Yakın uzay platformları ve uygulamaları

Yirminci yüzyılın ortalarından itibaren uydular ve diğer uzay araçlarıyla Dünya’nın atmosferiyle uzay arasındaki sınır olarak kabul edilen 100 km’deki Karman Hattı’nı aşan insanoğlu, uzay sistemlerinden haberleşme, keşif-gözetleme-istihbarat ve navigasyon gibi faklı alanlarda faydalanmaktadır. Giderek gelişen teknoloji sayesinde görüntü çözünürlüğü ya da haberleşme hizmeti kalitesi ve hızı gibi hususlarda büyük ilerlemeler kaydedilmiştir.

Tıpkı uydularda olduğu gibi, farklı irtifalarda görev yapan ve farklı görev yükleri taşıyan insansız hava aracı (İHA) sistemlerinde de büyük gelişmeler sağlanmıştır. Özellikle 2000’li yılların başından itibaren hem dünyada hem de ülkemizde İHA sistemleri uydulara benzer şekilde haberleşme ve yer gözlem görev yükleri ile operasyonel olarak kullanılmaktadır.

Uzay sistemleri ve insansız hava araçları; görev bölgeleri, süreleri ve görev yükü kapasitelerine göre oldukça farklı şartlarda çalışmaktadır. Bu iki katman (uzay ve atmosferin alt kısımları) arasında yer alan “Yakın Uzay”, Dünya’nın atmosferinde deniz seviyesinden itibaren 20 km ila 100 km arasında kalan kısım olarak tanımlanmaktadır.

Yakın Uzay Ortamı

Dünya’nın atmosferi sıcaklık, yoğunluk, basınç, rüzgâr hızları ve güneş etkilerinin büyük değişimler gösterdiği çok dinamik bir ortamdır. Hava gemilerinin ve diğer yakın uzay platformlarının çalışacağı bu ortamın performans, tasarım ve sistemin yetkinlikleri üzerinde büyük bir etkisi vardır.

Örneğin yakın uzayın başlangıcı olarak kabul edilen ve birçok yakın uzay platformunun çalışma irtifası olarak hedeflenen 20 km yükseklikte atmosfer yoğunluğu deniz seviyesindeki yoğunluğun %7’si kadarken bu değer 36,6 km’de %0,5’e, 100 km’de ise %0,001’e düşer (Tomme ve Phil, 2005). Bu durum platformların boyutlarının (hacim ya da kanat açıklığı) büyümesine, manevra için rüzgârdan ivmelenmelerinin deniz seviyesindeki bir nesneye göre 10 ila 200 kat daha yavaş gerçekleşmesine neden olur. Deniz seviyesinden itibaren 11 km ile 20 km arasında neredeyse sabit bir şekilde -57°C’de sabit kalan sıcaklık 36,6 km’de -23°C’ye ulaşır. Bu sıcaklıklar yakın uzay platformları üzerindeki operasyonel ekipmanların ve görev yüklerinin tasarımlarında göz önünde bulundurulur. Bunun dışında yakın uzayın başlangıcı kabul edilen 20 km’de ozon konsantrasyonu azami değere ulaştığından ekipmanlar üzerinde olumsuz bir etki yaparken, alçak dünya yörüngesi gibi daha yüksek irtifalarda etkili olan, elektronik birimler üzerinde bozulmalara yol açan ve yüklü parçacıklardan oluşan uzay havası, yakın uzay platformlarını iyonosferin altında olduklarından önemli ölçüde etkilemez. Yakın uzayın çevresel özelliklerini oluşturan tüm bu faktörler, platformların yapısal ve işlevsel özellikleri üzerinde etkilidir.

Yakın Uzayda Çalışan Platform Türleri ve Görev Yükleri

Bu çevresel koşullar altında görev yapan yakın uzay platformları hava gemisi formunda ya da sabit kanatlı olabilir. Doğrudan sıcak hava balonuna benzer birimler tarafından taşınan görev yükü ve kontrol ekipmanlarına örnek olabilecek tasarımlar da görülebilmektedir.

Bu tarz platformlar üzerinde uydular ve daha alçak irtifalarda görev yapan insansız hava araçlarının taşıdığı görev yükleri kullanılabilir. Keşif, gözetleme ve istihbarat amaçlı elektro-optik ya da Sentetik Açıklıklı Radar (SAR) görüntüleme alt sistemleri ya da sinyal istihbaratı ve haberleşme amaçlı faydalı yükler gibi ekipmanların bu platformlar üzerinde operasyonel olarak kullanılabileceği öngörülmektedir. Geçtiğimiz aylarda haberlere konu olan, ABD tarafından imha edildiği duyurulan ve Çin menşeli olduğu iddia edilen balonun bu platformlar ve taşıyabildikleri görev yüklerine ilişkin dikkat çeken bir örnek oluşturduğunu söyleyebiliriz (URL 1, 2023).

