Roket Motorları Nasıl Çalışır?

Roket Motoru Nedir?

İnsanın üstlendiği en muhteşem çabalardan biri, uzayın keşfidir. Şaşkınlığın büyük bir kısmı karmaşıklıktır. Uzay araştırması karmaşıktır çünkü çözülmesi gereken çok fazla sorun vardır ve üstesinden gelmek için engeller vardır. Roket motorları bir yandan, çok kolay bir şekilde kendi model roketlerinizi uçurabileceğiniz kadar basittir Öte yandan, roket motorları (ve yakıt sistemleri) o kadar karmaşıktır ki, sadece üç ülke yörüngeye yerleştirmiştir. Çoğu insan motor hakkında ne düşünür.

Örneğin, bir arabadaki pistonlu bir benzinli motor, tekerlekleri sürmek için enerji üretir. Bir elektrik motoru, bir fanı çalıştırmak veya bir diski döndürmek için enerji üretir. Buhar türbini ve çoğu gaz türbininde olduğu gibi aynı şeyi yapmak için bir buhar motoru kullanılır. Roket motorları temelde farklıdır. Roket motorları reaksiyon motorlarıdır. Bir roket motoru süren temel ilke, “her eyleme eşit ve zıt bir tepki” olduğu bilinen Newtoncu ilkedir. Bir roket motoru, bir yöne kütle atıyor ve sonuç olarak diğer yönde meydana gelen reaksiyondan faydalanıyor. Bu “kitle atma ve tepkisinden yararlanma” kavramının ilk başta kavranması zor olabilir, çünkü bu gerçekleşmekte olan şey gibi görünmez. Roket motorları alevler ve gürültü ve baskı ile ilgili görünmektedir, “şeyleri fırlatmak” değildir. Eğer su püskürtme hortumu gördüyseniz, hortumu tutmak için çok fazla güç aldığını fark etmiş olabilirsiniz (bazen hortumu tutan iki veya üç itfaiyeciyi göreceksiniz ). Hortum bir roket motoru gibi davranıyor. Hortum bir yöne su atıyor ve itfaiyeciler reaksiyona karşı koymak için güçlerini ve ağırlığını kullanıyorlar. Hortumu bırakacaklarsa, muazzam bir güçle etrafa dolanır. İtfaiyecilerin hepsi kaykay üzerinde duruyorsa, hortum onları büyük bir hızla geri itecektir! Eğer beysbolu fırlatırsanız, vücudunuz topu zıt yönde hareket ederek tepki gösterecektir.

Vücudunuzun hareket ettiği hızı kontrol eden şey , attığınız beyzbolun ağırlığı ve hızlanma miktarıdır.buna uyguladığın. Hızlanma ile çarpılan kütle kuvvettir (f = m * a). Beyzbol sahasına uygulayacağınız kuvvet, vücudunuza uygulanan aynı tepki kuvvetiyle eşitlenir (m * a = m * a). Öyleyse beyzbolun 1 pound ağırlığında olduğunu ve vücudunuzun artı uzay takımının 100 pound ağırlığında olduğunu varsayalım. Beysbolu saniyede 32 feet hızla atıyorsunuz (21 mil / sa.). Yani, 1 kiloluk beysbolu kolunuzla hızlandırırsınız böylece 21 mph’lik bir hız elde edilir. Vücudun tepki verir, ama beyzboldan 100 kat daha ağırdır. Bu nedenle, beyzbolun hızının yüzüncü ya da saniyede 0.32 feet (0.21 mil / saat) uzağa hareket eder. Eğer beyzbol topunuzdan daha fazla itme gücü oluşturmak istiyorsanız, iki seçeneğiniz vardır: kütleyi arttırın veya ivmeyi arttırın. Daha ağır bir beyzbol fırlatabilir veya birbiri ardına birkaç beyzbol topu atabilir (kitleyi arttırabilir) veya beysbolu daha hızlı atabilirsiniz (hızlanmayı arttırarak). Ama yapabileceğin her şey bu.

Bir roket motoru genellikle yüksek basınçlı bir gaz şeklinde kütle atmaktadır. Motor ters yönde bir reaksiyon elde etmek için gaz kütlesini bir yönde dışarı atar. Kütle roket motorunun yaktığı yakıtın ağırlığından gelir. Yanma işlemi yakıt kütlesini hızlandırır, böylece roket ağızlığından yüksek hızda çıkar. Yakıtın bir katı veya sıvıdan yanarken bir gaza dönüşmesi kütlesini değiştirmez. Eğer bir roket yakıtı pound yakarsanız, yüksek sıcaklıkta ve yüksek hızda bir gaz şeklinde nozülden bir pound çıkar. Form değişir, ama kütle değil. Yanma işlemi kütleyi hızlandırır. Yani yeryüzünde, yerçekimi ivmesi saniyede saniyede 32 feet (saniyede 21 mil / saniye). Bir torba beyzbol topuyla uzayda geziyor olsaydınve sizden saniyede bir beyzbol attıysanız, 21 mil hızında beyzbollarınız 1 poundluk itme gücüne sahip olacaktı. Eğer beyzbol topları yerine 42 mil kaldıracak olsaydın, o zaman 2 poundluk itme yaratırdın. Eğer onları 2.100 mil / saate fırlatırsanız (belki de bir çeşit beysbol silahından çekerek), o zaman 100 poundluk bir itme gücü üretirsiniz.

