Genel

Roketler Nasıl Çalışır?

Sosyal Medya Hesabında Paylaş

Günlük hayatta kullandığımız pek çok alet enerjisini motorlardan alıyor. Kimyasal enerjinin hareket enerjisine dönüştürüldüğü otomobil motoru ya da uçak motoru gibi geleneksel motorlarda üretilen enerji ile döndürülen çarklar aracın hareket etmesini sağlar. Roketlerde ise durum daha farklıdır. Otomobilinizin dönen tekerlekleri sayesinde otoyolda ilerleyebilirsiniz. Fakat roketlerin uzayda yol alırken üzerinde hareket ettikleri bir zemin yoktur. Dolayısıyla dairesel hareket yapan bir tekerlek ya da benzeri bir mekanizma ile uzayda yol alınamaz.

Roketlerin uzayda yol almasını sağlayan temel ilke Newton’un “her etkiye karşılık bir tepki vardır” ifadesi ile bilinen hareket yasasıdır. Kimyasal bir tepkime sonucunda roketten dışarıya atılan maddeler roketi kendi hareket yönlerinin tersi yönde iter. Bu da roketlerin yol almasını sağlar.

Roketlerde yakıt olarak kullanılan maddeler katı ya da sıvı olabilir. Sıvı yakıtların kullanıldığı roketlerde yakıt ve sıvı oksijen yanmanın gerçekleşeceği hazneye gönderilir. Yanma sonucunda oluşan gazın roketten çıkarken sebep olduğu itme ise roketi ivmelendirir.

Katı yakıtlar ise -tarihleri sıvı yakıtlara göre daha eski olmasına rağmen- yakılmaları dolayısıyla da roketin hızı istenildiği gibi kontrol edilemediği için sorunludur. Katı yakıtlar bir kez tepkimeye girmeye başladıktan sonra bir daha tepkimeyi durdurmak mümkün değildir. Bu sebeple katı yakıtlar daha çok roketin ihtiyacı olan ilk hızı sağladıktan sonra asıl roketten ayrılan destek roketlerinde kullanılır.

ROKETLERİN TEMEL ÇALIŞMA PRENSİBİ

İnsanoğlunun uzaya uzanan derin yolculuğunda, roketlerin yeri tartışılmazdır. Dışarıdan bakıldığında oldukça komplike gözüken yapıları, aslında hiç de karmaşık değildir. Roketlerin yapılması için oldukça ileri düzey fizik ve uzmanlık gerektiği düşünülmektedir, halbuki roketlerin çalışma sistemleri incelendiğinde, anlaşılması gayet basit temel fizik prensipleri karşımıza çıkar.

Roketler, temel olarak yer çekimi kuvvetinden kurtulmayı amaçlar. Bu sebeple bir roketin havalanması için yer çekiminden kurtulması gerekir. Eğer roket üzerine herhangi bir kuvvet etki etmezse, roket doğal olarak hareketsizlik durumunu korur. İşte burada devreye roket motoru girer. Motorun görevi rokete onu hareket ettirecek gücü sağlamaktır.

Roket motoru ise gücünü gazlardan alır.Bunun için roket yapımına uygun gazlar çok yüksek ısıyla ısıtılır.Bu ısıyla beraber gaz molekülleri hızlıca hareket etmeye başlar,gazın hareketi ile oluşan püskürtme etkisi bir kuvvet uygular ve bu güç de roketi hareket ettirir.

Roketin hareketsizlik durumundan hareketli duruma geçmesi pek de kolay şekilde gerçekleşmez.Örneğin arabanız dönen tekerlekleri sayesinde otoyolda rahatça ilerler veya bir tren,rayları geriye doğru iterek güç alır ve ilerler.Ancak roketin bu şekilde güç alacağı herhangi bir zemin yoktur.Bu nedenle roketler,uzaydaki hareketini Newton’ın “her etkiye karşı bir tepki vardır” ifadesi ile bilinen hareket yasası ile sağlar.

