roket motorları

[AsiRuH]

1) Kimyasal Yakıtlı Roketler
a) Katı Yakıtlı Roket Motorları
b) Sıvı Yakıtlı Roket Motroları
2) Elektrikli Roket Motorları
a) Elektrotermal Motorlar
b) Elektrostatik Motorlar (İyon Motorları)
c) Elektromanyetik Motorlar (Plazma Motorları)
3) Güneş Işınımlı İtme Motorları
4) Nükleer Motorlar


KİMYASAL YAKITLI MOTORLAR

Katı ve sıvı yakıt kullanan motorlara kimyasal motorlar denir.
Genellikle taşıyıcı olarak kullanılan dev yapılı roketlerin motorları
bu şekildedir. Ancak uydu üzerine monte edilmiş sıvı yakıt kullanan
küçük motorlar uydunun döndürülmesinde ve yörünge değişiminde
kullanılırlar. Boyut olarak küçüktürler. Yakıt olarak uydunun içinde
bulunan yakıtı kullanırlar. Yakıt bitincede uydu yörünge kaymasından
dolayı atmosfere girerek yanar. Yani yakıtın miktarı uydunun ömrünü
belirler. Uydulara yakıt nakli yapmak çok zor bir iş olduğundan uydunun
düşmesine göz yumulur ve o uydunun işlevini yapacak yeni bir uydu
yörüngeye oturtulur. Sadece yörüngede dolanan ve uzay istasyonu
(Skylab, Mir gibi) olarak adlandırılan ve yaşam üniteleri olan uydulara
yakıt takviyesi yapılabilmektedir (uzay mekikleri aracılığıyla).
Başlangıç yükü ile karşılaştırıldığında yerden fırlatılan roketler
ancak toplam yükünün binde yedisini yörüngeye yerleştirebilmektedir.



ELEKTRİKLİ ROKET MOTORLARI

Adından da anlaşıldığı gibi elektrik enerjisini ya doğrudan ya da başka
enerji türlerine çevirmek amacıyla yapılmış motorlardır. Bu nedenle
büyük elektrik gereksinimleri vardır. Elektrik enerjisi ise
jeneratörlerden elde edilir ve jeneratöründe yakıtı yine kimyasal bir
yakıttır. Bu nedenle akü sistemleri ve güneş enerjisini elektrik
enerjisine çeviren ara sistemlere ihtiyaç vardır. Bunlarda hem yükü
arttırır, hem de maliyeti kabartırlar. Ancak gezegenler arası uydular
için uzun zamanda büyük hızlar elde etmeye olanak tanıdığından dış
gezegenlere gönderilen uydularda ve yer yüzündeki uyduların ara
yörüngelere oturtulmasında kullanılırlar.


a) Elektrotermal Motorlar

Motor yapıları, kimyasal roket motorlarına çok benzemektedir. Basitçe
kimyasal bir motorun elektrik ısıtıcısı olmuş halidir. Bir patlama
olmadan elektrik enerjisiyle patlama (genleşme ve moleküler bozulma
sağlanarak) elde edilerek bir itme kuvveti yaratılır. Ancak gaza
verilecek ısı moleküllerin atomlarına ayrılmasına harcanacağından verim
kaybı büyük olur. Sistemin gereksinim duyduğu elektrik enerjisi
genellikle güneş pillerinden elde edilir. Şu anda Resistojet ve Arcjet
olarak adlandırılan iki elekrotermal motor türü kullanılmaktadır.
Resistojet sisteminde gaz elektrik ile ısıtılarak itme sağlanmakta,
Arcjet sisteminde ise yanıcı gaz ateşlenerek itme sağlanmaktadır.
Burada ateşlemeyi sağlayan elektrik donanımıdır. Arcjet’lerin termal
verimi az olduğundan, geniş güneş panelleri ve yörünge aktarımı
sırasında uzun görev süresine ihtiyaç duyarlar. Bu nedenle yörünge
aktarımları için uygun değillerdir.

b) Elektrostatik Motorlar (İyon Motorları)

