทันที เขาต้องออกแบบให้มี Relay Antenna อีกตัวหนึ่งให้สามารถ Download ข้อมูลจาก Probe ได้ในทันที และใช้ High Gain Antenna หันหน้าไปทางโลกเพื่อ Upload

High Gain Antenna ของยานกาลิเลโอเมื่อเปิดกางสุด ที่มา – NASA/JPL

ซึ่ง Project นี้ได้รับการเสนอให้ถูกปล่อยโดยกระสวยอวกาศเพื่อทดสอบขีดศักยภาพของกระสวยอวกาศที่จะสามารถส่งยานออกไปสำรวจอวกาศลึก และเป็นการเตรียมความพร้อมในการปล่อยกล้องฮับเบิลด้วยกระสวยอวกาศอีกนัยหนึ่ง

เมื่อชาร์เลนเจอร์ระเบิดเป็นเสี่ยงๆ

กระสวยอวกาศชาร์เลนเจอร์เที่ยวบินที่ STS-51L ระเบิดหลังจากถูกปล่อยออกจากฐานยิงได้เพียง 73 วินาที มันสร้างความตื่นตระหนกและความไม่ไว้ใจกับโครงการอวกาศของสหรัฐอเมริกา ทุนวิจัยของ NASA หลังจากเกิดการระเบิดของชาร์เลนเจอร์ลดลงอย่างมหาศาล โครงการอวกาศต่างๆของ NASA หยุดชะงักเพื่อตามหาเหตุผลจากการระเบิดของกระสวยอวกาศ และเรียกความมั่นใจจากประชาชนว่าโครงการอวกาศนั้นปลอดภัย

กระสวยอวกาศชาร์เลนเจอร์ STS-51L ระเบิดระหว่างบินขึ้นจากฐานปล่อยได้เพียง 73 วินาที ที่มา – NASA

โครงการส่งยานกาลิเลโอไปดาวพฤหัสบดีจึงต้องหยุดชะงักลงจากกำหนดการส่งเดิมคือ 5 มกราคม 1982 ถูกเลื่อนออกไปอย่างไม่มีกำหนด ยานที่กำลังถูกติดตั้งเข้าไปใน Payload ที่ Kennedy Space Center จึงจำเป็นต้องกลับบ้าน JPL ในแคลิฟอร์เนีย

กลับบ้านวันหยุดยาว

ยานกาลิเลโอถูกบีบบังคับให้ถูกส่งกลับบ้านในแคลิฟอร์เนีย โดยปกติยานอวกาศจะถูกขนส่งโดยวิธีทางอากาศเพราะปลอดภัยและลดความสั่นสะเทือนที่อาจทำลายอุปกรณ์วิทยาศาสตร์มูลค่ามหาศาลและล้ำค่า แต่มันไม่ใช่กับยานกาลิเลโอ ยานกาลิเลโอถูกส่งกลับในช่วงที่ NASA ขาดแคลนทุนทรัพย์อย่างสุดขีด

มันถูกยัดใส่ท้ายรถบรรทุกธรรมดาพร้อมกับอุปกรณ์และยานอวกาศลำอื่นอีกมากมายไปพร้อมกัน และขับบนถนนธรรมดา แน่นอนว่าระยะทางจากฟลอริด้าไปแคลิฟอร์เนียไม่ใช่ใกล้ ๆ เหมือนขับจากกรุงเทพไปชลบุรี มันไกล มาก มาก และถนนของอเมริกาสมัย 30 กว่าปีที่แล้วไม่เหมือนทุกวันนี้ที่เรียบและสวย มันเหมือนถนนในประเทศไทย