ROKET YAKITI NASIL SEÇİLİR?

Uzay araçlarında kullanılan yakıtların seçiminde önemli olan iki özellik vardır;birincisi yakıtın belirli bir miktarının uzay aracının momentumunda sebep olduğu değişimdir (momentum: Cisimlerin enerjisinden dolayı sahip olduğu harekete verilen isim). İkincisi ise yakıtın oluşturduğu itki kuvvetinin büyüklüğüdür.

İtki kuvvetinin büyüklüğü oldukça fazla önem teşkil eder. Çünkü roketin yer çekimine karşı koyabilecek kadar güçlü hareket etmesi gerekir. Bir roketin uydu yörüngesine oturabilmesi için 28.000 km, aynı roketin yer çekimi kuvvetinden kurtulması için de 40.000 km hıza ulaşması gerekir.

Aracın az yakıt harcaması ve ucuz olması için istenen hıza çok çabuk ulaşması gerekir. Fakat bu hız artışı(ivme) aracın içindeki araçlara ve insanlı araçlarda astronotlara zarar vermemesi için sınırlanır. Mesela insanın dayanabileceği ivme, yerçekimi ivmesinin 5 veya 6 katıdır. Yerçekiminin yedi katı olan bir ivmede kanın özgül ağırlığı yaklaşık demirin özgül ağırlığı kadar olur. Bu da insan organizması için dayanılmaz bir şeydir. Bunun zararından korunmak için astronot koltuğa sırtüstü yerleştirilir ve özel elbiseler giydirilir. Ani ivmeler de insan fizyolojisini etkileyen önemli bir faktördür.

Aynı zamanda yakıt seçiminde; yakıtın kararlılığı, kolay ve güvenli bir şekilde depolanması ve maliyeti de dikkate alınır. Roket yakıtları genel olarak ikiye ayrılır; sıvı roket yakıtları ve katı roket yakıtları. Sıvı yakıtların kullanıldığı roketlerde yakıt ve sıvı oksijen yanmanın gerçekleşeceği hazneye gönderilir. Yanma sonucunda oluşan gazın roketten çıkarken sebep olduğu itme ise roketi ivmelendirir.

Katı yakıtların geçmişi ise sıvı yakıtlara göre daha eskiye dayanır. Ancak çok tercih edilmezler. Bunun nedeni yakıldıklarında roketin hızının istenildiği gibi kontrol edilememesidir. Aynı zamanda katı yakıtların tepkimeye girdikten sonra bir daha durdurulması da mümkün değildir. Bu nedenle katı yakıtlar, daha çok roketin ihtiyacı olan ilk hızı sağladıktan sonra asıl roketten ayrılan destek roketlerinde kullanılır. Kullanılmadığı taktirde pek çok tehlikeye sebep olabilirler.

BİR ROKETİN BÖLÜMLERİ

Roketin en alt bölümünde, roketin ivmelenip kalkmasını sağlayan ve yakıt bitene kadar onu ileri fırlatan bir sistem bulunur. İkinci kademede bulunan motorlar belli bir seviyede devreye girdiğinde ilk bölüm roketten ayrılır, böylece roket gereksiz ağırlıkları uzaya taşımamış olur.

İnsan fizyolojisi bakımından karşılaşılan diğer bir problem beslenme ve solunumdur. Ağırlığın artmaması için götürülecek gıdalar ve ihtiyaç maddeleri hesaplanıp, özel olarak korunurlar. Solunum için lüzumlu oksijen şimdilik tüplerle sağlanmaktadır. Vücuttan atılan karbondioksitin güneş enerjisinden faydalanarak tekrar oksijen olarak kullanılır hale getirilmesi henüz mümkün değildir. Bunların yanında araca çarpabilecek meteorlar, radyasyon da birer problem teşkil ederler. Neticede insan fizyolojisine tesir eden çeşitli uzay şartlarını incelemek üzere geliştirilen uzay tıbbını pek çok problem beklemektedir.

