Roketler Nasıl Uçar? Devasa Roketler, Dünya Atmosferini Terk Ettikten Sonra Uzay Boşluğunda Nasıl Hareket Edebilirler?

Roketler, gerçekten de muhteşemler. Bizler zamanımızın şanslı nesilleri olarak günlük hayatımızda sık sık roket uçuşlarına şahit olabiliyoruz. Çoğumuz kendi gözlerimizle tanık olmasak da gelişmiş iletişim teknolojilerimiz sayesinde roketi uzaydayken bile naklen takip edebiliyoruz. Peki kaçıncı kez olursa olsun izlemesi hala nefes kesici olan bu roketlerin nasıl uçtuğunu gerçekten biliyor muyuz? Bu onlarca tonluk roketler, gerek atmosferimizde gerek uzay vakumunda Dünya'nın yorucu yerçekimini yenerek nasıl saatte 27 bin kilometre gibi inanılmaz süratlere ulaşabiliyorlar? Gelin bu devasa kompleks makinelerin ardındaki basit prensipleri beraber keşfedelim…

SpaceX

Tarihteki İlk Sıvı Yakıtlı Roket

1900 yılının başlarında uzay yolculuğu imkansız gibi gözüküyordu. Uzayda dikkate değer miktarda gaz bulunmadığı için, havayı iten pervane tarzı araçlarla uzayda yolculuk imkansızdı. Bunu gerçekleştirebilmek için aracı parçacıklar yardımıyla iten bir mekanizma gerekiyordu. İşte bu noktada itici roket motorları geliştirildi. Az sonra daha detaylıca inceleyeceğimiz Newton'un 3. Yasası'na göre işleyen bu motorlar, bir yöne doğru yapılan bir etkinin, o yönün zıt yönüne doğru bir tepkiye neden olmasını sağlayarak büyük kütleli roketlerin havalanmasını ve uzaya doğru hareket etmesini sağlar.

Clark Üniversitesi'nde o dönemde fizik profesörü olan ve modern roketlerin babası olarak kabul edilen Dr. Robert H. Goddard, 1915 yılında bir roketin vakumlu ortamda itki sağlayabildiğini deneysel olarak kanıtladı. Goddard'ın hayali, insanlığın gezegenler arası seyahat edebilmesiydi ve bu amaç için en uygun aracın sıvı yakıtlı roketler olduğunu düşünüyordu. Çünkü sıvı yakıtlı roketler, katı yakıtlı roketlere göre birim başına daha fazla itki sağlıyorlardı ve ateşleme süresi mühendisler tarafından kontrol edilebiliyordu.

Bu sebeple çalışmalarını sıvı yakıtlı roketler üzerinde yoğunlaştırdı. İyi bir sıvı yakıtlı roket için ideal yakıtın sıvı hidrojen ve sıvı oksijen olduğunu düşünüyordu; fakat o zamanlarda sıvı hidrojen sadece deneysel miktarlarda elde edilebildiğinden roket yakıtı olarak kullanılmasını imkansızdı. Bu sebeple çalışmalarında yakıt olarak benzin ve sıvı oksijen kullandı. Kasım 1923'te ilk roket motorunun ateşleme testini ve 16 Mart 1926 tarihinde ise tarihteki ilk sıvı yakıtlı roketin uçuşunu gerçekleştirdi. Roket, 2,5 saniyede yaklaşık 56 metre yüksekliğe ulaştı.

The Stream

Newton'ın 3. Yasası: Etki-Tepki Prensibi

Tasarladığımız bütün roket motorları, Newton'ın Etki-Tepki prensibine göre, yani 3. yasasına göre çalışır. Newton'ın 3. yasası bize şunu söyler: Evrende her kuvvete (etkiye), bu kuvvetle aynı büyüklükte ancak zıt yönde bir tepki kuvveti vardır.

