(Görsel 1 : BrahMos füzesi)
Yukarıda gördüğünüz füze PJ-10 BrahMos , Hindistan ve Rusya ortaklığıyla geliştirilmiş bilinen en hızlı süpersonik seyir füzesidir. Bu yazımızda BrahMos füzesinde kullanılan motor çeşidi olan ramjet motorlarından bahsedeceğiz.
Ramjet motorunu anlatabilmek için öncelikle şok dalgalarına değinmemiz gerekir. Bir cisim bir ortamın içinde sesten hızlı gittiği zaman, ortamı oluşturan moleküller cismin etrafından yeterince hızlı ayrılamaz ve sıkışırlar. Bu durumda şok dalgaları oluşmaya başlar.
(Görsel 2 : F-18 Hornet ses hızını aşarken 7 Temmuz 1999)
Bu şok dalgaları yaklaşık 200nm(nanometre) kalınlığında olmakla birlikte çok yüksek sıcaklıkta ve basınçtadır. Bu sebeplerden ötürü şok dalgaları ses hızının üstünde giden cisimler için ciddi bir engeldir. Ancak ramjet motorları bu krizi bir fırsata dönüştürür.
Normal jet motorları önlerindeki havayı bir fanla emer ve kompresöre gönderir. Kompresör çok hızlı dönen bir şafta bağlı bıçaklardan oluşur ve havanın basıncını arttırır. Buradan çıkan havanın üstüne yakıt püskürtülür ve bujilerle ateşlenir. Bu da hava yakıt karışımının basıncının ve sıcaklığının artmasını sağlar. Bu karışım daha sonrasında bir nozulla dışarı atılır. Nozullun içinde bulunan türbin dediğimiz kısım ise yüksek hızlı havanın etkisiyle döner ve kompresörle aynı şafttadır. Bu şekilde kompresör dönmeye devam eder.
(Görsel 3: Jet motoru kesiti)
Ramjet motorlarında durum biraz daha farklıdır. Ramjet motorları normal jet motorlarındaki havayı sıkıştırmak için kompresör kullanmak yerine yukarıda bahsettiğimiz sesten hızlı giden cisimlerin havayı sıkıştırma etkisini kullanır. Ramjet motorları aşağıda görülebileceği gibi temelde 9 parçadan oluşur.
(Görsel 4: Ramjet motoru kesiti)
Fotoğrafta spike (koni) bahsedilen kısım ramjetin önünde bulunur ve amacı gelen havayı yavaşlatmaktır. Bu şekilde hava ses hızının altına düşer ve basıncı daha da artmış olur. Daha sonra basınçlandırılmış hava flame holder (ateş tutucu) olarak adlandırılan parçadan oluşan combustor (yanma odası) içine gelir. Burada fuel turbopump (yakıt pompası) tarafından pompalanan yakıt injectors (enjektörler) tarafından üstüne püskürtülür ve bunun sonucunda hali hazırda basınçlı aynı zamanda yüksek sıcaklıklı hava alev alır. Bu işlemde flame holder (ateş tutucu) olarak adlandırılan parçanın amacı düzgün bir yanmanın sağlanmasıdır. Yanan havanın hem sıcaklığı hem de hızı daha da artar ve nozzle (nozul) dediğimiz kısımdan dışarı atılır. Bu şekilde itki sağlanmış olur.
Peki tüm bunlar neyi sağlıyor? Ramjet motorlarının avantajları ve dezavantajları nelerdir? Biraz değinelim.
1. Basitlik
Hiçbir hareketli parçası bulunmamasından dolayı ramjet motorları mümkün olan en basit motorlardan biridir. Ayrıca basitliklerinin sonucu hem ucuz hem hafiflerdir.
2. Verimlilik
Düşük Hızlarda Ramjet Motorları gerçekten çok verimsizdir. Hatta Mach 1 (ses hızı) hızına ulaşana kadar neredeyse hiç güç üretemezler. Ancak Mach 3 (ses hızının üç katı) ve üstünde diğer jet motorlarından daha verimlidirler.
