Uzay Çalışmalarında Temel
İlkeler
Uzay çalışmaları uzay araçlarıyla
yer atmosferinin dışından yapıldığı için uygulamada bir dizi zorluklar vardır.
Bu zorluklar belli ilkeler uygulanarak aşılır. Öncelikle uzay aracını Yer
atmosferinin dışına belli bir yüksekliğe kadar çıkarmak gerekir. Bunun için
kademeli roketler kullanılır. Kalkışta roketin uzay aracına vereceği ivme, 9.8
m/sn2 olan yer çekimi ivmesinden çok daha büyük olması gerekir.
Kademeli roketler kullanıldıkça boşalan tanklar atılır ve araç hafifler. Diğer
taraftan araç yükseldikçe yer çekimi etkisi de azaldığından ivmelenme
kolaylaşır. Aracın atmosfer dışında Yer çevresinde dolanacağı yörüngesine
oturabilmesi için en az 8 km/s hıza ulaşması, Yeri terkedip gezegenler arası
ortama çıkabilmesi için bu hızın en az 10 km/s olması gerekir. İvmelenmenin üst
sınırını uzay aracının gövdesine ve içindeki âletlere zarar vermeden
dayanabileceği hız sınırı belirler. Ayrıca insanlı uçuşlarda, insanın, araç
içindeki konumuna göre katlanabileceği ivmenin yüzeyde yer çekimi ivmesinin
8-10 katından
fazla olmaması gerektiği anlaşılmıştır.
Uzayda sadece kütle çekimi
etkisinde bulunan bir uzay aracının hareketi 17. yüzyıldan beri bilinen Kepler
ve Newton yasaları ile bellidir. Bir uzay aracını Yer yörüngesine oturtmak için
gerekli minimum hız, bu yasalara göre V2 (dairesel) = (g.R) dir.
Burada R Yer yarıçapı, g ise yüzey çekim ivmesidir. Yüzeye yatay fırlatış 7.9
km/sn lik hız ister (Ay'da 1.68 km/sn). Ancak dağlar, atmosfer, vb. nedenlerle
yatay dairesel fırlatış pratik değildir. Dolayısıyla uzay aracı önce yerden
belli bir yüksekliğe çıkartılmalıdır. O zaman dairesel yörünge hızı,
V2dairesel =
\F(g.R2,r)
olur, burada r = R + (uydunun
yerden yüksekliği) dir. Bu minimum hıza ek hızlar dairesel yörüngeyi eliptik
yörüngeye çevirir. Ek hız arttıkça yörüngenin enöte noktası uzaklaşır, sonunda
yörünge parabol olur, yani uydu Yer'den kaçar. Bu kaçma hızı için,
V2kaçma = 2.V2dairesel. Eğer
V>Vkaçma olursa yörünge hiperbol olur.
Yer'e dik olarak fırlatılan uydu
istenilen yükseklikte yörünge hızına yaklaştığında hareketi Yer yüzeyine paralel
olacak şekilde yavaş yavaş eğilir. Bu aşamada merkezkaç kuvveti yer çekimi
kuvvetine eşitlenmiş olur ve böylece araç Yer çevresinde dolanmaya başlar, 200
km yükseklikte yörünge hızı 8 km/sn komşuluğundadır. Bu yükseklikte hava
yoğunluğu çok düşük olduğu için, aerodinamik yavaşlatma (sürtünme) çok küçüktür
ve uydu uzun süre yörüngede kalabilir. Araç yörüngeye oturtulurken Yer'in dönme
hızından da yararlanılmak istenirse, aracın hareket yönü doğu olarak seçilir. Bu
durumda tıpkı hızla giden bir trenden gidiş yönünde atılan bir cismin hızının,
trenin hızı ile atış hızının toplamına eşit olduğu gibi; aracın yörünge hızı da
yerin dönme hızı (ekvatorda 0.46 km/sn) ile roket itmesinin verdiği hızın
toplamına eşit olur. Böylece Yer'in dönme hızından yararlanarak daha az enerji
harcanmış olur. Bu nedenle yapay uydu fırlatmaları hangi yükseklikten olursa
olsun doğuya doğru yapılır.
Uydunun Dünya çevresindeki yörünge
dönemi 200 km yükseklikte 90 dakikadır. Yer'den yükseklik arttıkça yörünge hızı
azalır, dönem artar. Örneğin; 1730 km de yörünge hızı 7.0 km /sn ve dönem 2
saattir. 35900 km de ise hız 3.1 km /sn ve dönem 24 saattir. Bu süre yerin dönme
süresine eşit olduğu için, yörüngesi ekvatora paralel olan böyle bir uydu
Yer'den "sabit" duruyormuş gibi gözükür. Böyle "eş dönemli" uyduların iletişimde
ve meteorolojide özel değeri vardır. Yer'in doğal uydusu Ay ise Yer'den 386000
km uzakta aşağı yukarı 1.0 km/sn hızla dolanır ve dönemi yaklaşık 28
gündür.
Tüm bu söylenenler dairesel
yörüngeler için doğrudur. En beri noktasında hızı azaltarak ya da en ötede hızı
artırarak eliptik yörüngeler dairesel yapılabilir.
Eğer uydu, kuzey ya da güney
doğrultusunda fırlatılırsa, kutupsal yörünge elde edilir. Bu durumda Yer, ekseni
çevresinde döndükçe uydu da atmosfer dışında meridyen çemberleri çizmiş
olur.
