Uzayda hareket: Yörüngeler ve itki sistemleri

Günlük hayatımızda hareketlerimize yön veren, kelimenin tam anlamıyla bizi Dünya’ya bağlayan kuvvet, yer çekimidir.

Yer çekimi ya da genel adıyla kütle çekimi, evrendeki dört temel kuvvetten biridir. Dolayısıyla, bizim hareketlerimizi etkilediği gibi diğer gök cisimlerini ve uyduların hareketlerini de etkilemesini bekleriz. Ancak kütle çekimi bizi yeryüzünde tutarken, Dünya’nın doğal uydusu olan Ay 384.400 km uzağımızda dolanır. Yapay bir uydu olan Uluslararası Uzay İstasyonu, Ay’dan dokuz yüz altmış kat daha yakındır ve sadece dört yüz km irtifada hareketine devam eder. Peki ya yeryüzündeki bir cismi Ay’dan ya da Uzay İstasyonu’ndan ayıran nedir?

Kısa yanıt, farklı kuvvetlerin dengesinde olmasıdır. Aslında yeryüzündeki birinin bastığı zemin yerçekimine ters yönde ve eşit büyüklükte bir kuvvet uygular, bu sayede Dünya’nın merkezine doğru yolculuk etmesine engel olur. Dolayısıyla, uzaydaki bir cismin farklı bir kuvvetle yer çekimini veya merkezcil kuvveti dengelemesi gerekir. Merkezcil kuvveti dengeleyen olgu ise bu cismin Dünya etrafında belirli bir hızla dönmesidir. Buradan da anlaşılacağı gibi bir uzay aracının Dünya'ya düşmeden kapalı bir yörüngede hareket edebilmesi için bulunduğu yörüngenin yüksekliğine bağlı olarak belirlenen bir hızla Dünya etrafında dönmesi gerekmektedir.

YÖRÜNGEDE HAREKET

Gök cisimlerinin ya da uyduların bu dönüşleri sırasında izledikleri güzergâh ise yörünge olarak isimlendirilir. Güneş’in etrafındaki Jüpiter ile Dünya etrafında ilerleyen 1 kg’lık küp uydu da aynı evrensel kanunlara uygun biçimde yörüngelerinde hareket eder.

Yörüngelerin genel özelliklerini anlayabilmek için 17. yüzyılda yaşamış Johannes Kepler’in gezegenler üzerinde yaptığı gözlemlerden edindiği çıkarımlara göz atalım. (Şekil 1)

“Gezegenler bir düzlem içinde hareket eder. Yörüngeleri ise odaklarından birinde Güneş’in yer aldığı elipslerdir.”

Başka bir deyişle, gezegenler düzgün bir elips çizer. Daire de asal ve yedek eksenleri eşit olan bir elipstir.

Yukarıdaki alanların aynı sürede taranabilmesi için gezegenin Güneş’e yakın olduğunda hızlanması, uzaklaştıkça yavaşlaması gerekir. Kütle çekimi mesafe azaldıkça artar, buna karşı koyabilmek için de gezegen daha hızlı dönerek merkezkaç kuvvetini artırır. Basitçe bir ifade ile gezegen Güneş’e ne kadar yakınsa o kadar hızlıdır.

“Gezegenlerin yörünge periyotlarının kareleri ile Güneş’e olan ortalama uzaklıklarının küplerinin oranı sabittir.”

Yörünge periyodu, gezegenin yörüngesindeki bir turunu ne kadar sürede tamamladığını ifade eder. Diğer bir deyişle, gezegenimiz Güneş’e ne kadar uzaksa bir turunu tamamlaması o kadar uzun sürer. Güneş’e en yakın gezegen olan Merkür’ün periyodu sadece seksen sekiz Dünya günü sürerken, dış gezegenlerden olan Uranüs için bu süre seksen dört Dünya yılıdır.

YÖRÜNGE TÜRLERİ

Elimizdeki bu bilgileri kullanarak, uydumuza görev gereksinimlerine uygun bir yörünge seçmek istediğimizde üç temel parametrenin üzerinden geçmeliyiz.

