Roket, bulunduğu ortamdaki havayı kullanmadan hızlanmak için jet itkisini kullanan araçlara verilen addır. Roketler, amaçlarına göre uzay görevlerinde, muharip görevlerde ya da farklı görevlerde kullanılabilir. Roketlerin yüksek hızlara çıkmasını sağlayan itkiyi üreten motorlarsa roket motorları olarak adlandırılmaktadır. Roket motorlarının da roketler gibi çeşitli türleri bulunmaktadır. Bu motorlar; fiziksel güçle çalışan, kimyasal güçle çalışan, elektrik gücüyle çalışan, termal güçle çalışan motorlar olarak sınıflandırılmaktadır. Bu yazımızın ana konusu olan hibrit yakıtlı roket motorlarıysa kimyasal güçle çalışan motorlar sınıfına girmektedir. Hibrit yakıtlı roketlerin gelecekte uzay taşımacılığında önemli bir yere sahip olması beklenmektedir.
Hibrit Yakıtlı Roket Motorların Tarihi
Rusya
Hibrit yakıtlı roket motorları hakkında ilk çalışmalar 1930’lu yılların başında SSCB bünyesinde kurulmuş Reaktif Hareket Çalışma Grubu (Group for the Study of Reactive Motion) ya da Rusça kısaltmasıyla GIRD tarafından yapılmıştır. Takvimler 1933 Ağustos ayının 17’sini gösterdiği zaman Sovyet mühendis Mikhail Klavdievich Tikhonravov tasarlanan ve ilk hibrit motorlu roket sayılan GIRD-9 roketi sıvı oksijen ve yarı-sıvı gazolin yakıtını kullanarak ateşlenmiştir ve 400 metre irtifaya çıkmıştır.
Almanya
1930’ların sonlarına doğru da Alman IG Farben şirketinde hibrit yakıtlı roketler için çalışmalara başlanmıştır. Leonid Andussow tarafından liderlik edilen bir proje sonunda katı yakıt olarak kömür, sıvı yakıt olarak Azot Protoksit kullanılan, 2.200 lb itki üreten bir motor test edilebilmiştir. Aynı zamanda Avusturyalı roket bilimci Hermann Julius Oberth tarafından da sıvı oksijen-grafit yakıt ikilisini kullanan bir motor çalışması yapılmıştır.
ABD
1940 yılında Kaliforniya Pasifik Roket Topluluğu, sıvı oksijenin yanında tahta, balmumu, kauçuk gibi yakıt çiftleri test etmiştir. Daha sonrasında Haziran 1951 tarihinde sıvı oksijen ve kauçuk yakıt çiftini kullanan roket ateşlenerek 9 km irtifaya çıkmıştır. 1950’lerdeyse General Electric bünyesinde G.Moore ve K.Berman tarafından bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada tüp ve çubuk tasarımına sahip %90 Peroksit (High Test Peroxide/H2O2) ve %10 polietilen içeren yakıt çifti kullanılmıştır. Bu çalışmada ateşleme sırasında sıvı yakıtlı motorlarda gözlenen sert başlangıç gözlenmemiştir. Aynı yıllardaysa o zamana kadar yapılmış çalışmalardan farklı olarak yakıcı maddenin sıvı, yanan maddenin katı olduğu konfigürasyonlardan ziyade yakıcı maddenin katı, yanan maddeninse sıvı olduğu konfigürasyonlar da çalışılmıştır. 1953 yılına gelindiğinde Pasifik Roket Topluluğu tarafından sıvı oksijen ve kauçuk ikilisini kullanan XDF-23 roketi geliştirilmiştir.
