Uzay aracı itki sistemi

Uzay aracı itki sistemi ya da Uzay aracı sevk sistemi,  uzay aracını ve uyduları ivmelendirmekte kullanılan her türlü yönteme verilen addır. Pek çok farklı yöntem bulunmaktadır. Her yöntemin bazı sakıncaları ve üstün tarafı vardır, ve uzay aracı sevki  etkin bir araştırma alanıdır. Ancak, günümüzdeki pek çok uzay aracı,  aracın arkasından/geri tarafından bir gazı  süpersonik de Laval nozulundan (İng: supersonic de Laval nozzle) yükske hızda geçirmek süretiyle itki/sevk üretir. Bu çeşit bir motora  roket motoru denmektedir.
Günümüzdeki tüm uzay araçları, fırlatma için, (sıvı yakıtlı ya da katı yakıtlı) kimyasal roketler  kullanmaktadılar, ancak (Pegasus roketi ve SpaceShipOne gibi)  bazı roketler ilk aşamaları sırasında hava soluyan motorlar  kullanmışlardır . Uyduların çoğunda Yörünge korunumu (orbital station-keeping) için basit güvenilir kimyasal iticiler (sıklıkla Tek-yakıtlı roketler - monopropellant rocket) veya resistojet roketler kullanılır ve bazı uydular ise yönelim denetimi (İng: attitude control) için   reaksiyon tekerlekleri (İng: reaction wheell) kullanır. Sovyet bloğu uyduları, elektriksel itki sistemlerini (İng:  electric propulsion )  onlarca yıl boyunca kullanmışlardır, ve daha yenice olan , dünya yörüngesindeki, batılı uzay araçları bu sistemleri kuzey-güney yörünge korunumu ve yörünge yükseltimi için kullanmaya başlamışlardır. Gezgenler arası araçlar çoğunlukla, kimyasal roketler de kullanmaktadır; ancak birkaçı, değişik türdeki elektrikli sevk sistemleri olan, iyon iticilerini (İng: ion thruster) ve Hall etkisi iticilerini (İng: Hall effect thruster)  çok başarılı bir şekilde kullanmışlardır.