Uzay araçlarının yerden fırlatılması, yer yörüngesinde dolaşması, yerçekiminden kurtulması, gezegenlere doğru gitmesi ve dünyaya geri dönmesi için takip edeceği yollar önceden bilgisayarlarla hesaplanır. Araç uzayda giderken, diğer gezegenler de hareketli olup, durumları değiştiğinden ve araç bunların değişik çekim kuvvetlerine maruz kaldığından, yol alırken sabit birreferans noktası bulamaz. Bunun için hiçbir dış referans noktasına ihtiyaç göstermeyen sadece atalet tesiriyle çalışan jiroskopik yön bulucularından faydalanılır (Bkz. Jiroskop). Jiroskoptan gelen sinyaller bilgisayarda değerlendirilerek küçük roket motorlarına kumanda edilmek suretiyle yönde lüzumlu düzeltmeler yapılır. İnsansız araçlarda yön bulmak diğer haberleşme işlemleri gibi radyo sinyalleriyle olmaktadır.

Araç dünyaya dönerken atmosfere yeryüzü ufuk düzlemine göre 5-7° açıyla girmesi lazımdır. Bu açının altına inilirse araç atmosferden çıkıp tekrar uzaya kaçabilir. Bu açıdan büyük açıyla girilirse sürtünme ısısı ve yerçekimi araca ve astronota zarar verebilir. Amerikalılar uzay gemilerini denize, Ruslar ise Sibirya’ya indirirler. Denizden helikopter ve gemilerle kurtarırlar. Bazı araçlar ise havada uçakla yakalanarak indirilir.

BİR ROKET İLE BİR UZAY MEKİĞİNİN FARKI NEDİR?

Roket ve uzay mekiği birbirinden çok ayrı şeylerdir. Roketler uzay mekikleri gibi değildir. Çoğunluğu bir defa kullanılır ve bundan dolayı da oldukça pahalıdırlar. Örneğin 2006 yılında, NASA insan keşif amaçlı olarak Constellation şirketine, Lockheed Martin Space Systems programına uzay aracı inşaatı için $6.100.000.000 ödeme yapmıştır. Uzay mekikleriyse daha kullanışlı ve maliyet bakımından daha sorunsuzdur, sadece yakıt atılır, diğer kısım dünyaya geri döner ve başka projelerde tekrar kullanılır. Ayrıca belirtmem gerekir ki aynı zamanda uzay mekikleri roketin üzerine yerleştirilen bir yüktür.

ROKET YAKITI OLARAK NE KULLANILIR?

Roket yakıtı olarak genellikle sıvı hidrojen kullanılır. Hidrojen hafiftir ama oldukça güçlüdür. Oksijenle tepkimeye girer ve açığa muazzam bir enerji çıkar. Ancak sorun şu ki, oksijen ve hidrojenin sıvı halde kalabilmesi için oldukça düşük sıcaklıklarda depolanması gerekir. Fakat düşük sıcaklık sağlandığı zaman da yakıt tankının kırılganlığı artar. Ayrıca hidrojenin tekrar buharlaşması mümkün olduğundan, her türlü ısı kaynağından uzak durulması gerekir.

YAKITTAN İSTENİLEN ÖZELLİKLER

Yanma hızının sabit olması
Yanma sırasında bölgesel patlamalar yapmaması
Özgün ısısının yüksek olması (1 gr yakıt yandığı zaman, daha çok kalori ısı verenin özgül ısısı daha yüksek olur)
Zehirli ve korrozif olmaması (Korrozyon: Bir metalin paslanarak zamanla parçalara ayrılıp dökülerek yok olma olayıdır. Buna sebep olan maddeler korrozif maddelerdir. Nem,tuz vb )
Buhar basıncının düşük olması (Katı yakıtlarda buhar basıncı çok düşüktür)
Donma noktasının alçak olması
Kolay elde edilmesi ve ucuz olması
Yakıtlar için kalite indeksi Q=gVe2 denklemiyle verilir. Burada Q kalite indeksi, g yakıtın yoğunluğu ve Ve ise ekzost hızıdır.

