Roketler Nasıl Çalışır?

Roket teknolojisi, uzay araştırmalarından neredeyse bin yıl öncesinde başladı. Günümüzün bilgisayar kontrolü, çok yönlü fırlatma araçları 11.üncü yüzyıldan kalma barut destekli oklardan çok daha yetenekli olsalar da, temel prensipler hiç değişmedi. 

Bir roket aslında kontrollü bir patlamadır; çalıştığında tüm enerji bir uçtan dışarı çıkar ve aracı ileri doğru iter. Çalışmadığında ise, patlayıcı madde dolu bir tüptür. Kulağa her ne kadar riskli gelse, roketler diğer ulaşım türlerinin asla çalışamayacağı uzay boşluğu gibi koşullarda ulaşım sağlamak için çok idealdir. 

Yerçekiminden Nasıl Kurtuluruz 

Dünya'nın yerçekimi çekimi hepimizi gezegenimizde güven içerisinde tutuyor. Ancak, “gezegenden ayrılmak istiyorsanız ne olur?” sorusunu sorduğumuz zaman işler biraz değişiyor. Çok küçük bir kütleyi bile atmosferden çıkış hızına ulaştırmak için muazzam bir enerjiye ihtiyacımız var ve bu düşünülenden çok daha fazla. 

Bir cismi Dünya’nın sıkı bağlarından kurtulabilmesi için 11,2km/saniye hıza ulaşması gerekiyor. 

Roket Motorlarının Çalışma Prensibi 

Çoğu Roketin içerisinde gerçekleşen kimyasal reaksiyon, bir ateşle aynı bileşenlere sahip. Bunlar da yakıt, oksitleyici ve ateşleme kaynaklarıdır. Atmosferin; yani uzayın yukarısına doğru seyahat etmenin sorunu, bir içten yanmalı motorun yaptığı gibi, atmosferik oksijeni oksitleyici olarak kullanamayacak olmamızdır. Bu nedenle roketler hem yakıt, hem de oksitleyici tankları taşımak zorunda. 

 SpaceX Falcon 9’un Merlin motorları, sıvı oksijen ile roket sınıfı kerosen (RP-1) yakıt kullanmaktadır. NASA’nın Uzay Fırlatma Sistemi ise sıvı hidrojen yakıtı ve sıvı oksijen oksitleyiciye dayanmaktadır. Bazı roketler birleştirildiğinde kendinden yanan hipergolik itici gazları kullansa da çoğu için bir ateşleme gerekiyor. 

Kimyasal bir roket motoru ateşlendiğinde, Newton'un Üçüncü Hareket Yasası'nın en saf ifadesi ortaya çıkar; Her etki için eşit ve zıt bir tepki vardır. Yani, nozülünden hızla çıkan yakıt jeti roketi iter ve roket de geri iter. Sonuç olarak, yerçekimi kuvvetinin üstesinden gelmek için yeterli itme gücü sağlanmak zorundadır. 

Doğal olarak, bu durum araca büyük bir baskı yaratır. Roket atmosferde hızlanmaya devam ettikçe “Maksimum q” olarak bilenen maksimum basınç, fırlatmanın en tehlikeli sınırlarına ulaşır. Bu noktada hızlanma ve atmosferik basınç en yüksek baskıyı oluşturur. Buradaki riski azaltma göreviyse uzay yolculuğundan önce mühendislerin roketin tasarımını tüm bu senaryoya uygun olarak hazırlamasıyla başlıyor.  

Roketlerin Stabilizasyonu ve Hata Durumlarında Karşılaşılan Zorluklar 

Genellikle uzaya ulaşamayan roketler kontrolsüz bir şekilde dönerek parçalanırlar. Çoğu zaman böyle bir felaketin ilk işareti, dönen nesnelerde meydana gelen hafif salınımlardır. Roketler, stabiliteyi artırmak için uzun eksenleri etrafında dönerler, ancak kontrolsüz salınım dönme ekseninin eğilmesine neden olur ve roket artık düz bir şekilde yukarıya gitmez.  

