Uzayda Hava Yoksa Roket Nasıl Gidiyor?
Kısa cevapUzayda hava yok. Peki roket neyi iterek hızlanıyor?
Boşlukta Neyi İtiyoruz?
Uzayda hava yok. Peki bu roket neyi itiyor? Arkasında duvar yok. Altında yol yok. Yine de motoru çalışırken hızlanıyor. Alev bir yere çarpıp geri dönmüyor. Üstelik aynı sorunun cevabı bir kaykayda saklı. Roketi birazdan açıp içine bakacağız. Ama önce siz, elinizde ağır bir top olduğunu düşünün. İlerlemek için onu ne yapardınız?
Bir Topla İlerlemek
Bu bir düşünce deneyi. Zeminin sürtünmesiz olduğunu varsayıyoruz. Kaykayın üzerinde topu tutuyorsunuz. Topu geriye atarsanız siz nereye gidersiniz? Bir an tahmin edin. İleriye! Topu iterken top da sizi ters yönde iter. Hareket top elinizdeyken başlar. Ayrıldıktan sonra birbirinizi uzaktan itmiyorsunuz. Duvara veya havaya yaslanmanız gerekmiyor. Geçen bölümün sorusunun anahtarı işte bu.
Aynı fikri balonda görebilirsiniz. Balonun ağzını bırakınca içindeki hava dışarı akar. Tek top yerine sürekli madde atılır. Balon bu yüzden ilerler. Peki, odadaki havayı kaldırsak? Dış hava, itişin zorunlu dayanağı değildir. İçeriden gaz çıkıyorsa itiş oluşabilir. Gerçek bir balon vakumda genişleyebilir, hatta patlayabilir. Biz yalnız hareketin nedenini inceliyoruz.
Motorun İçindeki Cevap
Roketin içinde de sürekli gaz üretilir. Yakıt, yanmayı sağlayan başka bir maddeyle birleşir. Çok sıcak, yüksek basınçlı gaz oluşur. Gaz dar bir boğazdan geçer. Ardından genişleyen çıkışta hızlanır. Bu çıkışa nozul denir. Motor, gazı geriye hızlandırırken ileri yönde itilir. Newton'un etki ve tepki dediği budur. Gaz çoktan uzaklaştığında roketi sonradan itmez. Etkileşim motorun içindedir.
Ama ateş için oksijen gerekmez mi? Evinizdeki ocak çevredeki oksijeni kullanır. Roket, yanmayı sağlayan maddeyi yanında taşır. Buna oksitleyici denir. Birçok büyük sıvı yakıtlı rokette sıvı oksijen kullanılır. Yakıt ve oksitleyici ayrı malzemelerdir. İkisi birlikte yanmaya katılır. Böylece motor dışarıdan hava toplamadan çalışır. Roket, yolculuğa kendi mutfağıyla çıkıyor diyebiliriz. Yalnız bulaşıkları geriye fırlatıyor.
Bir Gazetenin Yanılgısı
Bu yanılgıya büyük bir gazete bile düştü. Bin dokuz yüz yirmide New York Times, Robert Goddard'ın roket fikrini küçümsedi. Boşlukta dayanacak bir şey olmayacağını savundu. Apollo on bir Ay'a giderken gazete düzeltme yayımladı. Tarih: On yedi Temmuz bin dokuz yüz altmış dokuz. Peki roket çalışıyorsa, neden bu kadar çok yakıt taşıyor?
Gaz Hızı, Roket Hızı Değil
Önce gazın hızına bakalım. Kimyasal roketlerde gaz, motora göre saniyede yaklaşık iki buçukla dört buçuk kilometre hızla çıkar. Yani bir saniyede kilometrelerce mesafe! Ama bu, roketin aynı hızda gittiği anlamına gelmez. Gazın çıkış hızını, motoru başlangıç noktası alarak ölçüyoruz. Roketin kazandığı hızsa ne kadar madde attığına, kendi kütlesine ve geçen zamana bağlıdır.