KATI YAKITLI ROKETLER

Bu roketlerin en güzel yani basit yapıda olmalarıdır. Genelde yakıt tankları bir tanedir. Roket basit olarak üç kısımdan oluşmaktadır. Birincisi yük (uydu veya patlayıcı), ikinci kısım yanıcı ve yakıcı maddenin bir arada bulunduğu tek bir yakıt tankı, üçüncü kısım ise eksoz. Genelde atmosfer içinde veya atmosferin üst kısımlarına yük taşımak amacıyla kullanılırlar. Yakıtın yanmasını sağlayan ve kontrol eden bir motor düzenekleri yoktur.

Askeri alanda en çok kullanılan roket türleridir. Hacim ve büyüklük bakımından sıvı yakıtlı roketlere nazaran çok küçük olabilirler. Askeriyede, omuz üzerinden tanklara ve uçaklara karşı kullanılan roketler bu tür yakıt kullanırlar. Bunların atmosfer içinde havanın direncinden dolayı rotalarından çıkmamaları için daha büyük kanatları vardır.

Katı yakıtlı roketlerde yanıcı ve yakıcı madde mümkün mertebede homojen olarak karıştırılarak birarada bulunmaktadır. Bu nedenle eğer karışım homojen olmazsa roketin yanma odasında ve eksoz çıkışında bölgesel patlamalar meydana getirmekte, bu nedenle roketin hızı düzenli olmamaktadır. En büyük avantajları ise itme gücünün yüksek olmasıdır. Sıvı yakıtlılardan iki kat daha büyük bir itme gücü sağlarlar. Eksoz ısıları çok yüksek olduğundan, yakıt tankı ve eksozun çok sağlam olması gerekir. Bazı roketlerde eksozu soğutan bazı ek düzenekler vardır. Roketin hızını ve yanma hızını kontrol eden bir düzenek yoktur. Ek düzeneklerin olmaması roketin yükünü azalttığı için bir yerde avantaj olarak kabul edilebilir.

Birçok katı yakıt olmasına rağmen aşağıda yazılı iki karışım tercih edilir:

Yanma hızı içine çeşitli maddeler katılarak azaltılmış nitrogliserin
Amonyum Nitratla karıştırılmış, sentetik lastik

Katı Yakıtlı Roketlerin Avantajları

Yakıtın ucuzluğu ve kolay elde edilmesi tercih nedenidir.

Kaldırma kuvvetleri ve hızları çok yüksektir. Bu nedenle askeri roketler genelde katı yakıtlıdırlar. Kısa sürede hedefe ulaşırlar, düşman füzeleri tarafından yakalanması ve düşürülmeleri zordur.

Amaca göre farklı büyüklüklerde imal edilebilirler (omuz üzerinden, uçaktan ve rampa kullanılarak atılabilecek büyüklüklerde olabilirler).

Öz itimleri 250-300 saniye dolayındadır. (Öz itim: Roket motorunun 1 saniyelik çalışması ile yakılan yakıtın bir pound (yaklaşık 0.5 kg) dan elde edilen itme kuvvetinin süresi)

Taşıdıkları yakıt, hedef yükün 20 katına kadar çıkabilir. Taşınmaları ve saklanmaları kolaydır. Her zaman ateşlemeye hazır durumda tutulabilirler. Yakıt yüksek basınç altında saklanır.

Yanma süreleri kısadır yüksek eksoz basıncı oluştururlar. Eksoz sıcaklıkları yaklaşık 3000 °C dir.

