UZAY MÜHENDİSLİĞİ BAKIMINDAN ÖNEMLİ GÖRÜLEN HİKMETLER

 Dr. Öğr. Üyesi  Mukadder İĞDİ ŞEN 
Trakya Üniversitesi, Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu, Edirne.
[email protected],

Dr. Öğr. Üyesi Nuri ERDEM 
Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi, Müh. Fakültesi, Harita Müh. Bölümü.
[email protected],

Doç. Dr. Hüseyin İNCE
Trakya Üniversitesi, Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu, Edirne.
[email protected],

     Kâinatın yaratılışında uzay mühendisliği bakımından önemli sayılacak hikmetler açısından incelendiğinde en göze çarpan üç özellik burada temel olarak ele alınmıştır.

     Birincisi; Yer yörüngesinde döndürülmekte olan Ay’ın rotasından hiç şaşmadan görevine devam etmesi, uzun süren araştırmalardan sonra Newton’un Evrensel Çekim Yasası’nın doğmasına sebep olmuştur. Aslında gravitasyonel kuvvet sayesinde kâinatta çok büyük bir kuvvet dengesi olduğu gözler önüne serilmektedir. Çünkü gravitasyonel kuvvet aynı zamanda Yer’in Güneş’e, Güneş’in Samanyolu Galaksimize, Galaksimizin de dâhil olduğu galaksi kümesine bağlı olmasını sağlar.

     İkincisi; insanoğlu nerede olduğunu ve nereye gittiğini bilmek için ilk çağlardan beri basit yollar denemiştir.  Önceleri, yolculuk edenler sadece geçtikleri yerleri işaretlemiş,  sonraları ise yaklaşık konumlarını tesbitte en iyi araç olarak, gündüzleri gözetlenebilen güneş ile sadece geceleri gözetlenebilen ay ve yıldızlardan yararlanmışlardır. Yolculuk amaçlı konum belirlemede 20. yy kadar pek kayda değer bir değişiklik olmamış ve ancak bu yüzyılda radyo prensipleri ile çalışan sistemler ve yapay uydular kullanılmaya başlanmıştır[1].

      Üçüncüsü ise; kartalların kanat yapısı, Yüce Yaratan’ın küçük detayları dahi ne kadar muhteşem yarattığını gözler önüne sermektedir. Uçakların kanat uçlarındaki  yukarı doğru kıvrık yapı yani “winglet”ler sayesinde, uçakta meydana gelebilecek drag’ın, yani sürtünme ve geri sürükleme teşekkülü azaltılmaktadır. Bu sayede yakıt tasarrufu sağlanırken, uçağın hem kendi güvenliği hem de aynı rotayı yakın zamanda izleyebilecek diğer uçakların güvenliğini olumlu yönde desteklemektedir.

       Yerçekimi: Gravitasyonel Kuvvet

İngiliz fizikçi ve matematikçi Newton’un 1600’lü yıllarda başına düşen elma ile farkına vardığı bir kuvvet Newton'ın Evrensel Gravitasyonel Teorisi (evrensel kütle çekimi yasası)’nin doğmasına sebep olmuştur (Şekil 1).

Bu yasaya göre;  bir nokta kütle (m1) diğer bir nokta kütleyi (m2) iki kütlenin çarpımı ile doğru, aralarındaki (r) uzaklığının karesi ile ters orantılı olacak büyüklükteki bir F2 kuvveti ile çeker. Kütlelerden ve bu kütlelerin aralarındaki uzaklıktan bağımsız olarak |F1| ve |F2| kuvvetlerinin büyüklükleri her zaman birbirine eşittir. G, kütle çekim sabitidir. Aralarındaki ilişki aşağıdaki bağıntı ile ifade edilir.

      Şekil 1. Evrensel kütle çekimi yasası.

     Bu ifadeye göre her bir nokta şeklindeki kütle, diğer kütleyi, ikisini birleştiren bir çizgi doğrultusundaki bir kuvvet ile çeker. Bu kuvvet bu iki kütlenin çarpımıyla doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır. Burada, F iki kütle arasındaki çekim kuvvetinin büyüklüğü, G, Evrensel Çekim Sabiti 6.67 × 10-11 N m2 kg-2, m1 birinci kütlenin büyüklüğünü, m2 ikinci kütlenin büyüklüğünü ve r ise iki kütle arasındaki mesafeyi gösterir. SI birimlerinde, F Newton (N), m1 ve m2 kilogram(kg), r ise metre (m) dir ve G sabiti yaklaşık olarak 6.67×10−11 N m2 kg−2’a eşittir.