1960’lı yıllarda United Technologies Center, Beech Aircraft tarafından süpersonik hızlara ulaşacak bir hedef aracı için çalışmalar yapılmıştır. Sandpiper olarak adlandırılan hedef aracında yakıt olarak %25 NO ve %75 N2O4’ten oluşan MON-25, PMM ve Magnezyum kullanılmıştır. 1968 yılında 6 defa uçan Sandpiper, 300 saniyede 160 kilometre irtifayı aşmıştır. Roketin HAST olarak adlandırılan ikinci versiyonunda yakıt olarak IRFNA-PB ve PMM roket çifti kullanılmıştır. Sandpiper’dan daha fazla yük taşıyabilen HAST ile aynı yakıt çiftini kullanan başka bir roket de Chemical Systems Division ve Teledyne Aircraft tarafından 1980’lerin ortasına kadar geliştirilmiştir. Chemical Systems Division şirketi buna ek olarak lityum ve Flor ve Oksijen karışımı kullanılan bir yakıt çifti yapılmıştır.
Yapılmış en büyük hibrit yakıtlı roketlerse Amerikan Rocket Company (AMROC) tarafından 1980’ler ve 1990’larda yapılmıştır. Üretilen sıvı oksijen ve HTPB yakıt ikilisi kullanan ve AMROC H-500 olarak adlandırılan ilk roket 70 saniye boyunca 70.000 lb itki üretmiştir. Motorun H-250F adıyla bilinen ikinci versiyonuysa 220.000 libre itki üretmiştir.
1994 yılında, Birleşik Devletler Hava Kuvvetleri Akademisi’nde 5 km irtifaya çıkan ve 990 lb güç üreten bir sondaj roketi geliştirilmiştir. Bu rokette yakıt olarak hidroksil sonlu polibütadien (HTPB) ve sıvı oksijen ikilisi kullanılmıştır.
Takip eden yıllarda NASA, Lockheed Martin, eAc, Pratt and Whitney Kimyasal Sistemler Bölümü, Allied Signal, Boeing Rocketdyne ve Thiokol tarafından müşterek bir çalışma başlatılmıştır. Lockheed Martin, 1999 yılında Hibrit Sondaj Roketi (Hybrid Sounding Rocket/HSYR) programını başlatmıştır. Üç ya da iki aşamalı sondaj roketlerinin yerini tek aşamalı sondaj roketlerinin almasını hedefleyen bu proje kapsamında yakıt sıvı oksijen-HTPB ikilisini kullanan ve 60.000 lb itkiye sahip bir roket üretilmiştir.
Avrupa
1960’larda Fransa menşeili ONERA ve İsveç menşeili Volvo-Flygmotor şirketi hibrit yakıtlı roketler için çalışmalara başlamıştır. ONERA’nın geliştirdiği rokette nirtik asit ve amin yakıt ikilisi kullanılmıştır ve ilk uçuşunu 1964 yılında yapan bu roket; takip eden 1965 yılında üç ve 1967 yılında 4 adet yapmıştır. Bu uçuşların hepsi başarılı geçmiş olup 100 km irtifaya ulaşılmıştır. Volvo-Flygmotor tarafından üretilen roketteyse nitrik asit-tagaform yakıt ikilisini kullanılmıştır. Bu roket de 1969 yılında 20 kg yükle beraber 80 km irtifaya çıkabilmiştir.
Hibrit Yakıtlı Motorlarının Çalışma Prensibi
Hibrit roket motorlarında katı ve sıvı fazda yakıtların beraber kullanılması sadece sıvı ve sadece katı yakıt kullanan motorlardaki avantajların bir kısmını da beraber sunmaktadır. Katı yakıt kullanan motorlardaki yapısal basitliği ve sıvı yakıt kullanan motorlardaki verimliliği, yüksek özgül itkiyi ve yeniden ateşleme özelliğini beraber gösteren hibrit yakıtlı roket motorlarında yakıcı madde ile yanıcı madde ayrı depolarda depolanmaktadır. Genel olarak sıvı yakıt yakıcı görevini üstlenirken yazının önceki kısımlarında da bahsettiğimiz gibi katı yakıtın da yakıcı madde olarak kullanıldığı motorlar mevcuttur. Motor çalıştırıldığında yakıcı madde bir enjektör aracılığıyla yanma odasına aktarılır ve orda katı yakıtla reaksiyona girer. Katı yakıt olarak polimlerler, parafin balmumu gibi maddeler örnek verilebilirken sıvı yakıt olarak kerosen, hidrazin, sıvı hidrojen, sıvı oksijen, azot protoksit ve hidrojen peroksit örnek verilebilir.