Genelde tek kademeli roketlerdir ve tek bir hedef yükü taşırlar.
İmal edilmeleri basit ve ucuzdur. Sadece yüksek sıcaklık ve basınca dayanıklı bir döküm ve uygun bir kaplamaya ihtiyaç duyarlar.

Eksoz soğutması ek bir düzenek gerektirmez. Grafit kullanılarak ısının absorblanması sağlanır.

Sıvı yakıtlı roketlere nazaran daha güvenlidirler.
Yanma basınçları 1000-2000 Newton’dur.

Parçalı roketlerin ilk ateşlenen kısımlarında ve kademeli roketlerin birinci bölümünde kullanılırlar.

Katı Yakıtlı Roketlerin Dezavantajları

Yanma hızı kontrol edilemediğinden, rokette birden fazla eksozt bulunur. Buda itme gücünden kayba neden olur.

Yakıt homojen olarak imal edilmediyse, yanma odasında ve eksozda tahribata ve hedef sapmasına yol açar (yakıt vana ve pompa sistemleri yoktur).

Roket ateşlendikten sonra durdurulamaz.

SIVI YAKITLI ROKETLER

Yakıt tankları iki kısımdan oluşan, büyük hacimli ve ağır roketlerdir. Roket gövdesinde yanıcı ve yalıcı sıvı tankları bulunurlar. Önce kullandıkları yakıtları görelim.

a) Yakıcılar

Nitrik asit HNO3
Nitrojen peroksit (azot peroksit) N2O4
Flor F2
Oksijen O2
Hidrojen H2

b) Yanıcılar

Sıvı Hidrojen
Kerosene (parafin oil) CH1.953
Hidrozin N2H4
Propan C3H8
Metan CH4
Hipergolik yakıtlar
MMH: monometilhidrozin
UDMH: antisimetrik dimetilhidrozin N2H2(CH3)2

Hidrojenperoksit kullanıldığı zaman platin bir katalizör yardımıyla hidrojen ve oksijene ayrıştırılır. Daha sonra yanma odasında yakılır. Kullanımı ve depo edilmesi zor bir yakıt olduğundan sınırlı bir kullanım alanı vardır. Uyduların küçük yörünge düzeltmelerinde kullanılır.

Hidrozin, genelde hidrojen ve azot karışımıdır. Uygun bir katalizör yardımıyla sıcak azot ve hidrojen birbirinden ayrılır. Daha sonra oksijen ve flor ilave edilerek yanma sağlanır. Bu yakıt genellikle Ay’a ve gezegenlere giden insansız uydularda yön değiştirmek ve yörüngeye yerleştirmek için kullanılır. Bazı Rus yapımı roketler ilk ateşlemede bu yakıtı kullanırlar.

Kerozen, Oksijen ve Hidrojen en çok kullanılan yakıtlardır. Bu yakıtı kullanan roketlerin en büyük sorunu H ve O’nin depolanma sorunudur. Depoda çok düşük sıcaklıklarda bulunmak zorundadırlar. Aksi takdirde hemen gaz haline geçerler. Depoda sıvı halde tutulurlar. Depoların yüksek basınca dayanıklı ve ısıya karşı iyi yalıtılmış olmaları gerekir.

Hipergolik yakıtlar ise, kaliteli olmalarına karşın zehirli ve korozen maddelerdir. Kademeli roketlerin ikinci ve üçüncü kısımlarında kullanılır. Neden ilk ateşlemede kullanılmazlar? Hipergolik yakıtlarda yanıcı ve yakıcı madde biraraya geldiğinde bir ateşleme tertibatına gerek kalmadan kendiliğinden tutuşurlar. Yakıcı olarak genelde azottetraoksiti kullanırlar. Delta, Atlas ve Thor roketlerinin ikinci kademe yakıtıdırlar.

KAYNAK:

https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_science
https://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/nasa-knows/what-is-a-rocket-k4.html

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.