Peki hava olmayınca motor daha mı güçsüz olur? Hayır. Aynı uygun motorda dış basınç ortadan kalkınca itiş biraz daha yüksek olabilir. Çünkü dış basınç, motorun çıkışındaki gazın oluşturduğu itişi azaltır. Fakat vakum sihirli bir güç kaynağı değildir. Asıl neden yine geriye atılan gazdır. Gaz atmayı bırakırsanız, boşluk motorun yerine sizi itmeye başlamaz.
Yükselmek Yetmez
Şimdi asıl zorluğa gelelim. Uzaya yükselmek, orada kalmaya yetmez. Yana doğru da çok hızlanmalısınız. Alçak, yaklaşık dairesel Dünya yörüngesinde hız saniyede yaklaşık yedi virgül sekiz kilometredir. İkinci bölümde anlattığımız gibi, uydu sürekli düşer. Dünya'nın yüzeyi de altında kıvrılır. Böylece yere çarpmadan dolanır. Yeni izliyorsanız bütün fikir bu: Yörünge, düşmenin hiç bitmeyen hâlidir.
Uçan Yol Azığı
Bu hıza ulaşmak için çok madde atmanız gerekir. Üstelik atacağınız maddeyi de önce hızlandırmalısınız. Yakıt taşımak, daha fazla yakıt gerektirir. Pek çok fırlatma roketinde başlangıç kütlesinin yaklaşık yüzde seksen beşiyle doksanı, yakıt ve oksitleyicidir. Bu evrensel bir oran değil. Görselde tank hacmini değil, kütleyi karşılaştırıyoruz. Roketin çoğu, varışta yanınızda kalmayacak yol azığıdır.
Öyleyse boş tankları neden sonuna kadar taşıyasınız? Roketler, işi biten bölümlerini bırakabilir. Buna kademe ayrılması denir. Tankları ve motoruyla bütün bir bölüm ayrılır. Roketin geri kalanı artık daha az yük taşır. Aynı itişle daha kolay hızlanır. Boşalan matarayı çantanızdan çıkarmak gibi. Ama burada matarayla birlikte çantanın bir parçası da gider! Her roketin ayrılma düzeni aynı değildir.
Daha Hızlı Gaz, Daha Güçlü İtiş mi?
Ama bekleyin. Aynı maddeyi çok daha hızlı atarsak ne olur? Daha az maddeyle aynı hareket değişimini sağlayabiliriz. Bazı uzay araçları gazı elektrikle hızlandırır. Önce atomlara elektrik yükü kazandırılır. Bu yüklü atomlara iyon denir. Sonra elektrik alanı onları geriye hızlandırır. Bildiğimiz anlamda ateş gerekmez. Ancak elektrik gerekir; güneş panelleri bu enerjiyi sağlayabilir.
İyon motorları gazı saniyede yaklaşık yirmi ile elli kilometre hızla atabilir. Değerler motordan motora değişir. Gaz daha hızlıysa, itiş de mutlaka daha güçlü mü? Sizce böyle bir motor sizi koltuğa yapıştırır mı? Tam tersi. Bir kâğıt yaprağına bakın. Dawn ve Deep Space One motorlarının itişi, kalınca bir yaprağın ağırlığı kadardır.
Nasıl olur? Hareketin hesabına momentum denir: Kütle çarpı hız. Dış kuvvet yoksa toplamı korunur. İtişte, her saniye atılan maddenin miktarı önemlidir. Hız çok yüksek olabilir. Ama atılan madde çok azsa itiş küçüktür. İyon motorları tam bunu yapar. Az maddeyi çok hızlı gönderir. Bu motorla Dünya'dan kalkamazsınız. Fakat uzayda küçük bir itiş, uzun süre birikebilir.
Hedefe Yaklaşırken
Deep Space One ve Dawn bu yöntemi gerçekten kullandı. Motor, uzun çalışma dönemlerinde aylar boyunca hız değişimi biriktirebilir. Damlayan suyun zamanla kovayı doldurması gibi. Bir anda güçlü olmak yerine sabırlı olmak işe yarar. Ama hedefinize yaklaşınca yeni bir sorun çıkar. Aracınız hâlâ hızla ilerliyor. Şimdi nasıl yavaşlayacaksınız? Önce motoru kapatalım. Bakın, yolculuk bitmedi.
