Roketlerin Yapısı, Tarihçesi ve Çalışma Prensipleri 1.ÖZET Bu çalışmada, roketlerin tarihçesi, roketlerin hareket denklemleri, roketlerin yakıtları ve motorları, roket tipleri ve özellikleri, ses roketi ve son olarak roketlerle ilgili çeşitli haberler yer almaktadır. Roketler 13. yüzyıldan itibaren günümüze kadar büyük ilerlemeler kaydetmiş ve gelişmiştir. Bu sayede uzayı keşfetmek mümkün olmaktadır. Roketlerin hareketini anlayabilmek için Fiziği iyi bilmek gerekir. Fizikteki itme-momentum-hareket-enerjinin korunumu yasaları bize bu hareketi kolay bir şekilde anlama imkanı sağlar. Bu çalışmada Birleşik Devletler ile Rus roketleri ele alınmıştır. Birleşik Devletler ve Avrupa roketleri ile Rus roketlerinin uzunluk, çap, ağırlık ve itme gibi özellikleri çizelgeler halinde gösterilmiştir. Ses roketleri araştırmacılara oldukça yardımcı olur. Bir çok ses roketi uzay, mühendislik, ...vb. bilimlerde teknolojik yenilik için test zemini sağlar. Son olarak şu söylenebilir ki çeşitli ülkeler roket konusunda her geçen gün ilerlemeler kaydetmekte ve bunun sonucunda da bilimde yeni ufuklar açmaktadırlar. 2. GİRİŞ Bir roket verilen bir yönde, yüksek hızda küçük bir kısmını fırlatan, kendi kendine yeten bir araçtır ve pratik bir hızla kalan kütleyi ivmelendirebilen bir itme reaksiyonu üretir. Diğer dünyalara yolculuk fikri günümüzden çok öncedir. Çok eskilerde, ikinci yüzyılda Yunan bilim adamı Samosata’lı Lucian bir hikâye kaleme aldı. Hikâyede bir grup denizci Cebelitarık Boğazı’ndan geçerken büyük bir deniz hortumuna yakalandı ve Ay’a fırlatıldı. Johannes Kepler bir bilim-kurgu yazdı. Kepler’in kahramanı kötü ruhlar tarafından Ay’a gönderildi. 1865 yılında Jules Verne klasik hikâyesini yayınladı. Bu hikâyede yolcular bir mermi içine yerleştirildi ve güçlü bir silahla namludan Ay’a doğru ateşlendi. Uzay uçuşu hakkındaki ilk doğru bilimsel fikirler Rusya’lı Konstantin Eduardouich Tsiolkovskii tarafından 1902 yılında bir dergide yayınlandı. Tsiolkovskii, sıradan uçma makinelerinin havasız uzayda çalışmayacağını fakat roketlerin çalışabileceğini biliyordu. Çünkü Isaac Newton’un tepki kanuna göre bu fikre sahipti. Her etki, eşit ve zıt bir tepkiye yol açıyordu. Örnek olarak, İngiltere’de gece Guy Fawkes’den fırlatılan sıradan ateşlemeli bir roketin gönderildiği düşünülsün. Roket, içi barut dolu delikli bir tüp içerir. Fitil yakılıp hemen çekildiğinde toz yanmaya başlar; sıcak gaz üretilir, egzoz çıkar, böylece tüpe zıt yönde bir etki uygulanır. Gaz aktıkça roket uçmaya devam eder. Uzayın keşfedilmesinde roketin evrimi büyük rol oynar. Uzayın keşfi diğer yollardan (rasathaneler ve radyo uyduları) yapılmışsa da günümüz için roketler uzayın, “bu yeni okyanusun” krallığını sürdürmektedir. Roketler, Kozmik okyanusta sınırların yıkılmasını sağlamıştır. Böylece yalnızca uzayın yabancı denizlerinin haritası elde edilmez. Aynı zamanda uzayda varoluş duygusu da geliştirilir. 