Roketlerin sahip olduğu komik sorunlardan biri, motorun fırlatmak istediği nesnelerin aslında bir şeyi tartması ve roketin bu ağırlığı taşıması gerektiğidir. Öyleyse, saniyede 2,100 mil / saat hızında bir beysbol attırarak bir saatliğine 100 poundluk bir itme gücü yaratmak istediğinizi varsayalım. Yani, 3 bin 600 kiloluk beyzbol topu (bir saatte 3.600 saniye) ya da 3.600 kilo beysbolla başlamak zorundasınız. Boşluğunuzda sadece 100 pound ağırlığınız olduğundan, “yakıtınızın” ağırlığının yükün ağırlığını cüceltiğini görebilirsiniz (siz). Aslında, yakıt yükü yükten 36 kat fazladır. Ve bu çok yaygın. Bu yüzden şu anda küçük bir kişiyi uzaya götürmek için büyük bir rokete sahip olmanız gerekiyor – çok fazla yakıt taşımanız gerekiyor. Ağırlık denklemini Uzay Mekiği üzerinde çok net görebilirsiniz. Eğer Uzay Mekiği fırlatmasını daha önce gördüyseniz, üç bölüm olduğunu biliyorsunuz:

Büyük dış tankı İki sağlam roket güçlendiricisi (SRB) Orbiter 165.000 pound ağırlığındadır. Dış tank 78.100 pound ağırlığında. İki katı roket güçlendiricisi, her biri boş 185.000 pound ağırlığında. Ama sonra yakıta yüklemelisin. Her bir SRB, 1,1 milyon liralık yakıt tutar. Harici tank 143.000 galon sıvı oksijen (1,359,000 pound) ve 383,000 galon sıvı hidrojen (226,000 pound) tutar. Tüm araç – servis, dış tank, katı roket güçlendirici muhafazaları ve tüm yakıt – lansmanında toplam ağırlığı 4.4 milyon liradır. Yörüngede 165.000 liraya ulaşan 4.4 milyon lira oldukça büyük bir fark! yörünge aynı zamanda 65.000 poundluk bir yük taşıyabilir (15 x 60 feet ebatlarına kadar), ancak yine de büyük bir farktır.

Yakıt, Orbiter’den (kaynak: The Space Shuttle Operatör El Kitabı) yaklaşık 20 kat daha ağırdır.
Bu yakıtın tamamı, Uzay Mekiği’nin arkasından, belki 6.000 mil / saat hızında (kimyasal roketler için tipik roket egzoz hızları 5.000 ila 10.000 mil / saat arasında) fırlatılıyor. SRB’ler yaklaşık iki dakika yanar ve her bir fırlatmada yaklaşık 3,3 milyon liralık bir itki yaratırlar (yakma üzerinden ortalama 2.65 milyon lira). Üç ana motor (yakıtı dış tankta kullanan) yaklaşık 8 dakika yanar ve yanık sırasında her biri 375.000 paundluk bir itiş gücü üretir.

Katı yakıtlı roketler: Yakıt karışımı

Katı yakıtlı roket motorları, insan tarafından üretilen ilk motorlardı. Onlar Çin’de yüzlerce yıl önce icat edildi ve o zamandan beri yaygın olarak kullanıldılar. Yani roketlerin bir süredir kullanımda olduğunu görebilirsiniz. Basit bir katı yakıt roketinin ardındaki fikir oldukça basittir. Yapmak istediğin şey çok hızlı yanan ama patlamamış bir şey yaratmak. Muhtemelen farkında olduğun gibi, barut patlar. Barut% 75 nitrat,% 15 karbon ve% 10 sülfürden oluşur. Bir roket motorunda, bir patlama istemezsiniz – gücün bir süre boyunca daha eşit bir şekilde serbest bırakılmasını istersiniz. Bu nedenle karışımı% 72 oranında nitrat,% 24 karbon ve% 4 sülfür olarak değiştirebilirsiniz. Bu durumda, barut yerine basit bir roket yakıtı alırsınız. Bu tür bir karışım çok hızlı yanacak, ancak doğru şekilde yüklendiğinde patlamaz. Katı yakıt yeşil renkte gösterilir. Ortada açılan bir tüp ile silindiriktir. Yakıtı yaktığınızda, tüpün duvarı boyunca yanar. Yanarken, tüm yakıt yanana kadar gövdeye doğru yanar. Küçük bir model roket motorunda veya küçük bir şişe roketinde yanık ikinci veya daha az sürebilir. Bir milyon pound yakıtı içeren bir Uzay Mekiği SRB’sinde, yanık yaklaşık iki dakika sürmektedir.

