#เกร็ดความรู้จากวิศวกรดาวเทียม ….THEOS-2 SmallSAT

ก่อนอื่นเราต้องรู้จักก่อนว่าระบบควบคุมความร้อนบนดาวเทียม (Thermal control system) คืออะไร?

    ดาวเทียมนั้นโคจรอยู่รอบโลกไกลออกไปหลายร้อยกิโลเมตรในชั้นอวกาศ ดาวเทียมจะต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่โหดร้ายในชั้นอวกาศและมีความแตกต่างของอุณหภูมิเป็นอย่างมาก สำหรับดาวเทียมวงโคจรต่ำ (Low Earth Orbit) ที่มีความสูงจากพื้นโลกไม่เกิน 2,000 กม. จะต้องเจอกับอุณหภูมิระหว่าง -170 °C ถึง 123 °C  ส่วนในวงโคจรอื่นที่ไกลออกไป อาจจะมีอุณหภูมิ -250 °C ถึง 300 °C อุณหภูมิที่สูงมากเหล่านี้ส่งผลให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในดาวเทียมเกิดความเสียหาย เนื่องจากโดยทั่วไปอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะได้รับการออกแบบให้ทำงานได้ภายใต้ช่วงอุณหภูมิที่กำหนด (Temperature limit) ที่จะถูกกำหนดมาจากบริษัทผู้ผลิต เพื่อให้อุปกรณ์สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ความร้อนที่สูงขึ้นอาจจะทำให้วัสดุอื่นๆ เช่น อลูมิเนียม และเลนส์เกิดการขยายตัว ส่งผลให้คุณสมบัติของอุปกรณ์เหล่านี้ลดลง และอาจเกิดความเสียหายได้ในที่สุด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิในดาวเทียมให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากความร้อน

ข้อจำกัดทางด้านอุณหภูมิของอุปกรณ์ในดาวเทียมจึงเป็นปัจจัยหลักในการออกแบบระบบควบคุมความร้อน เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์ทั้งหมดจะสามารถทำงานได้ตลอดช่วงเวลาที่ปฏิบัติภารกิจ ตัวอย่างของช่วงอุณหภูมิของอุปกรณ์บนดาวเทียม ได้แก่

• แบตเตอรี่ โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0 ถึง 30˚C
• กล้อง โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง -20 ถึง 50˚C
• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง -20 ถึง 50˚C
• ระบบขับเคลื่อน โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง  5 ถึง 40˚C (ขึ้นอยู่กับชนิดของเชื้อเพลิง)
• แผงโซลาร์เซลล์ โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง   -60 ถึง 100˚C

วงโคจรทั่วไปของดาวเทียมสามารถแบ่งออกเป็นสองช่วง 1.Sun light phase และ 2.Eclipse phase แสงที่ส่องมาจากดวงอาทิตย์ในช่วง Sun light phase จะทำให้อุณหภูมิของดาวเทียมสูงขึ้นสูงสุด และดาวเทียมจะมีอุณหภูมิต่ำสุดในช่วง Eclipse phase

   เพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิในดาวเทียมสูงเกินกว่าอุณหภูมิที่กำหนดในช่วง Sun light phase ดาวเทียมจะต้องกระจายความร้อนไปตามโครงสร้างภายในที่ทำมาจากวัสดุอลูมิเนียม และโครงสร้างภายนอกที่มีการเคลือบผิวด้วยวัสดุที่กำหนดคุณสมบัติเฉพาะของพื้นผิว (specific surface property) เอาไว้แล้ว โดยพิจารณาจากค่าการดูดซับและการแผ่รังสี (Absorptivity and Emissivity) เช่น การทาสีหรือการติดเทปกันความร้อน (Thermal tape) เพื่อช่วยลดอุณหภูมิภายในดาวเทียม รวมทั้งการใช้ผ้าห่มฉนวนหลายชั้น (Multi-layer Insulation Blanket) เพื่อลดการแลกเปลี่ยนอุณหภูมิภายในของดาวเทียมกับชั้นอวกาศ เทคนิคเหล่านี้ล้วนแต่เป็นระบบควบคุมความร้อนแบบ Passive เป็นระบบที่ง่าย มีต้นทุนต่ำ ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงาน และมีความน่าเชื่อถือสูง 

   แต่เมื่อดาวเทียมเข้าสู่ช่วง Eclipse phase จำเป็นต้องใช้ฮีตเตอร์ เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของดาวเทียม เรียกการทำงานนี้ว่าระบบ Active เป็นระบบที่มีความซับซ้อนสูง จำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า มีราคาที่สูง แต่สามารถกำหนดช่วงอุณหภูมิการใช้งานได้อย่างแม่นยำ เช่น ฮีทเตอร์ (Heater), ท่อความร้อน (Heat pipe)

ส่วนในดาวเทียม THEOS-2 SmallSAT ของเรานั้น ใช้ระบบควบคุมความร้อนทั้งแบบ Passive และ Active ซึ่งวิศวกรควบคุมความร้อนจะใช้โปรแกรมคำนวณ เพื่อจำลองสภาวะแวดล้อมในอวกาศและคำนวณอุณหภูมิที่จะเกิดขึ้นในอุปกรณ์ต่างๆบนดาวเทียมขณะที่ดาวเทียมโคจรอยู่ในอวกาศที่สภาวะต่างๆ แล้วจึงทำการออกแบบตำแหน่งที่จะติดตั้งระบบควบคุมความร้อน รวมถึงการกำหนดขนาดของพื้นที่ที่จะต้องติดตั้งเทประบายความร้อน และขนาดฮีตเตอร์ให้เหมาะสม เพื่อไม่ให้อุณหภูมิในดาวเทียมสูงหรือต่ำจนเกินไปและมั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ต่างๆในดาวเทียมจะสามารถทำงานได้จนจบภารกิจ

เรียบเรียงโดย
นางสาวชิดชนก ชัยชื่นชอบ
Thermal and Radiation Engineer โครงการTHEOS-2 SmallSAT