6.2 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,

V²_dairesel = \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, V²_kaçma = 2.V²_dairesel. Eğer V>V_kaçma 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.