Gereksinimler

Yapay uyduların yörüngeye  fırlatılmaları gerekmektedir ve oraya vardıktan sonra, dünyanın etrafında dönecek şekilde, doğal (nominal) yörüngeye oturtulmaları gerekmektedir. Hedeflenen yörünge elde edildikten sonra, Dünya'ya, Güneş'e ve muhtemelen bazı göksel nesnelere doğru düzgün olarak çevrilmiş olabilmeleri için, genellikle bir çeşit  yönelim denetimi (İng: attitude control) sistemine ihityaç duyarlar . Uydular ayrıca, ince atmosferden dolayı sürüklemeye maruz kalırlar, bu yüzden yörüngede uzun bir süre kalabilmek amacıyla küçük düzeltmeler yapmak için bir çeşit itki sistemi gerekmektedir (yörünge sabitleme—İng:orbital stationkeeping). Pek çok uydunun zaman zaman yörünge değiştirmesi gerekebilmektedir ve bu da itki gerektiren bir işlemdir. Bir uydunun yörüngesini ayarlama yeteneği (yakıt bitmesi, arıza vs sebebiyle) ortadan kalkınca,  uydunun kullanışlılığı biter.
Dünya yörüngesinden daha uzaklara gitmek üzere tasarlanan bir uzay aracının da  itki sistemine ihtaycı olacaktır. Aynı uydular gibi Dünya atmosferine dışına fırlatılmaları gerekmeketedir.  Atmosferin dışına ulaştıktan sonra yörüngeyi terkederek uzayda dolaşmaları gerekmektedir.
Gezegenlerarası yolculuk (İng:interplanetary travel) için,  bir uzayaracının motorlarını kullanarak Dünya yörüngesini terketmelidir. Bunu yaptıktan sonra, bir şekilde hedefine doğru yol almalıdır. Günümüzdeki gezegenler-arası uzayaracı bunu kısa-süreli  gidiş doğrultusu düzeltmeleriyle gerçekleştirir. Bu düzeltmeler arasında, uzay aracı basitçe, hedefi doğrultusunda serbestçe düşer.  Dairesel bir yörüngeden benzer başka bir yörüngeye en çok yakıt-tasarruflu geçiş yöntemi, Hohmann aktarma yörüngesi ile olan yöntemdir: uzayaracı Güneş etrafında kabaca dairesel olan bir yörüngeye başlar.  Yapılacak hareketin doğrultusunda oluşturulacak kısa süreli bir itki sonucunda, uzayaracını Güneş etrafında eliptik bir yörüngeye girecek şekilde hızlandırır ya da yavaşlatır. Bu eliptik yörünge ilk dairesel yörünge ile hedefe ulaşmak üzere girilecek olan son dairesel yörünge arasındadır ve bu yörüngelere teğettir. Uzayaracı  hedefine ulaşana kadar bu eliptik yörünge boyunca serbestçe düşer, hedef varırken hedefinin yörüngesine girebilmek için yine kısa süreli bir itki oluşturarak hızlanır ya da yavaşlar.  Uzay-hava freni (İng: aerobraking) veya uzay-hava zaptı (İng: aerocapture) gibi özel yöntemler de bazen bu son yörüngesel düzetlme işlemi için kullanılırlar.
Güneş yelkeni gibi bazı uzayaracı itki yöntemleri  çok düşük ancak tükenmeyen itki sağlarlar; bu yöntemlerden birini kullanacak olan bir araç çok farklı bir hareket doğrultusu izleyecektir, ya aracı hareket yönünün tersine sürekli olarak hareket ettirerek Güneş'e olan uzaklığını azaltacak ya da aracı sürekli olarak hareket yönüne doğru hareket ettirerek Güneş'e olan uzaklığını artıracaktır. Bu yöntem Japon IKAROS (İng: IKAROS) güneş yelkeni uzayaracı ile başarılı bir şekilde test edilmiştir.
Yıldızlararası yolculuk için kullanılacak olan uzayaraçları da bir itki sistemine ihtiyaç duyacaklardır. Şimdiye kadar böyle bir uzayaracı daha üretilmedi, ancak pek çok farklı tasarım üzerinde durulmuştur. Yıldızlarası arası uzaklık çok muazzam derecede büyük olduğundan, uzayaracının hedefine makul bir süre zarfında varabilmesi için çok yüksek hızlara çıkarılması gerekmektedir.  Fırlatılış sırasında bu kadar yüksek hızlara erişip hedefe varışta bu hızdan kurtulmak için gerekli tasarımı oluşturabilmek, uzayaracı tasarımcıları için zorlayıcı bir çalışma olacaktır.

