ระบบโครงสร้างของดาวเทียม

(Satellite Structural System)

1. ทำหน้าที่อะไร

ระบบโครงสร้าง เป็นโครงสร้างหลัก เพื่อให้อุปกรณ์ทั้งหมดของดาวเทียมยึดเข้าด้วยกัน และต้องแข็งแรงเพียงพอที่จะรับแรงกระทำระหว่างขนส่งจากพื้นโลกด้วยจรวดนำส่งเข้าสู่วงโคจรใช้งาน

2. องค์ประกอบของระบบโครงสร้าง

สามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภทใหญ่ ตามขนาดของแรงกระทำเป็นดาวเทียม ได้แก่

โครงสร้างหลัก (Primary Structure) มีความแข็งแรงมากที่สุด เป็นส่วนที่รับแรงจากจุดยึดกับตัวจรวดนำส่งโดยตรง ใช้ยึดโครงสร้างรอง และอุปกรณ์หลักต่างๆ ที่มีขนาดใหญ่ และน้ำหนักมาก ต้องอาศัยการออกแบบและวิเคราะห์อย่างละเอียด เป็นส่วนที่วิศวกรใช้เวลามากที่สุด
โครงสร้างรอง (Secondary Structure) มีความแข็งแรงปานกลาง รับแรงกระทำบางส่วน และใช้ยึดอุปกรณ์ขนาดกลาง และน้ำหนักไม่มากนัก ต้องอาศัยการออกแบบและวิเคราะห์พอประมาณ เป็นส่วนที่วิศวกรใช้เวลามากเช่นเดียวกัน
โครงสร้างย่อย (Tertiary Structure) มีความแข็งแรงเฉพาะการใช้งานของตัวอุปกรณ์เอง ส่วนใหญ่ออกแบบแยกระดับอุปกรณ์ย่อย ส่วนใหญ่มีการออกแบบเป็นมาตรฐานไว้แล้ว เช่น กล่องใส่อุปกรณ์ (Module tray) ขนาดต่างๆ

**รูปที่ 1** Structure Classification Credit: Mohamed A., Cairo University, Egypt

**รูปที่ 2** SMART-1 S/C Primary Structure Credit: sci.esa.int/web/smart-1

**รูปที่ 3** JUICE S/C Primary Structure Credit: sci.esa.int/web/juice

**รูปที่ 4** ESTCube-1 Cubesat Credit: https://en.wikipedia.org

นอกจากนี้ ลักษณะของโครงสร้างสามารถแบ่งได้เป็น 4 ประเภทใหญ่ ตามรูปแบบการใช้งานดาวเทียม ได้แก่

แท่งรับแรงแนวแกน Beam, Bar, and Strut: มีลักษณะเป็นแท่งยาว ส่วนใหญ่ทำจากอลูมิเนียม หรือคาร์บอนไฟเบอร์ สามารถรับแรงตามแนวแกนได้มาก เมื่อนำมาประกอบกันจะได้โครงสร้างที่แข็งแรง และนำหนักเบา

โครงถัก Truss: เกิดจากการนำแท่งรับแรงแนวแกนมาจัดวางตัวในมุมองศาที่เหมาะสม ทำให้เกิดโครงสร้างที่มีการกระจายแรงอย่างสม่ำเสมอ รับแรงกระทำได้ดีหากออกแบบได้ถูกต้อง

แผ่นแซนวิช Panel: มีลักษณะเป็นแผ่นแซนวิชขนาดใหญ่ สามารถรับแรงดัดงอได้ดี นิยมใช้ติดตั้งอุปกรณ์ที่มีน้ำหนักไม่มาก และนิยมใช้ทำแผงโซล่าเซลล์

โครงสร้างขึ้นรูปชิ้นเดียว Monocoque structure: ทำจากวัสดุคอมโพสิตขึ้นรูปเป็นชิ้นเดียว ซึ่งสามารถออกแบบให้มีรูปร่างตามการใช้งาน น้ำหนักเบา รับแรงได้มาก แต่ต้นทุนในการผลิตสูงกว่าโครงสร้างแบบอื่น

