Uzay Araçlarının Hareket Formülü ve 21. Yüzyıl için Öngörülen Uzay Teknolojileri

Uzay, Dünya ve diğer gökcisimleri arasında yer alan sonsuz boşluğa verilen isimdir. Uzayın ortalama sıcaklığı yaklaşık olarak -270 derecedir. Uzay’da bizim algıladığımız gibi bir zaman kavramı yoktur. Zaman insanların algılarıyla yarattığı ve yaşamlarını kolaylaştıran bir kavramdır.

Uzayla ilgili birçok teori, araştırma ve teknolojik gelişmeye rağmen bu sonsuz boşluğun tam sınırları bilinememektedir. Uzayda milyonlarca gök cismi ve yıldız sistemi olduğu tahmin edilmektedir.

Boşlukta hareket eden cisimler Newton’un, “etki eşittir tepki” şeklinde özetlediğiniz üçüncü yasasını, hedeflenen ivmenin tersi yönde bir miktar kütle ‘fırlatarak’ kullanır. Örneğin, kütlesi m olan bir roket, yerde sabit duran birine göre v hızıyla hareket ediyor olsun. Diyelim Δt kadar süre içerisinde geriye doğru, kendisine göre u hızıyla, küçük bir miktar, Δm kadar gaz fırlattı. Gazın rokete göre fırlatılma hızını, roket motorlarının yapısı ve gücü belirler. Yerdeki kişiye göre bu hız (v-u)’dur. Roketin kütlesi Δm kadar azalacak ve momentum korunmak zorunda olduğundan, hızı da bir miktar artacak, diyelim v+Δv olacaktır. Fırlatmadan önceki toplam momentum m.v, sonraki ise (m-Δm).(v+Δv)+Δm(v-u) olduğuna göre; m.v=(m-Δm).(v+Δv)+Δm.(v-u)=m.v+m.Δv-Δm.v-Δm.Δv+Δm.v-Δm.u olması gerekir. Ki bu da, m.Δv=Δm.Δv+Δm.u eşitliğini verir. Eğer Δm çok küçükse, burada sağdaki birinci terim, ikinci terime oranla gözardı edilebilir. Yani yaklaşık olarak, m.Δv=Δm.u’dur. Eğer her iki tarafı da Δt’ye bölüp, Δt’yi sıfıra doğru, çok küçük bir diferansiyel dt’ye gönderirsek, şu tam eşitliğe doğru gideriz: (1/u)dv/dt=(1/m)dm/dt. Dikkat edilecek olursa; bu ifadede soldaki m roketin kütlesi iken; sağdaki dm, fırlatılan gazın kütlesindeki son artıştır. Dolayısıyla, roketin kütlesi dm kadar azalmıştır. Eğer sadece roketin kütlesiyle ilgili bir denklem istiyorsak, sağdaki dm yerine –dm, yani (1/u)dv/dt=-(1/m)dm/dt yazmamız gerekir.

Yani; (1/u)dv/dt = -(1/m)dm/dt

Sağ taraf m’nin doğal logaritmasının türevi olduğuna göre; ∫(-1/u)dv/dt = d(lnm)/dt.

Her iki tarafın t=0’dan t=t1’e kadar integralini alırsak; (1/u)[v(t1)-v(0)] = -lnm(t1)+lnm(0) = ln[m(0)/m(t1)].

Roketin başlangıç hızını v(0)=0 varsayar ve m(0)’ı da m0 olarak gösterirsek; v(t1) = u.ln[m0/m(t1)] olur.

Durağan halden kalkıp, sabit u hızıyla gaz fırlatarak yol alan bir roketin kütlesi sürekli azalır ve herhangi bir t1 anındaki hızı, u.ln[(m0/m(t1)]’e ulaşır.

Tabii, gazın fırlatıldığı yönü değiştirmek suretiyle, roketin ivmelenme yönünü değiştirmek mümkün.

Astronotik, uzaya fırlatılan gemilerin (uzay araçlarının) yapısını, çeşitli gayeler için donatılmasını, fırlatılmasını, uzayda takip edeceği yolu, uçuşun insan ve diğer canlılar üzerindeki tesirini inceleyen bir ilimdir. Uzay araçlarının şekilleri kullanıldıkları gayeye ve zamana göre değişiklikler göstermek üzere küre, koni, silindirik, mermi şeklinde veya örümcek gibi karmaşık olabilir.

Fırlatma üslerinden dev kademeli füzelerin uç kısmında fırlatılan bu araçlar içlerinde çeşitli cihazlar ve uzay adamları için lüzümlu techizatları ihtiva ederler. Dış kısmı ısı geçirmez bir izolasyon malzemesiyle kaplıdır. Dünyaya dönüşte atmosferle olan sürtünme dış cidarları akkor haline getirir. Bu yüksek sıcaklığın araç içindeki insanlara tesir etmemesi için izolasyon lüzumludur.

Araçtan dışarıyla irtibat özel pencere ve periskoplarla sağlanır. Atmosfere geri dönüşte frenlemeyi sağlayan füzeler ve paraşütler, kumanda cihazları, astronotların oturduğu özel koltuklar, astronotun pozisyonunu dünyaya gönderen kameralar, haberleşmeyi sağlayan radyo sistemleri vb. uzay gemilerinin diğer ana parçalarını teşkil eder. Astronotun önündeki bir harita ona yerin neresinde olduğunu gösterir. Yön verme füzelerine kumanda, hem astronot tarafından hem de yerdeki istasyon tarafından yapılabilir.

