Uzay aracı

Uzay aracı ya da uzay gemisi, Dünya'nın atmosferi dışında, özellikle dış uzayda çalışmak üzere tasarlanmış araç ya da makinedir. Uzay araçları insanlı ya da insansız olabilir. Bir uzay aracı telekomünikasyon, Dünya'nın gözlemlenmesi, meteoroloji, yolbul, uzay kolonizasyonu (İngilizce: space colonization), gezegen keşfi, uzay turizmi, uzay savaşımı, uzay ortamında insan ve kargo (ing:Cargo spacecraft) taşınması gibi görevler için yapılmış olabilir. Bu tanım aynı zamanda yapay uyduları da kapsamaktadır.

Yörünge-altı uzay uçuşu (İngilizce: sub-orbital spaceflight) sırasında, bir uzay aracı uzay alanına giriş yapar ve sonrasında sabit bir yörüngeye girmeksizin yüzeye geri döner. Yörüngesel uzay uçuşları sırasında ise uzay aracı Dünya'nın ya da diğer astronomik cisimlerin etrafında kapalı bir yörüngeye giriş yapar. İnsanlı uzay uçuşu için geliştirilen uzay araçları Dünya'daki fırlatılıştan itibaren ya da yörüngedeki uzay istasyonlarından aldıkları mürettebatı ya da yolcuları taşırken kullanırlar. Robotik uzay görevlerinde (İngilizce: Robotic spacecraft) kullanılanlar ise ya özerk bir şekilde (İngilizce: autonomous robot) kendi başına ya da uzaktan kumanda edilerek iş görürler. Bilimsel araştırmalara destek veren robotik uzay araçlarına uzay sondası denir. Gezegenimsi bir gök cisminin etrafında yörüngede kalan robotik uzay araçları ise yapay uydu olarak adlandırılır. Pioneer 10 ve 11, Voyager 1 ve 2 ile New Horizons gibi sadece birkaç tane yıldızlararası sonda (ing: interstellar probe), Güneş Sistemi'ni terkedecek doğrultuda (ing: Trajectory) ilerlemektedir.

Bazı yörüngesel uzay araçları yeniden kurtarılabilecek şekilde tasarlanmışlardır. Atmosfere tekrar-giriş (ing: reentry) yöntemiyle Dünya'ya doğru geri gelmeye başlayan uzay araçları kanatsız uzay kapsülleri (ing: space capsule) ve kanatlı Uzay uçakları olarak iki sınıfta toplanabilir.

İnsanlığın uzay uçuşu kabiliyetine erişmesine rağmen, sadece birkaç ulus yörüngesel fırlatma için gerekli teknolojiye sahiptir (ing: timeline for orbital launches): Rusya (RSA), ABD (NASA), Avrupa Uzay Ajansı (ESA) üye ülkeleri, Japonya (JAXA), Çin (CNSA), Hindistan (ISRO), Tayvan (Chung-Shan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü - ing: NCIST-, Tayvan Ulusal Uzay Organizasyonu- ing: NSPO- ), İsrail (ISA), İran (ISA) ve Kuzey Kore (Ulusal Uzay ve Havacılık Geliştirme İdaresi - ing: NADA).

Alman yapımı bir V-2, 1944 yılının Haziran ayında o zamanlar hala Almanya sınırlarında olan Doğu Prusya'nın Peenemünde kentinde fırlatıldıktan sonra 189 km yüksekliğe erişince tarihteki ilk uzay aracı olmuştur . Sputnik 1 uzay aracı ise yapılmış ilk yapay uydudur. 4 Ekim 1957 tarihinde Sovyetler Birliği tarafından eliptik bir Alçak Dünya yörüngesine fırlatılmıştı. Fırlatma, yakın gelecekte erişilecek olan yeni politik, askeri, teknolojik ve bilimsel gelişmelerin habercisiydi; Sputnik fırlatılışı tek başına bir olay olmasına rağmen, Uzay çağının başlangıcını işaret etmektedir. Teknolojik bir "ilk" olarak sahip olduğu değerin yanında, Sputnik 1 ayrıca, uydunun yörüngesindeki değişiklerinin ölçülmesi yoluyla atmosferin üst katmanının yoğunluğunun tanımlanmasına katkıda bulunmuştur. Ayrıca iyonosfer'deki radyo-sinyal dağılımı hakkında da veri sağlamıştır. Yapay uydunun sahte gövdesindeki basınçlı nitrojen sayesinde, ilk kez meteoroid-saptama (ing: meteoroid, Dünya'ya düşen gök taşlarıyla karıştırmayınız.) fırsatı elde edilmiştir. Sputnik 1 uydusu Uluslararası Jeofizik Yılı adlı proje kapsamında, o zamanki Kazak SSC sınırları içerisinde bulunan Gagarin'in Başlangıcı (ing: Site No.1/5) isimli fırlatma sahasındaki 5 numaralı Tyuratam alanından (İngilizce: 5th Tyuratam range) fırlatılmıştır. Uydu saatte 29 000 kilometre (18 000 mi) hızla yol almış, bir tam yörüngeyi 96.2 dakikada tamamlamış ve 20.005 ve 40.002 MHz frekanslarında radyo sinyalleri yaymıştır.