3. TARİHÇE Roketler konusunda ilk bilgi Tsien- King kuşatmasının gerçekleştiği 13. yüzyıla aittir. Uzay uçuşu hakkındaki ilk doğru bilimsel fikirler ise Rusya’lı Konstantin Eduardouich Tsiolkovskii tarafından ortaya atılmıştır. Tsiolkovskii, roketlerde katı yakıtların zayıf ve güvensiz olduğunu belirtmiştir ve sıvı yakıtlı roket motorunu planlamıştır. Tsiolkovskii pratik yapan bir bilim adamı değildi ve ilk sıvı yakıtlı roket 1926’ ya kadar ateşlenemedi. Amerikali bir mühendis olan Robert Hutching Goddard, Tsiolkovskii’ nin çalışmaları hakkında bilgisi olmadan yeterli özellikte bir roket yapmıştır. Bu, onlarca metre uçabilen, saatte 100 km’ nin altında bir zirve hızı olan (96,540 km /saat) bir roketti ve günümüz roketlerinin de atasıydı. Bundan birkaç yıl sonra içinde Wernher Von Braun’ un da bulunduğu bir Alman çalışma grubu, Berlin’in dışında bir roket uçurma alanı kurarak ilk deneylere başlamıştır. Nazi Hükümeti daha sonra bu olaya el koymuş ve roket ile ilgili çalışanları Peenemünde’ ye transfer etmiştir. Burası Baltık’ ta bir adaydı ve burada askeri silah üretimi yapılmakta idi. Yapılan çalışmalar sonucunda ilk “V2” roketi elde edildi. İkinci Dünya Savaşı’nın sonlarında (1944-1945), “V2” roketleri İngiltere’yi bombalamak amacıyla kullanılmıştır. Daha sonra Von Braun ve Peenemünde’ de bulunan birçok bilim adamı Amerika’ya gitmiş ve Amerika Birleşik Devletleri’nin ilk yapay uydusu olan “Explorer 1” in 1958 yılında fırlatılmasında görev almıştır. Bundan sonra Rusya da “Uzay Çağı” na giriş yaptı ve 4 Ekim 1957’de ilk insan yapımı uydu olan "Sputnik 1” i uzaya gönderdi. Bu, küçük bir radyo alıcısı taşıyordu ve yeni bir çağın başlangıcı olarak kabul edildi. Roketler konusunda gözle görülür gelişmeler 1957 yılından sonra meydana gelmiştir. Yapay uydular ve uzay istasyonları Dünya’nın yörüngesine oturtulmuştur. İnsanlar Ay’ a ulaşmıştır. İnsansız uzay araçları Pluto’dan itibaren bütün gezegenlere gönderilmiştir. Mars ve Venüs gezegenlerinin yüzeyleri incelenmiştir. 16. yüzyılda Johann Schmidlap, küçük roketleri büyük roketlerin üzerine ekleyerek ilk çok katlı roketleri oluşturmuştur. Büyük roketin yakıtı tükendiğinde roket aşağıya düşer ve ikinci roket ateşlenir. Schmidlap tarafından kullanılan roketler aşamalı roketler olarak adlandırılır. Günümüzde bu yöntem ile inşa edilmiş roketler sayesinde, uzaya ulaşmanın dışında Ay’a ve diğer gezegenlere ulaşmakta mümkün olmaktadır. 4. ROKETLERİN TEMELİ 4.1. Kütle Kütle, roketin performansını etkileyen önemli bir faktördür. Roket uçuşunun temel prensibi olarak, bir roketin yerden ayrılabilmesi için, motorunun roketin toplam kütlesinden daha fazla itme gücü üretmesi gerekir. İdeal bir roket kütlesi için toplam kütlenin %91’i yakıt, %3’ü tanklar, motorlar, yüzgeçler vb. ve %6’sı diğer gezegen veya Ay’a seyahat için uydular, astronotlar veya uzay araçları olabilir. Bir roket