เอาจริงก่อนหน้านี้ตอนมันถูกส่งมาที่ KSC มันก็ถูกส่งมาทางรถบรรทุกเช่นกัน การเดินทางไปกลับไปกลับแบบนี้ย่อมสร้างปัญหาให้กับตัวโครงสร้างของยานอย่างแน่นอน ระหว่างเดินทางการสั่นสะเทือนของตัวรถบรรทุกกับพื้นถนนทำให้น้ำมันหล่อลื่นในข้อต่อของมอร์เตอร์ซี่จานรับสัญญาณค่อยๆหลุดออกมาทีละนิด ทีละนิด ตลอดเวลาการเดินทาง แล้วมันถูกส่งไปกลับแบบนี้ถึง 3 ครั้ง และถูกเก็บอยู่โกดังของ JPL ไปยาวๆอีก 4 ปีครึ่ง

นอนอยู่ในโกดังแต่ไม่มีใครตรวจเช็คสภาพของมันเลยแม้แต่คนเดียว มันคงน้อยใจที่นอกจากอดไปอวกาศยังต้องนอนอยู่ในโกดังเงียบ ๆ เหงา ๆ ที่ไม่มีใครสนใจอีก

ฤกษ์งามยามดี พร้อมออกนอกโลก

มันได้รับเลือกออกจากโลกในวันที่ 18 ตุลาคม 1989 โดยกระสวยอวกาศแอตแลนติส ในเที่ยวบิน STS-34 มันถูกจับยัดใส่รถบรรทุกวิ่งข้ามประเทศเข้า KSC จับ RTG ใส่ยานแล้วนำเข้าใส่ Payload โดยทันที เพื่อเป็นการประหยัดงบประมาณและรวดเร็วที่สุด ไม่มีใครตรวจสอบสภาพภายในของซี่จานรับสัญญาณเลยแม้แต่คนเดียว น้ำมันหล่อลื่นที่แห้งผาก บวกกับความไม่ใส่ใจของวิศวกรของ JPL ทำให้ยานราคาหลายพันล้านเหรียญกำลังจะลอยหายไปและขาดการติดต่อในไม่ช้า

ตราประจำภารกิจ STS-34 ที่มา – NASA

เอาจริงจากการคำนวณทางสถิติของ NASA ในช่วงนั้น ความล้มเหลวของภารกิจการส่งยานสำรวจอวกาศนั้นเป็นไปได้ต่ำมาก แทบไม่มียานลำไหนเสียหายหรือขาดการติดต่อเพราะการขาดการบำรุงรักษาหรือตรวจเช็คสภาพก่อนนำใส่ Payload ดังนั้น NASA ในช่วงนั้นจึงไม่ให้ความใส่ใจในการส่งงบประมาณตรวจสอบและบำรุงรักษายานกาลิเลโอ แล้วทุ่มงบประมาณไปให้ทรัพยากรมนุษย์และโครงการอื่นแทน

 

ภาพถ่ายยานกาลิเลโอขณะถูกปล่อยออกจาก Payload ของกระสวยอวกาศ ที่มา – NASA

วันที่ 18 ตุลามคม 1989 มาถึงกระสวยอวกาศแอตแลนติสถูกยิงออกจาก KSC พร้อมลูกเรือภายในยานอีก 5 คน กระสวยอวกาศบินไปได้สวยตามแผนภารกิจทุกอย่าง แต่ Resonance จากการปล่อยก็ยังทำให้สารหล่อลื่นในโครงสร้างเก่าเก็บค่อยๆหลุดออกมาอย่างต่อเนื่อง (ซึ่งการหลุดร่อนออกจากการส่งด้วยจรวดเป็นเรื่องปกติอยู่แล้ว เพียงแต่ต้องใส่สารหล่อในข้อต่อและมอร์เตอร์ให้มากพอตามสเปคจึงจะปลอดภัย)

ยานถูกปล่อยออกจาก Payload ของกระสวยอวกาศ IUS ของยานค่อยๆเคลื่อนตัวออกจากกระสวยอวกาศตามแผนที่วางไว้ก่อนจุดระเบิดแล้วส่งยานออกจากวงโคจรของโลก

