Atâlet ile Seyrüsefer ve Denizaltılar
Perşembe, 13 Haziran 2019

Atalet seyrüseferini mümkün kılan ilk olgunlaşmış donanım 1940'ların başında Almanya'da geliştirilen ve tarihin ilk balistik füzesi olan, daha sonra V2 olarak adlandırılacak A4 roketi [Resim.1] üzerinde kullanılmıştır denilebilir. Böylece, mesela yan rüzgârların sebep olacağı uçuş rotasından sapmalar veya motorların düzensiz çalışmasından kaynaklanabilecek seyir hızı değişikliklerinin sebep olacağı etkilerin donanım tarafından otomatik olarak düzeltilebilmesi ve silahın herhangi bir dış müdahale olmadan hedefe ulaştırılabilmesi amaçlanıyordu.

Tabii füzeler için böyle bir atâlet güdümü geliştirebilmek bir günde mümkün olmadı. Yine Almanya'da, 1934'de bu amaçla gerçekleştirilen ilk teşebbüsler söz konusu teknolojinin geliştirilebilmesi yönünde atılmış bilinen ilk adımlardı. Bu doğrultuda güdüm için basit sayılabilecek bir jiroskop donanımının üzerine yerleştirildiği ilk roket de alman A2 oldu. Bunu 1937'de daha geliştirilmiş bir donanım ile dikey fırlatılan A3 ve sonra 1939'da üç jiroskop kullanan A5 izledi.

Alman A4 (V2) Roketinin Kesiti

Resim.1) Daha sonra V2 olarak adlandırılacak alman A4 roketinin boyuna kesiti ve atâlet seyrüsefer donanımının [kırmızı] yerleşimi, 1943 civarı.

Ve bütün bu ar-ge çalışmaları daha sonra V2 adıyla meşhur olacak A4 adlı silaha [Resim.1] ulaşılmasını sağladı. A4 için iki farklı güdüm sistemi geliştirilmişti. Bunlar ilki LEV-3 olarak adlandırılan donanımdır. LEV-3 iki serbest jiroskop, kumanda gerilimölçerleri, sarkaçlar, servo motorlar ve bağlantı bileşenlerinden meydana gelen bir düzen ihtiva ediyordu.

200km menzilde 5km dairevî hata ihtimâline sahip olan LEV-3 ile birlikte tasarlanan daha gelişmiş ikinci güdüm sistemi ise savaş sonrası dönemde geliştirilen atâlet seyrüsefer sistemlerinin atası sayılabilecek bir donanımdı. 3-eksende dengeli ve üç jiroskoplu, yaklaşık 50cm çapında ve 50kg ağırlığında olan bu cihaz gelişmiş ivmeöçerlere de sahipti, yine de hassasiyeti istenen seviyede değildi.

Torpiller üzerinde kullanılan erken dönem jiroskob ait patent resmi

Resim.2) Avusturyalı Ludwig Orby tarafından geliştirilen ve bilâhare Whitehead torpilleri üzerinde kullanılan erken dönem jiroskop tasarımına ait patent resmi, 1894.

Aslında jiroskopların bu tür amaçlarla kullanılmalarının tarihini, yukarıda bahsedilen ilk çalışmaların başlamasından yaklaşık yarım asır kadar öncesine götürmek gerekirdi. 19.yüzyılın ikinci yarısındaki ilk torpil tasarımcılarının ihtiyaç duyduğu seyir yeteneklerinin karşılanabilmesi de ancak jiroskop teknolojisinin [Resim.2] uyarlanmasıyla mümkün olabilmiştir ki yukarıda da bahsi geçen ve 1934'de bir A2 roketi üzerinde kullanılan ilk uçuş kumanda donanımının da söz konusu teknolojinin bir ürünü olduğu açıktır. Bununla birlikte jiroskoplar, atâlet seyrüsefer cihazları için ihtiyaç duyulan temel donanımlardan sadece biriydi...