Dış kuvvet yoksa araç aynı hızla, aynı yönde ilerler. Dünya'daki bisikletinizse hava ve sürtünme yüzünden yavaşlar. Motor, hareketi sürdürmek için değil, değiştirmek için gerekir. Gerçek uzayda yerçekimi de vardır. Dünya yakınındaysanız yolunuz bükülebilir. Yörüngede motor kapalıyken bile yönünüz değişir. Yani boşluk, hiçbir kuvvet yok demek değildir. Şimdi burnu çevirelim. Yolunuz hemen dönecek mi?
Hayır. Aracın burnunu çevirmek, gidiş yolunu kendiliğinden değiştirmez. Küçük yan motorlar burnu döndürebilir. Gaz şart da değildir; içeride dönen özel tekerlekler kullanılabilir. Ama bunlar aracı doğrusal olarak frenlemez. Roketle yavaşlamak için hareket yönüne doğru gaz atarsınız. Gazı ileri iterken araç geriye itilir. Hedefe yaklaşırken hızınız azalır. Frene basmak da atılacak madde ve enerji ister.
Cevap ve Yeni Soru
Roket boşluğu itmez. Kendi geriye attığı gazı iter. Gaz da motorun içinde roketi ileri iter. Açılıştaki görüntünün sırrı buydu. Ne hava gerekir, ne dışarıda bir duvar. Önemli olan maddeyi geriye hızlandırmaktır. Ama daha ağır olmak, hareketi her zaman yavaşlatır mı? Aynı boyutta, farklı kütlede iki sarkaç hazırladık. İpleri ve başlangıç açıları aynı. Bir Sarkacı Ağırlaştırırsak Daha mı Yavaş Sallanır?
Kaynaklar
- Roket geriye attığı gazla etkileşerek itiş üretir; dışarıda havaya veya bir yüzeye dayanması gerekmez.NASA Glenn, Rocket Thrust: ; Newton's Third Law: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/rocket/newton3.html
- Dış kuvvet olmayan kapalı sistemde toplam momentum korunur. Momentum, kütle ile yönlü hızın çarpımıdır.OpenStax, University Physics Volume 1, 9.2 Linear Momentum ve 9.3 Conservation of Linear Momentum
- Sıvı kimyasal roket motorunda yakıt ve oksitleyici taşınır; yanma odasında oluşan gaz nozulda hızlandırılır.NASA Glenn, Liquid Rocket Engine: ; Rocket Nozzle: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/rocket/nozzle.html
- Birçok büyük sıvı yakıtlı roket sıvı oksijen kullanır; bütün kimyasal roketlerin oksitleyicisi sıvı oksijen değildir.NASA, SLS Core Stage teknik bilgileri: ; NASA Glenn, Liquid Rocket Engine.
- Vakumda balon içinden gaz çıkışı ilkesel olarak itiş oluşturabilir; sıradan balonun genişlemesi ve dayanıklılığı ayrıca değerlendirilmelidir.NASA Glenn, Rocket Thrust ve Newton's Third Law; OpenStax, University Physics Volume 2, Chapter 2, The Kinetic Theory of Gases
- Kimyasal roketlerin motora göre egzoz hızı için yaklaşık 2,5–4,5 km/sn temsilî bir performans aralığıdır; evrensel sınır değildir.George P. Sutton ve Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements, 9. baskı, Wiley, 2017; kimyasal motor performansı ve egzoz hızı bölümleri. NASA Glenn, Specific Impulse
- Aynı uygun motorun dış basıncı azaldığında basınç katkısı nedeniyle itişi biraz daha yüksek olabilir; temel mekanizma geriye atılan gazdır.NASA Glenn, Rocket Thrust Equation
- Alçak, yaklaşık dairesel Dünya yörüngesinde hız yaklaşık 7,8 km/sn'dir; kesin değer irtifaya bağlıdır.ESA, Types of Orbits, Low Earth Orbit: ; NASA Science, Basics of Space Flight, Chapter 3: https://science.nasa.gov/learn/basics-of-space-flight/chapter3-1/
- Pek çok fırlatma aracında başlangıç kütlesinin yaklaşık yüzde 85–90'ı itici maddedir; burada yakıt ve oksitleyici birlikte sayılır. Bu evrensel bir oran değildir.NASA Glenn, Rocket Mass Ratios, yaklaşık yüzde 90 eğitim örneği: ; Sutton ve Biblarz, Rocket Propulsion Elements, araç kütle oranları ve çok kademeli araçlar.