Sputnik 1, Dünya etrafında yörüngeye oturan ilk uzay aracı olmasına rağmen, diğer insan yapımı nesneler Sputnik 1 uydusundan daha önce 100 km yüksekliğe ulaşmayı başarmıştır. Bu yüksekliğe erişen uçuşlar, Uluslararası Havacılık Federasyonu tarafından uzay uçuşu olarak sayılmaktadır. Bu yüksekliğe ayrıca Karman hattı da denmektedir. Özellikle, 1940'larda V-2 roketleri için çeşitli test fırlatmaları (ing: V-2 test launches) gerçekleştirilmiştir ve bu fırlatmalardan bazılarında roket 100  km üzerinde bir yüksekliğe erişmiştir.

İlk insanlı uzay aracı olan Vostok 1, 1961 yılında Sovyet kozmonot Yuri Gagarin'i uzaya taşımış ve Dünya etrafındaki yörüngede bir tam dönüş gerçekleştirmiştir. Vostok uzayaracı kullanmış olan başka beş farklı insanlı uzay aracı görevi daha olmuştur. Tarihteki ikinci insanlı uzay aracına Freedom 7 adı verilmişti ve bu araç 1961 yılında yörünge-altı uzay uçuşu (ing:sub-orbital spaceflight) sırasında Alan Shepard isimli Amerikan astronotunu 187 km civarı bir yüksekliğe çıkarmıştır. Daha sonrasında Mercury uzay aracı kullanılarak beş insanlı uzay aracı görevi daha gerçekleştirilmiştir.

Diğer Sovyet insanlı uzay araçları arasında Voskhod, Soyuz ile Salyut ve Mir insanlı Uzay istasyonları bulunmaktadır. Diğer Amerikan insanlı uzay araçları arasında ise Gemini uzay aracı, Apollo uzay aracı, Skylab uzay istasyonu, ile üzerinde ESA'ya ait Spacelab uzay istasyonu modülü sabitlenmiş olan Uzay Mekiği uçağı (Uzay Mekiği'nin uzay uçağı bileşeni, İngilizce:Space Shuttle orbiter) ve ABD yapımı olan ve özel sektöre ait Spacehab uzay istasyonu modülü bulunmaktadır. Çin ise Shuguang (İngilizce: Shuguang) uzay aracını geliştirmiş ancak bu araçla hiç uçuş gerçekleştirmemiştir. Şu sıralarda ise Shenzhou uzay aracı kullanılmaktadır (ilk insanlı uçuşu 2003 yılında gerçekleşmiştir).

Tekrar-kullanılabilir türdeki araçların bazıları sadece insanlı uzay uçuşu için tasarlanmıştır ve bunlar genellikle "uzay uçağı" olarak adlandırılırlar. Bunun ilk örneği, 1960'larda 100 km yükskliğe ulaşan iki adet insanlı uçuş gerçekleştirmiş olan, X-15 isimli uzay uçağıdır. Tekrar-kullanılabilir türdeki ilk uzay aracı olan X-15, 19 Temmuz 1963 tarihinde yörünge-altı doğrultuda (ing: sub-orbital trajectory) havada fırlatılmıştır (ing:air-launch).