Denizaltılara Doğru: SINS

İkinci Dünya Savaşı yıllarında, atâlet seyrüseferi için denizin diğer tarafında, ABD ve İngiltere'de de birkaç farklı ar-ge çalışması yürütülmekteydi. Bu çalışmaların temel amaçlarından biri bombardıman uçaklarının bilhassa gece yapılan uzun menzilli uçuşlarda hedeflerini daha kolay bulabilmesini sağlayacak seyrüsefer donanımları geliştirmekti.

Müttefik tarafında konunun en önemli ismi ise ABD kökenli mühendis ve bilimadamı Charles Stark Draper idi. Bununla birlikte diğer pek çok sahada olduğu gibi bu teknoloji açısından da alman tarafı daha ileri seviyedeydi. Savaş biter bitmez ABD istihbârâtı tarafından gerçekleştirilen meşhur "Paperclip Operasyonu" ile en önemli alman bilimadamı ve mühendislerin ciddi bir bölümünün (1.600 kişiden fazla!) ABD'ye götürülüp yerleştirilmesiyle gelişmeler hızlandı.

Füze konusunda çalışmak üzere ABD hizmetine alınan 105 alman uzman, 1940'ların ikinci yarısı.

Resim.3) Peenemünde tayfasından, Paperclip Operasyonu ile ABD hizmetine alınan 105 bilimadamı ve mühendisin 1940'ların ikinci yarısında çekilmiş bir fotoğrafı, kırmızı ile işaretli kişi Fritz Müller.

1945 itibarı ile MIT'in1 donanım laboratuvarında ABD Hava Kuvvetlerinin bombardıman uçakları için otomatik bir sistem geliştirmek üzerinde çalışan Draper ve arkadaşları, bilhassa Peenemünde merkezli olarak balistik füze teknolojileri üzerinde çalışan Wernher von Braun ve takımından seçilerek ABD'ye getirilen mühendis ve bilimadamlarının [Resim.3] verdiği değerli destekle kısa zamanda hızlı ilerlemeler elde ettiler ki bu sayfanın konusu ile alâkalı olarak, söz konusu önemli uzmanlardan biri de Fritz K. Müller idi.

Nihâyetinde, konuyla ilgili alman bilgi birikimi ve tecrübesi ile ABD'nin sağladığı adeta sınırsız maddi kaynaklar birleşince diğer pek çok sahada olduğu gibi ihtiyaç duyulan gelişmiş seyrüsefer donanımlarının geliştirilmesinde de kısa zamanda çok önemli ilerlemeler sağlandı ve 1953 itibârı ile ilk ürün olan; SPIRE2 olarak adlandırılmış hantal ve karmaşık cihaz, kıtalararası uçuş ile ilk kez denendiği bir B-29 üzerinde etkinliğini kanıtladı.

Bunun üzerine Draper'ın laboratuvarı donanma tarafından görevlendirilerek denizaltılar için SINS3 [Resim.1] adlı ilk Atâlet Seyrüsefer cihazının geliştirilmesine başlandı. 1958'de dünyanın ilk atom denizaltısı Nautilus, Kuzey Kutbu buzlarının altından geçtiği meşhur seyrini gerçekleştirdiğinde üzerinde ilk SINS'i de taşıyordu. Üstelik SINS'e ilâve olarak Nautilus tasarımı üzerinde de ciddi bir Paperclip katkısı mevcuttu.

Denizaltılar için geliştirilen ilk Atâlet Seyrüsefer Cihazı - SINS

Resim.4) Denizaltılar için ilk Atâlet Seyrüsefer Cihazının geliştirilmesi çalışması olan Proje SINS hakkında bir tanıtım belgesi, 1955

Elde edilen başarılı sonuçlar neticesinde Atâlet Seyrüsefer Cihazları bütün ABD denizaltıları yanından uzun menzilli stratejik bombardıman uçakları ve balistik füzelerinin çekirdek donanımları hâline geldi.