     Temel olarak bu yasa en başta Ay’ın, Yer’in uydusu olma prensibinin araştırılmasından yola çıkılarak meydana gelmiştir. Ay nasıl olur da Yer yüzeyine düşmeden ya da uzaya doğru ayılmadan Yer yörüngesindeki hareketine devam etmektedir? Ay’ın Yer yörüngesinde dönebilmesi için Yer’in gravitasyonel kuvvetinin varlığı esas alınmaktadır. Bu kuvvet aynı zamanda Yer’i Güneş’e, Güneş’i Samanyolu Galaksimize, Galaksimizi de dâhil olduğu galaksi kümesine bağlar. Günümüzde, gravitasyonel kuvvetin varlığı Yer ve diğer gezegenler çevresinde çeşitli amaçlar için dönmekte olan suni (yapay) uyduların ortaya çıkmasına imkân sağlamıştır.

    Yapay Uydular

     İlk yapay uydu Sputnik 1’in 4 Eylül 1957 tarihinde uzaya fırlatılmasıyla birlikte uzay teknolojisinde yeni bir devir başlamış ve bu tarihten sonra astronomik, jeodezik, meteorolojik, askeri, uzaktan algılama, haberleşme ve benzeri alanlarda kullanılmak üzere çok sayıda uydu yörüngelerine yerleştirilmiştir.

     İlk jeodezik amaçlı yapay uydu Anna 13, 1962 yılında yörüngeye yerleştirilmiştir. Bundan sonra, jeodezik ve navigasyon amaçlarıyla bir seri uydunun yerleştirilmesi devam etmiştir. Bu amaçla ilk olarak NNSS (Navy Navigation Satellite System) sistemi daha sonra da NAVSTAR GPS  (Navigation Satellite for Timing and Ranging Global Positioning System) uyduları sistemi tamamlamak için yörüngeye yerleştirilmiştir[2].

     NAVSTAR GPS (NAVigation System with Timing and Ranging Global Positioning System) uygun donanıma sahip kullanıcılara prezisyonlu üç boyutlu konum, navigasyon ve zaman bilgisi sağlayan, uydulara dayalı bir navigasyon sistemidir. Sistem dünyanın her yerinde sürekli olarak mevcut olacaktır ve meteorolojik şartlardan bağımsızdır[3].

     GPS (Navstar Global Positining Sytem) Amerikan Hava Kuvvetleri Komutanlığı’nın Los Angles Hava Üssü’ndeki Uzay Bölümü’nde Birleşik Program Ofisi’nin JPO (Joint Program Office) sorumluluğu altındadır. 1973 yılında Amerikan Savunma Bölümü DoD (Departman of Defence) tarafından JPO'ya direktif verilmiş ve JPO, uzay yoluyla konum belirleyen bir sistemin planlaması, kurulması, test edilmesi ve geliştirilmesi için çalışmalar başlatmıştır.

     Bugünün modern konum belirleme tekniğinin öncüsü, deniz navigasyon uydu sistemi olan NNSS’tir (Navy Navigational Satellite Sysytem). Bu, TRANSIT (Time Ranging and Sequential) sistem olarak bilinir. TRANSIT sistem yedi uyduyu kapsamaktadır. Sistem ABD tarafından, uçakların ve gemilerin koordinatlarını hesaplamak amacıyla 1960’lı yıllarda geliştirilmiştir. GPS, TRANSIT sisteminin yerine geliştirilmiştir. NNSS TRANSIT sisteminden farklı olan GPS, küresel bazda gerçek zamanda sürekli navigasyon bilgileri sağlayacaktır.

     Yirmi yılı aşkın bir süredir devam eden teknolojik gelişmeler GPS’in TRANSIT sistemden daha yüksek hassasiyete ulaştığını göstermektedir[4].

     GPS' in uzay bölümü altı yörünge düzlemi içinde olan uydulardan oluşur. Uyduların dünyadan yüksekliği yaklaşık 20200 km’dir (Şekil 2). Her uydu yörüngesi üç aktif ve bir tanede yedek uydu olacak şekilde düzenlenmiştir.

     Şekil 3’de 27 uydunun, 29.09.1998 tarihinde saat 00:00:00’dan 30.09.1998 tarihinde saat 00:00:00’a kadar olan 24 saatlik sürede yörünge düzlemlerindeki hareketi gösterilmiştir.

     GPS uyduları,  sistemin çalışmasını sağlayan radyo alıcıları, vericileri, atomik saatler ve çok çeşitli yardımcı aletlerden meydana gelen bir platformdur. Her uydunun elektronik aletleri kullanıcının uyduya pseudorange (R) uzaklık ölçmesini sağlar.

     Bütün uydular, kendisinin uzay koordinatları hesaplanmasında yardımcı olacak mesajlar yayınlar. Bu sayede kullanıcılar Dünya üzerindeki konumlarını hesaplayabilirler.

