İtki

İtki, bir roket motorunun egzoz gazını arkaya doğru hızla fırlatarak roketi ileri iten kuvvettir. Newton'un üçüncü yasasının doğrudan uygulamasıdır: motor gazı arkaya iter, gaz da motoru öne iter. Birimi newton'dur.

Nasıl işler?

Motorun yanma odasında yakıt ve yükseltgen yanar, basınçlı ve çok sıcak gaz oluşur. Bu gaz, daralıp sonra genişleyen bir lüle (nozul) içinden geçerek hızlanır ve saniyede birkaç kilometre hızla dışarı çıkar. Gazın kazandığı momentum, roketin ileri gitmesini sağlayan reaksiyon kuvvetini yaratır.

İtki iki parçadan oluşur: F = ṁ · ve + (pe − pa) · Ae. Birinci terim, saniyede harcanan kütle ile egzoz hızının çarpımıdır (momentum itkisi). İkincisi, lüle çıkışındaki basınçla dış basınç arasındaki farktan gelen küçük bir ekleme (basınç itkisi) ve çıkış alanıyla çarpılır. Roket yükseldikçe dış basınç düştüğü için aynı motorun itkisi biraz artar.

Kalkış koşulu basittir: itki roketin ağırlığından büyük olmalıdır. Bu oran "itki/ağırlık" olarak verilir. Değer 1'in altındaysa roket yerden kalkamaz. Kalkış sırasında tipik olarak 1,2-1,5 civarındadır. Uzayda ise ağırlık sorun olmadığı için çok küçük itki bile işe yarar, yeter ki uzun süre çalışsın.

İtki ile özgül itki karıştırılmamalıdır. İtki, "ne kadar güçlü iter" sorusunun cevabıdır; özgül itki ise "yakıtı ne kadar verimli kullanır" sorusunun. Çok güçlü ama verimsiz bir motor ile çok verimli ama çok zayıf bir motor arasındaki denge, görev türüne göre seçilir.

Örnekler

• Satürn V'in birinci kademesindeki beş F-1 motoru, kalkışta toplam yaklaşık 34,5 milyon newton itki üretiyordu; her motor deniz seviyesinde yaklaşık 6,8 milyon newton veriyordu. Toplam kuvvet, yaklaşık 3.500 tonluk bir ağırlığa karşılık gelir.
• Falcon 9'un dokuz Merlin motoru deniz seviyesinde toplamda yaklaşık 7,6 milyon newton (7.607 kN) verir.
• Bir uydu itkileyicisi birkaç newton ya da daha azını üretir.
• Deep Space 1'in iyon motoru en yüksek güçte yaklaşık 0,09 newton (92 milinewton) itki verdi; bu, yalnızca birkaç gramlık bir ağırlığa denktir. Ama aylar boyunca aralıksız çalışarak aracın hızını kademeli olarak artırdı.

Tarihçe

İtki kavramı, Isaac Newton'un 1687'de yayımladığı hareket yasalarına dayanır. Yirminci yüzyılın başında Robert Goddard, roketlerin havasız ortamda da çalışabileceğini, yani gazın itecek bir şeye ihtiyaç duymadığını deneylerle gösterdi. Bu, o dönemde pek çok kişinin yanlış zannettiği bir konuydu: roket havaya "yaslanmaz", kendi egzozunu geriye atar.

Neden önemli?

İtki, bir roketin yük kapasitesini ve ivmelenme profilini belirler. Çok yüksek itki, kalkışta yerçekimi kayıplarını azaltır; çünkü roket yer çekimine karşı harcadığı süreyi kısaltır. Öte yandan çok yüksek ivme, fırlatılan yük ve insanlar için de sınır koyar. Bu yüzden itki, motorların kısılabilmesi ve kademeli çalışmasıyla yönetilir.

Ölçüm ve test

Roket motorları kalkıştan önce yer testlerinde, sabit bir standa bağlanarak çalıştırılır ve itki yük hücreleriyle ölçülür. Test standları, çok yüksek kuvvetlere dayanacak biçimde yapılır ve egzozu güvenle uzaklaştıran kanallara sahiptir. Ölçümler, itkinin zamana göre nasıl değiştiğini gösterir; bu da uçuş yazılımının ve yörünge hesaplarının girdisi olur. Motor kısma, yani itkiyi azaltma, çoğu sıvı motorda yakıt akışını değiştirerek yapılır. Roket yükseldikçe kütle azalırken ivme artacağından, yüklerin ve insanların dayanabileceği sınırı aşmamak için motorlar sıklıkla kalkıştan bir süre sonra kısılır.

İlgili terimler

• Özgül itki
• Roket denklemi
• Sıvı yakıtlı roket motoru
• Katı yakıtlı roket
• İyon motoru