- Kademelendirme, işi bitmiş tank ve motor gibi yapıları bırakarak kalan aracın taşıdığı kütleyi azaltır.NASA Glenn, Rocket Staging
- New York Times, 13 Ocak 1920 başyazısında Goddard'ın boşlukta roket kullanma fikrini küçümsedi; 17 Temmuz 1969'da Apollo 11 yolculuğu sırasında düzeltme yayımladı.The New York Times, A Severe Strain on Credulity, 13 Ocak 1920; A Correction, 17 Temmuz 1969. Smithsonian National Air and Space Museum, The New York Times Corrects Itself
- Apollo 11'in kalkış arşivi 16 Temmuz 1969'a aittir; gazetenin düzeltme tarihi 17 Temmuz 1969'dur.NASA Science, Apollo 11: ; The New York Times, A Correction, 17 Temmuz 1969.
- Elektrostatik iyon motorlarında yüklü atomlar elektrik alanıyla hızlandırılır. Yaklaşık 20–50 km/sn birçok iyon motoru için temsilî egzoz hızı aralığıdır.NASA/JPL, Dawn Ion Propulsion: ; NASA Glenn NEXT teknik belgeleri; Sutton ve Biblarz, Rocket Propulsion Elements, elektrikli itki bölümü. Dawn örneği yaklaşık 40 km/sn mertebesindedir.
- Dawn ve Deep Space 1 tipi iyon iticilerinin azami itişi yaklaşık 90 mN mertebesindedir; bu, Dünya'da yaklaşık 9 gramlık kalınca veya büyük bir kâğıt yaprağın ağırlığı mertebesidir.NASA/JPL, Dawn Ion Propulsion, yaklaşık 92 mN: ; NASA/JPL Deep Space 1 görev ve iyon itici teknik bilgileri: https://www.jpl.nasa.gov/missions/deep-space-1-ds1/ . Kâğıt karşılaştırması bildirilen kuvvetin Dünya'daki ağırlık karşılığından yaklaşık hesaplanmıştır.
- Deep Space 1 ve Dawn iyon itişini gerçekten kullandı. Uzun çalışma dönemleri boyunca küçük itişin hız değişimi birikir; motorlar görev boyunca kesintisiz çalışmış değildir.NASA Science, Dawn: ; Deep Space 1: https://science.nasa.gov/mission/deep-space-1/
- Dış kuvvet yoksa hız ve hareket yönü korunur. Gerçek uzayda yerçekimi devam eder ve yörüngedeki aracın hareket yönünü değiştirir.NASA Glenn, Newton's First Law: ; NASA Science, Basics of Space Flight, Chapter 3.
- Tepki tekerlekleri gaz atmadan yönelim değiştirebilir, ancak doğrudan doğrusal itiş sağlamaz. Burnu çevirmek hareket yolunu kendiliğinden değiştirmez.NASA Science, Basics of Space Flight, spacecraft stabilization and control bölümleri: ; NASA/JPL Dawn yönelim kontrolü ve reaction wheel teknik açıklamaları.
- Roketle frenlemede hareket yönüne doğru gaz atılması ters yönde itiş oluşturur. Yerçekimi ve atmosferle etkileşim gibi başka yavaşlama yöntemleri de vardır.NASA Glenn, Newton's Third Law; NASA Science, Basics of Space Flight, propulsion ve trajectory bölümleri.
- Gerçek NASA görüntülerinin kökeni, hak durumu ve kredi koşulları her varlık için ayrı kontrol edilmelidir.NASA Image and Video Library: ; NASA Images and Media Usage Guidelines: https://www.nasa.gov/nasa-brand-center/images-and-media/
