Roket nasıl çalışır?

Kanca

1920'de ABD'nin en etkili gazetelerinden The New York Times, fizikçi Robert Goddard'la alay eden bir başyazı yayımladı. Goddard, bir roketin bir gün Ay'a ulaşabileceğini yazmıştı. Gazeteye göre bu fikir inandırıcılığı zorluyordu, çünkü havasız uzayda roketin itebileceği hiçbir şey yoktu.

NASA'nın aktardığına göre gazete, yaklaşık yarım asır sonra, Apollo 11'in Ay'a doğru yola çıktığı günün ertesinde, 17 Temmuz 1969'da, kısa bir "Düzeltme" yayımladı: roket, atmosferde olduğu gibi boşlukta da çalışabiliyordu. Roket havayı itmez. Uzayda itecek hava yok. Peki roketi ne ileri taşır?

Merkezi soru

Bir roket, itebileceği hava olmayan uzayda nasıl hızlanır, Newton'un etki-tepki ilkesi roketlere nasıl uygulanır ve roketler neden bu kadar büyük ve çok kademeli yapılır?

Anlatım

Etki ve tepki

Ders 7.1'de kütleçekimini Newton'un yasalarıyla tanımıştık. Newton'un bir başka yasası, roketin sırrını anlatır: bir cisim başka bir cismi ittiğinde, ikinci cisim de birinciyi aynı büyüklükte ve ters yönde iter. Buna etki-tepki ilkesi (action and reaction) ya da Newton'un üçüncü yasası denir.

Bir kaykayın üzerinde durup elindeki ağır bir topu ileri fırlattığını düşün. Topu ileri iterken top da seni geri iter ve kaykay geriye kayar. Bu hareket için arkandaki duvara ya da havaya ihtiyacın yoktur; topu fırlatman yeter.

Roket de tam olarak böyle çalışır. NASA'nın Glenn Araştırma Merkezi'nin açıklamasına göre roket, motorundan gaz fırlattığında havalanabilir: roket gazı iter, gaz da karşılığında roketi iter. Roketin fırlattığı "top", motordan saniyede kilometrelerce hızla çıkan sıcak gaz molekülleridir. Gaz geriye fırlarken roket ileri gider.

Neden hava gerekmez?

Pek çok insan, roketin arkasındaki havayı iterek ilerlediğini düşünür. Oysa itme, roketin içinde gerçekleşir. Yakıt yandığında, yanma odasında çok yüksek basınçlı, sıcak gaz oluşur. Bu gaz, odanın bütün duvarlarına her yönde bastırır. Tek bir yönde, yani lülenin (nozzle) açıldığı arka tarafta bir çıkış vardır. Gaz bu çıkıştan fışkırırken, odanın ön duvarına bastıran basıncı dengeleyecek bir karşı basınç kalmaz. Sonuçta roket ileri itilir.

Şişirilmiş ve ağzı serbest bırakılmış bir balon da aynı şeyi yapar. NASA Glenn'in anlattığı gibi, balonun lastik duvarlarının sıkıştırdığı hava ağızdan kaçarken balon ters yöne fırlar. Balonun ilerlemesi, odadaki havayı itmesinden değil, içindeki havayı dışarı atmasından gelir.

NASA Glenn bir adım daha ileri gider: roketler aslında uzayda havada olduğundan daha iyi çalışır. Havada, dışarıdaki hava egzoz gazının kaçışına biraz engel olur; uzayda ise gazlar serbestçe kaçabilir.

İtme nereden gelir?

Bir roketin ne kadar güçlü itildiği, iki şeye bağlıdır: ne kadar gaz fırlattığına ve bu gazı ne kadar hızlı fırlattığına. NASA Glenn'e göre ne kadar çok yakıt yakılır ve oluşan gaz motordan ne kadar hızlı kaçarsa, roketin itme kuvveti o kadar büyük olur.

Bu yüzden roket mühendisleri, yakıtı mümkün olduğunca hızlı bir gaz akışına dönüştürmeye çalışır. Sıvı hidrojen ile sıvı oksijen gibi güçlü yakıt çiftleri, egzozu saniyede birkaç kilometre hıza çıkarabilir. Uzayda oksijen olmadığı için roketler yalnızca yakıtlarını değil, yakıtı yakacak oksitleyiciyi de yanlarında taşır. Bu, roketi bir uçak motorundan ayıran temel farktır: uçak motoru oksijeni havadan alır, roket ise kendi havasını da taşımak zorundadır.

Roketçiliğin acımasız hesabı

Rus öğretmen Konstantin Tsiolkovsky, 1903'te yayımladığı çalışmasında bir roketin ne kadar hız kazanabileceğini hesaplayan bir ilişki ortaya koydu. Sözle anlatırsak: bir roketin kazanabileceği hız, egzozun hızına ve roketin kalkıştaki kütlesinin, yakıtı bittiğindeki kütlesine oranına bağlıdır.

