Dönen Büyük Kütleler Uzay Araçlarını Nasıl Etkiler?

NASA'nın SMAP uydusu 23 Mart 2015'te, fırlatılışından yedi hafta sonra, 6 metrelik çanak antenini ilk kez döndürdü. Anten, radyometre ve dönmeyi yöneten elektronik kutusu yaklaşık 60 saniyede dakikada 5 devre çıktı. Bu sırada güneş panelini, bilgisayarları ve yakıt deposunu taşıyan gövde ters yöne dönmeye başladı ve saniyede 11 dereceye kadar hızlandı. Antenin hızı sabitlenince gövdedeki tepki tekerleri devreye girdi, gövdeyi durdurdu ve uyduyu yeniden ölçüm yönüne çevirdi.¹

Görev ekibi bu hareketi bekliyordu. Sonraki adım 26 Mart'a planlanmıştı.¹

Gövde neden ters yöne döndü?

Uzayda aracın dayanacağı bir zemin, sürtüneceği bir hava yok. Araç bir parçasını bir yöne döndürdüğünde, geri kalanı aynı miktarda dönmeyi ters yönde üstlenir. Fizikte buna açısal momentumun korunması deniyor. Fizik laboratuvarlarındaki döner tabure gösterisi aynı ilkeye dayanır: tabureye oturan kişi elindeki bisiklet tekerleğini çevirdiğinde tabure ters yöne döner.

Dönmenin büyüklüğü iki şeye bağlı. Biri parçanın ne hızla döndüğü, öteki kütlesinin eksenden ne kadar uzağa yayıldığı. SMAP'in ağ çanağı hafif ama geniş. Tasarım gereksinimlerinde dönen kısmın dönme ataleti, yani kütlenin eksene göre dağılımını gösteren değer, 150 kg·m² ile sınırlanmıştı; çalışma hızı dakikada 14,6 devirdi.² Bu üst sınırla yapılan kaba bir hesap, en fazla 230 newton-metre-saniyelik bir dönme veriyor. Anten döndüğü sürece tepki tekerleri bu dönmenin karşılığını ters yönde taşıyor. Aynı belge, anten dönmesinin ve bu dengelemenin uydunun yönelim kontrol döngüsüne baştan yazılması gerektiğini not ediyor.²

Dönen eksen yerinden oynamak istemez

Dengelenmemiş dönmenin ikinci sonucu daha zor fark edilir. Dönen bir cisim ekseninin yönünü korumaya çalışır; eksene yandan kuvvet uygulandığında cisim itildiği yöne değil, buna dik bir yöne kayar. Jiroskop etkisi denen bu davranış uzay aracının her manevrasına karışır. Dönen yük dengelenmemişse araç bir eksende dönmek istediğinde başka bir eksende de bükülür.

Dünya'yı gözleyen bir uydu, aletini hep aşağıya çevrili tutmak için her yörüngede kendi çevresinde bir tur atar. ESA'nın CIMR uydusundaki dönen aletin 1.000 N·m·s'lik dönmesi dengelenmeseydi, ekseni 101 dakikalık yörünge boyunca Dünya'ya çevrili tutmak kaba bir hesapla kesintisiz 1 newton-metre civarında bir tork isterdi.

Uluslararası Uzay İstasyonu aynı direnci tersinden kullanıyor. İstasyonun ABD bölümünde dört kontrol momenti jiroskobu var. Her birinin içindeki volan dakikada 6.600 devirle dönüyor ve 4.760 N·m·s dönme taşıyor. Volanı taşıyan iki çerçeve motorla yatırıldığında jiroskop istasyona 258 newton-metreye kadar tork uyguluyor ve istasyon yakıt harcamadan dönüyor.³ Jiroskopların biriktirebileceği dönme sınırlı. Güneş paneline çarpan ince hava gibi küçük dış etkiler toplamı doldurduğunda Rus bölümünün iticileri ateşleniyor ve fazlayı boşaltıyor. Parçalar da yıpranıyor: dört jiroskoptan biri yaklaşık 1,3 yıl sonra yatağı bozularak durdu, bir başkası altı yıl sonra arızalandı. İkisi de inceleme için Dünya'ya geri getirildi.³