ยานปลด IUS ออกก่อนลอยออกจากโลกไปยังดาวศุกร์แล้วกลับมาเจอโลกกันใหม่อีกครั้งเพื่อ Gravity Assist เพื่อเร่งให้ยานพุ่งไปข้างหน้าให้เร็วขึ้นอีกครั้ง

เส้นทางการเดินทางของยานกาลิเลโอเพื่อไปยังดาวพฤหัสบดี

เผชิญปัญหา

8 ธันวาคม 1990 ยานกาลิเลโอบินกลับมาโลกหลังจากได้บินโฉมดาวศุกร์เพื่อทำการ Gravity Assist แล้วการกลับมาโลกมันย่อมทำเพื่อการ Gravity Assist ด้วยเช่นกัน ระหว่างการบินกลับโลกนักวิทยาศาสตร์จึงใช้โอกาสนี้ในการทดสอบระบบทั้งหมดภายในยาน กล้องถ่ายรูปความละเอียดสูง เครื่องตรวจจับอนุภาคพลังงานสูง เครื่องตรวจจับสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ทั้งหลายภายในยานรวมถึง จานรับสัญญาณ

โดยการวางแผนของ NASA ยานกาลิเลโอจะทำการกางจานรับสัญญาณตัว High gain Antenna เพื่อ Upload รูปภาพของโลกและดวงจันทร์ รวมถึงผลการทดสอบระบบ ระหว่างที่ระบบคอมพิวเตอร์ของยานกาลิเลโอเริ่มกางซี่ของจานรับสัญญาณ จู่ ๆ ระบบก็หยุดการทำงานลง พร้อม Error มากมาย จานรับสัญญาณ High Gain Antenna ไม่กางออกตามแผนที่วางเอาไว้ วิศวกร JPL ถูกตามตัวมายังห้องควบคุมในทันที

ปัญหานี้ต้องได้รับการแก้ไขโดยด่วนก่อนที่ยานจะเคลื่อนที่ออกจากวงโคจรของโลก

พวกเขาพยายามเร่งการทำงานของฮีตเตอร์ภายในยานเพื่อให้เกิดความร้อนภายในมอเตอร์ หรือพยายามปรับวงโคจรเพื่อให้ยานได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ให้ได้มากที่สุดเพื่อหวังว่าน้ำมันหล่อลื่นที่ไม่เหลืออยู่ในมอเตอร์จะเกิดปฏิหารย์ขยับได้ขึ้นมา พวกเขาพยายามเปิดมอเตอร์และเร่งการทำงานของมอเตอร์ให้มากที่สุดถึง 10.5 รอบต่อนาที และพวกเขาพยายามเปิดการทำงานของมอเตอร์มากถึง 13,000 ครั้ง แต่จานรับสัญญาณก็ไม่ขยับเลยแม้แต่น้อย

โชคยังดียานกาลิเลโอยังมี Low Gain Antenna ที่ไว้ใช้ Relay สัญญาณจาก Probe อยู่ NASA จึงจำเป็นต้องใช้จานรับสัญญาณอันเล็กนี้ในการรับข้อมูลแทนจานรับสัญญาณขนาดใหญ่ที่กางจานไม่ออก แน่นอนว่าจานรับสัญญาณมันเล็ก Low Gain Antenna  ยังคงเป็น Low Gain Antenna มันไม่สามารถส่งข้อมูล ได้มากและเร็วเท่ากับ High Gain Antenna อีกทั้งยังกำลังไฟในการส่งยังน้อยกว่า

