Katı Yakıtlı Roketler

Roketler ateşleme sırasında kullanılan yanıcı ve yakıcı maddelerin türlerine göre 3 ana gruba ayrılır. Bunlar; sıvı, katı ve hibrit yakıtlı roket motorlarıdır. Bu motorlar arasında katı yakıtlı roket motorları roket tasarımcıları tarafından sıklıkça tercih edilen bir motor türüdür. İlk yapılan roketlerin 13.yy’da barut kullanılarak yapıldığı bilinir. Yani katı yakıtlı roketlerin tarihi diğer roket türlerine göre oldukça eskidir. İlk yapılan katı yakıtlı roketler basit bir tabirle havai fişekten farksızdır. Fakat günümüzde katı yakıtlı roketler ucuz, kolay üretilebilir ve uzun süre saklanabilir olduğu için hem amatör roketçilikte hem askeri savunma sistemlerinde sıklıkla tercih edilir. Füzelerde bu durumun tercih edilme sebebi çok yüksek itki kuvveti oluşturup kolayca hızlanabiliyor olmalarıdır.

Katı yakıtlı roketlerde yanma olayı kontrolsüzdür bu sebepten katı yakıtlı roketlerde yanma başladıktan sonra durdurmak imkansızdır. Katı yakıtlı roketleri basitçe 3 kısımda inceleyebiliriz. Roketin uç kısmında yer alan yük kısmı, yakıt ve oksitleyicinin birlikte bulunduğu gövde kısmı ve roketin egzoz çıkısının bulunduğu nozul veya lüle bölümüdür. Yük kısmı roketin taşıyacağı kısma denir. Bu bölüm her ne kadar boyutsal olarak toplam roket hacmine oranla küçük olsa da roketin kullanım amacını belirleyen kısım bu kısımdır. Örneğin askeri amaçla yapılan roketlerin bu bölümlerinde patlayıcı olabilirken uzaya gönderilen bir rokette bu kısma bir uydu yerleştirmek mümkündür. Fakat fırlatma araçlarında yardımcı itici amacıyla kullanılan katı yakıtlı roketlerde yük kısmı bulunmamaktadır. Bir diğer kısmı incelediğimizde ise bu bölüm oksitleyici ve yakıtı bünyesinde barındıran gövde kısmıdır.

Katı yakıtlı roketlerde birden fazla yakıt ve oksitleyici kullanılır fakat bunların hepsi kullanım amacına göre ayrılmıştır. Kullanılan yakıt türleri incelemeden önce bilinmesi gereken bazı kavramlar vardır. Bunlar; özgül itici kuvvet (Specific impulse) ve higroskopi’dir. Bu kavramlardan ilki olan özgül itici kuvvet sade bir tanımlama yapıldığında bir roketin birim yakıt başına elde ettiği enerji miktarına denir. Bu kapsamda özgün itici kuvvet motorun performansını etkileyen parametrelerden biridir. Fakat bu terim “itki” ile ilişkilendirilmemelidir. Çünkü itki motora gerçekleşen kütle akışına bağlı olarak motorun ürettiği itki kuvvetini temsil ederken özgül itici kuvvet ise belirli bir kapasitede yakıta sahip roketin ne kadar süre ivme kazacağının tespitini ifade eder. Birimi ise “saniye”’dir. Daha büyük bir özgül itici kuvvet istenilen hıza ulaşmak için daha az kapasiteye sahip bir yakıta ihtiyacınız olduğunu gösterir. Bu kapsamda bir örnekleme yapılacak olursa aynı kapasitede ve aynı itki üretebilen iki roketten özgül itici kuvveti yüksek olan roket daha uzun çalışma sürelerine ve bu sebeple yüksek verime sahiptir. Özgül itici kuvveti yüksek olan ve normalden daha ağır bir roket hız ve irtifa kazanma konusunda düşük özgül itici kuvvete sahip ama kütlece daha hafif olan bir roketle kıyaslandığında çok verimli olmayabilir. Bu roket kademelendirmesi için önemli bir sebeptir. Genelde ilk aşamada yüksek itki amaçlanırken daha sonra yüksek özgül itici kuvvet istenir.