Explorer 1 ilk turunda eksenini kaybetti

ABD'nin ilk uydusu Explorer 1, 31 Ocak 1958'de fırlatıldı. İnce uzun gövde, uzun ekseni çevresinde saniyede yaklaşık 11 tur dönecek biçimde yörüngeye bırakılmıştı. Yerdeki istasyonların ölçtüğü sinyal gücü başka bir hareketi ortaya koydu. İlk yörünge turu bitmeden, yani yaklaşık 90 dakika içinde, dönme ekseni yarı açısı 60 dereceye varan bir koni çizmeye başlamıştı.⁴

JPL'deki inceleme sebebi gövdeden çıkan dört esnek tel antende buldu. Antenler her turda biraz esniyor, esnerken dönme enerjisinin bir kısmını ısıya çeviriyordu. Açısal momentum korunurken enerji azalınca uydu, aynı momentumu en düşük enerjiyle taşıyabileceği harekete geçti ve uzun eksenine dik bir eksen çevresinde dönmeye başladı. Stanford'dan Ronald Bracewell ile Owen Garriott aynı yıl Nature'da yapay uyduların dönmesini bu açıdan inceledi.⁵ JPL'den Peter Likins 1966 raporunda ilkeyi genel hâliyle yazdı: parçaları birbirine göre kıpırdayan ve bu sırada enerji kaybeden bir sistem, zamanla en büyük ataletli ekseni çevresinde dönmeye yönelir.⁴

Dönen kütleyi yakıt deposundan yapma fikri bu ilkeye takılıyor. Depodaki sıvı da gövdeye göre hareket eden ve enerji kaybeden bir parça. Böyle bir depo hesaplarda kullanılan katı cisim modeline uymaz ve ince uzun bir parça kendi uzun ekseni çevresinde döndürülüyorsa Explorer 1'deki eksen kayması yeniden gündeme gelir.

Yükün kendisi teker olabilir mi?

Dönen yükü yönelim kontrolüne katmak, zaten taşınan kütleden ikinci bir iş çıkarmak demek. Ne var ki yükün dönüş hızını görev belirliyor. SMAP'in dakikada 14,6 devri, radar ve radyometre ölçümlerinin yerdeki 1.000 kilometrelik çember üzerinde boşluk bırakmadan birbirine eklenmesi için seçildi.⁶ Kontrol sistemi bu hızla oynarsa ölçüm bozulur.

Tek bir dönen parça dönmeyi tek bir eksen boyunca taşır. Aracı üç eksende yönlendirmek için İstasyon'daki gibi birden fazla ve çerçevesi yatırılabilen jiroskop gerekiyor. Dönen kısma elektrik aktaran bağlantı da ayrı bir yük; SMAP'te güneş panelinin ürettiği yaklaşık 1.500 vatın bir bölümü dönen aletin motorlarına ve elektroniğine bu yoldan gidiyor.⁶

ESA, CIMR'da sorunu ayrı bir parçayla çözdü. Uydu yaklaşık 2.000 kilo, bunun 700 kilosu dakikada 7,8 devirle dönen radyometre ve 8,5 metrelik yansıtıcı. Dönen bölümün ürettiği 1.000 N·m·s'yi dengelemek için yalnızca bu uydu için tasarlanmış 100 kiloluk bir momentum tekeri kullanılıyor. ESA'nın açıklamasına göre bu teker olmasa bütün uydu dönmeye başlardı.⁷ Yani toplam kütlenin yaklaşık yirmide biri, yükün dönmesini sıfırlamaya ayrılmış.⁸

CIMR-A'nın 2029'da Fransız Guyanası'ndaki Kourou üssünden Vega-C roketiyle fırlatılması planlanıyor; ikinci uydu CIMR-B'nin 2035'te gitmesi bekleniyor.⁸ Yansıtıcı açıldıktan sonra alet dakikada 7,8 devre çıkarılacak ve 100 kiloluk teker 1.000 N·m·s'lik dönmeyi ters yönde taşıyacak.

kafa1milyon

Meraklı bir kafa. Bilimsel makaleleri, arşiv belgelerini ve saha notlarını okuyup gündelik dile çeviriyor; bilinmeyeni bilinmiyor diye yazmaktan çekinmiyor.