ถ้าใครเคยเห็นภาพของยานอวกาศ Cygnus ตอนที่จอดเทียบท่าอยู่กับสถานีอวกาศนานาชาติ แล้วรู้สึกว่า “เอ๊ะ ทำไมมันดูเหมือนถังน้ำแถวบ้าน” ขอบอกว่าไม่ได้คิดไปเองเลย เพราะโครงสร้างของมันก็คือถังกลม ๆ จริง ๆ นั่นแหละ และหน้าที่ของมันก็ไม่ได้มีอะไรไปมากกว่าการบรรจุสัมภาระ สิ่งของ ขึ้นไปเติมเสบียงให้กับสถานีอวกาศนานาชาติ แต่ถ้าเราขุดลึกลงไปอีกนิด จะพบว่าถังใบนี้ ไม่ใช่แค่ภาชนะบรรจุเสบียง แต่มันคือการย่อขนาด และบันทึกมรดกทางวิศวกรรมของ “สถาปัตยกรรมสถานีอวกาศ” ให้เหลือแค่พอใช้ แล้วปล่อยขึ้นไปเป็นยานไร้คนขับที่ใช้เทียบท่ากับสถานีอวกาศนานชาติ ได้เรื่อย ๆ แบบไม่ต้องซับซ้อนอะไรเลย
ในบทความนี้จะพาทุกคนมาสำรวจ “วิวัฒนาการของความเรียบง่าย” ในโลกของการออกแบบยานอวกาศ ผ่านกรณีศึกษาของ Cygnus ที่แม้หน้าตาจะดูเหมือนถังน้ำธรรมดา ๆ แต่ความจริงแล้วมันคือผลลัพธ์ของกระบวนการคิดที่ลึกซึ้ง และการสืบทอดมรดกทางวิศวกรรมอันยาวนานจากยุคกระสวยอวกาศสู่ยุคเอกชน
เราจะชวนกันมองยานอวกาศไม่ใช่แค่ในฐานะของวัตถุที่ลอยอยู่ในอวกาศ แต่ในฐานะ “สิ่งปลูกสร้าง” แบบหนึ่งที่เกิดจากข้อจำกัดเชิงระบบ การตัดสินใจของมนุษย์ และการเลือกใช้สิ่งที่มีอยู่แล้วในโลก ให้กลายเป็นเครื่องมือที่ทำงานได้ในวงโคจรเหนือพื้นโลกหลายร้อยกิโลเมตร
Form Follows Function ถังที่บินได้คือคำตอบ
Cygnus เป็นยานอวกาศประเภท Uncrewed Resupply Spacecraft ที่ออกแบบมาให้ปฏิบัติภารกิจขนส่งสัมภาระและเสบียงต่าง ๆ ไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ โดยไม่ต้องกลับโลก ตัว Cygnus แบ่งออกเป็นสองส่วนหลัก ๆ คือ Pressurized Cargo Module หรือ PCM และ Service Module หรือ SM
PCM มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3.07 เมตร และความยาวราว 5.14 เมตร สามารถบรรทุกสัมภาระได้ประมาณ 3,500-3,700 กิโลกรัม และในรุ่น Enhanced Cygnus ซึ่งทำให้ถังยาวขึ้น จะมีความยาวมากถึง 6.39 เมตรเลยทีเดียว ซึ่งเทียบได้กับพื้นที่ห้องนั่งเล่นขนาดกลาง การที่โมดูลนี้มีหน้าตาเหมือนถังน้ำก็ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ เพราะทรงกระบอกเป็นรูปทรงที่มีประสิทธิภาพที่สุดในแง่การใช้พื้นที่และความแข็งแรงเชิงโครงสร้างในสภาพแวดล้อมสูญญากาศ
ตรงนี้เองที่หลักการออกแบบแบบ “Form Follows Function” แสดงออกมาอย่างชัดเจน ไม่จำเป็นต้องกลับโลก ไม่จำเป็นต้องทนแรง G จากการลงจอด ไม่ต้องมี Heat Shield หรือ Landing System ยุ่งยาก ก็ออกแบบให้เบา เรียบง่าย และโหลดของได้เยอะเข้าไว้ แถมยังสามารถยัดใส่เข้าไปใน Payload Fairing ของจรวดลำใดก็ได้ อย่างในประวัติศาสตร์ที่ผ่านมาเราได้เห็นการส่ง Cygnus ด้วยจรวดทั้ง Anthares, Atlas V และ Falcon 9 ถือว่าเป็นยานอวกาศที่อเนกประสงค์มาก ๆ
ย้อนไปยุคกระสวย กับ Multi-Purpose Logistics Module