3. วัสดุที่นิยมใช้ในระบบโครงสร้าง

การเลือกใช้วัสดุสำหรับโครงสร้างของดาวเทียมขึ้นอยู่กับการใช้งาน และขนาดของดาวเทียมเป็นหลัก ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้อลูมิเนียม ไททาเนียม แสตนเลสสตีล และคาร์บอนไฟเบอร์ เป็นวัสดุหลัก และจะเลือกโดยเปรียบเทียบคุณสมบัติทั้งทางด้านกายภาค รวมถึงความยากในการจัดหา และปัจจัยอื่น ดังที่ได้ระบุตามหัวข้อด้านล่าง
• ค่าความแข็งแรงจุดคราก Yield strength
• ค่าความแข็งเกร็ง Stiffness
• ความถ่วงจำเพาะ Specific mass
• ค่าคงที่การขยายตัวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ Thermal expansion coefficient
• ความยากง่ายในการผลิตใช้งาน Manufacturability
• อายุของวัสดุ Shelf life
• การคายแก๊ส Outgassing
• ค่าการนำแม่เหล็ก Non-magnetic*
• ราคา Raw material cost
• ระยะเวลานำในการสั่งซื้อ Order lead time

**รูปที่ 5** กราฟความเค้น-ความเครียดของวัสดุจำพวกโลหะทั่วไป

**รูปที่ 6** ตารางจำแนกวัสดุตามความหนาแน่นและค่าโมดูลัสของยัง

4. ภาพรวมกระบวนการออกแบบ วิเคราะห์ ผลิต ประกอบ และทดสอบดาวเทียม

วิศวกรในทีมโครงสร้างดาวเทียม รับผิดชอบหน้าที่หลายส่วนด้วยกัน ซึ่งสามารถแบ่งคร่าวๆได้ดังนี้
● ออกแบบโครงสร้างดาวเทียม ด้วยโปรแกรมวาดแบบทางวิศวกรรมสามมิติ (Computer Aided Design)
● วิเคราะห์ความแข็งแรง และคุณสมบัติเชิงกล ด้วยโปรแกรม (Finite Element Analysis)
● สนับสนุนการเลือกสั่งผลิตชิ้นส่วน
● ประกอบดาวเทียม
● ทดสอบเชิงกล ทั้งระดับอุปกรณ์ย่อย และระดับดาวเทียม

**รูปที่ 7** ภาพรวมกระบวนการออกแบบ วิเคราะห์ ผลิต ประกอบ และทดสอบดาวเทียม

a. เทคนิคออกแบบโครงสร้างดาวเทียม (CAD Design)
วิศวกรผู้ออกแบบ จะต้องตอบสนองความต้องการของภารกิจ (Mission Requirements) ภายใต้ข้อจำกัดการออกแบบต่างๆ และต้องเตรียมพร้อมรับมือการเปลี่ยนแปลงความต้องการอยู่เสมอ นอกจากการออกแบบโครงสร้างให้มีความแข็งแรงเพียงพอต่อการใช้งานแล้ว วิศวกรที่รับผิดชอบยังต้องเลือกใช้วัสดุและเทคนิคการผลิตที่เหมาะสม เพื่อลดระยะเวลาและลดค่าใช้จ่ายในการผลิตโครงสร้างดาวเทียม ตัวอย่างหัวข้อที่ควรคำนึงถึงในการออกแบบได้แก่
• การลดจำนวนชิ้นงานที่ไม่จำเป็น Reduce the total number of parts
• การออกแบบให้ใช้ทดแทนกันได้ Develop a modular design
• การเลือกใช้ส่วนประกอบมาตรฐาน Use of standard components
• การออกแบบให้รองรับการใช้งานที่หลากหลาย Design parts to be multi-functional
• การออกแบบให้ขึ้นรูปชิ้นงานได้ง่าย Design for ease of fabrication
• หลีกเลี่ยงการใช้สกรูยึดหลายขนาด Avoid separate fasteners
• หลีกเลี่ยงการประกอบที่ซับซ้อน Minimize assembly directions
• การออกแบบให้รองรับการเคลื่อนย้าย Ease of handling

