BÖLÜM 6

UZAY ÇALIŞMALARI

Uzay çalışmaları Yer atmosferinin dışından insanlı ve insansız uzay araçlarıyla yürütülen araştırmalardır. Daha çok gelişmiş ülkelerin yürüttüğü uzay araştırmalarının genel amacı; temel bilimlerin ve teknolojinin de itici gücü ile uzayda doğal olayların ölçülmesi, bilinmeyenin araştırılması, bilginin genişletilmesi, Yer dışında insanlığa yararlı olabilecek kaynakların bulunmasıdır. Genel itici güçler arasında ulusal itibar, ulusal güvenlik, bilimsel merak sayılabilir. Özel amaçlar ise yer altı ve yer üstü kaynaklarının bulunup incelenmesi, denizlerden yararlanma, meteoroloji (hava tahminleri), iletişim (haberleşme) ve enerji gibi sorunlara yer atmosferi dışından yanıt aramaktır.

6.1 Uzay Çalışmalarının Tarihî Gelişimi

Uçma ve uzaya çıkma fikri çok eskidir. İranlıların, Hintlilerin ve Çinlilerin efsaneleri uçan adamlarla doludur. Atmosfer varlığının kanatlı uçuşlar için gerekli olduğu, atmosfer olmazsa kanatlı uçmanın mümkün olmadığı çok sonra ancak 16. yüzyılda öğrenilmiştir. Örneğin; Ay'a kadar kanat takıp uçmak öncelikle arada atmosfer olmasını gerektirir. Halbuki yer atmosferinin kalınlığı Ay uzaklığının ancak on binde birini kapsar. 17. yüzyılda Ay'a yolculuk üzerine bilim kurgu hikâyeleri yazılmaya başlanmıştır. Bunlardan bazıları roket kullanımını da öngürüyordu. Çünkü o zamanlar roket denebilecek âletler savaşlarda kullanılıyordu. İlk roket muhtemelen 13. yüzyıl başlarında Çinliler tarafından keşfedilmiştir. 1232 de Çinlilerin bir savaşta yakıtı barut olan roketler kullandığı bilinmektedir. Barut yakıtlı ilk roketlerin yapımı Avrupada da öğrenildikten sonra roketlerin askerî amaçlarla savaşlarda kullanımı yaygınlaşmıştır. Bu arada zamanla barut yakıtlı roketlerin güçleri menzilleri, ağırlıkları ve hedefe ulaşımda güvenilirlikleri oldukça geliştirildi. İkinci Dünya Harbi'ne kadar roketler sadece patlayıcı maddeleri uzak hedeflere fırlatma amacıyla kullanıldı. Ancak bu arada, roketlerin başka amaçlarla da örneğin, uzay uçuşlarında kullanılabileceği öğrenilmişti. 19. ve 20. yüzyıllarda gerçekleşen teknolojik ilerlemeler sonunda, bir çok kimse roketlerle Ay'a gidilebileceğine inanmaya başlamıştır. Rusyada N.I.Kibalchich (1853-1881) insan taşıyan roketlerin yapılabileceğini savunmuş ve 1890'da Alman H. Ganswindt (1856-1934) bu düşünceyi daha da geliştirerek roketlerle yönlendirilebilen insanlı uzay araçlarının yapılabileceğini göstermeye çalışmıştır. 1898 de Rus K.Tsiolkovsky (1857-1935) roket operasyonunun matematiksel formülleri üzerine ilk çalışmasını tamamlamış, roketlerde katı yakıt yerine sıvı yakıt kullanımının gerekliliği üzerinde durmuştur. Sıvı yakıtla daha fazla güç elde edildiğini ve bu gücün daha kolay kontrol edilebildiğini göstermiştir. Tsiolkovsky daha sonraki çalışmalarıyla çok kademeli roket kavramını geliştirmiştir. Ancak Tsiolkovsky kuramcı olduğu için düşüncelerini deneme evresine sokamamıştır. Tsiolkovsky'nin sıvı yakıtlı roket önerisini ilk kez Amerikalı bilim adamı R.H.Goddard (1882-1945) 1926'da uygulamaya sokmuştur. Diğer taraftan Almanyada H.Oberth 1917'de sıvı yakıtlı askerî amaçlı roket yapımının projelerini doktora tezi olarak tamamlamış, ancak tez uygun bulunmayarak 1922'de geri çevrilmiştir. Daha sonra Oberth'in, roketleri temel alan uzay uçuşları üzerine yazdığı bilimsel kitaplar hâlâ önemini yitirmemiştir. Oberth'in çalışmalarından esinlenerek Avrupa'da ilk sıvı yakıtlı roket denemesini 1931 de Alman J.Winkler (1897-1947) yapmıştır. 1927'de kurulan Alman Uzay Uçuşları Derneği de sıvı yakıtlı roket denemelerine başlamıştır. Bu denemeleri yapanlardan biri de o zaman çok genç olan W. Von Braun (1912-1977) dur. Almanya'da roket çalışmaları 1932'de ordu tarafından ele alınmış, 1937 'de bir deneme istasyonu kurulmuş ve sonra bu istasyonda V-2 roketleri geliştirilmiştir. Bir tonluk savaş başlığı taşıyan bu sıvı yakıtlı roketler, bugünkülerin öncüsü olarak savaşların gidişini değiştirdi ve Dünya'nın uzay çağına girişinde önemli bir rol oynadılar.