หลายคนอาจจะสงสัยว่าในยุคกระสวยอวกาศ เราเติมเสบียงให้กับสถานนีอวกาศนานาชาติอย่างไร เพราะจริง ๆ แล้วกระสวยอวกาศนั้นแคบมากในส่วนของ Flight Deck หรือส่วนควบคุมยาน แต่มีส่วนบรรทุกที่กว้างและใหญ่ พอที่จะใส่โมดูลใหม่ของสถานีฯ หรือกล้อง Hubble ขึ้นไปได้สบาย ๆ NASA ก็เลยใช้ประโยชน์ของกระสวยอวกาศตรงนี้นี่แหละในการวางแผนการเติมเสบียงให้กับสถานีอวกาศนานาชาติ
โมดูลทรงกระบอกไม่ได้เพิ่งมาเริ่มกับ Cygnus แต่ย้อนกลับไปในยุคกระสวยอวกาศ NASA ได้เคยใช้โครงสร้างที่เรียกว่า Multi-Purpose Logistics Module หรือ MPLM ซึ่งหน้าตาก็ถังน้ำไม่ต่างกันมาก โมดูลเหล่านี้ถูกออกแบบมาให้ใส่ในท้องกระสวย หรือ Payload Bay แล้วถูกแขน Canadarm ยกออกไปเชื่อมกับสถานีอวกาศเพื่อถ่ายของเข้าออกราวกับว่ามันคือโมดูลหนึ่งของสถานีฯ โดยระบบทั้งหมดจะเชื่อมต่อกันผ่าน Common Berthing Mechanism ซึ่งเป็นมาตรฐานการเชื่อมต่อที่ออกแบบมาสำหรับเชื่อมโมดูลต่าง ๆ ของสถานีอวกาศนานาชาติ เข้าด้วยกัน ซึ่งถ้าใครอยากทำความเข้าใจโดยละเอียดแนะนำให้อ่านบทความ การเทียบและเชื่อมต่อยาน รู้จักมาตรฐาน Docking Port ในปัจจุบัน
โดย MPLM ที่ถูกพัฒนาขึ้นมานั้น มีอยู่ 3 โมดูลคือ Leonardo, Raffaello และ Donatello โดย Leonardo ใช่แล้วมันถูกตั้งชื่อตามเต่านินจานั่นเอง และเนื่องจากมันถูกสร้างในโรงงานในอิตาลี ทำให้เราจะตั้งชื่อมันเป็นภาษาอิตาเลียน น่าเสียดายที่หาก MPLM ถูกสร้างในยุคนี้มันอาจจะถูกตั้งชื่อว่า Bombardiro Crocodilo หรือ Tralalero Tralala ก็ได้
MPLM บางชิ้น ได้แก่ Leonardo กลายเป็นโมดูลเก็บของถาวรบน ISS ในภายหลังการปลดระวางของกระสวยอวกาศนานชาติ ภายในของมันมีปริมาตรประมาณ 31 ลูกบาศก์เมตร ซึ่งพัฒนาโดย Thales Alenia Space ประเทศอิตาลี โรงงานเดียวกับที่ผลิตโมดูลของ Cygnus ในปัจจุบัน สิ่งที่น่าสนใจคือ สัดส่วนของ MPLM และ PCM ของ Cygnus ใกล้เคียงกันมาก แม้จะไม่เหมือนกันเสียทีเดียว แต่ในเชิงกระบวนการผลิตและวัสดุหลายอย่างก็นับได้ว่าอยู่ในสายพัฒนาต่อเนื่องเดียวกันอย่างชัดเจน
จาก MPLM สู่ Cygnus วิวัฒนาการของถังบรรทุกอวกาศ
หลังจากกระสวยอวกาศปลดประจำการในปี 2011 ในตอนนั้น NASA ต้องการวิธีใหม่ในการส่งของขึ้นไปยังสถานี จึงเปิดโครงการ Commercial Resupply Services ที่เปิดให้บริษัทเอกชนเข้าร่วมในการออกแบบยานอวกาศรุ่นใหม่สำหรับเติมเสบียงให้สถานีฯ ฝั่ง SpaceX ใช้แนวทาง First Principle สร้างยาน Dragon ตั้งแต่ศูนย์ พร้อมระบบ Reentry, Docking, และการควบคุมเต็มรูปแบบ ทำงานร่วมกับจรวด Falcon 9 ที่ออกแบบใหม่เช่นเดียวกัน กลายเป็นยานพาณิชย์ตัวแรกที่เทียบท่าสถานีอวกาศนานาชาติ ได้ด้วยตัวเองในปี 2012