Bir diğer kavram incelendiğinde ise yani higroskopi, genel kimyada herhangi bir maddenin içinde bulunduğu ortamdaki su moleküllerini difüzyon veya çeperinde yoğunlaştırma yöntemi ile azaltabilme yeteneğine verilen isimdir. Yani bu maddeler su tutma özelliğine sahiptir. Roketin içerisinde bulunan yakıtınız atmosferdeki nem ile temas ederse bu nemi bünyesine alarak hacmini artırabilir. Bu da roketin fiziksel olarak zarar görmesine sebep olabilir. Bu sebeple atmosferden gelen nem sebebiyle yanma verimi kaybı yaşanır. Bu duruma en güzel örnek yazımızın başlangıcında söylediğimiz gibi ilk zamanlar yakıt olarak kullanılan barut, hem su, nem ve türevlerine karşı dirençsiz hem de düşük özgül itici kuvvete sahiptir. Bu durum düşünüldüğünde çokta kaliteli bir yakıt olmadığı açıktır. Bu sebeple barut artık günümüzde daha düşük güce sahip roket modellerinde kullanılabilmektedir.

Modern katı yakıtlı roketlerde oksitleyici ve yakıtın dışında minör miktarda farklı bileşenlerde katkılanabilir. Bu katkı bileşenlerinin amacı kimyasal kararlılığı(denge) sağlamak, yanma verimini artırmak ve yakıtın mekanik özelliklerini korumaktır. Bileşenlerin sitokiyometrik oranları roketin kullanım amacına göre değişmekle birlikte katkılanan bu bileşenlerin tamamının oldukça homojen bir şekilde diğer bileşenlerin içerisine dağılmış olması gerekir. Aksi halde yanma odası veya lüle kısmında düzensiz patlamalara vb. durumlara yol açarak itkinin düzensizliğine sebep olarak roketin hedefe ulaşmasını zorlaştırır veya hedeften saptırır. Katı yakıtlı roketlerde yüksek basınç altında yanma verimi artış göstermektedir. Eğer yanma verimini artıracak katkılar(bileşenler) eklerseniz basınçtan bağımsız olarak verim artışı sağlarsınız.

Roket motorlarının çalışma prensibine bakıldığında yakıt ve oksitleyici arasında gerçekleşen kimyasal yanma reaksiyonundan elde edilen enerji ile çalıştığı görülebilir. Oksijen ile birleşen yakıt atomlarının düşükten enerji seviyesinden yüksek enerji seviyesine geçmesiyle ısı açığa çıkar. Bu ısı ise yanma reaksiyonunun temelini oluşturmaktadır. Ortaya çıkan bu ısı sonucu gaz haline geçen reaksiyon ürünleri başlangıca göre daha fazla bir hacime sahip olmaları sebebiyle daha yüksek bir basınç oluşur ve bu yüksek basınç altındaki gazlar dar bir geometriye sahip olan nozulden geçerek dışarıya atılmak suretiyle kuvvet üretir. Burada yakıtın kimyasal yapısından ziyade fiziksel yapısı da oldukça önemlidir. Çünkü yanma reaksiyonunun gerçekleşeceği bir yanma odası oluşturmak için yakıtın orta kısmına bir delik açmak gerekir. Bu boşluk ise farklı görevler ve farklı kullanımlar için birden fazla tasarıma ve itki-zaman grafiklerine sahiptir.

Son olarak rokete ait son bölüm ise nozüldür(lüle). Yanma odasında oksitleyici ve yakıt arasında gerçekleşen reaksiyonlar sonucu oluşan ısı yaklaşık 3000 – 3500 °C civarına çıkarabilmektedir. Bu sebeple yakıt tankı ve nozulün mekanik ve termal açıdan yeteri kadar mukavemetli olması gerekir. Bu yüzden malzeme seçimi tüm roketler için oldukça hassastır.

Katı yakıtlı roketlerin avantajlarına baktığımızda ise oksitleyici ve yakıtı bir arada bulunması sebebiyle herhangi ekstra bir mekanik bileşene vb. ihtiyaç olmaması oldukça basit bir roket olduğunu göstermekte olup kolayca saklanabilir ve depolanabilir olması gibi özelliklerle de farklı avantajlar sağlamaktadır. Dezavantajları ise katı yakıtlı roketler bir defa ateşlendikten sonra durdurulamazlar ve diğer roket türleriyle kıyaslandığında daha güvensiz ve tehlikelidir. Diğer roketleri katı yakıtlı roketlerden ayıran temel özellikler yalnızca tehlikeli olup olmaması değil, özgül itici kuvvet değerlerindeki farklılıklardır.

Kaynakça

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-propellant_rocket
2. https://www.britannica.com/technology/rocket-jet-propulsion-device-and-vehicle/Chemical-rockets
3. https://www.sciencelearn.org.nz/resources/393-types-of-chemical-rocket-engine