Jet motoru nedir?
Kapalı bir kapta basınç altında bulunan gazların sınırlı bir açıklıktan fışkırmasıyla hareket yönüne ters istikamette meydana gelen tepki kuvvetinden faydalanarak hareket sağlayan motor. Şişirilmiş bir balonu serbest bıraktığımızda hızla kaçan havanın tepkisi ile balonun fırlayıp gitmesi bu şekildeki jet tepkisinin en basit örneğidir. Jet tepkisinin tarihçesi: Gaz tepkimesiyle çalışan ilk makina M.S. 250 yılında Aleksandriali Heron tarafından buhar tepkisinden faydalanılarak gerçekleştirildi. Bu, içine gönderilen buharı iki tarafında bulunan kıvrık borulardan fışkırtarak dönen bir küresel kap şeklindeydi. Gaz tepkisiyle çalışan roketler, M.S. 1232’de Kaifengfu Savaşında Çinliler tarafından silah olarak kullanıldı. Çinlilerin aynı prensibe göre çalışan havai fişekleri kullanmaları M.Ö. 3000 yılına kadar dayanır. İnsan tarafından idare edilen ilk taşıt aracının gaz tepkisiyle tahriki, İngiliz fizikçi newton tarafından gerçekleştirildi. 1687’de Newton "Hareket Miktarı Teoremi" ile jet tepkisini fiziki olarak açıkladı. Bunun uygulaması olarak da buhar tepkisi kullanarak bir arabanın hareketini sağladı.
Jet motorunun geliştirilmesi ve çalışma prensibi: Günümüzün jet motorlarının esası olan gaz türbini ilk defa 1791 yılında John Baber tarafından tasarlandı. İlk başarılı uygulama ise 1911’de Alfred Büchi tarafından tasarlanan türboşarjörlerin Brow-boveri firması tarafından imali ve 1916’da uçaklarda kullanılmaya başlanmasıyla gerçekleştirildi. Gaz türbininin bir uygulaması olan türboşarjör motordan çıkan sıcak egzoz gazlarının bir türbini, türbinin de motorun yanma odasına sıkıştırılmış basınçlı hava gönderen kompresörü tahrik etmesiyle çalışır. Basınçlı havanın içine yakıt püskürtülmesi ile yanma sonucu ısınarak aniden genişleyen hava egzostan hızla çıkarken türbini de döndürür. Bu şekilde motorun gücü çok artar. Egzoz gazlarının jet tepkisinden uçakların tahrikinde faydalanmayı tasarlayarak ilk olarak gerçekleştiren kişi İngiliz Krallık Hava kuvvetleri pilotlarından Frank Whittle’dir. Whittle, 1930 yılında, bir gaz türbini ile bir difüzörü birleştirerek yaptığı jet motorunun patentini aldı. 1936 yılında turbojet adıyla da bilinen bu motorun geliştirilmesi ve imali için Power Jets Ltd. adlı bir şirket kurdu. 1939’da İngilizlerden önce Almanlar, 1937’de Hans-Joachim Pabst von Ohain tarafından geliştirilen hes 3B adlı jet motorunu ilk defa bir uçakta kullanarak Heinkel He 178 ile bir deneme uçuşu yaptılar. Fakat ilk başarılı uygulama Whittle tarafından geliştirilen Power Jet W.1 adlı jet motorunu kullanan Gloster G.49 uçağı ile 15 Mayıs 1941’de İngilizler tarafından gerçekleştirildi. Jet uçakları İkinci Dünya Savaşı boyunca kullanılmış ve savaşın seyrinin değişmesinde önemli rol oynamışlardır. Savaş sırasında en başarılı uygulama ise Messerschmitt Me-262 uçaklarıyla Almanlar tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu uçaklarda Almanlar günümüzde kullanılan eksenel akışlı kompresörleri
başarıyla uygulamışlardır. İngilizlerin gerçekleştirdikleri jet motorlarında ise merkezkaç kompresörler kullanılıyordu.