Kısmi olarak tekrar-kullanılabilir türdeki ilk yörüngesel, kapsül-olmayan kanatlı uzay aracı olan Uzay mekiği, ABD tarafından, Yuri Gagarin'nin uçuşunun 20. yıl dönümüne denk gelen 12 Nisan 1981 tarihinde fırlatılmıştır. Uzay mekiği döneminde, altı adet mekik/yörüngezer (ing:orbiter) üretilmiştir. Bunların hepsi atmosfer içinde uçurulmuşken sadece beşi uzayda uçurulmuştur. Enterprise mekiği sadece yere yaklaşma ve iniş testleri için kullanılmış olup testler sırasında Boeing 747 SCA (ing:Shuttle Carrier Aircraft) üstünde hedef yüksekliğe taşınarak fırlatılmış, havada süzülerek, Edwards Hava Üssündeki motorsuz iniş (ing:deadstick landing) noktasına iniş yapmıştır. Uzaya çıkan ilk Uzay Mekiği Columbia olmuştur; ardından sırasıyla Challenger, Discovery, Atlantis ve Endeavour mekikleri uzaya çıkmıştır. Endeavour mekiği; 1986 yılı Ocak ayında meydana gelen bir kaza (ing: STS-51-L mission) sırasında kaybedilen Challenger mekiğinin yerine üretilmiştir. Columbia mekiği ise 2003 yılının Şubat ayında atmosfere tekrar girişi sırasında parçalarına ayrılmıştır.

İlk otomatik ve kısmi olarak tekrar-kullanılabilir uzay aracı olan Buran- sınıfı uzay mekiği SCCB tarafından 15 Kasım 1988 tarihinde fırlatılmıştır ancak bu mekik sadece bir uçuş gerçekleştirmiş olup o uçuş da insansız olmuştur. Bu uzay uçağı bir mürttebat için tasarlanmıştı ve büyük ölçüde ABD'nin Uzay Mekiğini andırıyordu ancak atılabilir hızlandırıcıları sıvı yakıt kullanıyordu, Buran'ın ana motorları American Mekiğinde dış tankların oluduğu yere denk gelmekteydi ve fırlatma sırasında kullanılmıyorlardı. Sermaye azlığı, Sovyetler Birliği'nin dağılmasının yarattığı karışık durum, Buran mekiğinin daha sonraki uçuşlarını engellemiştir. Uzay Mekiği ise, gerekli durumlarda atmosfere otomatik olarak tekrar girebilecek hale getirilmiştir.

George W. Bush tarafından 2004 yılında duyurulan "Uzay Araştırmaları için Vizyon" (İngilizce: Vision for Space Exploration) planı çerçevesinde, Uzay Mekiği programı 2011 yılında; uzun yıllardır kullanılıyor olması, program maliyetinin uçuş başına bir milyar doların üzerinde bir rakama ulaşması gibi sebeplerden ötürü emekli edilmiştir/durdurulmuştur. Mekiğin insan taşıyıcı rolünün SpaceX'e ait Dragon V2 ve Boeing'e ait CST-100 Starliner uzay araçlar tarafından, 2017'den daha geç olmamak üzere, doldurulması beklenmekteydi. Mekiğin ağır kargo taşıyıcı rolünün ise Space Launch System ve SpaceX'in Falcon Heavy roketi gibi harcanabilir roket sistemleri tarafından doldurulması beklenmekteydi.

Scaled Composites (İngilizce: Scaled Composites) şirketine ait SpaceShipOne tekrar-kullanılabilir bir yörüngesel uzay uçağı'ydı ve 2004 yılında art arda uçuşlarda Mike Melvill ve Brian Binnie isimli pilotları taşıyarak Ansari X Prize adlı yarışmayı kazanmıştır. The Spaceship Company (İngilizce: TSC, 'Scaled Composites' ve 'Virgin Galactic' ortak girişimi) şirketi; SpaceShipOne uçağının ardılı olan SpaceShipTwo uzay uçağını üretecektir. SpaceShipTwo uçaklarından oluşan ve Virgin Galactic şirketi tarafından işletilecek olan bir filonun 2014 yılında yolcu taşıyarak ticari uçuşlara (ing: private spaceflight) başlaması planlanıyordu ancak VSS Enterprise kazası (İngilizce: crash of VSS Enterprise) sonrasında bu plan ertelenmiştir.

Bir uzay aracı sistemi, görev profiline bağlı olarak, çeşitli alt sistemlerden oluşmaktadır. Uzay aracı alt sistemleri uzay aracının platformunu (ing:bus) oluşturur; yönelim belirlenim ve denetimi (ing: ACS), kılavuzluk (ing:guidance), yolbul (ing:navigation) ve kontrol -KYK- (ing: Guidance-Navigation&Control GNC), iletişim (ing: comms), komuta ve veri işleme (ing: command and data handling CDH), elektrik güç sistemi (ing: Electrical Power System EPS), uzay aracı ısı yönetimi (ing: thermal control system TCS), itki sistemi ve diğer yapıları içerebilir. Uzay aracının çatısına genellikle görev yükü yerleştirilir/bağlanır.