tasarımının verimliliği kütle kesri (MF) ile ifade edilir ve roket yakıtının kütlesinin, roketin toplam kütlesine bölümü olarak aşağıdaki şekilde verilir; Yukarıda verilen ifade kullanılarak ideal bir roket için bu değerin 0,91 olması gerekir. Kütle kesri formülünden %1,0’lik bir değerin mükemmel bir oran olduğu düşünülebilir, fakat yakıt miktarı karşısında önemsiz olarak görülür. MF ne kadar artarsa roketin taşıyabileceği yük azalır. 0,91’lik bir MF, yük taşıma kapasitesi ve menzil arasında iyi bir dengedir. Uzay taşıtları yaklaşık olarak 0,82 MF oranına sahiptirler. Uzaya uzay gemisi taşıyabilecek büyük roketler ciddi ağırlık problemlerine sahiptirler. Uzayda uygun yörünge hızına ulaşmak için büyük miktarda yakıta ihtiyaç duyulur. Bu yüzden yakıt tanklarının, motorların ve ilgili donanımların büyüklüğü artar. Bir noktaya kadar büyük roketler küçük roketlerden daha fazla yük taşıyabilir. Fakat roket çok büyük olduğunda ağırlığı artar ve kütle kesri, olması mümkün olmayan bir rakama düşer. 16. yüzyılda havai fişek yapımcısı Johann Schmidlap, küçük roketleri büyük roketlerin üzerine ekleyerek ağırlık problemine bir çözüm getirmiştir.turkeyarena.com 4.2. Momentumun Korunumu Roket hareketinin temel ifadesi tek bir parçadan, parçalar sistemine doğru Newton’un birinci kanununun geniş bir yazılımı ile ifade edilir. Diş kuvvetlerin varlığında momentum korunur. O=mV+meVe (4.2.1) mV = -me Ve (4.2.2) Burada; m= Roket kütlesi V= Roket yakıtının yanması sonucunda kütle merkezine göre roketin kazandığı hız me= Roket yakıtının kütlesi Ve= Roketin egzozundan çıkan artık yakıtın kütle merkezine göre hızı (4.2.2) eşitliği Newton’un üçüncü kanunu olan etki ve tepki kanunudur. m ve me’nin her ikisi skaler büyüklük olduğu için V ve Ve zıt yönlü ve aynı doğrultu boyunca olmalıdır. Böylece; V=iv Ve=-ive ( 4.2.3) ve (4.2.2) eşitliği şöyle yazılabilir: mv=meve (4.2.4) (4.2.4) eşitliğindeki terimler skaler büyüklük olarak ifade edilir. 4.3. Rokette İtme Genel olarak bir rokette yakıt, toplam roket kütlesinin yaklaşık bir oranını oluşturur. Kimyasal bir rokette ise roket kütlesinin tamamı yakıttır. Belirli bir t zamanında roket V hızı ile bir referans noktasına göre hareket etsin. Bu durumda momentumu: Pt=mV (4.3.1) Fakat, dm = -dme (4.3.4) olur. Sonuçta, Örnek Problem: 103kg’ lik bir roket hareket sahasına düşey olarak yerleştiriliyor. Yakıt 2kg/sn hızında azalıyor. Roketin yükselmeye başladığı andaki Ve’ nin kritik değerini bulunuz. Çözüm: Kritik Ve’ de itme yerçekiminin dış kuvvetine eşittir ve taşıtın üzerindeki net ivme sıfırdır. Sonuç olarak (4.3.7) eşitliği kullanılarak; 4.4. Belirli İtici Kuvvet Rokete göre vehızında, bir δt aralığında roketten çıkarılan δme kütlesindeki artış tarafından üretilen itme ele alınsın . Roket bu aralıkta bir itici kuvvet alacaktır. İtici kuvvet çıkarılan kütleye bölünürse; elde edilir. Bu ifade bir roketin yakıt