Sıvı yakıtlı roket motoru

Sıvı yakıtlı roket motoru, yakıtı ve yükseltgeni ayrı tanklarda sıvı olarak taşıyan ve bunları yanma odasında birleştirerek yakan roket motorudur. Katı yakıtlı rokete göre karmaşıktır, ama kısılabilir, kapatılabilir ve yeniden başlatılabilir; bu yüzden uzaya çıkış roketlerinin çoğunda kullanılır.

Nasıl işler?

Yakıt ve yükseltgen tanklardan pompalarla yanma odasına basılır. Orada enjektörler iki sıvıyı ince damlacıklara ayırıp karıştırır, karışım ateşlenir ve çok sıcak, yüksek basınçlı gaz oluşur. Gaz bir lülede genişleyerek hızlanır ve itki üretir. Yanma odasının sıcaklığı bazı yapılarda 3.000 dereceyi aşar, bu yüzden duvarlar, motorun kendi yakıtı ile soğutulur (yenileyici soğutma): soğuk yakıt, odanın duvarındaki kanallardan geçip ısıyı alır ve sonra yanmaya gider.

Yüksek basınçla yakıt basmak için turbopompalar kullanılır. Bunlar çok küçük ama olağanüstü güçlüdür. Pompaları döndüren gücün nereden geldiği, motorun çevrimini belirler:

• Gaz üreteci çevrimi: yakıtın küçük bir bölümü ayrı yakılır, türbini çevirir, atılır. Basit ve güvenilirdir (Merlin gibi).
• Kademeli yanma çevrimi: türbin gazı da yanma odasına geri verilir, hiçbir şey harcanmaz; çok verimli ama zordur (RS-25, RD-180).
• Tam akışlı kademeli yanma: hem yakıt hem yükseltgen kademeli yakılır (SpaceX Raptor).

Yakıt çiftleri farklıdır. Kerosen ve sıvı oksijen yoğun ve saklaması kolaydır. Sıvı hidrojen ve sıvı oksijen en yüksek verimi sağlar ama hidrojen çok hafif olduğu için büyük tank ister ve kriyojenik, yani eksi 250 derecenin altında saklanır. Metan ve oksijen, Mars gibi yerlerde üretilme ihtimali yüzünden ilgi görüyor. Hipergolik yakıtlar (hidrazin ve azot tetroksit gibi) birbirine değince kendiliğinden tutuşur; bu yüzden uzay araçlarının manevra motorlarında tercih edilir.

Örnekler

• Satürn V'in F-1 motoru, deniz seviyesinde yaklaşık 6,8 milyon newton itki verdi; birinci kademede beş tane vardı.
• Uzay Mekiği'nin RS-25 motoru yeniden kullanılabiliyordu ve kademeli yanma çevrimiyle çalışıyordu.
• Falcon 9'un Merlin motoru yeniden başlatılabilir ve inişte kısılabilir.
• Apollo servis modülü, Ay yörüngesinden dönüş için hipergolik motorunu kullandı.

Tarihçe

İlk sıvı yakıtlı roket, Robert Goddard tarafından 16 Mart 1926'da Massachusetts'in Auburn kentinde fırlatıldı. Benzin ve sıvı oksijenle çalışan roket yaklaşık iki buçuk saniye uçtu, 12,5 metre yükseldi ve 56 metre ötede bir lahana tarlasına düştü. Alman mühendisler 1930'larda bu konuda hızla ilerledi; Haziran 1944'te bir V-2 roketi, uzay sınırına (100 kilometre) ulaşan ilk insan yapımı nesne oldu. Savaş sonrası bu bilgi, uzay çağının temelini attı.

Neden önemli?

Sıvı motorların kısılabilmesi ve yeniden çalıştırılabilmesi, yörünge manevralarını ve roketlerin geri inişini mümkün kıldı. Aynı zamanda katıya göre daha yüksek özgül itkileri vardır. Bu yüzden insanlı uçuşun ve modern fırlatıcıların omurgasıdır.

Zorluklar

Sıvı motorlar basit değildir. Yüksek basınçta, yüksek sıcaklıkta yanma kararsız olabilir; yanma kararsızlığı bir motoru saniyeler içinde parçalayabilir. Bu yüzden enjektör tasarımı büyük özen ister. Kriyojenik yakıtlar tankta ısınıp buharlaşabilir ve sızıntı riski taşır. Fırlatma öncesi yakıt doldurma ve boşaltma operasyonları dikkat ister. Karmaşıklık, maliyet ve güvenilirlik arasında sürekli bir denge vardır. Buna karşılık, test edilmiş sıvı motorlar yeniden çalıştırılıp yeniden kullanılabildiği için uzun vadede maliyeti düşürür.

İlgili terimler

• Katı yakıtlı roket
• Özgül itki
• İtki
• Turbopompa
• Kriyojenik yakıt
• Yeniden kullanılabilir roket