NARIT Tech

ระบบทดสอบแรงขับดันต่ำ 
Thruster-in-the-Loop Simulation System

การควบคุมอวกาศยานให้เคลื่อนที่และเปลี่ยนวงโคจรในอวกาศจำเป็นต้องอาศัยทั้งระบบขับดันและระบบควบคุมที่ทำงานประสานกันอย่างแม่นยำ โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมสภาวะไร้น้ำหนักของอวกาศ ต้องใช้แรงขับขนาดเล็กในการควบคุมทิศทางและการเคลื่อนที่อย่างละเอียด NARIT จึงพัฒนาระบบทดสอบแรงขับดันต่ำ (Thruster-in-the-Loop Simulation System) เพื่อทดสอบการทำงานของระบบขับดันจริงร่วมกับแบบจำลองการเคลื่อนที่ของยานอวกาศ นำข้อมูลที่ได้ไปพัฒนาและปรับปรุงระบบควบคุมให้มีความแม่นยำสูงสุดก่อนนำไปใช้งานจริง

810281383 122167444988706052 3454082915356523492 N
ความสำคัญ

ระบบนำทาง การนำร่อง และการควบคุม (Guidance, Navigation, and Control: GNC) เป็นหัวใจสำคัญที่กำหนดความแม่นยำและความสำเร็จของภารกิจอวกาศ ตั้งแต่ดาวเทียมขนาดเล็กไปจนถึงยานสำรวจอวกาศห้วงลึก ในขั้นเริ่มต้นของการพัฒนา ทีมวิศวกร NARIT เลือกใช้ “ระบบขับดันแบบแก๊สเย็น (Cold Gas Thruster)” สร้างแรงขับขนาดเล็กโดยอาศัยการปลดปล่อยแก๊สอัดความดันสูงผ่านหัวฉีดโดยไม่มีการเผาไหม้ เหมาะสำหรับการปรับทิศทาง การวางตัว และการปรับแก้ไขวงโคจรของดาวเทียมอย่างละเอียด ช่วยยกระดับประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบ GNC ในสภาวะไร้น้ำหนัก

ความท้าทายทางวิศวกรรม

แรงขับของระบบ Cold Gas Thruster มีพฤติกรรมไม่คงที่ตามเวลา (Non-stationary) จากระดับความดันในถังแก๊สที่ลดลงเรื่อยๆ รวมถึงความท้าทายในการประเมินปริมาณแก๊สที่สูญเสียไปในการเปิด-ปิดวาล์วขับดันแต่ละครั้ง (Impulse Bit) หากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ไม่สะท้อนพฤติกรรมจริงของฮาร์ดแวร์ อาจทำให้ระบบควบคุมคำนวณผิดพลาด ใช้เชื้อเพลิงเกินจำเป็น และส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพของยานอวกาศ

เทคโนโลยี Thruster-in-the-Loop Testing

เพื่อแก้ไขข้อจำกัดดังกล่าว ทีมวิศวกร NARIT พัฒนาแท่นทดสอบแรงขับดันจรวดในอวกาศด้วยเทคนิค Thruster-in-the-Loop Testing โดยเชื่อมต่อจรวดขับดันจริงเข้ากับโครงสร้างคานทดสอบที่ใช้สปริงความแข็งเกร็งคงที่ (Known Spring Stiffness) เมื่อเปิดทำงานทรัสเตอร์ เซ็นเซอร์วัดระยะความละเอียดสูงระดับ 0.1 ไมโครเมตร (0.1 µm) จะทำการตรวจจับระยะการยืดหดของสปริงเพื่อคำนวณเป็นค่าแรงขับจริง (Actual Thrust) และประเมินปริมาณการใช้แก๊สต่อการเปิด-ปิดหนึ่งครั้งอย่างแม่นยำเสมือนทดสอบอยู่ในสภาวะอวกาศจริง

การสร้างแบบจำลอง และพัฒนาตัวควบคุม

ข้อมูลแรงขับจริงและอัตราการสิ้นเปลืองที่วัดได้จากแท่นทดสอบ จะนำไปใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงมาตรฐาน (Ground Truth) เพื่อระบุพารามิเตอร์และปรับเทียบแบบจำลองพฤติกรรมของระบบขับดัน (Thruster Dynamics Model) จากนั้นบูรณาการเข้ากับเครื่องจำลองไดนามิกส์การเคลื่อนที่ของยานอวกาศ เพื่อใช้ออกแบบ ทดสอบ และประเมินประสิทธิภาพของอัลกอริทึมการควบคุมขั้นสูง เช่น PID, Sliding Mode Control และ Adaptive Control

ผลลัพธ์
  • วัดค่าแรงขับและปริมาณแก๊สจริง: ทราบค่าแรงขับแม่นยำและประเมินอัตราการสูญเสียแก๊สต่อการเปิด-ปิด 1 ครั้งได้อย่างละเอียด
  • เพิ่มความแม่นยำและเสถียรภาพ: ยกระดับประสิทธิภาพของระบบ GNC ในการควบคุมการเคลื่อนที่และการปรับวงโคจร
  • ประหยัดพลังงานและยืดอายุภารกิจ: ปรับปรุงอัลกอริทึมให้ใช้เชื้อเพลิงอย่างคุ้มค่าที่สุดก่อนส่งออกสู่อวกาศ
  • โครงสร้างยืดหยุ่น รองรับอนาคต: ฐานทดสอบถูกออกแบบให้สามารถต่อยอดและรองรับการทดสอบระบบขับดันรูปแบบอื่นๆ (เช่น Electric Thruster หรือ Chemical Thruster) ได้ในอนาคต
  • สร้างความเข้มแข็งทางเทคโนโลยี: เพิ่มขีดความสามารถของประเทศไทยในการพัฒนาและทดลองระบบอวกาศขั้นสูงด้วยตนเอง

ระบบทดสอบแรงขับดันต่ำจึงเป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการพัฒนาระบบควบคุมยานอวกาศ โดยช่วยให้สามารถทดสอบและปรับปรุงระบบจากข้อมูลการทำงานของอุปกรณ์จริง ก่อนนำไปใช้งานกับภารกิจอวกาศ ยกระดับความพร้อมด้านวิศวกรรมอวกาศและการพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศของประเทศไทย