Uzay Araçları Uzayda Fren Yaparken: Sadece İnce Hava ile Durdurmanın Yolu

Hareket eden bir arabanın penceresinden elinizi dışarı çıkardığınızda, size karşı iten bir kuvvet hissedersiniz ve bu kuvvete hava direnci (drag) denir. Bu kuvvet, hareket eden bir araca karşı koyar ve arabanızı gaz pedalından ayağınızı çektiğinizde doğal olarak durana kadar yavaşlatır. Ancak hava direnci sadece arabaları yavaşlatmaz.

Uzay mühendisleri, uzayda daha yakıt tasarruflu uzay araçları ve görevler geliştirmek, fazla uzay çöpü oluşturmadan uzay araçlarını yörüngeden çıkarmak ve hatta gezegenler etrafına yerleştirmek için hava direncini kullanma üzerine çalışmalar yapıyor.

Uzay tamamen bir vakum değildir—en azından hepsi değil. Dünya’nın atmosferi yükseklikle birlikte incelir, ancak yörüngedeki uzay araçları üzerindeki hava direncini oluşturacak kadar hava vardır. Bu, yaklaşık 1000 kilometre (620 mil) yükseğe kadar geçerlidir.

Ben bir uzay mühendisliği profesörü olarak, hava direncinin yörüngedeki uzay araçlarının hareketini nasıl etkilediğini inceliyorum. Aerofrenleme, adından da anlaşılacağı gibi, uzayda ince havayı kullanarak uzay aracının hareketinin ters yönünde bir direnç kuvveti uygulama manevrasıdır, tıpkı bir arabada fren yapmaya benzer.

Bir yörüngeyi değiştirmek

Uzayda, aerofrenleme, uzay aracının yörüngesini değiştirirken itki sistemini ve yakıt tüketimini azaltabilir. Yani Dünya’nın etrafında dönen uzay araçlarının iki tür yörüngesi vardır: dairesel ve eliptik. Bir dairesel yörüngede, uzay aracı her zaman Dünya’nın merkezinden aynı mesafede bulunur. Sonuç olarak, her zaman aynı hızda hareket eder. Eliptik bir yörünge ise gerilmiş bir yapıya sahiptir, bu nedenle Dünya’ya olan mesafe ve uzay aracının hızı değişir.

Dünya etrafındaki eliptik bir yörüngede, uydu veya uzay aracının en hızlı hareket ettiği en yakın noktaya periapsis denir. En uzak nokta, yani en yavaş hareket ettiği yer ise apoapsis olarak adlandırılır.

Aerofrenlemenin temel fikri, büyük bir dairesel yörüngeden başlayarak uzay aracını oldukça eliptik bir yörüngeye manevra ettirmek, bu şekilde yörüngedeki en düşük noktayı – periapsis’i – üst atmosferin daha yoğun kısmına sokmaktır. Dünya için bu mesafe yaklaşık 62 ila 310 mil (100 ila 500 kilometre) arasıdır ve tercih, yörünge değişim süresine bağlıdır.

Uzay aracı bu en düşük noktayı geçerken, hava üzerine bir direnç kuvveti uygular ve bu zamanla yörüngenin uzunluğunu azaltır. Bu kuvvet, aracı özgün yörüngeden daha küçük ve dairesel bir yörüngeye çeker.

Uzay aracını aerofrenlemenin etkili hale gelmesi için eliptik bir yörüngeye getirmek için kullanılan ilk manevra, itki sistemi ve biraz yakıt kullanmayı gerektirir. Ancak bir kez eliptik yörüngede olduğunda, atmosferin yarattığı direnç uzay aracını yavaşlattığı için fazla veya hiç yakıt gerektirmeyebilir.

Aerofrenleme, bir aracın yolunu büyük bir yörüngeden daha küçük bir yörüngeye getirir ve tersine çevrilemez − yörüngenin boyutunu artırmaz. Bir yörüngenin boyutunu artırmak veya uzay aracını daha yüksek bir yörüngeye çıkarmak için itki ve yakıt gereklidir.