Etkililik

Uzayda, itki sisteminin amacı bir uzay aracının hızını (v) değiştirmektir. Bu daha büyük uzay araçları için daha zor olduğundan, tasarımcılar genelde momentumu (mv, külte*hız) tartışırlar. Momentum'daki  değişiklik  miktarına itme (İng:impulse) denir. Bu yüzden, uzaydaki bir itki (İng:propulsion) sisteminin amacı  itme (İng:impulse) oluşturmaktır.
Bir uzayaracı Dünya'dan fırlatılırken; bir itki sistemi, net bir ivmelenme sağlamak üzere, yerçekimi sürüklemesini (İng:gravitational pull) aşmalıdır.
Yörüngede,   fazladan herhangi bir ivmelenme miktarı, çok küçük olsa bile, yörüngenin yolunun değişmesine ve sonuç olarak aracın yörüngesinin değişmesine yol açacaktır.
Hızın değişim miktarına ivme denir, ve momentum'un değişim miktarı ise kuvvet olarak adlandırılır.  Hedeflenen bir hıza ulaşmak için, küçük miktardaki bir ivme uzun bir zaman aralığında uygulanabilir, ya da büyük miktardaki bir ivme  kısa bir zaman aralığında uygulanabilir.  Benzer bir şekilde  hedeflenen ivmeye ulaşmak için büyük miktardaki bir kuvvet kısa bir zaman aralığında uygulanabilir ya da küçük miktardaki bir kuvvet uzun bir zaman aralığında uygulanabilir. Bu da demek oluyor ki uzayda yer-yön değişimi sırasında, küçük miktarda ivme oluşturan ancak uzun süre çalışan bir itki yöntemi, büyük miktarda ivme üreten ve kısa süre çalışan bir itki yöntemi ile , toplamda, aynı itmeyi üretir.  Ancak bir gezegenin yüzeyinden fırlatma yapılırken, küçük ivmeler gezegenin yerçekimi sürüklemesini aşamazlar ve dolayısıyla bu amaçla kullanılamazlar.
Dünyanın yüzeyi, bir  yerçekimi kuyusunun oldukça derininde yer almaktadır. Dünya yüzeyindeyken bu alandan çıkabilmek gereken kurtulma hızı 11.2 kilometre/saniye değerindedir. İnsan oğlu, 1g (9.8 m/s²)'lik bir yerçekimsel alanda evrildiği için ideal bir itki sistemi,  sürekli olarak 1g değerinde ivmelenme sağlayan bir sistem olacaktır (ancak insan vücudu kısa sürelerle çok daha büyük ivmelenmelere dayanabilmektedir). Böyle bir itki sistemine sahip olan bir uzay gemisindeki kişiler,  serbest düşme'nin bulantı, kasların zayıflaması, tat yitimi, ve kalsiyumun kemiklerden kaybedilmesi (İng: leaching) gibi  kötü etkilerine maruz kalmazlar.
Momentumun korunumu yasasına göre, bir itki yönteminin uzayaracının momentumunu değiştirebilmesi için başka bir nesnenin de momentumunu değiştirmesi gerekmektedir. Birkaç tasarım  manyetik alan ya da ışık baskısı (İng:light pressure) gibi şeylerden yararlanarak uzayaracının momentumunu değiştirir, ancak boş uzaydayken roketin kenidisini ileriye itebilmesi için yanında, atabileceği ya da itki sisteminde kullanabileceği, belirli bir miktar kütle getirmesi gerekmektedir . Bu kütleye tepki kütlesi (İng: reaction mass) denir.