Yakın uzay platformları, benzer görev yükleri taşıyan uydular ve daha alçak irtifalarda görev yapan insansız hava araçlarına göre bazı önemli avantajlar vadetmekte ve belli zorluklar taşımaktadır. Örneğin tek bir yer gözlem uydusuyla Dünya üzerindeki belirli bir yerin görüntüsünü günde birkaç kez alabilmek mümkün iken, bulunduğu yerde hemen hemen sabit kalabilen bir yakın uzay platformu ile aynı bölgenin sürekli izlenmesi mümkündür. Uydulara göre daha alçak irtifada görev yaptığından daha küçük, daha az gelişmiş ve daha ucuz görev yükleriyle daha yüksek çözünürlüklü görüntüler elde edilebilir ya da daha kaliteli haberleşme sağlanabilir. Oldukça yüksek maliyetli ve gelişmiş teknoloji gerektiren fırlatma sistemleri uydu geliştiren ülkeleri dünyada belli ülkelerin sahip olduğu fırlatma araçlarına mecbur bırakırken, yakın uzay sistemleri bu tür fırlatma araçlarına ihtiyaç duymaz. Daha alçak irtifada görev yapan insansız hava araçlarının havada kalma süreleri ve dolayısıyla menzilleri sınırlı iken,  güneş enerjisi ile çalışan yakın uzay platformları oldukça uzun süre havada kalabilir. Örneğin Stratobus gibi hava gemilerinin yılda bir kez bakım amaçlı yere indirilmesi dışında sürekli operasyonel kalması planlanmaktadır. Yakın uzay platformlarının bir diğer avantajı da, bulundukları irtifa sebebiyle hedef alınarak imha edilmeleri için nispeten düşük irtifalarda görev yapan platformlara göre daha pahalı ve gelişmiş mühimmatlar gerektirmeleri sebebiyle askeri saldırılara karşı daha dayanıklı olmalarıdır.

Yakın uzayın getirdiği avantajların yanında henüz operasyonel olarak yaygın bir şekilde kullanılamamalarına sebep olan zorluklar da mevcuttur. Görev yapacakları bölgenin özel şartları için tasarlanan yakın uzay platformları, bu bölgeye ulaşana kadar atmosferin daha alt bölgelerindeki hava şartlarına dayanmalıdır. Bunun için hafif ve dayanıklı malzemeler üretilebilmeli, atmosfer şartlarının çok iyi modellenmesi sağlanmalıdır.

Yaygın kullanımı etkileyen bir diğer faktör de, yakın uzay ortamı için uluslararası hukukta yer alan boşluktur (Connolly, 2023). Yakın Uzay yeni bir yasal alan olduğundan ulusların egemenlik iddia ettiği hava kanunlarına mı, uluslara üst geçiş hakkı tanıyan uzay kanunlarına mı dâhil edileceği netleştirilmemiştir. Bu belirsizlik sebebiyle önemli hukuksal tartışmalar devam etmektedir. Mevcut durum göz önüne alındığında, stratosferin alt kısımlarında çalışacak yakın uzay araçlarının uzay sınırı olarak kabul edilen Karman Hattı’nın oldukça altında görev yapacağından uyduların sağladığı “overflight” (üst geçiş) hakkı gibi imkânları sağlayamayacağı değerlendirilmektedir.

Yakın Uzay Projelerine Örnekler

Doksanlı yıllarda ABD’de başlatılan HELIOS ve HiSentinel projeleri ve devamında 2000li yıllarda High Altitude Airship (HAA) programı, Japonya’nın Stratosferik Platformu ya da Güney Kore Havacılık ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü KARI’nin insansız hava gemisi VIA 50, aşılması gereken teknik zorluklar sebebiyle başarılı olamayan yakın uzay plarformu projelerine örnek gösterilebilir. Zaman içerisindeki gelişimi açık kaynaklardan belirli ölçüde takip edilebilir olması sebebiyle, günümüzde devam eden projelere örnek olarak daha önce de bahsettiğimiz Fransız Thales Alenia Space firmasının Stratobus adlı hava gemisi projesi ve Airbus’ın Zephyr adlı sabit kanatlı insansız hava aracı öne çıkmaktadır.

18 ila 20 km irtifada görev yapması öngörülen Stratobus, 140 m uzunluğunda Helyum doldurulmuş bir hava gemisidir (Görsel 2). Üzerine yerleştirilmiş 1000 m2’lik güneş hücreleriyle 250 kg ağırlığındaki bir görev yüküne 5 kW güç sağlaması planlanmaktadır. 2023 yılı Mart ayında Thales Alenia Space tarafından yapılan basın açıklamasına göre Proje, Avrupa Savunma Fonu’ndan Ar-Ge projeleri için yapılan bir çağrı için Avrupa Komisyonu tarafından seçilen EuroHAPS (High-Altitude Platform Systems - Yüksek İrtifa Platform Sistemleri) ile oluşturulan ortak girişim kapsamına dâhil edilmiştir (URL 2, 2023).

Zephyr ise Airbus bünyesinde AALTO tarafından geliştirilmeye devam eden, 25 m kanat açıklığına sahip ve sadece 75 kg ağırlığında sabit kanatlı yüksek irtifa platformudur (Görsel 3).  Zephyr 8 versiyonu 2022 yılında 64 gün stratosfer uçuşu gerçekleştirerek yeni bir rekora ulaşmıştır. İngiliz Savunma Bakanlığı’nın 2016 yılında üçüncü Zephyr için sipariş verdiği duyurulmuştur (URL 3, 2016).

Sonuç

Uydular ve daha alçak irtifalarda görev yapan insansız hava araçlarına göre operasyonel olarak tercih edilmeleri için dikkat çeken özellikleri olan yakın uzay platformları, bunların yerine değil fakat bunlar tamamlayacak şekilde kullanılmak üzere önemli bir potansiyel taşımaktadır. Oluşmaya başlayan pazarda geleceğin harekat ortamındaki kritik boşlukları dolduracak bu stratejik sistemlerle yer almak ülkemiz için de faydalı olacaktır. Bu kapsamda hafif ve dayanıklı platform yapısalları ve malzemeler, düşük ağırlıklı ve verimli güneş panelleri, ısıl yönetim alt sistemleri, alçak irtifada operasyon sırasında kullanılacak kontrol algoritmaları ve bunlara girdi olacak atmosfer modeli  değişkenleri gibi birçok alanda çalışmalar yapılması gerektiği değerlendirilmektedir.