• Yörüngenin irtifası (yerden yüksekliği)

• Yörünge düzlemi

• Yörünge eliptikliği

YÖRÜNGENİN İRTİFASI

İrtifaya göre uydular 3 sınıf altında değerlendirilirler, LEO (Low Earth Orbit), MEO (Medium Earth Orbit), GSO (Geosyncronous Orbit). Uydunun yerden yüksekliği ne kadar fazla ise kapsayabileceği alan da o kadar fazladır. Aynı sensörün farklı irtifalarda kapsama alanlarının nasıl değiştiği Şekil 5’te görülebilir. Ancak yeryüzü ile aradaki mesafe arttığından, uyduda kullanılacak haberleşme ve optik sistemlerin uygun bir biçimde seçilmesi önemlidir.

LEO (Low Earth Orbit): Türkçe’ye yer yakın yörünge olarak çevrilebilen bu yörünge türünde uydular yerden 160 km ile 2.000 km arasındaki bir irtifadadır. Yere en yakın yörünge türü bu olduğundan uydular çok hızlı hareket eder. 500 km irtifaya sahip bir LEO uydunun periyodu yaklaşık bir buçuk saattir ve yaklaşık 6.8 km/sn’lik bir hızla hareket eder.

GSO (Geosyncronous Orbit): Yersenkron yörünge (GSO) türünün en önemli özelliği yerden 35.786 km yükseklikte olduğu için periyodunun bir güne eşit olmasıdır. Başka bir deyişle bir turunu Dünya’nın kendi etrafındaki turuyla aynı anda tamamlar.

MEO (Medium Earth Orbit): MEO yörüngesi ise LEO ve GSO arasında kalır. GPS, GLONASS ve Galileo gibi navigasyon sistemleri MEO yörüngelerdedir. Van Allen Kuşağı olarak adlandırılan Güneş’ten gelen yüksek enerjili parçacıkların yoğunlaştığı bölgeler de MEO’nun sınırlarındadır. Bu parçacıklar uydudaki sistemleri olumsuz etkileyebileceği için, bu parametre yörünge seçiminde dikkate alınmalıdır.

YÖRÜNGE DÜZLEMI

Yörünge düzleminin Ekvator düzlemiyle yaptığı açı eksen eğikliği olarak adlandırılır ve uydunun yeryüzünde hangi enlemler arasında dolaşacağını belirler. Eğer eksen eğikliği, 45° ise uydu ±45° enlemleri arasında dolaşacak, yüksek enlemlerdeki yerleşimlerin -örneğin Norveç- üzerinden geçmeyecektir. Ancak 90° eksen eğikliğine sahip bir uydu hareketi boyunca tüm enlemleri dolaşabilecektir.

Eğiklik değeri 0° ise daima Ekvator etrafında dolaşacaktır. Eğer Dünya ile aynı hızla dönerse, yeryüzündeki biri için uydu daima sabit görünür. Bu yörünge yersabit (GEO-Geostationary Orbit) olarak adlandırılır ve 35.786 km irtifadaki yersenkron yörüngenin özel bir türüdür. Yersenkron yörünge herhangi bir eksen eğikliğinde olabilir ve eğikliğine uygun enlemlerde düzgün bir “8” çizerek hareket ederken, yersabit yörünge hep aynı nokta üzerindedir.

Yersabit yörüngeler, hareketsiz olduğundan tek bir uydu ile kapsama alanına kesintisiz hizmet sağlayabilir. Bu avantajından dolayı televizyon yayını yapan uydular GEO yörüngededir.

Ayrıca teoride 3 adet GEO uydu ile tüm Dünya kapsanabilir. Ancak Şekil 7’de de görülebileceği üzere, kutuplara yakın olan yüksek enlemdeki bölgeler tam olarak kapsanamaz. Bu bölgeler için farklı çözümler gerekir.

YÖRÜNGENIN ELİPTİKLİĞİ

Yüksek enlemleri kapsayabilmek için, bu bölgelerin üzerinden geçecek bir yörünge tasarlayabiliriz. Yörünge ile Ekvator düzlemi arasındaki açıyla uydunun üzerinden geçtiği en yüksek enlem aynıydı. Dolayısıyla uygun bir eksen eğikliği verilmiş yörünge ile bu sorun çözülmelidir. Hedefimiz Kuzey Yarımküre’nin yüksek enlemleri olsun. Şekil 8’de görülen düzgün 8, dairesel bir yersenkron yörüngenin yer izidir.