Aerofrenlemenin kullanımları

Uzay aracı kontrolörlerinin aerofrenlemeyi sıkça kullandığı bir durum, uzay aracının yörüngesini jeosenkron yörüngeden – GEO – alçak dünya yörüngesine – LEO – değiştirme durumudur. GEO yörüngesi, yaklaşık 22,236 mil (35,786 km) yükseklikte dairesel bir yörüngedir. GEO’da uzay aracı 24 saat içinde Dünya’nın etrafında bir tam yörünge yapar, bu yüzden her zaman Dünya’nın yüzeyindeki aynı noktanın üzerine kalır.

Aerofrenlemeden önce, uzay aracının yerleşik itki sistemi, GEO yörüngesinin hareketinin ters yönünde itki sağlar. Bu itki, aracı eliptik bir yörüngeye sokar. Araç, atmosfer üzerinden birçok kez geçer ve sonunda yörünge dairesel hale gelir.

LEO’ya ulaştığında, uzay aracının biraz daha yakıt kullanarak kendisini hedef yörüngesine doğru itmesi gerekebilir. Genellikle, özgün eliptik yörüngenin en düşük noktası, nihai hedef dairesel yörüngesinden daha düşüktür.

Bu süreç, ABD Uzay Gücü’nün X-37B’sinin 2025 başlarında aerofrenlemeyi nasıl kullandığına benzer. ABD Uzay Gücü, insansız uzay uçağı X-37B’nin aerofrenlemeyi kullandığını bildirmişti. Bu test, aracın manevra kabiliyeti ve çevikliğini gösterdi.

Aerofrenlemenin bir diğer uygulaması, çalışmayı durdurduktan sonra uzay aracını yörüngeden çıkarmak ya da atmosfere yeniden girmesini sağlamaktır. Bu şekilde, şirket veya ajans uzay aracını elden çıkarabilir ve uzay çöpü oluşturmayı önleyebilir, çünkü araç daha alt atmosferde yanacaktır.

Gezegenler arası görevler için aerofrenleme

Mars Keşif Yörünge Aracı ve Mars Odyssey Yörünge Aracı dahil birkaç Mars görevi, kırmızı gezegen etrafındaki hedef yörüngelerine ulaşmak için aerofrenlemeyi kullanmıştır.

Bu tür gezegenler arası görevler için bilim insanları, uzay aracının yerleşik itki sistemi ile birlikte aerofrenlemeyi kullanır. Bir uzay aracı Mars’a vardığında, hiperbolik bir yörüngede gelir.

Dairesel veya eliptik bir yörüngeden farklı olarak, uzay aracının hiperbolik yörüngede izlediği yol Mars çevresinde kalıcı bir yörüngede değildir. Bunun yerine, Mars’tan geçip çıkar – eğer itki sisteminin itiş gücünü kullanarak kapalı bir eliptik yörüngeye girmezse.

Mars’a vardığında, uzay aracının yerleşik itki sistemi, uzay aracını Mars etrafında yüksek oranda eliptik bir yörüngeye yakalamak için gerekli gücü sağlar. Yakaladıktan sonra, bilim insanları nihai hedef olan genelde dairesel olan yörüngeye ulaşmak için birkaç yörüngesel geçiş sırasında atmosfere aerofrenleme uygular.

Aerofrenleme manevraları önemli ölçüde yakıt tasarrufu sağlar. İnsanlar kızıl gezegene inişe daha yaklaştıkça, aerofrenlemenin sağladığı yakıt tasarrufu, kütle tasarrufu sağlar ve Mars’a gönderilen her bir uzay aracının daha fazla malzeme almasına olanak tanır.

Uzay keşiflerinin geniş yolculuğunda, aerofrenleme sadece bir manevra değildir. Uzay operasyonlarının ve gezegenler arası görevlerin ve kolonizasyonun geleceğinde çok önemli bir rol oynamaktadır.

Piyush Mehta, Uzay Sistemleri Doçenti, Batı Virginia Üniversitesi. Bu makale The Conversation adlı kaynaktan Creative Commons lisansı altında yeniden yayınlanmıştır. Orijinal makaleyi okuyun.