Uzay gemisini fırlatmak için yapılacak esas iş yerçekimi kuvvetini yenmektir. Bu da roket motorlarıyla çalışan dev füzelerle sağlanır (Bkz. Roket). Uzay gemisi bu motorların uç kısmına yerleştirilir. İlk ateşleme anında hız saatte 100 kilometre civarında olduğu halde, dünya etrafındaki bir yörüngeye oturtulabilmek için hızın saatte 25.000 kilometreyi aşması lazımdır. Yine dünya dışında yıldızlararası boşlukta, bir hedefe doğru yollanacak gemilerin, yerçekiminden kurtulabilmeleri için hızlarının 40.000 kilometreye ulaşması lazımdır. Araç yükseldikçe yerçekiminin tesiri azalır. Yaklaşık 100.000 km civarında yeryüzündeki çekimin yirmide birine düşer. Aracın yükseldikçe hızının artmasını sağlamak için roket motorlarının teşkil ettiği füze birkaç kademe halinde yapılır (daha çok üç kademe). Önce birinci kademe ateşlenir. Yakıt bitince bu kademe atılarak araç hafifleştirilir. Sonra sırayla diğer kademeler devreye girer.

Aracın az yakıt harcaması ve ucuz olması için istenen hıza çok çabuk ulaşması gerekir. Fakat bu hız artışı(ivme) aracın içindeki araçlara ve insanlı araçlarda astronotlara zarar vermemesi için sınırlanır. Mesela insanın dayanabileceği ivme, yerçekimi ivmesinin 5 veya 6 katıdır. Yerçekiminin yedi katı olan bir ivmede kanın özgül ağırlığı yaklaşık demirin özgül ağırlığı kadar olur. Bu da insan organizması için dayanılmaz bir şeydir. Bunun zararından korunmak için astronot koltuğa sırtüstü yerleştirilir ve özel elbiseler giydirilir. Ani ivmeler de insan fizyolojisini etkileyen önemli bir faktördür.

İnsan fizyolojisi bakımından karşılaşılan diğer bir problem beslenme ve solunumdur. Ağırlığın artmaması için götürülecek gıdalar ve ihtiyaç maddeleri hesaplanıp, özel olarak korunurlar. Solunum için lüzumlu oksijen şimdilik tüplerle sağlanmaktadır. Vücuttan atılan karbondioksitin güneş enerjisinden faydalanarak tekrar oksijen olarak kullanılır hale getirilmesi henüz mümkün değildir. Bunların yanında araca çarpabilecek meteorlar, radyasyon da birer problem teşkil ederler. Neticede insan fizyolojisine tesir eden çeşitli uzay şartlarını incelemek üzere geliştirilen uzay tıbbını pekçok problem beklemektedir.

Uzay araçlarının yerden fırlatılması, yer yörüngesinde dolaşması, yerçekiminden kurtulması, gezegenlere doğru gitmesi ve dünyaya geri dönmesi için takip edeceği yollar önceden bilgisayarlarla hesaplanır. Araç uzayda giderken, diğer gezegenler de hareketli olup, durumları değiştiğinden ve araç bunların değişik çekim kuvvetlerine maruz kaldığından, yol alırken sabit birreferans noktası bulamaz. Bunun için hiçbir dış referans noktasına ihtiyaç göstermeyen sadece atalet tesiriyle çalışan jiroskopik yön bulucularından faydalanılır (Bkz. Jiroskop). Jiroskoptan gelen sinyaller bilgisayarda değerlendirilerek küçük roket motorlarına kumanda edilmek suretiyle yönde lüzumlu düzeltmeler yapılır. İnsansız araçlarda yön bulmak diğer haberleşme işlemleri gibi radyo sinyalleriyle olmaktadır. Araç dünyaya dönerken atmosfere yeryüzü ufuk düzlemine göre 5-7° açıyla girmesi lazımdır. Bu açının altına inilirse araç atmosferden çıkıp tekrar uzaya kaçabilir. Bu açıdan büyük açıyla girilirse sürtünme ısısı ve yerçekimi araca ve astronota zarar verebilir. Amerikalılar uzay gemilerini denize, Ruslar ise Sibirya’ya indirirler. Denizden helikopter ve gemilerle kurtarırlar. Bazı araçlar ise havada uçakla yakalanarak indirilir.

İki uzay aracının uzayda bir araya gelerek kenetlenebilmesi uzay çağında elde edilmiş en önemli başarılardan biridir. Uzayda kurulabilecek uzay laboratuarları için kenetlenme şarttır. Şimdiye kadar pekçok kenetlenme yapıldı. Hatta Amerikan uzay araçları ile Rus araçları arasında gerçekleştirilen kenetlenmeler sayesinde Amerikan astronotlarıyla, Rus kozmonotları arasında uzay ziyaretleri yapıldı. 21. yüzyılda içinde binlerce insanın barınacağı uzay şehirleri, Ay’da ve Merih’te uzay kolonileri kurulacak, güneş sisteminin dışına çıkılarak yıldızlararası uzayın araştırılması hayal olmaktan çıkabilecek. Uzay hakkında bugünkü bilgilerimizi hiç derecesine indiren bilgiler elde edilecektir.

Bilim Haberleri arşivine göz atabilirsiniz.

Bağlantıyı Kopyala