Bir uzay aracının, istenilen doğrultuda yönelime erişmesi ve dış kaynaklı torklara ve kuvvetlere gerektiği gibi tepki/cevap verebilmesi için yönelim denetimi (ing: ACS) alt sistemine ihtiyacı olacaktır. Yönelim denetimi alt sistemi, denetim algoritmalarıyla birlikte alglayıcılardan ve çalıştırıcılardan oluşmaktadır. Yönelim denetim alt sistemi, bilimsel deneyler için istenilen hedefe, güneş panellerinde güç üretimi için Güneş'e ve iletişim için Dünya'ya doğru uzay aracının düzgün bir şekilde yönelmesini/doğrultulmasını sağlamaktadır.

'Kılavuzluk', uzay aracını olması gereken yere doğru yönlendirme için gerekli olan komutların (genellikle 'Komuta ve Veri İşleme' alt sistemi tarafından) hesaplanmasını ifade eder.'Yolbul' bir uzay aracının yörünge ögelerini ya da konumunu belirlemeyi ifade eder. 'Kontrol' ise uzay aracının yolunu/doğrultusunu görev gereksinimlerini karşılayacak şekilde güncellemeyi/düzeltmeyi ifade etmektedir.

Bu alt sistem komutlarını iletişim alt sisteminden alıp bu komutların onaylanması ve deşifre edilmesi işlemlerini gerçekleştirir ve komutları uzay aracının ilgili alt sistemlerine ve bileşenlere iletir. KVİ ayrıca uzay aracının diğer alt sistemlerinden ve bileşenlerinden sistem performans verisi (ing:housekeeping data) ile bilimsel verileri (örn: teleskop bileşeninden resim) alır ve verileri veri kaydedici (ing:data recorder ) birimde saklanmak ya da iletişim alt sistemi aracılığıyla yer istasyonuna radyo dalgalarıyla aktarılmak üzere paketler. Diğer KVİ işlevleri arasında uzay aracı saatinin bakımını üstlenmek ve araçtaki pil sisteminin sağlık durumunun izlenmesi (ing:state-of-health monitoring).

Hem robotik (ing:robotic) hem de insanlı uzay araçları, hem gezegen yüzeyindeki istasyonlarla hem de uzaydaki diğer uzay araçlarıyla iletişim kurmak için çeşitli iletişim sistemleri kullanmaktadır. Kullanılan teknolojiler arasında RF (ing:RF) ve optik (ing:optical) iletişim bulunmaktadır. Ek olarak, uzay araçlarındaki bazı görev-yükleri, alıcı-tekrar-aktarıcı (ing:transponder) gibi elektronik teknolojileri kullanmak suretiyle, açıkça yerden-yere iletişim amaçlıdır.

Uzay aracı çeşitli alt sistemlere güç sağlayabilmek için, elektrik güç üretim ve dağıtım alt sistemine ihtiyaç duyar. Güneş'e yakın uzay araçları elektrik üretmek için sıklıkla güneş panelleri (ing:solar panels) kullanır. Güneş ışığından anlamlı miktarlarda elektrik üretilemeyecek kadar güneşten uzak bölgeler (örn:Jüpiter) için tasarlanan uzay araçları, radyoizotop termoelektrik üreteci (ing: RTG) kullanarak gerekli elektriği üretebilirler. Üretilen elektrik, güç koşullandırma donanımından geçirildikten sonra elektriksel aksam çatısı üzerindeki güç dağıtım biriminden geçerek uzay aracının diğer bileşenlerine dağıtılır. Piller ise çatıya genellikle pil yükleme düzenleyicisi üzerinden bağlanırlar ve ana güç üretimi devrede değilken sisteme elektrik gücü sağlamak için kullanılırlar. Buna örnek olarak alçak Dünya yörüngesindeki bir uzay aracının Dünya tarafından gölgede bırakılarak güneş ışığından mahrum kalması gösterilebilir.