จากการว่าแผนของ JPL หาก High Gain Antenna สามารถทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ ยานจะสามารถส่งข้อมูลได้ด้วยความเร็ว 134 Kilo-bits/sec แต่หลังจากจานรับสัญญาณไม่สามารถทำงานได้ Low Gain Antenna จึงส่งได้เพียง 8-16 Bits/sec เท่านั้น จานรับสัญญาณของ Deep Space Network รับสัญญาณจากยานกาลิเลโอได้เพียง −170 dBm  หรือ 10−21 watts เท่านั้น หลังจากนั้นโครงข่าย Deep Space Network ได้อัพเกรดจานรับสัญญาณขนาดใหญ่จากเดิมมีขนาด 34 เมตรเป็น 70 เมตร ทำให้การ Download ข้อมูลจากยานกาลิเลโอได้เร็วขึ้นเป็น 160 Bits/sec เมื่อยานใกล้โลกที่สุด

ภาพกราฟฟิกแสดงให้เห็นถึงจานรับสัญญาณของยานกาลิเลโอกางออกมาได้ไม่สุด NASA

เมื่อยานจำเป็นใช้ได้เพียง Low Gain Antenna ปริมาณภารกิจของยานกาลิเลโอจึงลดลง 70% เพราะว่ายานไม่สามารถส่งข้อมูลจาก RAM ออกมาได้ทันกับข้อมูลที่ได้รับเข้าสู่ RAM อีกทั้งพลังงานที่ใช้ในการส่งข้อมูลมากขึ้นเพราะว่าตัวจานส่งมีขนาดเล็กการเพิ่มไฟเข้าไปสู่จานรับสัญญาณก็พอช่วยขีดความสามารถในการส่งข้อมูลของยานได้บ้าง

ความไม่ไว้ใจของ NASA

หลังจากความล้มเหลวของการใช้งานจานรับสัญญาณแบบพับได้ของยานกาลิเลโอ วิศวกรของ NASA ดูเหมือนจะไม่กล้าใช้จานรับสัญญาณแบบพับได้กับยานลำอื่นอีกเลย เพราะนอกจากการต้องบำรุงรักษาระหว่างที่มันอยู่บนโลกแล้วมันเป็นเรื่องยุ่งยากที่จำต้องออกแบบให้มันทนกับ Resonance ระหว่างการเดินทาง เราจะเห็นได้ว่ายานรุ่นหลังจากยานกาลิเลโอที่มีภารกิจออกไปสำรวจนอกเหนือจากโลกไม่มียานลำไหนใช้จานรับสัญญาณขนาดใหญ่ที่ต้องกางออกอีกเลย ใช้เป็นโลหะหล่อขึ้นรูปพาลาโบล่าหงายทั้งหมด อาจจะใช้วัสดุห่อจานรับสัญญาณบ้างเพื่อถนอมระหว่างการ Aerodynamic Break

ถึงแม้จานรับสัญญาณแบบโลหะหล่อขึ้นรูปจะราคาแพงกว่าในทุกด้านแต่มันก็ยังสร้างความมั่นใจให้กับผู้ใช้งานมากกว่าแบบกางพับได้ ทุกวันนี้แม้แต่ดาวเทียมสื่อสารขนาดใหญ่ของบริษัทเอกชนก็ยังคงใช้จานรับสัญญาณแบบโลหะหล่อขึ้นรูปอยู่ดี มีจำนวนน้อยที่เริ่มหันมาใช้งานแบบกางพับได้

ต้นทุนที่ถูกลงกับความเสี่ยงที่ดูคุ้มค่า

สำหรับเหล่าเอกชนแล้ว การพยายามทำให้ต้นทุนในการสร้างดาวเทียมที่ถูกลงย่อมเป็นผลดีกับธุรกิจของเขา ตั้งแต่การลดขนาดของดาวเทียมให้เล็กลงจากดาวเทียมขนาดใหญ่เปลี่ยนเป็น Microsat ใช้เชื้อเพลิงราคาแพงที่เบาเพื่อค่าขนส่งที่น้อยลง เช่น ion thruster เป็นต้น