Ay'a ya da diğer gezegenlere araç
göndermek için iyi bir zamanlama, iyi bir yönlendirme ve iyi bir hız denetimi
gerekir. Çünkü Güneş sisteminin diğer üyeleri sürekli hareket hâlindedir ve
uzayda bir noktaya etkiyen toplam çekim kuvveti sürekli değişmektedir. Uçuş
yolunu, yerinde ve zamanında düzeltmek için roket gücü kullanılır. Örneğin;
Venüs çevresine bir yapay uydu yerleştirmek için, uydunun hızı Venüs'ün Güneş
çevresindeki hızına eşit hıza ulaşmalıdır. Eğer yalnız yakınından geçecekse tam
eşitlik gerekmez. En az enerji gerektiren uçuş yoluna, "geçiş yörüngesi" denir
ve gezegenlerin değişen konumları göz önüne alınarak hesaplanır.
Uzay araçları görevlerine göre,
yörüngede birkaç saat ya da yıllarca kalabilirler. Uzay ortamında görevlerin
yürütülebilmesi için öncelikle güç kaynağına gereksinme vardır. Bu güç
pillerden, Güneş ya da atom enerjisinden sağlanabilir.
Yer'deki izleme istasyonları ile
uydu arasındaki iletişim radyo ve TV ile yapılır. Uydunun alıcı ve verici
antenleri ile izleyici antenler biribirini tam görmelidir. Uydular sürekli
bağlantıda olmayabilirler.
Bir uydu, uzayda kendi üç
ekseninden biri ya da hepsi çevresinde dönebilir. Dönmeyi dengelemek için
çeşitli yöntemler kullanılır ve aracın her zaman aynı yönde durması,
jiroskoplarla sağlanır. Yöneltme ise, araçtaki alıcı aygıtları; Güneş, gezegen
ya da bir yıldız gibi gözlenecek cisme tam olarak doğrultmak için gereklidir.
Ayrıca Yer'e bilgi gönderirken, verici Yer'e doğru çevrilmelidir.
Uzay aracı; aşırı sıcak, soğuk,
X-ışınları,
mikrometeorlar, vb. etkilerden korunmalıdır. Aracın iç kısmı, elektrikli
aygıtların çıkardığı ısı ya da Güneş ısısı nedeniyle çok ısınabilir. Güneş
ısısını eşit dağıtmak için uydu döndürülebilir ya da yansıtıcılar
kullanılabilir. İnsanlı uzay araçlarında Yer'deki koşullara yakın bir ortam
sağlanması gerekir. Bunun için astronotlar çok özel elbiseler kullanma
durumundadırlar.
Araçtaki roketlerin ne zaman
ateşleneceği, yörüngenin ne zaman değiştirileceği, uzaktan kumanda ile Yer
istasyonundan yürütülür.Bunun için araçta güdüm donanımı bulunmalıdır. Ay'a,
gezegenlere gidişlerde ve yumuşak inişlerde güdüm donanımı oldukça
önemlidir.
Uydunun denetimi ve yönetimi ile
ilgili hesaplar uydudan alınan verilere dayanarak, izleme istasyonunda yapıldığı
gibi uydulara gittikçe daha karmaşık özel amaçlı bilgiler
konmaktadır.
Şekil 6.4: Uzay araçlarını izlemede
kullanılan bir yer istasyonu.
İnsanlı ya da insansız uzay
araçlarının geri dönmesinde, frenleme roketleri kullanılır. Saatte birkaç yüz km
lik hız azalması aracın yere doğru inmesini sağlar. Yer atmosferinin aerodinamik
frenleme etkisinden de yararlanılır. Böylece araç gittikçe artan bir eğimle yere
doğru yönelir. Ancak hava molekülleri ile sürtünmeden ileri gelen çabuk şiddetli
ısınma, eğer gerekli önlem alınmazsa, aracın akkorlaşıp yanmasına neden olur.
Özel olarak hazırlanmış plâstik koruyucu madde erir, buharlaşır ve böylece dış
gövdenin ısısını alır. Bu koruyucu altındaki yalıtkan tabaka ise aracın içini
katlanılabilir ısı düzeyinde tutar.
Başarılı dönüş için atmosfere giriş
açısı çok önemlidir. Yerin ufkuna göre bu açı 5 ile 7 derece arasında tutulur.
Atmosfere giriş hızlı olduğundan (Apollo Komuta Modülünün hızı yaklaşık 40000
km/saat idi.), açı çok düşük ise araç atmosferden sekip uzaya gider; açı çok
fazla ise yani iniş dik ise, ısı koruyucu tabakası yüksek ısıya, astronotlar ve
araç da yüksek g ye (ivmeye ) dayanamaz. ABD araçları paraşütle denize iner,
helikopter ve gemilerle kurtarılır. Bazen küçük uzay araçları uçakla havada
yakalanarak kurtarılır. Sovyet astronatları (kozmonot) paraşütle karaya
inmektedir. Ay gibi atmosfersiz cisimlere, hava frenlemesi olmadığından, yumuşak
inişler roketlerle yapılır. Yüzeye yakınlık radarla belirlenir. Venüs ve Mars
gibi atmosferli cisimlere geçmişte yumuşak inişler yapıldı, hava frenlemesinden
(ve paraşütten) yararlanıldı. Mars atmosferi ince olduğundan atmosferik frenleme
yetersiz kalmaktadır. Venüs atmosferi kalın ve yüzeyi çok sıcak olduğundan, bu
ısıya dayanıklı malzeme kullanmak gerekmektedir.