b. เทคนิควิเคราะห์ความแข็งแรง และคุณสมบัติเชิงกล (Finite Element Analysis)
เพื่อยืนยันการออกแบบ จะต้องใช้โปรแกรมช่วยวิเคราะห์โครงสร้าง เปรียบเทียบกับค่าเป้าหมาย สอดคล้องกับแต่ละภารกิจ ได้แก่ ความแข็งแรงเชิงโครงสร้าง, ความถี่สั่นพ้อง, จุดศูนย์กลางมวล, โมเมนต์ความเฉื่อย เป็นต้น โปรแกรมที่นิยมใช้ได้แก่ ANSYS เพื่อวิเคราะห์ระดับอุปกรณ์ย่อย และ NASTRAN สำหรับระดับดาวเทียม หากผลการวิเคราะห์ได้ค่าต่ำกว่าที่คาดหวัง ก็จะต้องส่งกลับไปออกแบบปรับปรุงใหม่

Credit: Jae Hyuk Lim, A correlation study of satellite finite element model for coupled load analysis using transmissibility with modified correlation measures, Aerospace Science and Technology, 2014. — **รูปที่ 8** ตัวอย่าง Finite Element Model ของดาวเทียม

5. เทคนิคการขึ้นรูปโครงสร้าง

การขึ้นรูปสำหรับโครงสร้างของดาวเทียมขึ้นอยู่กับลักษณะ และชนิดของวัสดุ และขนาดของดาวเทียมเป็นหลัก และเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญ ในการออกแบบดาวเทียม โดยกระบวนการขึ้นรูปชิ้นงานที่นิยมใช้ สามารถจำแนกดังที่ได้ระบุตามหัวข้อด้านล่าง
• การขึ้นรูปด้วยเครื่องกัด ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ CNC Machining
• การขึ้นรูปด้วยเครื่องกลึง ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ CNC Turning
• การขึ้นรูปด้วยเครื่องตัดด้วยลวดไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ Wire EDM (Wire cut)
• การขึ้นรูปด้วยเครื่องตัดด้วยเลเซอร์ Laser cut
• การขึ้นรูปด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ 3D printing
• การขึ้นรูปแผ่นแซนวิชรังผึ้ง Honeycomb sandwich panel
• การขึ้นรูปด้วยเครื่องฉีดพลาสติก หรือเครื่องฉีดโลหะ Injection molding

**รูปที่ 10** การเตรียมขึ้นรูปแผ่นแซนวิชรังผึ้ง

6. การจัดหาวัสดุและส่วนประกอบ

นอกจากการออกแบบแล้ว การหาผู้ผลิตที่เชื่อถือได้ ถือเป็นอีกสิ่งสำคัญของการสร้างดาวเทียม โดยถือเป็นกิจกรรมที่ต้องประสานงานกับหน่วยงานภายนอกค่อนข้างมาก มีการอ้างอิงมาตรฐานอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น AS9100, IPC Class3, ECSS, NADCAP เป็นต้น เพื่อให้มั่นใจถึงคุณภาพวัสดุ และส่วนประกอบที่จัดหามา โดยปกติจะคำนึงปัจจัยด้านต่างๆดังนี้
• จัดหาภายในองค์กร หรือสั่งซื้อจากบริษัทภายนอก In-house or external supplier
• ระยะเวลานำในการสั่งซื้อ Procurement lead time
• เอกสาร และการควบคุมการนำเข้า ส่งออก Compliance (export control)
• คุณภาพ Quality
• ราคาต่อหน่วย และค่าใช้จ่ายการเตรียมผลิต Price and Non-recurring Engineering Cost
• จำนวนการสั่งซื้อขึ้นต่ำ Minimum order quantity (MoQ)
• ความน่าเชื่อถือ Reliability, Trustworthy