Ancak bu yörüngede Ekvator 8’in tam ortasından geçerek yörüngeyi ikiye böler, başka bir deyişle uydu turunun yarısını Güney Yarımküre üzerinde dolaşarak harcar. Ancak uydu Kuzey Yarımküre üzerinde yavaşlayıp, Güney Yarımküre’de hızlanırsa çözüme yaklaşılabilir. Uydunun hızlanması için yere yakın, yavaşlaması için de uzak olması gerekiyor. Bu da yörüngenin artık daire değil elips olması demektir.

Şekil 9’da sarı yörünge dairesel iken pembe yörünge eliptiktir. Pembe yörünge artık Kuzey Yarımküre’de on yedi saatini geçirirken, yüksek enlemlerde (Şekil 8’de orantısız 8’in üst kısmı) yaklaşık yedi saat bulunmaktadır. Bu yörünge türü özeldir, Tundra yörüngesi olarak anılır. Ayrıca, Tundra’ya ek olarak periyodu yarısı olan benzer özelliklerde Molniya adında bir yörünge türü de mevcuttur. Böylesi yörüngeler, Eliptikliği Yüksek Yörüngeler (HEO-Highly Eliptical Orbits) olarak isimlendirilir ve yüksek enlemlerdeki ülkeler tarafından kullanılır. Bununla beraber, uydunun görünür olmadığı bir zaman aralığı her halükârda olduğundan, tek uydu ile sürekli kapsama yüksek enlemler için mümkün değildir.

YÖRÜNGEYE ULAŞMAK VE ONU KORUMAK

Bir uyduyu hedef yörüngeye yerleştirebilmek için hem ilgili irtifaya çıkarmak hem de sahip olması gereken dönüş hızını sağlayabilmek gerekir. Bunu yaparken de yer çekimi kuvvetini ve atmosferden kaynaklanan kayıpları yenmelidir. Uydu hızı gerekenden farklı bir değerde olursa farklı yörüngeler elde edilir.

Eğer fırlatma hızı düşükse, özellikle de Dünya’dan kaçış hızı olan 11.2 km/sn’nin altında ise, Şekil 10’daki 1 numaralı yörüngealtı (suborbital) uçuşunu gerçekleştirir ve yörüngeye ulaşamaz. Hız yeterli ise hedefimiz olan 2 numaralı dairesel yörüngeye oturur. Ama hız gerekenden daha yüksek ise 3 numaradaki gibi bir eliptik yörünge oluşur. Hız daha da artırılırsa parabolik (4) ve hiperbolik (5) yörüngeler elde edilir. Ancak bunlar açık yörüngelerdir, yani uydu uzay sonsuzluğuna doğru ilerler.

İtki

Yörüngeye ulaşabilmek için gereken bu hızlanma itki ile sağlanır. İtki, sistemden hızla fırlatılan kütle sonucunda sistemin ters yönde ivmelenmesinden ibarettir. Yüksek miktarda kütle, kısa sürede ve yüksek hızda fırlatılabilirse, yüksek itkiye ulaşılabilir.

Uyduları yörüngeye çıkarmanın yanı sıra uydu fırlatıldıktan sonra da itki sistemlerine ihtiyaç duyabilir. Genel olarak üç temel sebep ile uydularda itki sistemlerine yer verilir:

Yörünge Manevrası: Yörüngenin yükseltilmesi, alçaltılması ya da düzleminin değiştirilmesi için gerçekleştirilen işlem manevra olarak anılır. Özellikle GEO uyduların ulaşması gereken irtifa çok yüksektir ve fırlatıcılar uyduları uygun bir transfer yörüngesine (GTO-Geostationary Transfer Orbit) bırakır. Sonraki aşamada ise uydu üzerindeki itki sistemiyle uygun manevralar gerçekleştirilerek hedef yörüngesine ulaştırılır.

Genel hatlarıyla bir yörünge manevrasını Şekil 11’de görebilirsiniz. Aynı düzlemdeki iki yörünge arasında geçiş için Hohman Transfer Yörüngesi’nin kullanımı verilmektedir. Bu işlemde itki kullanılarak iki defa hız değişimi yapılır (Δv1, Δv2).

• Uydu Yörüngesinin Korunması: Uydu uzayda yörüngesini bozacak pek çok etkiye maruz kalır. Dünya’nın kütlesinin homojen dağılmayışı, atmosferden kaynaklanan sürüklenme, manyetik bozuntular, uzaydan özellikle de Güneş’ten gelen ışımalar ilk akla gelenlerdir. Bu etkiler yüzünden uyduların yörüngesi ya da takım uydular arasında uyum bozulabilir. Bu bozulmaları belli bir seviyede tutmak ve düzeltmek için itki sistemleri kullanılır.