İkinci Dünya Savaşı sonunda Alman roket uzmanları, başta Von Braun olmak üzere Amerikan ordusuna teslim olup çalışmalarına Amerika'da devam ettiler. Savaştan hemen sonra Amerikan hava kuvvetleri; Atlas, Titan ve Thor gibi güçlü roketler geliştirirken Rus roket uzmanları (Örneğin; F.Tsander, S.Korolev, V.Glushko ve M.Tikhonravov) Tsiolkovsiky'nin bulgularını izleyerek kısa zamanda Atlantik'i bile geçebilecek güçte roketler geliştirdiler. 1950'de uluslararası Astronotik Federasyonu kurulmuş, yıllık toplantılarında uzay uçuşu problemleri tartışılmış, uzay uçuşu için gerekli teknolojiye ulaşıldığında önce âletli ardından insanlı uzay araçlarının Dünya yörüngesine sokulması düşünülmüş, sonraki hedefler; Ay, Venüs, Mars ve diğer yakın gezegenler olarak belirlenmiştir. Uygulamalar zengin ülkeler tarafından yapılabilmiş, l955'lerde Rusya'da ve Amerika'da uzay uçuş programları plânlanarak uygulama aşamasına girilmiştir. Ruslar ilk kıtalararası roketi 1957 Ağustos'unda fırlattılar. Rusya'da bu güçlü roketler aynı yılın 4 Ekim günü ilk yapay uydu Sputnik 1'i Dünya yörüngesine oturtmak için kullanıldı. Böylece çok kademeli roketler uzay uçuşlarında uygulamaya sokulmuş ve uzay çağı başlamıştır. Sovyetler güçlü çok kademeli roketlerine sürekli yeni kademeler ekleyerek, Vostok ve Soyuz gibi insanlı ve insansız uzay araçlarının fırlatılmasında yararlanmışlardır. Sovyetler hemen birincinin ardından 3 Kasım 1957'de Sputnik 2 yi içinde Laika adlı bir köpekle birlikte Yer yörüngesine oturturken ABD, aynı yıl Vanguard uzay aracının fırlatılmasında başarısız olmuş ve sonra 31 Ocak 1958'de ilk başarılı uzay aracını (Explorer 1) fırlatmıştır.

Amerika'da Redstone ve Uno roketlerinden sonra Von Braun ekibi, insanlı uzay uçuşları için çok kademeli Satürn roketini geliştirdiler. Apollo projesi için geliştirilen o zaman Dünya'nın en güçlü roketi Satürn V ilk kez 1967 de uygulamaya sokuldu. Sovyetler Satürn V in yarı gücünde Proton roketini geliştirmişlerdi. Proton roketi insanlı Ay yolculukları için geliştirilmiştir. 1968'de Apollo projesiyle ilk insanlı Ay yolculuğundan sonra Ruslar insanlı Ay projesini iptal edip Proton roketini insansız uzay uçuşları için kulanmışlardır. Daha sonra Ruslar, Satürn V ten çok daha güçlü dev bir roket, yaptılar. Bu roket Ay yolculuklarında ve dev bir uzay istasyonunun Dünya yörüngesine oturtulması için kullanıldı. Bu roket, 10 tonluk kütleyi Dünya yörüngesine oturtacak, 60 tonluk kütleyi Ay'a gönderebilecek güçtedir. Raporlara göre üç kademeli olan bu dev roket, 1968-1972 yıllarında kaza geçirdiği için Ruslar daha sonra Energia adlı daha güçlü yeni bir roket sistemi geliştirmişlerdir.