Bir zamanların yüzlerce kilo ağırlığındaki, milyonlarca dolara mâl olan karmaşık sistemleri, zaman içinde giderek küçülüp ucuzlayarak iyice yaygınlaştı, o kadar ki bugün hemen herkesin cep telefonunda da benzer donanımlar mevcuttur. Diğer taraftan geliştirilmiş bütün bu sistemlerin hassasiyetleri arasında, doğal olarak ciddi farklılıklar da vardır.

Atâlet Seyrüseferi Nedir?

İnsanoğlu, deniz üzerinde yol almaya başlamasından itibâren hedefe ulaşılabilmesi anlamındaki ihtiyaçlarını karşılayabilmek için çeşitli seyir yetenekleri geliştirmiştir ki bu doğrultuda beş temel seyrüsefer yönteminden bahsedebilmek mümkündür:

  1. Bunların ilki, kıyılardaki sabit doğal oluşumların kerterizi ile konumunu kestirmeye ve görerek seyir yapmaya dayanan "Kıyı Seyrüseferi" denebilecek ibtidâî çözümdür.

  2. Zamanla pusulanın, paraketenin ve saatin icâdı ile gidilen yön ve seyir hızına bağlı olarak alınan yol hesaplanabilir hâle geldiğinde açık denizlerde daha uzun mesafelere seyir, eğer doğru olarak icra edilirse uygulanabilir oldu. Bu yönteme "Hesâbî Seyrüsefer" veya "Parakete Seyrüseferi" denmektedir.

  3. Astronomi biliminde sağlanan ilerlemelere bağlı olarak önce usturlab ve devamında sekstant kullanılarak; güneş, ay, yıldızlar gibi bilinen gök cisimlerine bağlı olan "Gök Seyrüseferi" yönteminin geliştirilmesi ile açık denizler, hassas konumlama anlamında tamamen insanlara açılmış oldu.
    Fakat yeri gelmişken belirtmek gerekir ki Dünyanın bize göre öbür yüzünde, Pasifik sularında ve bilinen gök seyrüseferi tekniklerinin geliştirilmesinden çok uzun asırlar önce, Polinezya yerlileri de hiçbir cihaz kullanmadan ve son derece etkin bir şekilde, açık denizde gözle yıldız seyrüseferi yapabiliyordu!

  4. Devamında ise "Radyo Seyrüseferi" adlı bir yöntem geliştirildi. ABD tarafından kurulan, yedi ülkenin4 topraklarına yerleştirilmiş toplam 31 verici ile VLF bandında çalışarak küresel kapsama sağlayan ilk radyo seyrüsefer sistemi olan Omega'yı kısa süre içinde diğerleri izledi. En önemlileri olarak; Alfa5, Bras6, Chayka7, LORAN8. TACAN9 sayılabilir.
    Yukarıda sadece bir kısmının ismi sayılan, karadan yayın yapan bu radyo seyrüsefer sistemlerini zamanla havadan, daha doğrusu atmosfer dışından ve dünya yörüngesinden yayın yapan GNSS10 uyduları izlemeye başladı. ABD kökenli öncü sistem GPS'i11 sonra BeiDou (Çin), Galileo (Avrupa), GLONASS12 (Rusya), IRNSS13 (Hindistan), QZSS14 (Japonya) izledi...

  5. Aslında dördüncü başlık altındaki uygulamalar, sahip oldukları yeteneklerle kâğıt üzerinde pekçok seyir ihtiyacına karşı son derece etkin çözümler oluşturabilmiş durumdadır. Diğer taraftan söz konusu bu aktif sistemlerin bilhassa askeri ihtiyaçlar düşünüldüğünde ciddi bâzı zaafları da mevcuttur. İlâve olarak kullanılan sinyallerin15 sualtına yeterince nüfûz edememesi sebebiyle dalmış durumdaki denizaltılar tarafından kullanılabilmeleri mümkün değildir. Bu durumda sualtı araçları için ihtiyaç duyulan temel seyrüsefer yeteneğinin karşılanabilmesi için kullanılabilecek tek seçenek "Atâlet Seyrüseferi" adlı beşinci yöntem olarak elimizde kalmaktadır.