Örneğin Dünya'mız, uydusu Ay'ı belli bir kütleçekimi kuvveti ile çeker ve Ay, Dünya'nın etrafında belirli bir yörüngede yol alır. Prensibe göre Ay’ın da Dünya’yı çekmesi gerekmektedir - ve gerçekten de olan budur: Dünya Ay'ı ne kadar kuvvetle kendine çekiyorsa, Ay da Dünya'yı aynı kuvvetle kendine çeker. Bu nedenle, teknik olarak Ay, Dünya'nın etrafında dönmez: Dünya ve Ay, birbirinin etrafında dönerler, adeta dans ederler - ki bu, bütün gök cisim ikilileri için aynen geçerlidir. Ancak Dünya, Ay'dan çok daha büyük bir kütleye sahip olduğu için, Ay'ın Dünya'yı çekim kuvvet Dünya'nın Ay'ı çekmesiyle birebir aynı olmasına rağmen, bu ikilinin etrafında döndüğü nokta, Dünya'nın merkezine çok daha yakın olur. Bu da, sadece Ay Dünya'nın etrafında dönüyormuş gibi algılamamıza neden olur. İkili gök cisimlerinin etrafında döndüğü ortak noktaya barimerkez adını veriyoruz. Bu konuda daha fazla bilgiyi buradan alabilirsiniz.

Roket Motorlarının Çalışma Prensibi

Roket motorları da Newton'ın 3. yasasına birebir uyarlar: Genellikle roket motorlarının üzerlerinde, bu motorları besleyecek yakıt tankları bulunur. Pompalar bu sıvıları (roket yakıtları yakıt ve oksitleyiciden oluşur) çok yüksek hızda motora pompalayıp, belirli oranda karıştırırlar ve roketin altında gördüğümüz alevler oluşur. Alevleri oluşturan kimyasal tepkimelerden açığa çıkan enerjinin bir kısmı ısı enerjisine dönüşür ve gazların 3200°C‘ye varan sıcaklıklara ulaşmasını sağlar. Sese ve sürtünmeye giden kayıpları göz ardı edersek enerjinin diğer büyük bir kısmı ise kinetik enerjiye dönüşür ve açığa çıkan gazları muazzam bir hıza kavuşturarak egzoz gazlarının saniyede 3000 metre gibi hızlarla roketten fırlamasını sağlarlar.

NASA

Newton'ın 3. Yasası, her kuvvete karşılık, aynı büyüklükte ama zıt yönde bir tepki kuvveti olduğunu söylediğine göre, roket motorunda da açığa çıkan tepkimeler de roketin yaktığı yakıt sonucu oluşan egzoz gazlarına çok büyük bir kuvvet uygularlar; bu gazlar da aynı büyüklükte ama zıt bir yönde roket motoruna tepki kuvveti uygularlar. Ancak gazlar çok hafiftir ve bu nedenle fırlayıp giderler. Roket ise ağır ve katıdır, dolayısıyla fırlayan gazların etkisiyle önce yavaş, sonra giderek hızlanan bir biçimde gökyüzüne doğru ivmelenmeye başlar. Bu basit prensip o kadar güçlü ve güvenilirdir ki günümüze kadar uçmuş en güçlü roket olan Saturn V roketi (yakın gelecekte bu unvanını Starship'e kaptıracak), bu prensiple 34.5 milyon Newton itiş kuvveti sağlayabiliyordu.

Tam bu sırada yaygın bir yanlış anlaşılmaya değinmekte fayda vardır: Genelde roketlerin, helikopter veya pervaneli çoğu sistemin yaptığı gibi, yani etkileştiği havayı iterek uçtuğu düşünülür. O sistemlerde de aynı prensip geçerlidir; ancak eğer roketler de etkileştiği havayı iterek uçuyor olsaydı, hiçbir roketin atmosferimizin dışında, uzay vakumunda itiş kuvveti sağlamaması gerekirdi; çünkü uzay vakumunda motorun iteceği hiçbir şey bulunmazdı (ki Robert Goddard, roketler üzerine çalışmalar yaparken tam da bu nedenle alay konusu olmuştu). Ancak üstte de belirttiğimiz gibi roketi yukarı ivmelendiren etki, ortamda bulunan hava moleküllerini hareket ettirmek değil, roketin kendi yakıtını itmesinden (ve ondan bir tepki kuvveti almasından) kaynaklanır. Böylece roket motorları, atmosferin var olup olmadığı fark etmeksizin, her türlü ortamda kendi bünyelerinde bulunan yakıtları yakarak oluşturdukları gazı iterek itiş kuvveti oluşturabilirler. Hatta atmosferde giden roketlerin önünde, iterek yol açmaları gereken başka gazlar bulunduğundan, böyle etkenlerden yoksun olan uzay vakumunda daha verimli çalıştıkları bile söylenebilir. Bu nedenle yeryüzündeki roketlerin inanılmaz bol miktarda yakıta ihtiyacı vardır ama atmosferin dışına ulaştıktan sonra çok daha az yakıtla çok daha fazla manevraya yapılabilir.