Şekil 6.1: Rusların 2. nesil Mir uzay istasyonu.

Roketlerdeki itici gücün kaynağı roket motorlarında oluşturulan sıcak gazın hızla dışarı atılmasından doğan tepkidir. Newton'un üçüncü yasasına göre her etkiye zıt yönlü bir tepki kuvveti oluşur. Roketlerde roket motorlarından hızla püskürülen gaz, rokete zıt yönlü bir hareket sağlar. Roketlerde bu itici gücü daha iyi anlamak için şişirilmiş bir balonu, ağzını bağlamadan havaya bırakın, balonun sönerken çıkardığı havanın itme gücüyle zıt yönde hızla hareket ettiğini göreceksiniz. Roketler sıvı veya katı bir yakıtın yanında ateşleyci olarak ayrıca oksijen taşırlar. Yakıt ve oksijen ayrı ayrı tanklarda depolanır ve pompalama sistemiyle belli oranlarda yanma odasına püskürtülür. Yanma odasında oluşturulan küçük bir kıvılcım reaksiyonu başlatır. Ortaya çıkan sıcak gaz büyük bir basınçla dışarı püskürtülerek zıt yönünde etki-tepki prensibine göre hareket sağlanır. Hareketin hızı, roketin kütlesi yanında püskürtülen gazın ilk hızına ve birim zamanda püskürtülen gazın kütlesine bağlıdır. Birim zamanda püskürtülen yakıt kütlesi arttırılarak çok büyük kütleli roketler uzaya fırlatılabilir. Ancak bu durumda, uçuş boyunca fazla yakıt gerekeceğinden, büyük kütleli roketlerin fırlatılmasında yakıt depolarının büyük olması yanında, püskürtülen gazın ilk hızı da arttıralarak daha fazla tepki kuvveti sağlanır. Roketleri jet motorlarından ayıran tek özellik, jet motorlarında oksijen tankı bulunmamasıdır. Jet motorları oksijeni atmosferden alırlar. Ancak bu nedenle jetler sadece oksijeni bol olan alt atmosfer katmanlarında uçabilirler. Roketlerse atmosferin üst katmanlarında hatta boşlukta da etki-tepki prensibine göre hareketlerini sürdürebilirler.

Şekil 6.2: ABD'de NASA'nın geliştirip kullandığı uzay mekiklerinden biri.

1980'li yıllara gelinirken hem ABD'de hem Rusya'da uzay mekigi denen ve tekrar tekrar kullanılabilen uzay araçları geliştirildi. Uzay mekikleri güçlü roketlerle uzaya fırlatılmakta, Dünya etrafındaki yakın uzayda görevlerini yaptıktan sonra tekrar kullanım için tıpkı bir uçak gibi yer yüzüne inebilmektedir. 1980'li yılların başında ABD tarafından uygulamaya sokulan uzay mekikleri birbirine bağlı üç roketle hareket ettirilmekte, yakıt olarak ayrı tanklarda sıvı hidrojen ve sıvı oksijen kullanılmaktadır. Ek olarak yanlarda iki tane katı yakıtlı roket bulunmaktadır. Mekik, Yer çekiminden yavaş yavaş kurtuldukça kademeli olarak işi biten yakıt depolarını okyanus üstlerinde boşluğa bırakmaktadır. Ayrıca, mekiklerin kendi üzerlerinde küçük yapılı manevra roketleri bulunmaktadır. Bugün için roket yakıtları büyük hacimli ve ağır kimyasal yakıtlardır. Özellikle büyük kütlelerin uzaya fırlatılmasında kullanılan roket yakıtları çok fazla olması gerektiğinden, fırlatma işi mühendislik açısından oldukça zorlaşmakta hatta tehlikeli olmaktadır. Bu bakımdan geleceğin roketleri için başka yakıt türleri düşünülmektedir. Yeni düşüncelerden birisi iyon roketi veya elektrik roketidir. Düşünceye göre ağır bir elementin, örneğin; sezyumun atomları tamamen iyonize oluncaya kadar ısıtılacak ve oluşan çok sayıda yüklü parçacık (plâzma) güçlü bir elektrik alanıyla hızlandırılıp uzaya püskürtülecek. Etki tepki prensibine göre de roket zıt yönde hızlanacaktır. Hesaplara göre iyon roketlerinde itme gücü çok fazla olmamakta ancak çok az yakıtla roket uzun süre ivmeli bir hareket yapabileceği için büyük hızlara ulaşacaktır. İyon roketlerinin ilk fırlatma sırasında yakıt kütleleri de az olduğundan bu roketlerle yer çekiminin daha kolay yenileceği sanılmaktadır. Henüz büyük iyon roketleri devreye girmemiş olmasına karşın uzayda küçük iyon roketlerinin denemeleri başarıyla yürütülmektedir.

