Ataletsel Seyrüsefer
E. F. von Arx ve Ken Brigham
Sperry Gyroscope Co., Sperry Rand Bölümü
Great Neck, New York
I. E. F. von Arx tarafından
Birkaç ay önce Sperry Gyroscope Company, uzun menzilli füzelerde, atom gemilerinde, atom denizaltılarında ve hem insanlı hem de insansız süpersonik uçaklarda ataletsel ilkelere dayalı seyrüsefer için yeni ve son derece hassas bileşenleri fiilen üretmekte olduğunu açıkladı. Askerî gereksinimleri öngörerek gönüllü bir adım atan şirket, geniş tesis alanlarını ve yöntemlerini tamamen yeniden tasarladı ve ataletsel “platformların”, uçuş kumandalarının ve otomatik silahların doğruluğunu güvence altına almak için yeni aşırı duyarlı test aygıtları geliştirdi.
Gerekli doğruluk ve sağlamlıkla, aşırı hassasiyetli “yüzer” jiroskopların seri üretim esasına göre imalatı, bu büyük üretim değişimini gerçekleştirmek için birkaç yıllık planlama ve çaba gerektirdi.
Ataletsel seyrüsefer alanında çalışan mühendisler, deyim yerindeyse “kara kutu”ya çok yaklaşmaktadır. Tamamen kendi içinde kapalı ataletsel seyrüsefer cihazları yapılmakta ve insanlı uçaklarda ve füzelerde uygulanmaktadır. Bu aygıtlarla, yeryüzü üzerinde hareket eden bir aracın enlem ve boylamını bilmek için artık yıldızları gözlemlemek ya da elektromanyetik enerji göndermek veya almak gerekli değildir. Bu ilerlemeler, uzun zamandır bilinen bir fiziksel ilkenin, bazı yeni bileşen geliştirmelerinin ve geri beslemeli kontrol tekniklerinin uygulanmasının birleştirilmesiyle mümkün olmuştur.
Schuler Sarkacı
İlgili temel fiziksel ilke, ilk kez Alman uygulamalı mekanik profesörü Dr. M. Schuler tarafından öne sürülmüştür. Schuler, uzunluğu dünyanın yarıçapına eşit olan bir sarkacın askı noktasının, sarkaç kütlesini etkilemeden hareket ettirilebileceğini belirtmiştir. İlk bakışta bu, ilginç fakat pratik olmayan bir bilgi gibi görünebilir; çünkü böyle bir fiziksel aygıt mümkün değildir. Ancak bu ilke, ataletsel seyrüseferin anahtarıdır.
Uygun geri beslemelerle, mafsallı bir yapı üzerinde monte edilmiş jiroskoplar ve ivmeölçerlerden oluşan bir sistem, pratik olarak böyle bir sarkacı temsil edecek şekilde düzenlenebilir. Böyle bir sistemde, yerel düşeye dikliğini koruyan ve taşıyıcı aracın hareketlerinden etkilenmeyen bir platform oluşturulur. Bu platform üzerine monte edilmiş bir ivmeölçer, mevcut konumun sürekli bir göstergesini verecek temel verileri biriktirebilir.
Hassas Bileşenler
Böyle bir sistemi oluşturan elemanların çok hassas olması son derece önemlidir; çünkü küçük bileşen hataları bile makul bir süre sonunda büyük sistem hatalarına yol açacaktır. Bu nedenle, başarılı bir ataletsel seyrüsefer cihazının anahtarı bileşen doğruluğudur. Genel olarak, asgari doğruluk gereksinimleri analog hesaplama alanındaki mevcut tekniğin sınırlarını zorlamaktadır; bu nedenle gelecekteki sistemlerin sayısal teknikleri kullanacağı görülmektedir.
Tüm bileşen doğrulukları önemlidir; ancak en kritik olanlar şunlardır:
- Jiroskoplar
- İvmeölçerler
- İntegratörler
- Çözücüler
Ataletsel seyrüsefer için jiroskoplardan istenen en önemli özellikler, düşük sürüklenme hızı ve yüksek torklayıcı doğrusallığıdır. Düşük sürüklenme hızlarını sağlamak için en yaygın kullanılan teknik, jiroskop çark düzeninin hermetik olarak kapatılması ve muhafazanın yüzdürülmesidir. Torklayıcının elektromekanik tasarımı da büyük ilgi görmektedir. Saat başına derecenin küçük kesirleri mertebesinde rastgele sürüklenme hızları elde edilmektedir.