Bu tip motorlar ilk defa Oberth tarafından ortaya atıldı. Prensip
olarak elektrik ile iyonlaştırılan atomların elektrik ve manyetik
alanlar tarafından ivmelendirilmesine dayanıyor. Bu da kimyasal
motorların geliştirilmiş bir halidir. Çünkü iyon için gaz kullanılıyor.
En büyük özellikleri ise eksoz hızlarının yüksek olmasıdır. Eksoz hızı
10000 km/saniye kadar çıkabilmektedir. Halbuki kimyasal motorlarda bu
değer 3 km/saniye dolayındadır. Bu da yakıt yükünde büyük bir tasarruf
sağlar. Bu sistemin çalışma süresi kısa olduğundan küçük yörünge
düzeltmelerinde kullanılmaktadır. Yakıt olarak genelde buharlaştırılmış
Cs kullanılmaktadır. Şimdiye kadar Civa ve Sezyum kullanan iki tür
elektrostatik motor yapılmıştır. 20 Temmuz 1964 yılında ise ilk
denemeleri gerçekleştirilmiştir. Sezyumun atom ağırlığının iki katı bir
element kullanılırsa ivmelendirme dört katına çıkabiliyor. Bu
motorların %90 gibi yüksek bir verimliliği olduğu halde uzun süre
çalıştırılamamaları bir dezavantajlarıdır. Uzun süre
çalıştırılmamalarının nedeni çok yüksek bir elektirik gerilimine
ihtiyaçları vardır ve bu gerilimin ömrü de üç beş saniyeyi
geçmemektedir. Bu nedenle gerekli olan elekritik atom gücüyle çalışan
elektirik jeneratörleri yardımıyla ya da güneş enerjisiyle
sağlanmaktadır. Kullanılan yakıtın iyonlaşma potansiyelinin düşük ve
atomlarının ağır olmaları tercih ediliyor. İyonların eksoza doğru
ivmelendirilmeleri iki yolla mümkün olmaktadır:

Elektrik alan yaratarak
Değişebilen manyetik alan yaratılarak
Yer yörüngesine oturtulan uzun ömürlü uydular bu tür motor kullanarak
yörünge düzeltmeleri yapmaktadırlar. Yer yörüngesinde nükleer yakıt
bulunduran uyduların nükleer yakıtlarının kullanımı sadece elektik
üretimini sağlamak içindir. Bu da uydunun yükünün artması açısından
dezavantajdır.

Uzaya atılan yer yörüngesine yerleştirilen büyük kütleli uydu ve
labaratuarlarda yörüngeyi bozucu birçok etken vardır. Bu etkiler:

Çok azda olsa atmosferin frenleme etkisi
Yer’in şeklinin tam bir küre olmaması ve dağların etkisi
Diğer dış etkenler, meteorlar, gezegenler, Ay’ın konumu, Yer-Güneş uzaklığındaki değişimler
Bu etkilerden dolayı yörüngeler bozulur. Bozucu etkilerin sonucu küçük
ve uzun sürede oluşur. Dolayısıyla bir motoru çok kısa zaman
çalıştırmakla etkiyi yok etmek mümkündür. Bu tür işler için iyon
motorları kullanılır. Bu tür uydular erken uyarı uyduları (askeri),
haberleşme uydularıdır. Genelde 24 saat peryotlu Yer ile senkronize ve
Yer yarıçapının 5.6 katı uzaklıkta dairesel yörüngelere oturtulmuş
uydulardır.



b) Elektromanyetik Motorlar (Plazma Motorları)

Henüz deney aşamasındaki motorlardır. Bu tip motorlarda gaz plazma
haline getirilmekte, eksoza giden yanma odasında (bu odada kimyasal bir
yanma ve ısı üretimi söz konusu değildir) elekromanyetik bir ortam
elektrik akımıyla sağlanarak plazmanın eksoz dışına doğru hareketi
mümkün kılınmaktadır. Hem yakıtı plazma haline getirmek hem de güçlü
bir manyetik alan yaratmak için çok fazla elektik üretimine ihtiyaç
vardır. Plazma motorları çok teferruatlı ve ağır yapılardır. Böyle bir
motora sahip uydunun yörünge dışına çıkarılması çok zordur. Ancak
yörüngede montajı mümkündür. Gezegenler arası çalışmalar için
düşünülmektedir. Gaz olarak da Helyum atomu kullanılmaktadır. 15
km/saniye gibi yüksek itme hızları elde edilebilmektedir.