Uzay araçları, atmosfer'den geçişe ve uzay ortamına (ing:space environment) dayanacak şekilde tasarlanmalıdırlar. Sıcaklığın yüzlerce Celsius derece aralığında değiştiği vakum ortamında ve aynı zamanda (atmosfere tekrar giriş yapılıyorsa) plazmaların bulunduğu ortamda çalışabilmelidirler. Kullanılacak üretim maddesi olarak ya berilyum ve güçlendirilmiş karbon-karbon (ing:reinforced carbon–carbon) gibi yüksek erime sıcaklığına ve düşük yoğunluğa sahip maddeler ya da (yüksek yoğunluğa rağmen muhtemelen daha düşük kalınlık gereksinimleri yüzünden) tungsten veya yüzel aşındırmalı (ing:ablative) karbon–karbon bileşikler/alaşımlar kullanılmaktadır. Görev içeriğine bağlı olarak, uzay aracının ayrıca başka bir gezegenimsi gök cisminin yüzeyinde çalışması gerekebilir. Belirli ışınım/ısı yayma (ing:radiative) özelliklerine sahip maddelerin seçilmesine bağlı olarak, Uzay aracı ısı denetim alt sistemi (ing: thermal control subsystem) pasif olabilmektedir. Aktif ısı yönetimi alt sistemleri, elektrikli ısıtıcıları ile bazı aletleri belirli sıcaklık aralıklarında tutmak üzere uzaya verilen ışınım şeklindeki ısının miktarını belirleyen panjur benzeri açma-kapatma düzenekleri şeklindeki aktüatorleri kullanmaktadır.

Görev içeriğinin bir itki sistemini gerektirmesine bağlı olarak, bir uzay aracı itki alt sistemine sahip olmayabilir. "Swift Gözlemevi" (ing: Swift) adlı teleskop-gözlemevi itki aracı olmayan uzay aracına güzel bir örnektir. Ancak genellikle, ADY seviyesinde görev yapan uzay araçlarında (sürtünmeden kaynaklı hız ve irtifa kaybını gidermek üzere) yükseklik ve yörüngesel eğiklik ayarlama hareketlerini yapmak için itki alt sistemi bulunur. Ayrıca momentum denetim manevrası yapan bir uzay aracının da itki sistemine ihtiyacı vardır. Genel bir itki sisteminin bileşenleri arasında yakıt, yakıt deposu, vanalar, borular, ve iticiler bulunmaktadır.Isı denetim sistemi, bu bileşenlerin sıcaklıklarını gözlemleyerek ve uzay aracı manevralarına hazırlamak amacıyla tankları ve iticileri önceden ısıtarak itki sistemiyle etkileşmektedir.

Uzay aracı, fırlatma aracı tarafından üzerine uygulanan pozitif ivmelenme (hızlanma) yüküne karşı dayanacak şekilde tasarlanıp üretilmelidir ve diğer alt sistemlerin tutturulacağı/bağlanacağı noktalar ve alanlar içermelidir. Görev içerğine bağlı olarak, yapısal alt sistemin başka bir gezegensel gök cisminin atmosferine giriş yaparken maruz kalacağı sürtünmeye ve negatif ivmelenme (yavaşlama) yüküne ve ayrıca başka bir gezegensel gök cisminin yüzeyine inişe dayanması gerekebilecektir.

Görev yükü uzay aracının görevine bağlı olarak değişmektedir ve genellikle uzay aracının "faturaları ödeyen" (para getiren) parçası olarak düşünülür. Yaygın görev yükleri arasında bilimsel araç ve gereçler (örn: kameralar, teleskoplar, ve parçacık algılayıcıları- ing: particle detector -), kargo ve insan mürettebat bulunmaktadır.

Yer kesimi, fiziksel olarak uzay aracının bir parçası olmamasına rağmen, uzay aracının yönetiminin önemli bir parçasını oluşturur. Kullanımdaki bir yer kesiminin yaygın bileşenleri arasında uçuş operasyon takımının uzay aracıyla ilgili operasyonları gerçekleştirdiği yer olan 'görev operasyonları tesisi' (ing: mission operations facility ), veri işleme ve saklama tesisi, uzay aracına sinyal yaymak/göndermek ve uzay aracından sinyal almak için kullanılan yer istasyonları ve görevin tüm alt sistemlerini birbirine bağlayan bir ses ve veri iletişim ağı bulunmaktadır.

Fırlatma aracı, uzay aracını Dünya'nın yüzeyinden yukarı doğru, atmosferin içinden, göreve bağlı olarak belirlenen bir hedef yörüngeye ulaşana kadar itmektedir. Bir fırlatma aracı harcanabilir (ing:expendable) veya yeniden kullanılabilir nitelikte olabilir.