Bir ivmeölçer çok doğrusal olmalı ve çok küçük ivme farklarını algılayabilmelidir. Birçoğu saf ivme çıktıları, hız çıktıları veya yer değiştirme çıktıları veren pek çok yeni tasarım geliştirilmiş ve geliştirilmektedir. Tasarım ilkeleri farklılık gösterir; ancak en yaygın kullanılanlar sarkaç ve jiroskopik ilkelerdir. Yüzde birin küçük kesirleri mertebesinde doğrusallık elde edilmekte ve yataydan saniyeler mertebesinde bir açıya karşılık gelen ivmeler pratik hale gelmektedir.
Hesaplama
Kullanılan ivmeölçere bağlı olarak, ataletsel seyrüsefer cihazında bir veya daha fazla entegrasyon gerekebilir. En yaygın kullanılan teknik, doğruluğunu kullanılan takometreye borçlu olan bir hız servomekanizmasıdır. Burada da yüzde birin küçük kesirleri mertebesinde doğruluk gereklidir ve elde edilmektedir.
Bu sistemlerde elde edilen temel bilgiler çoğu zaman bir koordinat sisteminden diğerine aktarılmalıdır; bunlar düzlemsel üçgen problemleridir. Ayrıca, yeryüzü üzerinde seyrüsefer küresel üçgen problemlerine yol açar. Bunların her ikisi de çözümleri için çözücüler gerektirir. Hassas çözücülerde pek çok yeni geliştirmeye ihtiyaç vardır ve yine yüzde birin küçük kesirleri mertebesinde doğruluk elde edilmiştir.
Sistem bir bütün olarak geri beslemeli kontrol tasarımı problemidir. Son savaş sırasında ve sonrasında geniş biçimde incelenen ve kullanıma alınan servomekanizma teknikleri, Schuler’in fiziksel ilkesinin pratiğe aktarılmasını, bu kuramın gereksinimini tanımlamaya yardımcı olduğu yeni geliştirilmiş bileşenler kullanılarak mümkün kılmıştır. Fiilen kullanılan sistemler, nihai ataletsel seyrüsefer cihazının en son gereksinimlerini henüz karşılamasa da, problem tanımlanmış, endüstri çalışmaktadır ve hedef ulaşılabilir durumdadır.
II. Ken Brigham tarafından
Ataletsel ilkelere dayalı otomatik seyrüsefer için gelecekteki sistemlerin birçoğu, sabit bir uzay referansı görevi gören ve diğer algılayıcılar ile bilgisayarların, yeryüzünün herhangi bir yerindeki tam bir varış noktasına, istenen herhangi bir rota üzerinde otomatik yön kontrolü sağlamasına olanak tanıyan temel bir “jiroskop platformu”na ya da “stabil tabla”ya dayanır.
Tozsuz koşullar altında ataletsel seyrüsefer aygıtları üreten Sperry Gyroscope çalışanları.
Uzun menzilli doğruluk için stabil platformun kilit unsurları, başlangıçta Massachusetts Institute of Technology bünyesindeki Instrumentation Laboratory tarafından, Dr. Charles S. Draper’ın yönetiminde, tüm ABD askerî hizmetleri için geliştirilen özel tip ve boyutlarda aşırı hassas “yüzer” jiroskoplardır.
MIT yüzer jiroskoplarını kullanan bazı platform sistemlerinin, uzun menzilli füzeler, gemiler ve uçaklar için çalışma ilkeleri askerî bilim insanları tarafından iyi bilinmektedir. Ancak bu yüksek hassasiyetli jiroskopların, gerekli doğruluk ve sağlamlıkla seri üretim esasına göre imalatı, birkaç yıllık planlama ve çaba gerektirmiştir.
Tozsuz Üretim
Bugün, Sperry Gyroscope Co.’nun bazı tesislerinde camla çevrili alanlarda, çalışanlar, yerin altındaki sismik bloklar üzerine monte edilmiş 3 tonluk bir aygıtla, bir sivrisineğin ağırlığının bile kadranı çalışma ölçeğinin ötesine döndürebileceği kadar küçük sürtünme kuvvetlerini ölçmektedir.