     Uydularda 7 m²’lik iki tane güneş paneli vardır. Bu paneller güç sağlamakla görevlidir. Şekil 4’de bir Blok-II GPS uydusu ve üzerindeki bazı bölümleri görülmektedir.

     GPS ölçmeleri için kullanılan uydu jeodezisindeki geometrik ilişkiler, uydular ve alıcılar arasındaki farklar Şekil 5-7’de gösterilmiştir[5].

     Şekil 2. Global Positioning System (24 uydunun yörünge durumu)[6].

 Şekil 3.GPS uydu yörüngeleri[7].

  Şekil 4. Bir Blok II GPS uydusu[8]. 

Şekil 5. Uydu jeodezisinde geometrik ilişki[9].

Şekil 6. GPS Ölçmeleri[10].

Şekil 7. Uydular ve alıcılar arasındaki farklar[11].

     Kartalların Kanat Şekli

     Kanadın altındaki yüksek basınçlı hava, kanadın üstündeki alçak basınçlı havanın içine kenarlardan akmaktadır. Bu durum kanat uçlarında büyük girdaplar (vorteksler) oluşturur. Bu vorteksler, kontrol kaybına sebebiyet verebileceği için, çok tehlikelidir ve vorteksi teşkil eden uçağın kendisi için de drag (sürtünme, geri sürükleme) kuvvetini arttırmaktadır. Bu durumu engellemek amacıyla, uçağın kanat ucuna ilave bir parça olarak tasarlanan winglet’lerin incelenmesi sonucu, uçuşta verim sağlandığı da görülmüştür. Bir winglet, kanadın ucunda yukarıya doğru inşa edilmiş bir parçadır.  İlk wingletler, 1970’lerde tasarlanmıştır. Bu yapılar, “Induceddrag” dediğimiz uçağın kendi parçaları sebebiyle oluşan dragı %20 oranında azaltmaktadır. Şekil 8’de, bulutlu bir havada uçuş yapan uçağın kanat uçlarındaki vorteksler görülmektedir.

     Havacılık mühendisleri, hem güvenliği arttırmak hem de yakıttan tasarruf amacıyla bu kanat ucu vorteksleri azaltmak için çalışmalar yapmaktadır. Kanat ucu vortekslerinin verimi ne kadar arttırılırsa, uçuşlar için, hem maliyetler daha da düşecek hem de uçmakta olan iki uçağın birbirinden olumsuz etkilenmeden daha yakın mesafede uçabilmeleri sağlanacaktır. Çünkü böylece artlarında bıraktıkları hava daha güvenli olacaktır. Wingletler sayesinde, kanadın altından gelen yüksek basınçlı havanın, kanadın üstündeki düşük basınç havanın bulunduğu bölgeye nüfuz etmesi engellenir. Uçağın, ardındaki havada oluşturduğu vorteksler, çeşitli araştırma merkezlerinde araştırılarak, en iyi sonucu verecek wingletleri elde etmek için çalışılmaktadır.

Şekil 8. Bulutlarda görülen kanat ucu vorteksleri[12].

     Kanat ucuna yerleştirilen wingletler bu vortekslerin azaltılmasında önemli rol oynamaktadır. Wingletlerin keşfedilmesi kuşların incelenmesiyle ortaya çıkmıştır. Kartalların Şekil 9’da görülen kanat yapılarının, verimi arttıracak çözüm olabileceği fark edilmiştir. Kartal, kanatlarının ucundaki tüyleri, neredeyse dikey olana kadar kıvırarak, minimum uzunlukla maksimum kaldırmayı dengelemektedir. Bu, vortekslere karşı, oldukça verimli uçuş için bariyer görevi görmektedir. Airbus A380 uçağı eğer kanat uçlarındaki winglet’lere sahip olmasaydı, kanat açıklığı, en az üç metre daha uzun olacaktı. Bu “winglet”ler sayesinde dünyanın en büyük yolcu uçaklarından biri olan A380’e yeteri kadar kaldırma (taşıma), yakıt tasarrufu sağlanmaktadır.

Şekil 9. Uçuşu incelenen kartal örneği[13].

     Bu amaçla çeşitli winglet yapıları oluşturularak deneyler yapılmıştır. Bu deneylerden elde edilen sonuçlardan biri, Şekil 10’da görülen uçağın, kanat ucuna 90o’lik dik açı ile yerleştirilmiş tiptir.

     Şekil 10. Dik açılı winglet örneği[14].

     Kuşların kanat uçlarındaki tüyler, wingletler gibi davranır. Böylece, tüyler arasındaki küçük boşluklar, sıkışan havanın yumuşak bir şekilde kaçmasına yardım ederek, kanat ucu vortekslerini minimuma indirir.

