Roket itkisi: katı, sıvı ve iyon motorları nerede kullanılır

Roket motorlarını karşılaştırırken iki ayrı sayıya bakmak gerekiyor ve bu ikisi çoğu zaman birbirinin tersine çalışıyor: ne kadar kuvvet üretiliyor ve bu kuvvet için ne kadar yakıt harcanıyor.

İki sayı: itki ve özgül itki

Bir roket, maddeyi geriye doğru hızla atarak ileri gidiyor. Buradan iki ölçü çıkıyor:

• İtki: üretilen kuvvet. Kalkışta roketin ağırlığını yenmeye yetmesi gerekir; yetmezse roket yerden kalkmaz.
• Özgül itki: birim yakıtla ne kadar itki üretildiği, saniye cinsinden ifade edilir. Yakıt verimliliğinin ölçüsüdür.

Neden ikisi birden yüksek olamıyor? Çünkü yüksek özgül itki için maddeyi çok hızlı atmak gerekir ve madde ne kadar hızlı atılırsa, aynı güçle o kadar az madde atılabilir. Yakıtın neden roketin neredeyse tamamını kapladığını roket denklemi yazısında anlatmıştık.

Katı yakıt

Yakıt ve oksitleyici, lastiğe benzer bir yapıda karıştırılıp gövdenin içine dökülür. Yakılınca içten dışa doğru yanar.

• Artısı: basit, yoğun, uzun süre bekletilebilir ve çok yüksek itki verir.
• Eksisi: bir kez tutuşunca kapatılamaz, kısılamaz. Özgül itkisi de düşüktür, 250 saniye civarındadır.

Bu yüzden katı motorlar genelde yardımcı hızlandırıcı olarak, kalkışın ilk saniyelerinde ek kuvvet sağlamak için kullanılır.

Sıvı yakıt

Yakıt ve oksitleyici ayrı tanklarda tutulur, pompalarla yanma odasına gönderilir. Vana kapatıldığında motor durur.

• Kerosen ve sıvı oksijen: yoğun, saklaması görece kolay; özgül itki 300-350 saniye bandında.
• Sıvı hidrojen ve sıvı oksijen: vakumda 450 saniyeye yaklaşan özgül itki, ama hidrojen çok hafif olduğu için devasa tank ister ve aşırı soğukta tutulması gerekir.
• Metan ve sıvı oksijen: ikisinin arasında bir denge; motorun temiz yanması yeniden kullanımı kolaylaştırıyor.

Sıvı motorların asıl üstünlüğü kontrol: kısılabilir, durdurulup yeniden çalıştırılabilir, yönlendirilebilir. İniş yapan roketler bu yüzden sıvı yakıt kullanıyor.

İyon ve elektrikli itki

Burada yakıt yakılmıyor. Genelde ksenon gibi bir gaz iyonlaştırılıyor ve elektrik alanıyla çok yüksek hızda dışarı atılıyor. Elektrik güneş panellerinden geliyor.

• Özgül itki: binlerce saniye. Kimyasal motorların onda biri kadar yakıtla aynı hız değişimini sağlayabiliyor.
• İtki: çok düşük. Tipik bir iyon motorunun ürettiği kuvvet, avucunuzdaki bir kâğıt parçasının ağırlığı mertebesinde.
• Sonuç: yerden kalkamaz, ama uzayda aylarca kesintisiz çalışarak sondayı kademe kademe hızlandırır.

Bu yüzden derin uzay sondalarında ve uyduların yörünge düzeltmelerinde elektrikli itki tercih ediliyor. Yakıt tasarrufunun bir başka yolu olan yerçekimi manevralarını yerçekimi sapanı yazısında anlatmıştık; iki yöntem çoğu görevde birlikte kullanılıyor.

Görev hangisini seçiyor

• Yerden kalkış: kimyasal motor zorunlu; yalnız o yeterli itkiyi üretebiliyor.
• Yörüngeye yerleşme ve iniş: kısılabilir sıvı motorlar.
• Yörünge içi düzeltmeler ve istasyon tutma: elektrikli itki, çünkü yakıt ömrü doğrudan uydunun hizmet ömrüdür.
• Gezegenler arası yolculuk: çoğunlukla karışık; kimyasal fırlatma, elektrikli seyir, yerçekimi manevraları.

Mars gibi hedeflerde pencere, iniş ve dönüş hesabının neden bu kadar sıkıştığını Mars yazısında ele almıştık.

Roket mühendisliğinde bedava öğle yemeği yok: ya çok kuvvet ve çok yakıt, ya az kuvvet ve çok sabır.