Hibrit Yakıtlı Motorların Sıvı ve Katı Yakıtlı Motorlara Göre Avantajları
Hibrit yakıtlı motorlar, sıvı yakıtlı motorlara göre daha az tesisat gerektirdiği için mekanik olarak daha basit bir şekilde tasarlanabilir aynı zamanda katı yakıtların sıvı yakıtlardan daha yoğun olması tasarım sırasında hacimden kazanç sağlamaktadır. Buna ek olarak katı yakıt kısmına alüminyum, lityum, berilyum ve magnezyum gibi reaksiyona giren maddelerin de eklenmesi özgül itkiyi arttırabilmektedir. Sıvı motorlardaki turbo pompaların tasarımının komplike olması ve kimyasalların hassas şekilde pompalanmasının zorluğundan dolayı hibrit motorlarda daha az sıvı yakıtın kullanılması avantaj sağlamaktadır. Son olarak hibrit motorlarda sıvı yakıtlardan kaynaklanan dengesiz yanmaların olmaması ve hibrit motorlarda soğutma sistemlerinin daha kolay tasarlanması hibrit yakıtlı motorların sıvı yakıtlı motorlarla karşılaştırıldığında göze çarpan avantajlardandır.
Hibrit yakıtlı motorların katı yakıtlı motorlara karşı avantajlarına gelecek olursak daha yüksek teorik özgül itki ve yakıtlar ayrı ayrı depolandığı için nakil sırasında daha az patlama tehlikesidir. Hibrit motorların katı yakıtlı motorlardan daha kolay kontrol edilebilmesi ve daha az taşıma ve depolama sorununa sahip olması da bu avantajlara dahil edilebilir.
Türkiye’de Hibrit Yakıtlı Roket Motorları
Hibrit yakıtlı roket motor çalışmaların Türkiye’deki öncüsü üniversite olarak İstanbul Teknik Üniversitesi, şirket olarak DeltaV Uzay Teknolojileri, kişi olarak ise Doç. Dr Arif Karabeyoğlu’dur. 2016’da kurulan DeltaV, sadece hibrit yakıtlı motor teknolojilerinde sınırlı kalmayan ve diğer uzay sistemlerini de kapsayan bir şirkettir. 2018 yılında DeltaV, Türkiye’nin kompozit gövdeli ilk hibrit yakıtlı roket motorunun üreterek başarıyla ateşlemiştir. 2019 yılına gelindiğindeyse dünyanın ilk parafin-sıvı oksijen yakıt sistemini kullanan roketi başarıyla fırlatan DeltaV, ertesi yıl Türkiye’nin hibrit itki sistemine sahip en büyük roketi olan SORS’u başarıyla fırlatmıştır. Takvimler 2021’i gösterdiği zaman da Dünya’nın en yüksek itki yoğunluğuna sahip hibrit roketleri başarıyla ateşlenmiştir. 2022 yılında çalışmalarına hızla devam eden DeltaV, yörünge operasyonları için geliştirilmiş olan ilk Hibrit İtki Sistemini (HİS) ateşlemiştir. HİS, 2023 yılına gelindiği zaman uzayda ateşlenen ilk hibrit uzay motoru unvanına da sahip olmuştur. Aynı yıl SORS, parafin/sıvı oksijen yakıt çiftini kullanan 100 km irtifayı aşarak bir ilki gerçekleştirmiştir.
