May 15, 2018

ทำไมจานรับสัญญาณของยานกาลิเลโอถึงเสีย กับอนาคตของวงการสื่อสาร

ธันวาคม 1990 ยานกาลิเลโอบินโฉบผ่านโลก 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 ปริมาณภารกิจของยานกาลิเลโอจึงลดลงเหลือ 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





Must Know Topics