Katı yakıtlı roketler:

Her SRB motorundaki itici karışım, bir amonyum perklorat (oksitleyici, ağırlıkça yüzde 69.6), alüminyum (yakıt, yüzde 16), demir oksit (bir katalizör, yüzde 0.4), bir polimer (karışımı bir arada tutan bir bağlayıcı) içerir. Yüzde 12.04) ve bir epoksi sertleştirici madde (yüzde 1,96). İtici gaz, ileri motor segmentinde 11 noktalı, yıldız şekilli bir perforasyon ve kıç segmentlerinin her birinde ve arka kapakta bir çift kesik koni perforasyonudur. Bu paragraf sadece yakıt karışımını değil, aynı zamanda yakıtın merkezinde açılan kanalın konfigürasyonunu da ele almaktadır.

Bir “11 noktalı yıldız şeklindeki perforasyon” şöyle görünebilir: Fikir, kanalın yüzey alanını arttırmak, böylece yanma alanını ve dolayısıyla itişi arttırmaktır. Yakıt yanarken, şekil bir daireye ayrılır. SRB’ler söz konusu olduğunda, motorun yüksek itme gücü ve düşük itiş gücünü uçuşun ortasında verir.

Katı yakıtlı roket motorlarının üç önemli avantajı vardır:

Basitlik

Düşük maliyetli

Emniyet

Ayrıca iki dezavantajı var:

İtki kontrol edilemez. Ateşlendikten sonra, motor durdurulamaz veya yeniden başlatılamaz.Dezavantajlar, katı yakıtlı roketlerin, kısa ömürlü görevler ( füzeler gibi ) veya güçlendirici sistemler için yararlı olduğu anlamına gelir . Motoru kontrol edebilmeniz gerektiğinde, bir sıvı yakıt sistemi kullanmalısınız.

Sıvı yakıtlı roketler

1926 yılında, Robert Goddard ilk sıvı yakıtlı roket motorunu test etti. Onun motoru benzin ve sıvı oksijen kullanıyordu. Ayrıca pompa mekanizmaları, soğutma stratejileri ve direksiyon düzenlemeleri dahil olmak üzere roket motoru tasarımında çok sayıda temel problem üzerinde çalıştı ve çözdü. Bu sorunlar, sıvı yakıtlı roketleri bu kadar karmaşık yapan şeydir. Temel fikir basittir. Orada yüksek basınçlı ve yüksek hızlı bir sıcak gaz akışı yaratmak için yanarlar. Bu gazlar, onları daha da hızlandıran bir nozülden akar (5.000 ila 10.000 mph çıkış hızları tipiktir) ve sonra motoru terk ederler. Aşağıdaki son derece basitleştirilmiş diyagram size temel bileşenleri gösterir. Örneğin, ya yakıt ya da oksitleyicinin sıvı hidrojen ya da sıvı oksijen gibi soğuk sıvılaştırılmış bir gaz olması normaldir. Bir sıvı yakıtlı roket motorundaki büyük sorunlardan biri, yanma odası ve nozulun soğutulmasıdır, bu nedenle, kriyojenik sıvılar ilk önce soğutulması için süper ısıtılmış parçaların etrafında dolaştırılır. Yanma yakıtının yanma odasında yarattığı basıncın üstesinden gelmek için pompalar çok yüksek basınçlar üretmelidir.

Sıvı yakıtlı roket motorlarında her türlü yakıt kombinasyonu kullanılmaktadır.

Örneğin:

* Likit hidrojen ve sıvı oksijen – Uzay Mekiği ana motorlarında kullanılır

* Benzin ve sıvı oksijen – Goddard’ın erken roketlerinde kullanılır

* Gazyağı ve sıvı oksijen – Apollo programında büyük Satürn V güçlendiricilerinin ilk aşamasında kullanılır

* Alman V2 roketlerinde kullanılan alkol ve sıvı oksijen Azot tetroksit / monometil hidrazin – Cassini motorlarında kullanılır

Birçok roket motoru çok küçüktür. Örneğin, uydulardaki tutum iticilerinin fazla itme üretmelerine gerek yoktur. Uydularda bulunan ortak bir motor tasarımı, hiç basınçlı olmayan nitrojen iticilerinde hiçbir “yakıt” kullanmaz, sadece bir tanktan bir nozülden azot gazı üfler. Yeni motor tasarımları, iyonları veya atomik parçacıkları itmeyi daha yüksek hızlara getirmek için çok yüksek hızlara çıkarmanın yollarını bulmaya çalışıyor. NASA’nın Deep Space-1 uzay aracı, propulsion için iyon motorlarını ilk kullanan oldu.