ขณะที่ Orbital Sciences (ภายหลังกลายเป็น Orbital ATK และถูกซื้อโดย Northrop Grumman) เลือกแนวทางตรงข้าม ก็คือเอาแบบ MPLM เดิมมาดัดแปลงนิดหน่อย ติด Service Module เข้าไป และเนื่องจาก Orbital Sciences มีระบบยานอวกาศและดาวเทียมของตัวเองอยู่แล้ว ทำให้สามารถนำเอา Bus หรือตัวโครงดาวเทียมเดิมมาใช้ได้เลย มีระบบขับเคลื่อน ท่อต่อพลังงาน และระบบควบคุมการบิน แล้วใช้แขน Canadarm จับไปต่อกับ ISS แบบเดียวกับ MPLM
ตัวถังของ Pressurized Cargo Module ของ Cygnus ผลิตจากวัสดุอลูมิเนียม-ลิเธียมอัลลอย ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงต่อมวลหรือ Strength-to-Weight Ratio สูง และมีความทนทานต่อความเค้นจากแรงกดดันภายในและความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในสภาพสูญญากาศได้ดี วัสดุชนิดนี้ถูกเลือกใช้เพราะให้ความแข็งแรงแบบโครงสร้างเปลือกบาง Thin-Shell Pressure Vessel ในขณะที่ยังสามารถคงรูปร่างทรงกระบอกได้โดยไม่ต้องเสริมภายในมากนัก ลดน้ำหนักรวมของโมดูลได้มหาศาล
นั่นคือที่มาของ Cygnus รุ่นแรก ที่ถูกปล่อยขึ้นครั้งแรกในปี 2013 ด้วยจรวด Antares ที่ร่วมพัฒนาโดยบริษัทในยูเครน Cygnus ถูกออกแบบให้ทำลายตัวเองหลังปฏิบัติภารกิจเสร็จ ด้วยการเผาไหม้ในบรรยากาศตอนตกกลับโลก นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมแนวคิดอันแสนเรียบง่ายนี้จึงถูกหยิบมาใช้
ในเชิงโครงสร้าง Cygnus จะถูกประกอบแนวตั้ง Vertical Integration โดย Service Module เชื่อมต่อกับ Upper Stage ของ Antares ผ่าน Adapter ก่อน จากนั้น PCM จึงถูกยกขึ้นไปต่อด้านบนในขั้นสุดท้าย โดยระบบไฟฟ้าและข้อมูลจะถูกเชื่อมผ่าน Umbilical ไปยัง Upper Stage เพื่อใช้สั่งการในช่วงปล่อย
รองรับจรวดหลายรุ่น ทำให้รอดมาได้หลายยุคหลายสมัย
ในช่วงปี 2013-2017 Cygnus ถูกปล่อยด้วยจรวด Antares ซึ่งเป็นจรวดที่ Orbital Sciences พัฒนาขึ้นเองโดยใช้ชิ้นส่วนจากหลายประเทศ ตัวจรวดมี Fairing ขนาด 3.9 เมตร ทำให้รองรับ PCM รุ่นแรก (Standard Cygnus) ได้พอดี ต่อมาหลังจากพัฒนาจนได้ Enhanced Cygnus ที่ยาวขึ้นถึงก็มีการปรับ Antares เป็นเวอร์ชัน 230 ขึ้นไป ซึ่งยังรองรับได้อยู่
หลังจาก Antares ระเบิดในภารกิจ Orb-3 ในเดือนตุลาคม 2014 Cygnus ต้องหาพาหนะใหม่ด่วนเนื่องจาก Antares ถูกสั่งห้ามบิน และ United Launch Alliance หรือ ULA ก็เสนอบริการปล่อยด้วย Atlas V ซึ่งเดิมใช้ยิงดาวเทียมหนักหรือภารกิจไปดาวอังคาร โดย Atlas V มี Fairing ขนาดใหญ่กว่า 5 เมตร ทำให้ใส่ Enhanced Cygnus ได้แบบสบาย ๆ Cygnus บน Atlas V โดยจะติดตั้ง PCM และ SM เข้าด้วยกันก่อนบน Adapter แล้วจึงนำไปติดตั้งกับตัวจรวดภายหลังเป็นแพ็กเดียว
เมื่อจรวด Antares รุ่นที่ใช้เทคโนโลยีรัสเซียกับเครื่องยนต์จรวด RD-181 ต้องยุติการใช้งานเพราะผลกระทบจากสงครามรันเซียยูเครน Northrop Grumman จึงประกาศใช้ Falcon 9 ของ SpaceX ในการส่ง Cygnus ระหว่างที่รอพัฒนาเครื่องยนต์รุ่นใหม่ของจรวด Antares
