Roketler Nasıl Hareket Eder?

Yazan: Asya Demirkol

Düzenleyen: Alper Topal

Özet: Roketlerin temel amacı kütle çekimi etkisinden kurtulmaktır. Bunu da motorlarının oluşturduğu yüksek kuvvetle sağlar. Yüzyıllardır gelişen roket teknolojisi her yeni gelişme ile daha da ileriye gitmektedir. Buna rağmen arkasında yatan fizik hâlâ basittir. Yakıtın yanması sonucu oluşan gazı yüksek hızla dışarı vererek kendisini kütle çekiminin aksine doğru ittirir.

Giriş

İnsanlığın atmosferin dışına çıkan ve uzaya uzanan büyülü yolculuğunda roketlerin yeri tartışılmazdır. Roket sistemleri dışarıdan bakıldığında oldukça karmaşık görünse de aslında hiç de öyle değildir. Roketlerin üretilmesi ve geliştirilmesi için oldukça ileri düzey fizik ve mühendislik bilgisi gerekse de temel mantıkları yüzyıllar öncesinin fizik kanunlarından başka bir şey değildir.

Roketlerin Temel Çalışma İlkesi

Uzaya olan merak ve ona ulaşabilme arzusu, bilim insanlarını bunu başaracak bir araç üretmeye itmiştir. Akıllara ilk olarak uçaklar gelse de uçakların ve uçak motorlarının çalışma mantıkları uzay ortamı için kullanışsız kalmıştır. Bu durumun nedeni uçakların kanatları ile hava arasındaki etkileşimi kullanarak kendilerini yükseğe çıkarmaları ve motorlarının da önden aldıkları havayı yakıt ile karıştırıp yakarak arkadan atmalarıdır. Uzayda hava olmadığı için bu fizik olayları maalesef ki ancak atmosfer içerisinde kullanılabilmektedir.

Roketler kütle çekimi etkisinden kurtulabilmek için Newton’un kanunlarından Etki-Tepki Kanunu’nu kullanır. Bunu anlayabilmek için şişirilip serbest bırakılan balonlar düşünülebilir. Balon içerisindeki basınçlı hava, arkadaki delikten hızlı bir şekilde kaçarken tepki kuvveti yaratır ve balonu ters yöne ittirir. Roketler de gövde içerisinde bulunan yakıt ve yüksek sıcaklık sonucunda açığa çıkan gazı aşağı doğru çok hızlı (4.500 m/s’ye kadar çıkabilen bir hızla [1]) atarak (etki) kendisini yukarı doğru ittirmiş (tepki) olur. Rokete uygulanan bu kuvvete “itki kuvveti” ismi verilir.

Gazı çok yüksek bir hızda atmasına ve etki-tepki yasası gereği birbirlerine uyguladıkları kuvvet eşit olmasına rağmen roket (çıkan gaza kıyasla) çok daha yavaş hareket eder. Bunun sebebi de Newton’un olarak bilinen ikinci kanunudur. Kuvvetler eşit olsa da roket ve gaz kütleleri arasındaki devasa fark sebebiyle ivmelenmeleri (dolayısıyla hızları) farklı olmaktadır.

Roketi uzaya götürebilmek kadar onu kontrol edebilmek ve yönlendirebilmek de önemlidir. Roketler için en yaygın kontrol yöntemi, gazın çıkış yönünü değiştirmeyi sağlayan hareketli lüle¹ sistemidir. Ağırlık merkezi gövdede olduğundan dolayı bu açı değişikliği bir moment yaratarak roketin ters yönde dönmesini sağlayacaktır. Bunun dışında, gövdenin çeşitli konumlarında, açıldığında gaz çıkışı sağlayan küçük egzoz vanaları veya haricî küçük motorlar kullanılabilir.

Roket Yakıtları Nelerdir?

Uzay araçlarında kullanılan yakıtların seçiminde dikkate alınması gereken birçok özellik vardır. En önemlileri arasında yanma karakteristikleri, birim miktarda yakıtın verdiği enerji (itki miktarı ile ilişkili), ağırlığı ve tabii ki de maliyeti mevcuttur.

Roket yakıtları tür olarak sıvı ve katı yakıtlar olmak üzere ikiye ayrılır. Katı yakıtlar daha eski ama daha basitlerdir. Katı halde bulunan yanıcı yakıt-oksitleyici karışımını ateşlemek yöntemine dayanmaktadır. Bir kez ateşlendikten sonra yakıt bitene kadar yanmaya devam eder. İtki miktarı yanan yakıt miktarı ile orantılı olduğu için itki, ateşleme ile etkileşime giren yakıt yüzey alanının ona uygun tasarlanması ile sağlanır. Günümüzde ana roketten daha çok, kalkışta kullanılan ve sonraki aşamalarda roketten ayrılan yardımcı roketlerde (booster) kullanılmaktadır.