Bu ilişkinin acı bir sonucu vardır. Roketin yakıtı da bir yüktür; yakıtı taşımak için de yakıt yakmak gerekir. Hızı biraz artırmak için bile çok daha fazla yakıt gerekir. Ders 7.5'teki kaçış hızı gibi yüksek hızlara ulaşmak isteyen bir roketin kütlesinin büyük çoğunluğu bu yüzden yakıttır. Fırlatma rampasındaki dev roket, aslında havaya kalkan dev bir yakıt deposudur; tepesindeki uzay aracı ise bu devin küçücük bir parçasıdır.

Kademeler: Boş depoları atmak

Mühendislerin bu sorunu çözme yolu, roketi kademelere bölmektir. Çok kademeli bir roket, üst üste konmuş birkaç roketten oluşur. En alttaki kademe yakıtını bitirdiğinde ayrılıp düşer. Böylece roket, artık işe yaramayan boş depoları ve motorları taşımaktan kurtulur. Sonraki kademe, çok daha hafif bir yükü itmeye başlar.

Bu, uzun bir yürüyüşte, içindeki yiyecekler bittikçe boşalan çantaları yol kenarına bırakıp yükünü hafifletmeye benzer. İnsanları Ay'a götüren Satürn V roketinden bugünkü roketlere kadar, uzaya giden hemen her büyük roket bu ilkeyle kademeli yapılır. Bazı yeni roketlerde ise kademeler yeniden kullanılmak üzere Dünya'ya geri döner ve yere dikey olarak iner.

Aslında…

Kaykay ve top örneğinde olduğu gibi, ilerlemek için dışarıda bir şeye yaslanmak gerekmez; yeter ki bir şeyi geriye fırlatabilesin.

Büyük resim

Roket, insanlığın Dünya'nın çekiminden kurtulmasını sağlayan tek araçtır. Hubble'dan Webb'e, Voyager'dan Mars keşif araçlarına kadar uzaydaki her aygıt, bir roketin ucunda oraya ulaştı. Bu araçların hepsinin temelinde, basit bir fizik ilkesi yatar: bir şeyi geriye fırlatırsan, ileri gidersin.

NASA'ya göre Goddard, 16 Mart 1926'da Massachusetts'teki bir çiftlikte, sıvı yakıtla çalışan ilk roketini fırlattı. Roket yalnızca iki buçuk saniye uçtu, on iki buçuk metre yükseldi ve bir lahana tarlasına düştü. Bu mütevazı başlangıçtan kırk üç yıl sonra, aynı ilkeyle çalışan dev bir roket insanları Ay'a götürdü.

Özet

1. Roket, Newton'un etki-tepki ilkesiyle çalışır: motorundan gazı geriye fırlatır, gaz da roketi ileri iter; bunun için dışarıda havaya gerek yoktur ve NASA'ya göre roketler uzayda havada olduğundan daha iyi çalışır.
2. İtme, fırlatılan gazın miktarına ve hızına bağlıdır; uzayda oksijen olmadığı için roketler yakıtlarının yanında oksitleyici de taşır.
3. Tsiolkovsky'nin 1903'te gösterdiği gibi roketin kazanabileceği hız, egzoz hızına ve kalkış ile boş kütlesinin oranına bağlıdır; bu yüzden roketlerin kütlesinin çoğu yakıttır ve boş depoları atmak için roketler kademeli yapılır.

Görev

Quiz

1. Newton'un etki-tepki ilkesi nedir?
2. Roket neden ilerlemek için havaya ihtiyaç duymaz?
3. Bir roketin itme kuvveti hangi iki şeye bağlıdır?
4. Roketler neden oksitleyici de taşır?
5. Roketler neden kademeli yapılır?

Cevaplar

1. Bir cisim başka bir cismi ittiğinde, ikinci cismin de birinciyi aynı büyüklükte ve ters yönde itmesi.
2. Çünkü roket, motorundan fırlattığı gazı iter ve gaz da onu ters yönde iter; itme roketin içinde, yanma odasında gerçekleşir, dışarıdaki havaya yaslanmaz.
3. Fırlatılan gazın miktarına ve bu gazın motordan ne kadar hızlı kaçtığına.
4. Çünkü uzayda yakıtı yakacak oksijen yoktur; roketler, uçak motorlarının tersine, yanma için gereken oksijeni de yanlarında taşımak zorundadır.
5. Çünkü yakıtı biten boş depolar ve motorlar gereksiz bir yüktür; bunları atarak roket hafifler ve sonraki kademe daha hafif bir yükü daha verimli biçimde hızlandırır.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Goddard'ın roketi bir lahana tarlasına düştüğünde, kimse otuz yıl sonra bir roketin Dünya'nın çevresine yapay bir uydu yerleştireceğini tahmin etmiyordu. 1957'de bir top büyüklüğündeki metal küre yörüngeye oturdu ve dünyayı sarstı. İki süper güç arasındaki bu yarış nasıl başladı ve insanları Ay'a kadar nasıl götürdü?