     Yapılan başka bir tasarım uçağın kanadının içine yumuşak bir geçişle yerleştirilmiş Şekil 11’de görülen eğri şekilli wingletler’dir.  Bunlar genelde kanadın ucundan yukarı doğru yumuşak bir geçiş sağlar. Bu yapı Boing 707’nin yakıt verimin %6.5 oranında azaltmıştır. Uçak yakıtlarının oldukça pahalı olduğu dikkate alınırsa, %6.5’luk verimin iyi bir kar sağladığı anlaşılacaktır. Son zamanlarda birçok uçağa bu tip wingletler monte edilmektedir.

Şekil 11. Eğri winglet örneği[15].

     Ayrıca, kanadın ucuna Şekil 12’deki gibi 90o açı ile yerleştirilmiş, ancak kanadın alt kısmında da bir parçası bulunan (fenced) wingletler de bulunmaktadır.

     Sonuç

     Bize göre kütlesi oldukça büyük olan Yer tarafından, bizlere çekim kuvveti uygulanmaktadır. Böylece Evrensel Gravitasyonel Çekim Kuvveti sayesinde Yer üzerinde rahatça hareket ederek, uzaya savrulmaktan korunuruz. Ayrıca bu çekim kuvveti Yer’den yüksekliği ile orantılı olarak etrafındaki cisimlere uyguladığı çekim kuvveti sayesinde doğal uydusu Ay’ın ve diğer suni (yapay) uyduların faaliyet göstermesine imkân sağlamaktadır. Her şeyin imal edilmesinde de dikkate alınan tabiatın uzun süren incelenmesi, wingletlerinde ortaya çıkmasını sağlamıştır. Hava içinde hareket eden bir uçağın havada kalabilmesini sağlayan temel yapı olan “kanat”ların altındaki yüksek basınçlı havanın, kanat uçlarından, kanadın üst kısmındaki alçak basınçlı bölgeye çıkması wingletler sayesinde engellenmekte, böylece oluşabilecek türbülansı da azaltmaktadır. Şu anki bilgilerimizle anlayabildiğimiz kadarıyla, bir kuşun dahi uçuş mekanizmasının bu kadar detaylı yaratıldığını görmek, Kâinatın yaratılışında her şeyin en ince ayrıntısına kadar düşünülerek yaratılmış olduğunu fark ettirmektedir. Yüce Yaratıcı her şeyde; hikmetli, sanatlı ve gayeli yaratma kudretini gözler önüne sermektedir.

Şekil 12. Fenced wingletler[16].
 

[1] Erdem, N., GEPOS CEO  ve  SKI  GPS Yazılımlarının Özellikleri  ve  Karşılaştırılması, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Mayıs 1999.
[2] Uzel, T., GPS Uyduları Yardımıyla Konum Belirleme Ders Notu, İstanbul, 1990
[3] Seeber, G. Satellite Geodesy, Foundations, Methods, and Applications, Walter de Gruyter, Berlin-New York, 1993.
[4] Erdem, N., GEPOS CEO  ve  SKI  GPS Yazılımlarının Özellikleri  ve  Karşılaştırılması, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Mayıs 1999.
[5] Seeber, G. Satellite Geodesy, Foundations, Methods, and Applications, Walter de Gruyter, Berlin-New York, 1993.
[6] http://www.host.cc.utas.edu/ftp/pub/grg/graft/notes/gps.html, Erişim Tarihi: 17.11.1999.
[7] http://www.host.cc.utas.edu/ftp/pub/grg/graft/notes/gps.html, Erişim Tarihi: 23.10.1999.
[8] Internet:http://www.host.cc.utas.edu/ftp/pub/grg/graft/notes/gps.html
[9] Seeber, G. Satellite Geodesy, Foundations, Methods, and Applications, Walter de Gruyter, Berlin-New York, 1993.
[10] Seeber, G. a.g.e.
[11] Seeber, G. a.g.e.
[12] http://blogs.bu.edu/biolocomotion/2011/10/18/winglets-the-anti-vortex-device/, Erişim Tarihi: 11.11.2017.
[13] https://prezi.com/bxc1kl70lkka/bionics/, Erişim Tarihi: 11.11.2017.
[14] http://blogs.bu.edu/biolocomotion/2011/10/18/winglets-the-anti-vortex-device/, Erişim Tarihi: 11.11.2017.
[15] http://www.aviationpartners.com/gallery.html, Erişim Tarihi: 11.11.2017.
[16] http://www.odec.ca/projects/2011/mutlv2/, Erişim Tarihi: 11.11.2017.URL_7.