Bahsini ettiğimiz bu kimyasal tepkime aşamasında roket motorunun içindeki pompaların (özellikle roket motorlarının kalbi olarak anılan turbo pompanın) motora çok yüksek hız ve basınçlarda yakıtı pompalaması hayati derecede önemlidir. Bu pompaların SpaceX’in Falcon 9 roketinde yaklaşık olarak saniyede 250 kg, NASA’nın efsanevi Saturn V roketinde saniyede 788 kg yakıt yakılmasını sağlayan devasa pompalar olduğunu belirtmek gerekir. Hatta Saturn V roketinin motorlarına yakıtı pompalayan pompa tek başına F-1 uçağı kadar itiş gücü üretiyordu. Uçurduğumuz roketler, birer devasa alev püskürtme makinesi değil de gerçekten uzaya giden araçlarsa, şüphesiz bunu mühendislerin üzerine çokça düştüğü pompalara borçluyuz.

Steven F.

Sıvı Yakıt Roket Motorları Nasıl Çalışır?

Sıvı yakıtlı roketlerde iki farklı depolama tankı bulunur. Bu depolardan birisi, yanacak olan yakıtı, diğeri ise yakıcı görevi görecek olan yakıtı (İng: "oxidizer") bulundurmaktadır.

Bu yakıtlar pompalar aracılığıyla yanma odasına beslenir. Roketlerde yüksek itiş güçleri elde edebilmek için bu pompaların saniyede yüzlerce litre yakıtı bu odaya beslemeleri gerekir. Bu derecede yüksek işlem yapabilmesi için gereken gücü türbinden alırlar. Türbin ise gaz jeneratöründen üretilen gazlar ile çalışır. Yanma odasına beslenen yakıtlar birbirleri ile yanma reaksiyonu gerçekleştirerek gaz açığa çıkarırlar. Bu gazlar roket nozulunda dışarıya yüksek hızlarda atılır ve böylelikle itiş sağlanmış olur.

David Darling

Roketlerde Momentum Korunumu

Roketlerin uçuş prensibini lise seviyesi çok basit bir momentum korunumu hesabı ile de anlayabiliriz. Öncelikle momentumun ne olduğunu kısaca belirtmekte fayda var: Momentum (daha spesifik olaraksa çizgisel momentum veya kısaca $p$), hareketli cisimlerin hızları ve kütlelerinden kaynaklanan bir özelliğidir ve cismin kütlesi ile hızının çarpımıyla ($p=mv$) bulunur. Burada hızın altını çizmek önemlidir, çünkü momentum, aynı hız gibi yönü bulunan yani "vektörel" bir fiziksel özelliktir (bu nedenle çarpım, daha doğru bir şekilde $\vec{p}=m\vec{v}$ olarak gösterilebilir). Momentum, her zaman korunmak zorundadır. Çünkü Newton’ın ilk yasasının da belirttiği üzere, hareket eden nesneler üzerine bir kuvvet etki etmedikçe, hareketini aynı şekilde devam ettirirler. Yani kuvvet yoksa, cismin hareketinde de bir değişim olmamalıdır. Dolayısıyla momentumda da bir değişim olmamalı, yani momentum korunmalıdır.