**รูปที่ 11** Flow chart การสั่งซื้อจากผู้ผลิตภายนอก

7. การตรวจสอบคุณภาพก่อนการประกอบ

หลังจากสั่งซื้อจัดหาวัสดุอุปกรณ์มาแล้ว จะต้องมีการตรวจสอบคุณภาพชิ้นส่วนก่อนการใช้งาน โดยอาศัยเทคนิคการตรวจสอบตามความสำคัญของชิ้นส่วน เช่น ชิ้นส่วนที่จะส่งผลโดยตรงต่อภารกิจ อาจจะต้องทำการทดสอบแบบแตกหัก เพื่อยืนยันคุณสมบัติของวัสดุ เป็นต้น ทั้งนี้มีเทคนิคการตรวจสอบชิ้นงานเบื้องต้นดังนี้
• การตรวจเอกสารจากผู้ผลิตภายนอก From supplier
• เอกสารการตรวจคุณภาพชิ้นงาน ออกโดยผู้ผลิตภายนอก Inspection report
• เอกสารยืนยันการผลิตตามคำสั่งซื้อ เช่น ใบรับรองเกรดวัสดุ เทคนิคการขึ้นรูป การประกอบชิ้นงาน เป็นต้น Product conformance report
• เอกสารชี้แจงส่วนเบี่ยงเบน เช่นการแก้ไขรูเจาะชิ้นงาน เป็นต้น Discrepancy report
• การตรวจภายในโดยวิศวกรของบริษัท
• ตรวจชิ้นงานจริง โดยวัดเทียบแบบพิมพ์เขียว Inspect to drawing
• อาจใช้เครื่องมือเฉพาะ ช่วยในการวัด เช่น เกจวัดขนาดรูต๊าปเกลียว May require specific inspection tools
• อาศัยการวัดเฉพาะจุดที่สำคัญ เพื่อประหยัดเวลา No need to inspect every dimension
• ในบางกรณี อาศัยการตรวจโดยการติดตั้งหน้างานจริง Fit-check method applies

**รูปที่ 12** ขั้นตอนการตรวจวัดคุณภาพชิ้นงาน

9. การทดสอบคุณสมบัติเชิงกลของดาวเทียม

หลังจากการประกอบดาวเทียมเสร็จสิ้น เจ้าของอุปกรณ์ต่างๆ จะทำการทดสอบการทำงานของอุปกรณ์ ว่าสามารถทำงานร่วมกับอุปกรณ์อื่นได้หรือไม่ จากนั้นเมื่อมั่นใจว่าดาวเทียมสามารถทำงานได้ทั้งระบบ จะนำดาวเทียมไปทดสอบระดับ Spacecraft Environment Test ซึ่งประกอบไปด้วย
● ทดสอบอุณหภูมิร้อนเย็น ในสภาวะบรรยากาศปกติ Thermal Cycling
● ทดสอบอุณหภูมิร้อนเย็น ในสภาวะสุญญากาศ Thermal Vacuum Chamber Testing
● ทดสอบแรงสั่นสะเทือน Vibration Testing
● ทดสอบคุณสมบัติเชิงมวล Mass Properties Testing
● ทดสอบคุณสมบัติคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า Electromagnetic Compatibility Test
โดยวิศวกรโครงสร้างดาวเทียมจะรับผิดชอบการทดสอบแรงสั่นสะเทือน และการทดสอบคุณสมบัติเชิงมวล

**รูปที่ 13** การทดสอบแรงสั่นสะเทือน Credit:NASA

ประกาศรับสมัครด่วน!!!