Bir roketin çalışabilmesi için iki şeye ihtiyaç vardır: tepki kütlesi ve enerji.  "m" miktarındaki tepki kütlesinin parçacığının "v" hızında fırlatılmasıyla elde edilen itkinin değeri  "mv" kadardır. Ancak bu parçacığın fırlatıldıktan sonra  mv²/2 değerinde kinetik enerjisi olacaktır, dolayısıyla bu enerji bir yerden gelmelidir. Tipik bir katı, sıvı, ya da hibrit (İng: hybrid rocket) rokette, yakıt yakılırak enerji elde edilir, ve tepkime sonucu üretilen maddelerin  tepki kütlesi olarak arka taraftan akıp çıkmaları sağlanır. Bir  iyon iticisinde (İng: ion thruster), iyonları arkadan çıkacak şekilde ivmelendirmek için elektrik kullanılır. Burada başka bir kaynaktan elektrik enerjisinin elde edilmesi gerekir (örneğin güneş paneli ya da  nükleer reaktör). İyonlar ise tepki kütlesini teşkil ederler.
Bir itki sisteminin verimini tartışırken, sistemin tasarımcıları sıklıkla tepki kültesinin verimli kullanılması üzerinde yoğunlaşırlar. Tepki kütlesi roket ile birlikte taşınmalı ve kullanldığında geri dönemez şekilde tüketilmelidir. Belirli bir miktar tepki kütlesinden ne kadar itme üretildiğini anlamanın bir yolu  özgül itici kuvvettir. Bu değer dünyadaki-ağırlık birimi başına itme değerine denk gelir(genellikle  olarak gösterilir). Bu değerin birimi saniyedir. Çünkü uzaydaki araçlar hakkında tartışırken tepki kültesinin Dünyadaki ağırlığı önemsizdir, özgül itici kuvvet ayrıca birim kütle başına itme miktarı olarak da değerlendirilir.  Özgül itici kuvvetin bu alternatif biçimi hız ile aynı birimi (m/s) kullanır, ve gerçekte motorun [kullanılmış yakıtının motordan] etkin çıkış hızına eşittir (genellikle  olarak gösterilir). Karışıklığa neden olacak şekilde, her iki değer de bazen  özgül itici kuvvet olarak adlandırılır.  İki değer arasında gₙ (İng: standard gravity) kat kadar fark vardır ve standart yerçekimi yüzünden oluşan ivmelenme olan 9.80665 m/s² () değerine denk gelir.
Yüksek bir "motordan-gaz-çıkış hızı"na sahip olan bir roket aynı itme değerine daha az tepki kütlesiyle erişebilir.  Ancak itme için gerekli olan enerji motordan-gaz-çıkış hızı ile doğru orantılıdır, dolayısıyla  kütleyi daha verimli işleyen motorların daha çok enerjiye ihtyacı vardır ve genellikle enerjiyi daha az verimli kullanırlar.  Eğer motorun çok büyük miktarda itki üretmesi gerekiyorsa bu durum bir problem teşkil edecektir. Saniye başına büyük miktarda itme üretebilmek için, saniye başına büyük miktarda enerji kullanılmalıdır. Böylece kütleyi yüksek verimlilikle işleyebilen motorlar yüksek miktarlarda itki üretmek için saniye başına muazzam miktarlarda enerjiye ihtiyaç duyacaklardır. Sonuç olarak kütleyi yüksek verimlilikle işleyebilen motor tasarımlarının çoğu da, yüksek miktarlarda enerjinin bulunamaması sebebiyle, düşük miktarda itki sağlarlar.