GÜNEŞ IŞINIMLI İTME MOTORLARI

Bu sistemde güneş enerjisi toplanıp parabolik ayna ile odaklandıktan
sonra 'kara cisim' özelliğindeki bir noktada toplandıktan sonra
hidrojen gazının ısıtılmasında kullanılmaktadır. Bu yolla hidrojen 2727
°C’ye kadar ısıtılmakta, sıcak gazın atılması ile itme sağlanmaktadır.
Yanma olmaması, hareketli parça bulunmaması ve güneş enerjisinin
doğrudan kullanımı nedeni ile verimi yüksektir. Yörünge aktarımı
amacıyla kullanılabilecek yöntemleri karşılaştırıldığında, solar termal
sistemler en yüksek verimi sağlamaktadır. Ekonomik kriterler
düşünüldüğünde solar termal sistemler diğer sistemlere göre daha
avantajlı olmaktadır. Bu sistem kullanılarak yörüngeye yük taşıma
kapasitesi 2 ile 7 kat arasında artacağı düşünülmektedir.



NÜKLEER MOTORLAR

Uzun uçuşlar için uygun motorlardır. Gerek uranyum gerek plutonyum
radyoaktif maddeler oldukları için radyasyondan korunmak için özel
şekilli uzay araçlarının yapılması gereklidir. Proton-proton zinciriyle
hidrojenden helyuma dönüşüm yapılarak enerji elde edilebilir, ancak
böyle bir sistem henüz gerçekleştirilememiştir. Hidrojenin helyuma
dönüştürülebilmesi için çok yüksek sıcaklıklara ihtiyaç vardır. Böyle
bir sıcaklığa dayanabilecek reaktör yuvası henüz yapılamamıştır. Teorik
olarak böyle bir roket yapılabilirse itme hızının 5 kh/sn olması
beklenmektedir. Nükleer motorlardan fazla bir verim elde
edilememektedir. Buna rağmen kimyasal motorlardan 2-3 kat itme gücü
elde edilebilmektedir. Nükleer motorların iki tipi vardır:

1. Tip: Atom enerjisinin ısısından yararlanıp, itme gücü sağlayan gazın
ısınmasından eksoz hızı elde etmek. Bu tür motorlarda 6 km/sn’lik bir
eksoz hızı elde edilebiliyor. Radyoaktif maddenin bozulması sırasında
oluşan enerji ya direkt olarak gazın ısıtılmasında kullanılır ya da ek
sistemlerle elektrik enerjisine çevrilir. Sistemin avantajı, bozulma
sırasında oluşan ürün çekirdeklerinin dışarı atılması gerekmiyor.
Nükleer yakıt kaybı yok. Dezavantajları ise reaktörün sıcaklığı yakıt
olarak kullanılacak gazdan daha fazla. Bir soğutma sorunu var. Ayrıca
reaktörün etrafına çok güçlü koruma kalkanlarının konulması gerekli.
Sistem hacim ve ağırlık olarak büyük.

2. Tip: Radyoaktif maddenin bozulması sonucunda oluşan ışınımı
kullanmak. Sistem genelde basittir. Roketin arka kısmına radyoaktif
madde sürülür. Maddenin bozulma hızından yararlanılarak oluşan
parçacıklar (a, b ve g tanecikleri) rokete bir itme kazandırırlar.
Böylece 10 km/sn’lik bir hıza ulaşılabilir. Genelde radyoaktif madde
plutonyumdur. Sistemin avantajı itme kuvveti için gaz kullanmamasıdır.
Dezavantajı ise bozulma işleminin düzenli olmaması ve kontrol
edilememesidir.