Jet Motoru Tipleri
Turbojet: Buraya kadar gelişmesi anlatılan motor kısaca jet veya turbojet denilen motorun esasını teşkil eder. Motor girişinde kompresör bulunur. Bunlar merkezkaç veya eksenel oluşlu olmak üzere iki tiptirler. Basit ve güvenilir olmasına karşılık sıkıştırma oranı yüksek olmadığından merkezkaç kompresörler yerini daha dar bir ön yüzeye sahip olduklarından hava direncini azaltan ve yüksek sıkıştırma oranları sağlayabilen eksenel akışlı kompresörlere bırakmışlardır. Kompresörler sıkıştırma oranını, dolayısıyla motor verimini arttırmak amacıyla alçak ve yüksek basınçlı olmak üzere iki kademeli olarak da imal edilebilirler. Bu şekilde çok büyük tepki kuvvetlerinin elde edilebildiği iki kademeli eksenel akışlı kompresörler günümüzdeki büyük modern jet uçaklarında kullanılmaktadır. İki kademeli kompresörlerde tahrik iç içe geçen iki mil vasıtasıyla bunlara karşılık gelen alçak ve yüksek basınçlı türbinler vasıtasıyla gerçekleştirilmektedir. Sıkıştırılmış havanın yanma odasında yakıt püskürtülmesi ile yanması ve aniden genişlemesiyle meydana gelen gaz, türbinlerin içinden geçip onları tahrik ettikten sonra jet memesine gelerek daralan kesit dolayısıyla daha da hızlanarak büyük bir itme sağlar.
Turboprop ve turboşaft: Eğer egzoz gazlarının ilave bir türbünü döndürmesiyle buna bağlı bir dişli kutusu üzerinden bir pervane tahrik ediliyorsa bu tip jet motorlarına türboprop denilir. Burada ilave serbest türbin yardımıyla pervane ve jet tepkisinden beraberce faydalanılmaktadır. Fakat itme esas olarak pervane tarafından sağlanır. Eğer serbest türbin mili uçak değil de bir helikopter pervanesini döndürüyorsa bunlara turboşaft motoru denir. Jet tepkisinin esas olmadığı bu tip motorlar gaz türbünlerinin uygulaması olarak sanayide, gemi ve trenlerde de kullanılmaktadır.
Turboprop motorların pervaneli uçaklarda günümüzde de çok yaygın olarak kullanılmasının sebebi, bunların düşük ses altı hızlarda turbojetlere göre çok daha büyük itme güçleri sağlayabilmeleridir. Aynı zamanda havalanırken ve yükselme sırasında da daha büyük bir yakıt tasarrufu ve itme gücü sağlamaktadırlar. Buna karşılık yüksek hızlarda verimleri çok düşüktür. Bu yüzden genellikle kısa mesafeli şehirler arası uçuşlarda kullanılırlar.
Turbofan: Bu tip jet motorlarında motorun ön veya arkasına türbin tarafından tahrik edilen bir fan konularak bunun yardımıyla da ek bir tahrik elde edilir. Genellikle fan pervanesi motor girişine yerleştirilir. Fanda kanatlar kompresör kanatlarına göre daha geniş ve uzun çaplıdır. Fandan geçen havanın bir kısmı jet motorunun etrafını çeviren kanallardan geçerken bir kısmı da kompresöre gelir. Bu iki hava akımının oranına by-pass oranı denir. Bu tip motorlarda fan motor tahriklerinin yüzde 30 ile 75’lik bir kısmını sağlayabilir. Fanın görevi türboproplardaki pervaneye benzemesine karşılık fana giren hava akımı motor girişinin uygun şekilde yapılmasıyla kontrol edilebildiğinden yüksek hızlarda bile yüksek verim elde edilebilir. Yani turbofan, turbopropların alçak hızlardaki yüksek verim ve itme gücünü sağlayabildiği gibi, yüksek hız ve irtifalarda da turbojetler gibi gayet iyi çalışır. Aynı zamanda fan ile türbin arasına hız ayarlayıcı bir dişli kademesi gerekmediğinden türboprop motorlarından daha basit ve hafiftir. İki kademeli kompresörlerle genellikle alçak basınç kompresörüyle yekpare olarak imal edilirler. Ayrıca turbofanlar aynı güçteki turbojetlere göre de daha sessiz çalışırlar. Bu ise iniş ve kalkış sırasında çok önemlidir.
Art yakıcılar: Eğer bir uçakta, mesela bir savaş uçağında olduğu gibi kalkış ve uçuş sırasında ek bir tepki gücü gerekiyorsa art yakma kullanılır. Burada türbin çıkışına ikinci bir yakıt püskürtme sistemi konularak uzatılan egzos borusunun içinde yeniden yakılan gazın sıcaklık ve hızının arttırılmasından faydalanılır. Böylece motorun jet tepkisi % 50 oranında arttırılabilir. Jet motorunda ilk yanmada havadaki oksijenin ancak % 25’inin kullanılması art yakmayı mümkün kılar. Fakat art yakma motor ağırlık ve sesini arttırdığından çok motorlu ve düşük hızlı uçaklarda kullanılamaz.
Ramjet ve pulset: Bunlarda, kompresör ve türbin gibi, hiçbir dönen parça bulunmaz. Ramjetlerde uçağın hızı dolayısıyla hızla motora giren hava giriş kısmının genişleyen şekli dolayısıyla yavaşlar ve sıkışır. İçine yakıt püskürtülerek yakılan gaz ısınıp genişlediğinden uzun jet memesinin daralan kesitinde de hızlanarak gerekli tepkiyi sağlar.