Tabii ki atalet seyrüseferi hâlen pek çok araç, donanım ve güdümlü silah sistemi için hâlâ ve dâima çok önemli bir çözümdür fakat asıl mevzumuz denizaltılar olduğu için burada meselenin sadece bu yönü ele alınacaktır.

Atâlet Seyrüsefer Sistemi Akış Şeması

V2 roketi ile başlayan, ilk kez Nautilus denizaltısı üzerinde sualtına inen atâlet seyrüsefer sistemlerinin çalışma düzeni hemen yukarıdaki resim üzerinde görüldüğü gibidir. Temel donanımlar jiroskoplar ve ivmeölçerlerdir. Bu cihazların sağladığı ölçümler de bir bilgisayar vasıtasıyla devamlı olarak kaydedilerek hesaplanır ve aracın hesaplanan konum, hız ve istikâmet bilgileri kullanıcıya sunulur.

Atâlet seyrüseferi çok-disiplinli bir uygulama sahasıdır; mühendislik yanında, fizik, matematik, jeoloji gibi temel bilimlerin doğrudan katkısı söz konusudur. Bu cihazlar tamamen pasif olarak çalıştıkları ve dış veri kaynaklarına ihtiyaç duymadığı için hem tam bağımsız, hem de örneğin GPS gibi sistemlerden farklı olarak dış müdahalelere ve karıştırmaya karşı bağışıktır.

Newton'un birinci kânununa göre; durağan bir cisim bu hâlini sürdürür, hareket eden bir cisim ise dengesini bozacak herhangi bir dış kuvvet etki etmedikçe hızını ve yönünü muhafaza eder. Başka bir ifâdeyle cisimler mevcut durumlarını korumaya eğilimlidir ve işte durağan veya hareketli olsun, durumlarını korumaya yönelik bu kararlılıklarına da "Atâlet" (Eylemsizlik) adı verilir.

Atâlet seyrüsefer sistemleri tamamen Newton mekaniğine uygun olarak işler ve hareket eşitlikleri ikinci derece diferansiyel denklemlerden ibârettir. Söz konusu denklemler en basit hâliyle tek boyuta indirgendiğinde aşağıdaki şekilde ifâde edilir:


$$ \Large x(t) = \int_{0}^{t} \int_{0}^{t} a_{x} dt\,dt = x_{0} + v_{x0}t + a_{x}t^{2} $$


Bir denizaltı için ise üç eksende altı serbestlik derecesi söz konusudur. Gemiler için kullanılan atalet seyrüsefer cihazları için ise iki eksen yeterlidir. Atâlet Seyrüsefer Cihazlarının (ASC) temel hata kaynakları; jiroskop ve ivmeölçer kusurları, başlangıç şartları sapmaları ve kullanılan yerçekimi modelinin yeterliliği olarak sıralanabilir. Yine de bu üçü içinde en yüksek etki oranı genellikle ilk maddeyi oluşturan donanımlara aittir.

Yerkürenin çekim kuvveti düzgün bir dağılım göstermez [Resim.6] ve oldukça karmaşık bir düzene sahiptir. ASC'nin yaptığı ivme ölçümlerinden yerel yerçekimi ivmesinin çıkartılması gerekli olduğundan hesaplamalarda bu düzeltmeyi yapabilmek için bir yeryüzü kütleçekim modeli kullanmak gereklidir.

Yeryüzü kütleçekimindeki sapmanın uydu vasıtasıyla elde edilen bir ölçümü

Resim.6) Yeryüzü kütleçekimindeki sapmanın uydu vasıtasıyla elde edilen bir ölçümü.[3]

ASC'lerin en önemli bileşeni jiroskoplardır. Bu cihazlar, yazının başında da bahsedildiği üzere tamamen mekanik düzenekler olarak ortaya çıkmış olmakla birlikte zaman içinde önemli gelişmeler de göstermiştir. Mevcut başlıca jiroskop teknolojilerini sıralamak gerekirse:

  1. Mekanik Jiroskoplar
  2. Optik Jiroskoplar
    1. Halka Lazer Jiroskoplar - RLG16 (~1975'den itibaren)
    2. Optik Elyaf Jiroskoplar - FOG17 (~1985'den itibaren)
      1. Girişmölçer Optik Elyaf Jiroskoplar - IFOG18
      2. Rezonant Optik Elyaf Jiroskoplar - RFOG19
      3. Soğutmalı Optik Elyaf Jiroskoplar - CFOG20
  3. Mikro Elektro-Mekanik Jiroskoplar - MEMS21 (~1995'den itibaren)

şeklinde bir dizilim elde edilebilir. Burada ismi geçmeyen daha farklı türde jiroskop teknolojileri mevcut olsa da bugün için denizaltı ASC'lerinde en yaygın kullanılan jiroskoplar RLG türündendir ve yakın dönemde FOG türevi cihazlara doğru kayma beklenmektedir. Ne kadar gelişmiş olursa olsun bütün ASC'ler kaçınılmaz olarak, zamanla orantılı bir şekilde artan hata oranlarına sahiptir. Fakat aynı teknolojiyle üretildikleri durumda dahi farklı cihaz tasarımları arasında ciddi hassasiyet farklılıkları mevcut olabilmektedir.

En büyük hassasiyete sahip ASC'ler balistik füze taşıyan denizaltılar üzerinde bulunur ki bu durumun harekât ihtiyaçlarından kaynaklanan mantıklı sebepleri mevcuttur. Sistem hassasiyeti üzerinde maliyet ve boyut gibi değişkenlerin de doğrudan etkisi olduğu için konvansiyonel denizaltılara doğru gidildikçe hassasiyet azalır.

Bu durumu sayılarla ifâde etmek gerekirse, atom denizaltılarında kullanılan en hassas Atâlet Seyrüsefer Cihazlarının sapma oranları 0,3dnm/24saat olarak beyan edilmektedir. Mesela Türk Donanmasının elindeki en hassas ASC (ki tanımlaması yazının son bölümünde mevcuttur) için ise aynı oran 3dnm/24saat [8] mertebesindedir, diğer taraftan 10 kat daha iyi konum hassasiyetine sahip olan ilk sistemin fiyatı bizimkinin 10 katı civarındadır.

Son Bölüm ve Gür Sınıfı ve Belki Reis Sınıfı(?)

Bu yazıyı yazarken Türk denizaltıları için mevcut durum nedir diye bir soru da akla takıldı. Deccâl'in kutsal kitabı olan Sosyal Medya da sadece dakikalar içinde hemen cevabını verdi. Kitabın kaçıncı sayfasında yazdığını sormayın, biraz sonra gelecek anahtar kelimelerle siz de kolayca bulabilirsiniz...

Arama motoru önce adeta bütün özgeçmişini herkese sunan bir kişinin verilerini önüme getirdi ve buradan anlaşıldı ki denizaltı filomuz içindeki mevcut en yeni gemiler (Gür Sınıfı) üzerinde PL41 sınıfı cihazlar kullanılıyormuş! İkinci bir şahsi genelağ sitesinde ise bu cihazların Kasım 1997'de Türk Deniz Kuvvetlerine teslim edildiği bilgisinin yanında ilgi çekici sayılabilecek bir ayrıntı daha bulundu: Almanya merkezli Northrop Grumman LITEF [8] tarafından geliştirilen "Halka Lazer Jiroskop" (RLG) temelli ilk ASC olan bu PL41'in ilk müşterisi Türkiye olmuş. Şaşırtıcı mı, değil, yeni geliştirilen alman askeri ürünlerinin ilk müşterisi olma gibi bir huyumuz var ve bu alanda tek rakibimiz Yunanistan ;)

Üçüncü bir sitede [9] de italyan Tip212'leri üzerinde de kullanılan bu cihazın "PL41 Mk4 mod1" tanımlamalı son sürümünün; kdv dahil 485.370 avroya satıldığını görebilmek mümkün oldu, uygun bir tekneniz varsa hiç düşünmeyin. Aselsan'ın bu hassasiyet seviyesinde bir ASC üretmediği göz önüne alınırsa muhtemelen inşa edilmekte olan Reis Sınıfı araçlar üzerinde de bir çift PL41 Mk4 mod1 kullanılacağı tahmin edilebilir.