Mesela bilardo oynadığımızı düşünelim. Beyaz topa onu harekete geçirecek bir kuvvet uygularız ve beyaz topu hedeflediğimiz başka bir topa vurdurarak diğer topları harekete geçirmeye çalışırız. Bu topların birbiriyle çarpışmasında sürtünme kuvveti gibi etkenleri yok saydığımızda, toplara herhangi bir müdahalede bulunulmadığında, yani sisteme dış kuvvet etki etmedikçe, topları içeren sistemin toplam momentumunun korunmasını bekleriz (bu tür çarpışmalara esnek çarpışma denir). Biz bu vuruşu yaparken tabii ki de momentum hesabı yapmasak da, beynimiz önceden deneyimlediği vuruşlar sayesinde kabaca bir hesap yapıp topu deliğe vuracak vuruşu yapmamızı sağlar.

Pearson Education

Şimdi bu korunumu, roket motoru için düşünelim: Öncelikle, motor sisteminde de momentum korunmalıdır. Roketin motoru yandıkça, aşağı yönde inanılmaz hızlarda ancak çok ufak kütleli gaz molekülleri yol alırlar. Bu, sistemde (tam olarak gazların kütleleri ve hızlarının çarpımı kadar) aşağı yönlü bir net momentumun oluşmasına sebep olur. Ancak başta durağan, yani momentumu sıfır olan bu sistemde momentumun korunması gerektiğinden, bu net momentumu sıfırlayacak başka bir momentum vektörü gerekir. Ki bu da gazlarla ters yönde gazlara göre daha yavaş (çünkü kütlesi daha fazla) ama yine de yerçekiminin üstesinden gelecek kadar hızlı bir şekilde yükselen roketimizin momentumu olur. Böylece sistemde momentum korunur, tonlarca kütleli roketimiz de görkemli alevler ardından mavi gezegenimizden uzaklaşır.

Pearson Prentice Hall

Sıvı Yakıtlı Roketlerde Kullanılan Yakıtlar

Sıvı yakıtlı roketlerde kullanılan üç tür sıvı yakıt türü bulunmaktadır: oda sıcaklığında depolanabilen yakıtlar, kriyojenik yakıtlar ve tek-yakıtlılar (İng: "monopropellants").

Oda sıcaklığında depolanabilen yakıtlar, adında da belirtildiği gibi oda sıcaklığında sıvı halde bulunabilen yakıt türleridir. Bu tür yakıtları sıvı halde tutabilmek için ek bir işlem gerekmemektedir. Bu sebeple elde edilmeleri ve depolanmaları daha kolaydır. Bu yakıtlara hidrojen peroksit, RP-1 (rafine edilmiş kerosen) ve metan örnek verilebilir.

Kriyojenik yakıtlar, sıvı halde depolanabilmesi için oda sıcaklığından çok daha düşük sıcaklıklar gerektiren yakıt türleridir. Sıvı olarak depolayabilmek için ek işlem gerektirdiği halde çok sık tercih edilmelerinin sebebi, diğer yakıt türlerine göre birim başına daha fazla itki sağlamalarıdır. Sıvı oksijen ve sıvı hidrojen bu tür yakıtlara en iyi örnektir. Sıvı oksijenin kaynama noktası -183°C, sıvı hidrojeninki ise -253 °C'dir.

Tek-yakıtlılar ise itici bir güç sağlaması için sadece tek bir sıvı yakıtın yeterli olduğu yakıt türüdür. Yani diğer yakıt türlerinin aksine, itici güç sağlanması için bir yakıcıya ihtiyaç duymamaktadır. Yakıt kendi başına bir katalizör yardımıyla sıvı fazdan gaz fazına dönüşür ve böylelikle itici güç sağlanmış olur. Bu yakıta sahip roketlerde sadece tek bir depolama tankı bulunur.

Oda sıcaklığında depolanabilen yakıtlar ve kriyojenik yakıtlar en çok kullanılan yakıt türleridir. Günümüzden örnek vermek gerekirse, popüler uzay firması olan SpaceX, Falcon 9 roketinde yakıt olarak RP-1 ve sıvı oksijen kullanmaktadır. Yine bir başka büyük bir firma olan Blue Origin, New Shepard roketinde sıvı hidrojen ve sıvı oksijen kullanmaktadır.