Roket hala atmosferde hızlanmaya devam ederken hafif bir eğim bile savrulmaya neden olur. Bu savrulmaysa aracı parçalayacak daha fazla baskıya yol açar ve sonuç olarak araç parçalanır.  

Bu ihtimal göz önünde bulundurulduğu için, günümüzde neredeyse tüm roketler uzaktan kumandalı iptal sistemlerine sahiptir, bu şekilde kontrolden çıkmış bir aracı yok etmek mümkündür. 

Mühendisler bir roketi uzaya doğru yönlendirebilmek için kanatlar ve yönlendirilebilir motorlar gibi tasarım unsurlarını kullanıyor. Roketi stabil şekilde doğru yöne hareket ettirmek için kullanılan katı ve sıvı olmak üzere iki farklı motor tipi olsa da, en çok ilgi gören motorlar sıvı yakıtlı olan SpaceX Merlin ve Blue Origin BE-4 roket motorlarıdır. 

Sıvı yakıtlı sistemler yakıt ve oksitleyiciyi tankların içinde tutar, genellikle süper düşük sıcaklıklara kadar soğutulmuş olarak yüksek basınçta depolanır. Güçlü bir turbo pompa ile yanma odasına gönderilen yakıt miktarı çok veya az olarak ayarlandığında itiş gücü de aynı oranda ayarlanmış olur. Yakıt ve oksitleyici karışımı mükemmel şekilde kontrol edilmelidir. Eğer odada çok fazla yakıt veya oksitleyici birikirse, roket kendini parçalara ayırabilir. 

Katı roket iticiler bazen bir rokete deniz seviyesinde biraz daha fazla güç vermek için kullanılır. NASA'nın SLS'si, şimdiye kadar yapılmış en güçlü iki SRB'yi (Katı Yakıtlı Roket Güçlendirici) kullanmaktadır. SRB’lerin yakıt tankları yoktur. Adından da anlaşılabileceği gibi, yakıt ve oksitleyici, yanıcı bir katı blok içinde birleştirilmiştir. Sıvı tasarımların aksine, SRB’ler ateşlendikten sonra tüm yakıtlarını yakar ve talep üzerine itme gücünü değiştirmenin hiçbir yolu bulunmaz. Ancak, yakıtın şekillendirilerek yanma sırasında daha fazla veya daha az yüzey alanı sağlaması için güçlendiriciyi programlamak mümkündür. 

Roket fırlatmaları, daha küçük bir yükü uzaya taşımak için sadece bir araçtır. Bu nedenle, tüm roket bileşenlerini beraber tutmanın bir anlamı yoktur.  

Katı roket güçlendiricileri genellikle ilk atılan parçalardır, ancak çoğu roketin ayrıca en az bir parçası daha bulunur. 

Uzay Yolculuğunun Geleceği 

Bilim adamları kimyasal roketlere sayısız alternatif önermelerine rağmen, bunların çok azı ciddi şekilde araştırılıyor ve hatta daha da azı gerçek hayatta kullanılıyor. 

NASA ve diğer uzay ajansları büyük yükleri uzak bölgelere taşımak için nükleer enerjiyle çalışan çeşitli roket türlerini araştırıyor. DARPA ile ortaklaşa geliştirilen DRACO aracı, kimyasal motorların verimliliğinin birkaç katı yüksek itme sağlayabilecek nükleer termal itki (NTP) kullanacak. NTP'nin uygulanabilir olup olmadığını şu an itibariyle bilmesek bile fikri şu şekilde; nükleer reaktör sıvı hidrojen gibi bir iticiyi hızla ısıtarak genleştirecek ve aracın ileriye doğru itilmesini sağlayacak.  

Daha uzak bir fikir ise fisyon parçacığı roketidir. Bu tür bir araç, manyetik alanlar kullanarak reaktör motorundan nükleer fisyon ürünlerini fırlatır. Bu, teorik olarak bir aracı ışık hızının %3-5'ine kadar hızlandırabilir. 

Sonuç:  

Temel roketler bin yıldır var olsa dahi, teknolojik gelişmelerin durdurulamaz bir gücü var. Bu da henüz keşfedilmemiş olan yepyeni bir itme sistemi bulabileceğimiz anlamına geliyor.