Hastanelerdeki cerrahi kadar antiseptik olan kapalı odalarda, özenle seçilmiş çalışanlar baştan ayağa özel naylon önlükler, başlıklar ve çizmeler giymektedir. Bu giysiler, bu çalışanların 45 kat büyütmeli mikroskoplar altında birleştirdikleri jiroskop ve ivmeölçerlerin ultra duyarlı elemanlarına mikroskobik tozların, giysi tüylerinin vb. ulaşmasını engeller. Kritik bir yatak üzerindeki görünmez bir kepek taneciği bile, 5.000 millik ataletsel olarak yönlendirilen bir yolculuk ya da uçuşun sonunda birkaç millik bir hataya neden olabilir.
Bu odalarda kâğıda izin verilmez; hatta planlar bile içeri alınmadan önce plastik levhalara aktarılır. Ziyaretçilere, toz geçirmez kıyafet olmaksızın içeri girme izni verilmez. Tek giriş, her kişinin gerekli üniformayı giymeden önce ve sonra güçlü bir hava püskürtmesiyle tozdan arındırıldığı bir hava kilidi odasındandır. Sigara içmek ya da yüz pudrası kullanmak, mikroskobik hataların aşındırıcı kaynakları olarak eşit derecede yasaktır.
Bu bilinçli olarak dağıtılmış ataletsel tesis alanlarının kritik bölümleri, sıcaklık ve nem açısından bilimsel olarak denetlenmektedir. Hava, olağanüstü bir düzeyde filtrelenerek 0,3 mikrondan, yani inçin on iki milyonda birinden büyük tüm toz parçacıkları giderilmektedir. Bu işlem, ticaret rüzgârlarının ve jet akımlarının taşıyarak dünyanın her yanına çöktürdüğü birçok bakteri organizmasını, hatta algılanabilir volkanik kül ve meteorit tozu izlerini bile süzer.
Yeni Ataletsel Aygıtlar
Bu tür ultra hassas aygıtları kullanmak üzere eğitilmiş çok sayıda hava ve yüzey silah sistemleri ustası halihazırda mevcutken, diğer yeni ataletsel aygıtlar da üretilmektedir; bunlar arasında, Sperry’nin yakın tarihli bir geliştirmesi olan, tamamen yeni türde sağlam ve yüksek doğruluklu ivmeölçerler bulunmaktadır. Bu minyatür, aşırı duyarlı aygıtlar, uçaklar ve roketler için şu anda planlanan tüm “g-yükü” aralığını kapsayabilecek yetenekte olduklarını kanıtlamaktadır. Böylece çeşitli güdümlü füzelerin uçuş hattındaki hareketi algılamak için birincil aygıtlar haline gelebilirler.
[Lütfen sayfa 10’a bakınız]
[7. sayfadan devam]
Karşılanması Gereken Gereksinimler
Yeni ataletsel bileşenlerin üretilmesi için yapılan fabrika hazırlıklarının karmaşık doğası, neredeyse hayal ürünü denebilecek performans gereksinimleri ışığında daha iyi anlaşılabilir. Bu “stabil platformların”, açısal sapmaları o kadar küçük ölçekte algılaması ve otomatik olarak denetlemesi beklenir ki, efsanevi Batılı keskin nişancının havadaki gümüş doları vurma numarası, yanında çocuk oyuncağı gibi kalır.
Uzun menzilli füze güdümü, bir mil ötede bir on sentlik bozuk para kadar küçük açılarının tam olarak ölçülmesini gerektirir. Bunu yapabilmek için algılayıcı aygıtların, 100 mil ötede bir futbol topunun boyutuna ya da ay yüzeyindeki modern bir futbol stadyumunun alanına eşdeğer daha da ince hareketleri algılayabilmesi gerekir.
Bu doğrulukları, roket araçlarının aşırı sıcaklık aralıkları ve sarsıntıları boyunca ya da atom gemileri ve denizaltıların uzun deniz yolculukları süresince koruyabilmek, kritik algılama elemanlarının neredeyse kusursuz dengesinin “boyutsal kararlılık” ile, yani ışığın bir dalga boyunun çok küçük bir kesri içinde tutulmasını gerektirir.