Sıvı yakıtlı roketlerin son yıllarda popüler olan bir başka özelliği ise tekrar kullanılabilir olmalarıdır. SpaceX ve Blue Origin'in önderlik ettikleri bu yeni özellikte, roketlerin birinci aşamaları belli bir yüksekliğe çıktıktan sonra ana roketten ayrılarak dünyaya geri dönmek üzere rotasını ayarlamaktadır ve karaya dikey bir şekilde inişini tamamlamaktadır. Bu sayede, roketlerdeki birinci aşamalar tekrar kullanılabilmektedir ve roketlerin maliyetleri indirgenmiş olmaktadır. Böylesine müthiş bir özelliğin geliştirilmesi, bize ileride çok daha farklı özelliklerin de ortaya çıkabileceğini ve bu sayede insanlığın uzaya erişimini ilerleyen zamanlarda daha da kolaylaştıracağını göstermektedir.

Günlük Hayattan "Roket" Örnekleri

Roket gibi karmaşık sistemlerin arkasında yatan bu prensibin hayatımızdaki örnekleri sayamayacağımız kadar çoktur. Yasayı benimseme adına, birkaç ek örnekten bahsedelim.

Küçükken hepimiz balonu şişirmeye çalışırken yanlışlıkla elimizden kaçırmışızdır. Balon elimizden kaçtıktan sonra hızlanıp havada yol almaya başlar. Bunun olmasının sebebi roketlerin çalışma prensibiyle birebir aynıdır: Balonun içine üflediğimiz ve sıkıştırdığımız gazın iç basıncı, balonun ağzını yeterince sıkı kapamadığımız takdirde balonun içindeki havayı balonun dışına doğru iter. Balondan dışarı kaçan bu gazlar da aynı şekilde onları ittiren balonun içindeki gazı ters yönde iter. Böylece balon hızlı bir şekilde ellerimizin arasından kaçar ve uçar gider.

Aynı şekilde, banyodaki duş başlıkları da çok güzel bir şekilde bu prensiple uçabilirler. Banyonun tabanına duş başlığını yerleştirdikten sonra musluğu yavaşça açarsanız, gerekli tazyik sağlandığında duş başlığının bir roket edasıyla havalandığını görebilirsiniz. Bu sistemde de duş başlığının ucundaki delikler suları tazyiklendirmekte ve püskürtmektedirler, aynı şekilde su molekülleri de duş başlığına tepki kuvveti gösterirler ve böylece duş başlığı itiş gücünü sağlamış hatta havaya kalkmış olur.

Sonuç ve Bazı Ek Bilgiler

Farklı firmaların tasarladığı çok farklı roket tipleri, itiş sistemi prototipleri olsa da bunların hepsi aynı prensibe dayanır. Son zamanlarda temiz, geleceğin teknolojisi olarak görülen iyon itiş sistemi gibi fikirler dahil. İyon itiş sisteminde roket motoru, bünyesinde barındırdığı -sıvı yakıtlara nazaran ultra hafif- gazları, Güneş’ten sağladığı elektrik enerjisiyle iyonize eder ve klasik roket motoru gibi bir yönde hızlıca iter. Böylece tersi yönünde hız kazanır. Bahsedilen sistem, hem temiz enerjili, hem çok hafif, hem de klasik bir kimyasal roket motoruna göre çok daha uzun süre itiş sağlayabildiğinden çok umut veren bir sistemdir. İtiş kuvvetinin kimyasal motorlara göre çok daha düşük olması gibi eksileri bulunsa da hala mühendisleri hayli heyecanlandıran bir itiş sistemidir.

Wonderful Engineering.

Bu gibi fikirlerde, etki kuvvetini sağlayacak materyaller gereksinimlere göre değişiklik gösterse de hala arkalarında aynı fizik yatar: Newton’ın 3. Yasası. Mühendislerimizin, insan türünün geleceğini kurguladıkları muazzam sistemlerin ardında yatan prensibin yaklaşık 400 yıl önce kuramlaştırıldığını öğrenmek umuyoruz size de ufuk açıcı gelmiştir. Kim bilir, belki gerçekten de en basit çözümler en karmaşık problemlerin anahtarlarıdırlar?