Geleceğin roketleri için diğer bir düşünce nükleer güçten yararlanmaktır. Nükleer denizaltılarda olduğu gibi bir reaktörden alınan atomik güçle bir sıvı, örneğin; sıvı hidrojen veya su, sıcak gaz hâline dünüştürülüp uzaya püskürtülerek rokete zıt yönde hız verecektir. Daha da önemli bir düşünce yıldızların merkez bölgelerinde var olan nükleer enerji üretim mekanizmalarının roketlerde uygulanmasıdır. Bilindiği gibi yıldızların merkezlerinde dört hidrojen çekirdeği, yüksek sıcaklık ve basınç altında birleşip bir helyum çekirdeğine dönüşmekte ve çok büyük bir nükleer enerji açığa çıkmaktadır. Gök yüzünde yıldızlar çok uzak oldukları hâlde bu nükleer enerjinin çok büyük olması nedeniyle parlamaktadırlar. Gelecekte roketlerde böyle bir enerji üretim mekanizması çalıştırılabilirse, evrende en bol madde hidrojen olduğuna göre roket yıldızlararası maddeden aldığı hidrojeni enerjiye dönüştürerek yıldızlararası yolculuk yapabilecektir. Bugüne kadar roketler, insanoğlunun Ay'a gitmek gibi eski bir tutkusunu gerçekleştirmede çok önemli bir rol oynamıştır. Güneş sisteminin içinde ve bunun da ötesinde insansız uzay araştırmalarının yapılabilmesini mümkün hâle getirmiş ve uzayla ilgili bilgilerin hızla gelişmesini sağlamıştır. Yarının gelişmiş roketleriyle diğer Güneş sistemlerine ulaşma tutkusu da gerçekleşebilecektir. Bugün kademeli roketlerle gerçekleştirilen başarılı uzay uçuş projeleri, proje adlarıyla (örneğin Apollo projesi) bilinmektedir. Sovyetlerin en başarılı uzay uçuş projeleri sırasıyla; Sputnik, Vostok, Voskhod, Soyuz ve Venera projeleridir. Önemli ABD uzay uçuş projeleri ise; Vanguard, Pioneer, Mercury, Apollo, Gemini ve Voyager projeleridir. Ayrıca ilk uluslararası uçuş projesi olan Apollo-Soyuz test projesi 15-24 Temmuz 1975'te gerçekleştirilmiştir. Rusya ve ABD'den sonra gelişmiş Batı Avrupa ülkeleri, Çin, Japonya, Kanada, Hindistan, Brezilya ve Avustralya gibi birçok ülke uzay araştırmalarında önemli adımlar atmıştır. Ancak uzay araştırmaları çok pahalı bir uğraş olduğundan, Rusya ve ABD dışındaki çalışmalar insansız küçük projelerle sınırlı kalmıştır. ABD'deki uzay araştırmalarını Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi-NASA yürütmektedir. İlk 20 yılda NASA sivil ve askerî amaçlar için 90 trilyon dolar harcamıştır, yarım milyondan fazla insan çalıştırmaktadır. Rusya'da bu işi Bilimler Akademisi ve bu kuruma bağlı Kozmik Araştırmalar Enstitüsü yürütmektedir. Uzay araştırmalarında üçüncü güç 1964'te Avrupa Uzay Araştırmaları Organizasyonu-ESRO olarak kurulup 1975'te Avrupa Uzay Ajansı-ESA ya dönüşen Avrupa ortaklığıdır. Bugün ESA; Belçika, Danimarka, Fransa, Almanya, İtalya, Hollanda, İspanya, İsviçre ve İngiltere'den oluşmaktadır.

Şekil 6.3: Avrupa Uzay Ajansı (ESA) nın geliştirdiği çok kademeli roketler.