• Uydu Yöneliminin Kontrolü: Uyduların uzayda istenen yöne bakmasını yönelimini kontrol ederek sağlarız. Yönelim kontrolü, diğer yöntemlerin yanı sıra birbirine dik 3 ekseninin her birinde iki tane olacak şekilde altı adet küçük itki sistemiyle sağlanabilir.

İtki Sistemleri

Farklı itki ihtiyaçlarını karşılamak için farklı sistemler mevcuttur. Bir uydu görevi için uygun itki sistemi seçilirken çeşitli parametreler göz önüne alınır. Bunlardan ikisi sistemin üretebildiği itki ve itki yönteminin verimliğinin göstergesi olan özgül itki (specific impulse) değerleridir.

Aşağıdaki tabloda, küçük uydular için kullanılan itki sistemleri bu iki ölçüte dayanarak kıyaslanmıştır. İtki sistemlerini daha rahat inceleyebilmek adına yakıtları kullanım yöntemlerine göre üç temel gruba ayırılmıştır: Kimyasal İtki, Soğuk Gaz İtkisi, Elektrik İtkisi.

Kimyasal İtki (Chemical Propulsion): Kimyasal yakıtlar yakılarak yüksek hızlarda ve kısa sürede büyük miktarlarda kütle çıkışı sağlanır. Böylelikle diğer itki sistemlerinden çok daha yüksek itki sağlandığından, uydu fırlatma sistemi olarak günümüzde kullanılan roketler kimyasal itki ile çalışır. Kimyasal itki kendi içinde, tek yakıtlı (monopropellant), çift yakıtlı (bipropellant), katı yakıtlı (solid), hibrit (katı ve sıvı yakıtlı) olarak üç temel gruba ayrılır.

Soğuk/Sıcak Gaz İtkisi (Cold/Warm Gas Propulsion): Soğuk Gaz, en basit itki sistemlerinden biridir. Basınçlandırılmış gaz itki sisteminin arkasından bırakılarak itki elde edilir. Yönelim kontrolü ve yörünge manevraları için kullanılır. Sıcak gaz itkisinde ise fark yakıtın ısıtılmasıdır, ancak yanma gerçekleşmez.

Elektrik İtki (Electrical Propulsion): Bu itki türünde kütleyi ivmelendirmek içi kullanılan yöntem elektrik olduğundan bu ad ile anılır. İtki üretmek için üç farklı yöntem kullanıldığından üç grup altında incelenebilir. Elektrotermal, elektrostatik ve elektromanyetik. Bu gruplardan elektrostatik ve elektromanyetik olanlar Plazma İtkisi olarak da anılır. Günümüzde özellikle de GEO yörüngedeki uydularda kullanılmaya başlanan Hall Etkili İtki Sistemleri (Hall Effect Thruster) de birer plazma itki sistemidir.

Plazma İtkisi (Plasma Propulsion): Bu sistemde gaz halindeki yakıt, düşük sıcaklıklardaki plazmaya dönüştürülür. Ardından bu plazmadaki yüklü parçacıklara elektriksel kuvvet uygulanarak itki üretilir. Yakıt çok verimli kullanılır ve yüksek itki hızı sağlayabilir. Ancak, sistemden atılan kütle miktarı küçük olduğundan, üretilen kuvvet kimyasal itkiye kıyasla düşüktür. Bu sebeple, kısa sürede yüksek itki kuvveti gerektiren fırlatma aşamasında kullanılmaz.

Buna karşın yakıt verimliliği yüksek olan bu sistemler ile eşit miktardaki yakıttan daha fazla itki sağlanabilir. Böylelikle, yörüngede düzeltme ve manevra ihtiyacı olan GEO uyduların görev süresi uzarken, gezegenler arası yolculuk yapan uzay araçları da hedefine ulaşabilir. Bununla beraber, düşük itki nedeniyle plazma sistemlerinin manevraları daha uzun sürer. Transfer yörüngesine (GTO) bırakılan bir uydu GEO yörüngesine ulaşmak için plazma itki sistemi kullanırsa yaklaşık altı ay içinde hedefine varır. Dolayısıyla, plazma itki sistemini kullanırken bekleme süresi göze alınmalıdır.