Daha yaygın kullanılan ancak daha karmaşık yapılara sahip olan sıvı yakıtlı roketlerde yakıt ve oksitleyici ayrı tanklarda depolanır. Borular ile yanma odasına iletilir ve yanma olayı burada gerçekleşir. Bu sistem sayesinde yakılan yakıt miktarı (dolayısıyla itki miktarı) kolaylıkla kontrol edilebilmektedir. Yanma odasında gereken ateşleme ise yüksek sıcaklıklı gaz akışı, kıvılcım veya piroteknik² patlayıcı kullanılarak sağlanabilmektedir.

Roketin Bölümleri

Roketlerde ağırlık çok büyük önem taşır. Çünkü itkinin amacı bir anlamda da ağırlık kuvvetini yenerek roketi yükseğe çıkarmaktır. Ayrıca önceki bölümlerde de bahsedildiği gibi kütle az olduğunda aynı kuvvet ile yaratılan ivme daha büyük olacaktır. Roketler tek parça yapılsaydı yolculuk sırasında boşalan yakıt tankları ve roketin kendisi gibi büyük bir miktarda kütle, görev boyunca taşınırdı. Bu sebeple roket, istendiğinde birbirinden ayrılabilen alt parçalar birleştirilerek oluşturulur ve roketin, yakıtı tükenen kısımlar ile bağlantısı koparılarak kütlede hafifleme sağlanır. Benzer bir mantık ile rokete; gövdeye yandan eklenen, kalkışta gereken yüksek itkiyi üretmeyi sağlayan, araç yörüngeye yaklaştığında ise görevleri sona ererek ayrılan yardımcı roketler (booster) de eklenebilir.

Bir roket sistemi tek başına ele alınırsa; alt bölümünde, roketin kalkmasını ve yolculuğuna devam etmesini sağlayan motor ve yakıt sistemi bulunur. Yakıt tanklarının üzerinde, gerekli diğer sistemlerden sonra, uzaya çıkma amacı olan “faydalı yük” bulunur. Bu bazen Uluslararası Uzay İstasyonu’na giden bir kargo veya astronot olabilirken bazen de yörüngeye çıkarılan bir uydudur.

Gezegenler Arası Yolculuk

Uzay yolculuklarının ilk aşaması Dünya’dan kalkış yapmak ve yaklaşık 200 km irtifada bulunan alçak yörüngeye ulaşmaktır. Burada roketin hızı yeterince yüksek olursa, kütle çekimini dengeleyen merkezcil kuvvet yaratılarak roket yakıt harcamadan sabit ve dengede tutulabilir.

Uzay araçlarının ve uyduların büyük çoğunluğu alçak Dünya yörüngesinden (low Earth orbit, LEO) öteye ulaşmaz. Ancak Dünya’nın dışına gidip başka gezegenleri kekşfedecek olanlar da mevcuttur ve bunların, kütle çekimini yenip Dünya’dan uzaklaşabilmesi için gereken belirli bir hıza (“kaçış hızı”) ulaşabilmesi için yardımcı roketler gerekmektedir.

Dünya yüzeyindeki kaçış hızı (11,2 km/s), LEO’daki araçların kaçış hızından yaklaşık %50 fazladır. Gezegenimize en uzak ile en yakın noktaları arasında binlerce kilometre fark olan bir eliptik bir yörüngeye oturan bu araçların hızları da yakınlıklarına göre değişiklik gösterir. Gezegene yakınlaştıkça aracın hızı artar, en yakın noktada (yerberi) hızı en yüksektir ve sonrasında ise hızı azalmaya başlar³.

Ancak ilginç şekilde, kaçış hızına ulaşıp Dünya’dan ayrılması gereken araçlar hızlanmayı gezegene yakınken yani yerberi noktasında gerçekleştirir. Bunun sebebi, hâlihazırda yüksek hızdayken hızlanılması, uzakta ve düşük hızdayken hızlanmaktan daha az yakıt harcamaktadır⁴. Aşağıdaki videoda bununla ilgili bir animasyonu izleyebilirsiniz.

Uzay araçları gezegenlerarası yolculukta da yine benzer şekilde eliptik bir yol izlemektedir. Bu sayede yakıt harcamadan hedef noktalarına ulaşırlar. Vardıklarında ise diğer gezegenin yörüngesine girmek için kütle çekimini kullanabilecekleri gibi aynı zamanda ters yönde itki üreterek kendilerini yavaşlatabilirler. Aya inişin basitçe anlatıldığı kısa bir videoyu aşağıda görebilirsiniz.

¹ Motorlarda, çıkan gazın hava ile karşılaşmadan önce son uğradığı kısımdır.

² Piroteknik: Yunanca pyr (ateş) ve tekhnikos (teknik) kelimelerinden türetilen bu bilim dalı; ısı, ışık, gaz, duman ve ses üreten kendinden ekzotermik (ısı veren) kimyasal tepkimelere dayanır. Havai fişek, hava yastığı, uçakların fırlatma koltuğu gibi mekanizmalarda kullanılır. (Kaynak: Wikipedi)

³ bk. Kepler’in İkinci Gezegensel Hareket Yasası

⁴ bk. Oberth Etkisi