performansının direk bir ölçümüdür. Belirli itici kuvvet terimi, çıkarılan roket yakıtının ağırlığı başına düşen itici kuvvet için alınır. (4.4.4) eşitliği, birim zamanda üretilen itmenin çıkarılan ağırlığa oranıdır. İtme ve ağırlık özdeş birimlerde ise Isp, Newton/Newton/sn, yani saniye biriminde olur. Dolayısıyla zaman birimine sahiptir. Sonuç olarak şöyle söylenebilir: Bir yakıtın Isp değerinin 500sn olması, üretilen itmenin 1 saniye içinde çıkarılan gazın ağırlığının 500 katı olması demektir. Bu büyük itmeyi üretmek için ve büyük olmalıdır.turkeyarena.com ve=Ispge=(500sn)9,8 (10-3) km/sn2= 4,9 km/sn Roketin tüm performansı ya itmenin ağırlığa oranı ile; Fitme/mege ya da toplam itici kuvvetin ilk ağırlığa oranı ile; ölçülür. 4.5 Roket Eşitligi (4.3.7) eşitliği aşağıdaki gibi yazılabilir: Burada (4.3.4) eşitliği de kullanılabilir. Dış kuvvetin sadece yer çekimi olduğu kabul edilsin. Böylece, F=mg (4.5.2) olur ve moment için aoredinamik sürüklenme göz ardı edilir. Daha sonra aşağıdaki eşitlik bulunur: Sabit bir yerçekimi alanına karşın düşey fırlatmada (4.2.3) eşitliği kullanıldığında şu ifade yazılabilir: g=-ig (4.5.4) Buradan; Roket eşitliği; elde edilir. Yerçekimini ve aerodinamik sürüklenmeyi içeren bütün dış kuvvetlerin olmaması halinde yanma hızı, ile verilir. Örnek Problem: Düşey olarak firlatılan bir roket, saniyede ilk roket kütlesinin 0,005’ine eşit oranda bir kütle çkarıyor. Eğer ve=5 km/sn ise 10 sn sonra roketin hızını ve yüksekliğini bulunuz. Aerodinamik sürüklenmeyi gözardı ediniz. Çözüm: 4.6. Sabit İvmeli Roket Hayvansal organizmaların üzerinde meydana gelen bozucu etkiler, roket ivmelerine doğal bir sınır oluşturur. İvme mümkün olduğu kadar sabit olmalıdır. Fakat itmeyi sabit tutmaktansa, ilk düşük seviyeden roket kütlesinin boşaltıldığı kritik yüksek seviyeye kadar değişen ivmeye de izin verilmelidir. Roketin dünyadan düşey olarak fırlatıldığı düşünülürse aşağıdaki eşitlik elde edilir: veya İntegral alınırsa; veya Aerodinamik Sürüklenme (4.5.5) eşitliğine ihtiyaç duyan atmosferik sürüklenme kuvveti şöyle ifade edilir: Burada vbo, yanma zamanı olan t süresinde, düşey bir firlatma da hesaplanan, aerodinamik sürüklenmedeki asıl yanma hızıdır. Düşeyden farklı bir firlatma yönü için, gSinβ ifadesi (4.5.5) denklemindeki g’de yerine konur. Burada β yataydan yörünge yapan açıdır. (4.7.1) denklemini yaklaşık olarak çözmek için bazı bilgilere ihtiyaç vardır. İlk olarak taşıtın konumu ve zamanın bir fonksiyonu olarak hızı hakkında birinci derecede bilgi elde edebilmek amacıyla vakum yörüngesi hesaplanır. Buradan değerler farklı zamanlarda FDiçin yerleştirilir. (FD: Sürüklenme kuvveti, Sp: Yakıt tankının taban alanı, CD: Yakıtın yoğunluğu) Yakıtta kısa yanma süreleri için, sürüklenme faktörünün vbo’ın üzerindeki etkisi fazla değildir. Buna rağmen yanmadan sonra yörünge ve hız, sürüklenme kaybından aşırı derecede etkilenecektir.