İlk kez 2020 Aralık ayında fırlatılan SORS sonda roketi toplamda 10’dan fazla başarılı şekilde fırlatılmıştır. Güvenli bir şekilde yüksek performanslarda çalışan SORS, maliyet etkin özelliği sayesinde Türkiye’nin gelecekti uzay sanayiindeki yerini arttıracak bir projedir. 12 metreden uzun olan SORS, 50 kg’dan fazla yük taşıyabilmektedir. 100-300 km arası bir irtifaya sahip olan SORS’un ağırlığıysa 2000-3500 kg arasıdır. 4.7 Mach’tan daha fazla hızlara çıkabilen SORS’ta itki kontrol bilgisayarı, telemetri sistemi elektronik sistem olarak bulunmaktadır. Ayarlanabilir itki ve itki sonlandırma yeteneğine sahip olan SORS çoklu ateşleme yeteneğinin yanında hassas faydalı yüklere uygun düşük ve kontrol edilebilir ivme özelliğine sahiptir. HİS ise, Türkiye Uzay Ajansı’nın koordinasyonunda yürütülen Türkiye Milli Uzay Programı kapsamındaki Ay Araştırma Programı (AYAP) için geliştirilmiş bir sistemdir. Ay’a Sert İniş Görevi gerçekleştirecek olan HİS’te yüksek performanslı katı yakıt ve depolanabilir sıvı oksitleyici kullanılmaktadır. Buna ek olarak ateşleme kontrol sistemine, ısıl kontrol sistemine ve hata tespit ve ayrıklaştırma sistemine sahip olan HİS çoklu ateşleme yeteneği ve itki sonlandırma kabiliyetine sahiptir.
DeltaV’nin bu başarılarının ardındaysa genel müdür olarak Doç. Dr. Arif Karabeyoğlu vardır. Arif Karabeyoğlu 1991 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak Mühendisliği Bölümü’nden mezun olmuştur. Yüksek lisans ve doktora eğitimini Stanford Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Bölümü’nde tamamlayan Karabeyoğlu, güncel olarak Koç Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde Doçentlik görevini sürdürmektedir. DeltaV Genel Müdürü olmanın yanında Karabeyoğlu, Fergani Uzay Teknolojileri’nde CTO olarak görev yapmaktadır. Türkiye’nin uzay programında büyük yer tutan ve gelecekte çok daha büyük işler başaracağına inancımızın tam olduğu DeltaV ve Doç. Dr. Arif Karabeyoğlu, 30 Kasım-1 Aralık tarihlerinde kulübümüz tarafından düzenlenecek olan ve üniversite içinde “deeptech” girişimciliğini teşvik etmeyi ve endüstriyi desteklemeyi amaç edinen bir proje olan Defence Up etkinliğinde İTÜ Ayazağa Kampüsü Süleyman Demirel Kültür Merkezi’nde bizlerle beraber olacaktır.
Türkiye’de hibrit roket teknolojileri üzerine çalışan diğer şirket ise Novart Uzay Teknolojileri’dir. Novart Uzay Teknolojileri, İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi akademisyenlerinden Prof. Dr. Alim Rüstem Aslan’ın danışmanlığını yaptığı İTÜ PARS Roket Takımı üyeleri tarafından 2020 yılında kurulmuştur. Farklı görevlere ve isterlere uygun olarak tasarlanan motorlar üreten Novart, 1.5 kN ve 2.5 kN itki üreten motorların testini tamamlamış olup 10 ve 20 kN motorların testlerine devam etmektedir. Novart Uzay Teknolojileri 2022 yılında 15-16 Aralık tarihlerinde kulübümüz tarafından düzenlenen ilk Defence Up etkinliğine platin sponsor olarak katılmıştır. Bu yıl da Novart Uzay Teknolojileri, 30 Kasım-1 Aralık tarihlerinde yine Defence Up’ta bizlerle beraber olacaktır.
Kaynakça
Humble, Rolan W., Henry, Gary N., Larson, Wiley J., 1995, Space Mission Analysis and Design Second Edition, The McGraw-Hill Companies, Inc Primis Custom Publishing, New York.
Karabeyoglu, A. Hybrid rocket propulsion for future space launch. Department of Aeronautics and Astronautics, Stanford University, Aero/Astro 50th Year Anniversary (2008).
Story, G. & Arves, J. Flight Testing of Hybrid Powered Vehicles. (2006).
M. Calabro, Overview on hybrid propulsion, in: Progress in Propulsion Physics, EDP Sciences, 2011, pp. 353–374, doi:10.1051/eucass/201102353.
Story, George, Joe, Arves, 2006, Flight Testing of Hybrid Powered Vehicles, NASA