การนำ Cygnus ไปประกอบกับ Falcon 9 ต้องมีการออกแบบ Launch Vehicle Adapter ใหม่ เพื่อให้เข้ากับระบบของ SpaceX รวมถึงต้องเปลี่ยนกระบวนการ ณntegration ให้เข้ากับ Vertical Integration Platform ของ Falcon 9 แต่ด้วยขนาด Fairing ที่ใหญ่พอและ Payload Envelope ที่ยืดหยุ่น ทำให้ Cygnus สามารถปรับตัวเข้ากับจรวดใหม่ได้โดยไม่ต้องออกแบบยานใหม่เลย แถมยังสามารถใช้โปรไฟล์การบินใกล้เคียงกับภารกิจนำส่งเสบียงของยาน Dragon ได้ด้วย
Cygnus ไม่ใช่ยานอวกาศเดียวที่หน้าตาเหมือนโมดูลสถานี หากเราสังเกตโมดูลต่าง ๆ ของสถานีอวกาศนานาชาติ จะเห็นว่าทรงกระบอกกลายเป็นมาตรฐาน เพราะง่ายต่อการเชื่อมต่อ (ผ่าน Common Berthing Mechanism) และง่ายต่อการผลิตแบบซ้ำ ๆ แม้แต่ Lunar Gateway ในอนาคต โมดูล HALO ที่พัฒนาโดย Northrop Grumman ก็ยังใช้พื้นฐานโครงสร้างจากโมดูลของ ISS และผลิตโดย Thales Alenia เหมือนเดิม รวมถึงโมดูลของสถานี Axiom ที่กำลังจะถูกนำไปต่อกับ ISS และแยกตัวในอนาคตก็ถูกผลิตโดย Thales Alenia และใช้การออกแบบที่สืบทอดจาก MPLM เช่นกัน
แนะนำให้อ่านบทความ มองสถาปัตยกรรมของ Lunar Gateway ทำไมโมดูลถึงเล็กกว่าของสถานีอวกาศนานาชาติ
ความเรียบง่ายกับนวัตกรรม จะเลือกทางไหนก็ไม่มีผิด
ในวงการอวกาศ ไม่มีทางเลือกไหนที่ “ดีกว่า” เสมอไป มีแต่เหมาะกับบริบทมากกว่า การที่ SpaceX เลือกสร้าง Dragon ใหม่ทั้งหมด ทำให้ได้ระบบที่ Reusable มี Docking ได้อัตโนมัติ และสามารถใช้เป็นพื้นฐานของยาน Crew Dragon ได้ในภายหลัง ในขณะที่ Cygnus ไม่สามารถ Reentry ได้ แต่ก็ทำหน้าที่ขนของได้ดี ราคาถูกกว่า พัฒนาเร็วกว่า และไม่ต้องเสียเวลาสร้างโครงสร้างใหม่ทั้งหมด ช่วงแรกของโครงการ CRS ยาน Cygnus ยังมี Payload Capacity น้อยกว่า Dragon อยู่บ้าง (ราว 2,000 กิโลกรัมในรุ่นแรก เทียบกับ 3,000 กิโลกรัมของ Dragon) แต่ก็เพิ่มขึ้นมาเรื่อย ๆ จนตอนนี้ใกล้เคียงกัน
แม้โครงการสถานีอวกาศนานาชาติ จะจบภารกิจในทศวรรษหน้า แต่โครงสร้างแบบโมดูลทรงกระบอกมาตรฐานที่ Thales Alenia ผลิตจะยังคงอยู่ต่อไป ไม่ว่าจะเป็น Lunar Gateway, สถานี Axiom ซึ่งเราเคยเล่าไปในบทความ พัฒนาการและเบื้องหลังสู่ความพยายามสร้างสถานีอวกาศเอกชน , หรือแม้กระทั่งโครงการสถานีอวกาศของจีน (ที่ก็ใช้แนวคิดคล้ายกันมาก) สุดท้ายแล้ว การออกแบบในวงการอวกาศคือการ “ต่อยอด” มากกว่าจะเป็นการ “เริ่มใหม่” การเข้าใจมรดกทางวิศวกรรมของยานแต่ละลำ ทำให้เรามองเห็นเครือข่ายของความรู้ การตัดสินใจ และบริบทในแต่ละยุคที่นำไปสู่หน้าตาของยานแต่ละลำในวันนี้
ยาน Cygnus อาจจะดูแค่เป็นถังน้ำลอยฟ้า แต่สำหรับวิศวกรอวกาศ มันคือผลผลิตของสถาปัตยกรรมที่เดินทางข้ามยุค มาจากยุคกระสวยอวกาศสู่ยุคสถานีเอกชน และยังไม่สิ้นสุด
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