Bu kadar lâkırdıya rağmen aslında hâla asıl mevzuya gelemedik iyi mi! Bu sadece giriş bölümüydü, gerisi artık bir daha ki sefere kalsın...

♦ Açıklamalar

1. MIT: Massachusetts Institute of Technology [geri]
2. SPIRE: -SPace Inertial Reference Equipment- tanımlamasında kısaltma. [geri]
3. SINS: -Submarine Inertial Navigation System- (Denizaltı Atâlet Seyrüsefer Sistemi) tanımlamasından kısaltma. [geri]
4. ABD dışında Omega vericilerinin yerleştirildiği ülkeler: Arjantin, Avustralya, Fransa, Japonya, Liberya ve Norveç'tir. [geri]
5. Alfa: VLF bandında çalışan Sovyet/Rus radyo-seyrüsefer sistemi. [geri]
6. Bras: Bir Sovyet radyo-seyrüsefer sistemi. [geri]
7. Chayka: UHF bandında çalışan LORAN-C benzeri Sovyet/Rus radyo-seyrüsefer sistemi. [geri]
8. LORAN: "LOng RAnge Navigation" tanımlamasından kısaltılmış UHF bandında çalışan ABD kökenli radyo-seyrüsefer sistemi. A ,B, C vs. gibi farklı birkaç türevi mevcuttur. [geri]
9. TACAN: "TACtical Air Navigation" tanımlamasından kısaltılmış, UHF bandında çalışan, ABD kökenli ve askeri amaçlı radyo-seyrüsefer sistemi. [geri]
10. GNSS: "Global Navigation Satellite Systems" (Küresel Seyrüsefer Uydu Sistemleri) tanımlamasından kısaltılmış bu genel ifâde bütün seyrüsefer uydu yerleşimlerini kapsamaktadır. [geri]
11. GPS: "Global Positioning Sytem" (Küresel Konumlama Sistemi) tanımlamasından kısaltma. [geri]
12. GLONASS: "GLObalnaya NAvigazionnaya Sputnikovaya Sistema" (Küresel Seyrüsefer Uydu Sistemi) tanımlamasından kısaltma. [geri]
13. IRNSS: "India Regional Navigation Satellite System" (Hint Bölgesel Seyrüsefer Uydu Sistemi) tanımlamasından kısaltma. [geri]
14. QZSS: "Quasi-Zenith Satellite System" tanımlamasından kısaltma. [geri]
15. VLF temelli sistemler hariç [geri]
16. RLG: Ring Laser Gyro [geri]
17. FOG: Fiber Optic Gyro [geri]
18. IFOG: Interferometric Fiber Optic Gyro [geri]
19. RFOG: Resonant Fiber Optic Gyro [geri]
20. CFOG: Cryogenically cooled Fiber Optic Gyro [geri]
21. MEMS: Micro Electro-Mechanical System [geri]

♦ Kaynaklar

1. Origins of Inertial Navigation, 1981, Charles Stark Draper
2. https://timeandnavigation.si.edu
3. https://earthobservatory.nasa.gov/images/3666/earths-gravity-field
4. A History of Inertial Guidance, 1963, Fritz K. Müller
5. https://history.msfc.nasa.gov/vonbraun/
6. 21st Century Inertial Navigation Systems - A Review of the Latest Technologies and Trends, 2017, Asıf İkbal
7. Inertial Navigation Sensors, 2010, Neil M. Barbour
8. https://northropgrumman.litef.com
9. http://www.maritimusboote.de/PL41-Mk4-Mod1-Inertial-Navigation-System-using-state-of-the-art-digital-Ring-Laser-Gyros-2/en
 
Telif Hakkı © 1997-2019 [uskudar.biz]
- sürüm 6.0.0 - Bütün Hakları Saklıdır.
Kullanım şartları için tıklayın!