Yöntemler

İtki yöntemleri, tepki kütlesini ivmelendirme yöntemlerine göre sınıflandırılabilirler.  Ayrıca fırlatmalar, gezegene varışlar ve inişler için özel yöntemler de bulunmaktadır.

İç tepki kütlesiz manevra

(İng: Zero-propellant maneuver)
Momentum'un korunum yasası genellikle, tepki kütlesi kullanmayan herhangi bir motorun uzay gemisinin kütle merkezini ivmelendiremeyeceğini (diğer taraftan konumlamanın/doğrultunun değiştirilebilmesi ise mümkündür) belirtir. Ancak uzay, özellikle de Güneş Sistemi'nin içindeki uzay boş değildir; bu alanda yerçekimi alanları, manyetik alanlar, elektromanyetik dalgalar, güneş rüzgârı ve güneş radyasyonu mevcuttur. Özellike elektromanyetik (EM) dalgaların, kütlesiz olmalarına rağmen, momentuma sahip oldukları bilinmektedir; özellikle EM dalganın "P" ile gösterilen momentum akı yoğunluğu (momentum flux density)  nicel olarak, "S" ile gösterilen Poynting vektörünün 1/c katıdır, örn: P = S/c, burada c ışık hızıdır. Alan itki (İng: Field propulsion) yöntemleri tepki kütlesi kullanmadıkları için, aracın yakınlarında bulunan EM dalgası gibi momentuma sahip bir alanla eşleşerek/alanı kullanarak bu durumdan faydalanmaya çalışır. Ancak bu tür olguların/oluşumların çoğu doğada dağınık halde olduğundan, bununla alakalı olan (örn. EM dalgasını yakalayan) itki yapılarının orantılı olarak büyük olması gerekir.
İşlemesi için çok az yakıt kullanan ya da hiç yakıta ihtiyacı olmayan çeşitli uzay itki sistemi bulunmaktadır. Bir kablo itki sistemi (ing: tether propulsion), yüksek gerilme direnci sahip bir kablo yardımıyla uzay aracını yörüngesini, örneğin gezegenin manyetik alanıyla etkileşerek ya da  başka bir nesne ile momentum takas ederek,  değiştirmektedir. Güneş yelkenleri, elektromanyetik enerjiden kaynaklanan ışınım basıncından faydalanırla, ancak verimli bir şekidle işleyebilmeleri için büyük bir toplama yüzeyine sahip olmaları gerekmektedir.  Manyetik yelkenli (ing: magnetic sail), güneş rüzgârındaki yüklü parçaçıkları, bir manyetik alan ile saptırırak uzayaracına momentum kazandırır. Bunun bir çeşidi olan mini-manyetosferik plazma itki sistemi, manyetik alan içerisinde küçük bir plazma bulutu tutarak Güneşten gelen yüklü parçacıkları bu plazma bulutundan saptırır. elektrik yelkeni (ing: E-sail) ise çok ince ve çok hafif tellerde tuttuğu elektrik yükü ile güneş gelen yüklü parçacıkları saptırarak hareketin yönü üzerinde daha çok hakimiyet sağlayabileceği düşünülen bir sistemdir.
Tasarım kanıtı olarak, NanoSail-D Dünya yörüngesine dönen ilk nanouydu olmuştur. Bu tür küçük uydulları gelecekteki yörünge uyduları arasına katma planları yapılmaktadır, böylece onlara ihtiyaç kalmaması durumunda yörüngeden çıkarılarak atmosferde yanmaları sağlanabilecektir. Cubesail ADY'de güneş yelkeninin kullanılacağı ve bir güneş yelkeni ile tüm üç eksende de yönelim denetimi/yönetimi yapılacak olan ilk görev olacaktır.
Japanyo da kendi geliştirdiği ve güneş yelkeni ile güç sağlanan IKAROS  adlı uzay aracını 2010 Mayıs ayında fırlatmıştır. IKAROS bu yöntemle itki ve yönelim işlevlerinin başarılı bir şekilde yapılabildğini ispat etmişti ve bugün hala görevine devam etmektedir.
Bir uydu ya da başka bir uzay aracı açısal momentumun korunumu yasasına tabiidir, bu da kütlenin açısal hızında net bir değişim olmasını engeller. Dolayısıyla, bir aracın göreli konumlanmasını (İng: relative orientation) tepki kütlesi harcamaksızın değiştirmek için, aracın başka bir parçası hedeflenenin tersi yönde dönebilir (İng:rotate).  Korunumcu olmayan (non-conservative) dış kuvvetler, öncelikle yerçekimi ve atmosfer kaynaklı kuvvetler, günde birkaç dereceye kadar açısal momentuma katkıda bulunabilirler, bu yüzden ikincil sistemler istenmeyen  ve zamanla biriken dönüşsel (rotational) enerjiyi dağıtırlar. Bu nedenle, pek çok uzay aracı, uzaydaki konumlanmayı yönetebilmek için  tepki tekerleği/tepki çarkı (İng: Reaction wheel) veya kontrol moment jiroskopu (İng: control moment gyroscopes)   kullanmaktadır.
Yerçekimsel sapan, bir uzay sondasını tepki kütlesi harmacadan diğer hedeflerine ulaştırabilmektedir. Diğer göksel cisimlerin yerçekimsel enerjilerini kullanarak, uzay aracı kinetik enerji kazanabilir. Ancak, daha da çok enerji, roketlerin kullanılması koşuluyla  'yerçekimsel yardım' (İng: gravity assist) yöntemiyle elde edilebilir.

Test etme

Uzay aracı itki sistemleri genellikle önce Dünya yüzeyinde, atmosferin içerisinde durgun olarak test edilirler, ancak pek çok sistemin tam olarak test edilebilmesi için bir vakum odasına ihtiyaç duyulmaktadır. Roketler genellikle, güvenlik sebebiyle yerleşim yerlerinden ve diğer binalardan oldukça uzakta kurulmuş olan roket motoru test tesislerinde (İng: rocket engine test facility)  test edilirler. iyon iticileri (İng: ion thruster) çok daha az tehlikelidirler ve çok daha az sıkı güvenlik önlemleri ile genellikle büyükçe vakum odaları gerektirirler.

Bazı sistemler yerde yeterli bir şekilde test edilemeyebilirler ve test fırlatmaları  roket fırlatma sahalarında gerçekleştirilebilir. .