หนึ่งในสิ่งที่มีน้ำหนักมากเป็นอันดับสองของทุกภารกิจ ของดาวเทียมแทบทุกดวงคือจานรับสัญญาณ หากทำให้จานรับสัญญาณของดาวเทียมมีน้ำหนักที่เบาลงหมายถึงกำไรที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นเหล่าเอกชนจึงพยายามทุ่มงบประมาณเพื่อวิจัยจานรับสัญญาณที่มีน้ำหนักน้อยลง บางมากขึ้น ขนาดตอนส่งออกไปมีขนาดที่เล็ก และเมื่อถูกวงโคจรจะมีขนาดที่ใหญ่ได้ตามที่บริษัทต้องการ สิ่งที่เขาทำคือสร้างจานรับสัญญาณที่พับได้และสามารถกางออกได้จริง ๆ อีกทั้งมีน้ำหนักเบา พับแล้วมีขนาดเล็ก

 

ยาน SMAP กับอุปกรณ์ของมันที่ออกให้พับแล้วขึ้นไปกลางบนอวกาศ ที่มา – NASA/JPL

มหาวิทยาลัยนอตทิงแฮมเทรนต์ (Nottingham Trent University) และ Oxford Space Systems ได้คิดค้นวิธีในการผลิตเส้นใยทองคำที่บางยิ่งกว่าเส้นผมขึ้นมา เพื่องานด้านการสื่อสารโดยเฉพาะ โดยเส้นใยทองคำนี้ผลิตจากทองคำถูกนำมารีดให้บางเพียงจนมีความหนาแน่นเพียงไม่ถึงครึ่งมิลลิเมตร พวกเขาพัฒนามันจนสามารถทนกับสภาพอันแสนโหดร้ายของอวกาศ ทนกับความร้อนและรังสีอันตรายจากดวงอาทิตย์ เมื่อพวกเขาได้เส้นใยทองคำที่บางเฉียบแล้วจึงนำมันมาถักทอกันให้เป็นผืนผ้าใบเพื่อทำหน้าที่เป็นจานรับสัญญาณดาวเทียม

เส้นใยทองคำ ที่มา – Oxford Space Systems

โดยผืนผ้าทองคำนี้มีความเหนียวสามารถหุบพับกางได้ โดยมีคุณสมบัติที่ดีกว่าจานรับสัญญาณดาวเทียมแบบหล่อขึ้นรูปคือ มีน้ำหนักเบา ราคาถูก และสามารถต้านทานการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ได้ ยิ่งไปกว่านั้นการใช้จานรับสัญญาณดาวเทียมด้วยทองคำนั้นยังช่วยลดปัญหาการเกิดขยะบนโลกและขยะอวกาศได้อีกด้วย

แม้ว่ายานกาลิเลโอจะไม่สามารถปฏิบัติหน้าที่ได้อย่างเต็มที่ที่มันออกแบบไว้ แต่ยานกาลิเลโอก็เป็นหนึ่งในยานอวกาศทีมีส่วนสำคัญในการช่วยให้เราได้รับความเข้าใจในดาวพฤหัสมากขึ้นอย่างมาก ถ้าจะถามว่าวิศวกรอะไรยากที่สุดคำตอบก็น่าจะเป็นวิศวกรอวกาศ เพราะสุดท้ายแล้วเกิดบางสิ่งอย่างพลาด คุณไม่สามารถขึ้นไปนำมันกลับลงมาซ่อมได้ นั่นทำให้คนซวยคนต่อมาก็คือวิศกรซอฟแวร์ยานอวกาศ ที่ต้องเขียน Software มาเพื่อแก้ไขปัญหา Hardware (พ่อง) และนี่ก็เป็นบทพิสูจน์ว่า การสำรวจอวกาศนั้นเป็นสิ่งที่ยากและท้าทายขีดจำกัดของมนุษย์อย่างแท้จริง

อ้างอิง 

High-tech Nottingham knitting could soon be orbiting the earth on satellites

Researchers knit satellite antenna for outer space

Galileo Antenna Deployment Problem Under Analysis

Galileo’s New Telecommunications Strategy

 

Last modified: May 15, 2018

Pichsinee P., I love you forever.