Anlaşılacağı üzere burada havanın sıkışmasını sağlayan giriş havasının hızının aniden düşürülmesi olduğundan ramjetler, ancak yüksek hızlarda çalışabilirler. Uçağın kalkış ve hızlanma sırasında başka bir araca ihtiyacı vardır. Bu araç uçağa bağlı bir roket olabileceği gibi uçak başka bir uçak tarafından taşınarak havalandırılabilir.
Pulsjetlerde motor girişinde kontrol edilebilen kapaklar vardır. Yanma odasına hava dolunca kapatılır ve yakıt püskürtülerek yanma ve tepki sağlanır. Yanma odasında basınç düşünce kapaklar yeniden açılarak hava girişi sağlanır. Burada tepki aralıklı olarak itmeler (pulsler) şeklinde elde edilir. Bu
sistemin fazlası çok düşük hızlarda bile çalışabilmesidir. İkinci Dünya Savaşında Alman V-1 roketlerinde kullanılmışlardı.
Roketler (Füzeler): Burada hava girişi söz konusu değildir. Gerekli yakıt ve oksitleyici roketin içinde katı veya sıvı halde gerekli oranda karışık halde bulunur. Yanma odasında yanarak genişleyen yakıt hızla jet memesinden çıkarak tepki sağlar. Roketler dış şartlardan etkilenmediğinden her türlü hava şartında ve uzay boşluğunda da çalışabilirler. Genel olarak katı yakıt ve sıvı yakıt kullanmalarına göre iki ana türleri mevcuttur:
Katı yakıtlı roketler: Çok değişik boyutlarda imal edilir. Görünüşleri basittir. Genellikle katı yakıt, basınçlı ve bir veya iki çıkışı olan bir haznede bulunur. Yakıt ateşlenerek kızgın gaza çevrilir ve bu gaz çıkıştan dışarıya açılır. Hemen hemen bütün modellerde çıkış borusu daraldıktan sonra tekrar genişler. Bu suretle roketin itişine % 40 bir ilave yapar. Bu tür roketler iki esaslı ve kompozit olmak üzere iki çeşittir. İki esaslılarda nitroselüloz ve nitrogliserin kullanılır. Dumansız olup pekçok kullanış alanı mevcuttur. Yenileri teşkil eden kompozit yakıtlarda yakıt içinde oksitleme kristalleri de bulunur. Bu tür yakıt doğrudan doğruya roket motorunun içine verilir. Hafif olmaları üstünlüklerini teşkil eder.
Sıvı yakıtlı roketler: Bu türler en büyük balistik füzeleri ve uzay araçlarını havalandırmak için kullanılır. Pek çoğunda türbin pompası kullanılarak yakıt ve oksitleme malzemesi püskürtülür. Yakıt tanklarının kuvvetli yayılması sebebiyle basit oldukları halde ağırdırlar. Oksitleme malzemesi olarak verimlilik, yoğunluk ve havadan kolayca elde edilmesi yönünden, sıvı oksijen kullanılır. Sıvı florin kullanılırsa da, soğutmasız uzun süre depo edilirse buharlaşabilir. Yukardaki sistemlerde yakıt ve oksitleme malzemesi ayrı ayrı saklanır. Bu sebepten ikili bir depolamaya ihtiyaç gösterir. Eğer bunlar birleştirilirse her bakımdan kolaylık sağlanır. Bu türde yakıt ve oksitleme malzemesi birleştirilir. Ancak, patlama tehlikesini de beraberinde getirir. Aynı zamanda verimleri de ayrık sisteme göre daha düşüktür.
Nükleer yakıtlı roketler: Bu türde ısı sağlamak için bir reaktör ve gaz olarak atılacak bir sıvıya ihtiyaç vardır. Bunun için sıvı hidrojen ve amonyak kullanılır. Reaktörün ısısı hidrojeni ayrıştırarak büyük miktarda serbest hidrojen açığa çıkar. Bu tür roketler, kimyasal alanlarla kısa menzillerde rekabet edemezler. Küçük kimyasal roketler ucuz ve hafiftirler.
Su reaksiyonlu roketler: Jetle ilgili prensiplerin hepsi gaza olduğu gibi suya da uygulanabilir. su, havadan 1000 defa daha ağır olduğu için hızlar düşüktür. Su ile reaksiyona gelen yakıtlar kullanılır. Su altı torpidolarda bu tür yanında oksijen ve yakıtı beraber bulunduran sistemler de kullanılır.