(Görsel 5: Farklı motor çeşitlerinin farklı hızlarda verimlilikleri)
3. Normal Jet Motorlarının Kompresör Hızı Limitasyonu
Normal jet motorlarında kompresörü belirli bir hızdan daha hızlı çevirmek, merkezcil kuvvetler sebebiyle kompresör bıçaklarının genleşmesine yol açacaktır. Kaynakçada bıraktığım makalede buna “Kompresör hızının %1 artması, motorun güvenlik faktörünü %5-10 arası düşürür” şeklinde yer verilmiş. Tabii ki ramjet motorları kompresöre sahip olmadığı için böyle bir sorundan etkilenmez.
Ancak her şey iyi hoş değil. Ramjet motorlarının çok az kullanılmasına sebep olan ciddi dezavantajları bulunmakta. Biraz bunlara da değinelim.
1. Ramjet motorları duran bir aracı harekete geçiremez
Ramjet motorlarının en büyük avantajlarından biri olan kompresör bulundurmaması bu noktada en büyük dezavantajına dönüşüyor. Ramjet motorlarının havayı sıkıştırmaları için hali hazırda ses hızına yakın veya daha hızlı gidiyor olmaları gerekir. Bu da araçta aracı harekete geçirecek başka bir donanımın bulunması gereksinimini yaratır. Örneğin, yazımızın en başında bahsettiğimiz BrahMos füzelerinde bu sorun katı yakıtlı iticilerle çözülmüş.
2. Ramjet motorlarını tasarlamak karışıktır.
Ramjet motorları çalışma prensibi olarak basitlerdir ancak içlerine giren havayı kontrol edemezler. Bu sebepten dolayı ramjet motorları spesifik hızlarda çalışmak için tasarlanırlar. Bu hızın altında ve üstünde koni görevini doğru yerine getiremeyeceğinden dolayı verimlilik düşer.
3. Ramjet motorları dar bir hız aralığında verimlidir.
Yukarıda da belirttiğimiz gibi ramjet motorları Mach 3 ten sonra oldukça verimlidir ancak Mach 5 hızına gelindiğinde ciddi bir verimlilik kaybı yaşarlar. Mach 5 ve üstü için Scramjet denilen ayrı bir motor çeşidi kullanılır.
Ramjet motorlarının teknik kısmından yeterince bahsettik. Biraz da ramjet motorlarının tarihinden bahsedelim.
Ramjet Motorlarının Tarihi
Ramjet Motorunun fikir 1900’lerin başlarında ortaya çıkmıştır. Fransız fizikçi Rene Rolin 1913'te ilk ramjet motorlarıyla ilgili bilimsel tezi yazmıştır. Bu tez üzerinden ramjet motoru üretim denemeleri olsa da materyellerin yetersizliğinden dolayı bu denemeler başarısız olmuştur. İlk başarılı ramjet motoru tasarımları 1930’larda görülmüştür
(Görsel 6: Fransız fizikçi Rene Lorin)
İngiliz Bilim Adamı Benjamin Carter, Topçu roketlerinin menzilini arttırmakta kullanılmak üzere ilk uygulanabilir ramjet motoruna benzer bir motorun patentini almıştır. Daha sonrasında günümüzdekine benzer sıvı yakıtlı ve koni uçlu ramjet motorunun patenti Macar mucit Albert Fonó tarafından alınmıştır. Bu patent difüzör (roketin uç kısmı), ateş tutucu, enjektör, yanma odası ve nozul içermekteydi. Yani günümüzdeki ramjet motorlarına oldukça yakındı. Ancak her ne kadar bu tasarımlar süpersonik hızlarda ve yüksek irtifada uçuş için tasarlanmış olsalar da maalesef tasarım aşamasını geçememişlerdir.
(Görsel 7: Macar Mucit Albert Fonó)
1930’lu Yılların ortasında sonunda beklenen an gelmiş, uygulanabilir ramjet motorlarının üretimi Almanya, Fransa ve Rusya’da başlamıştır. Fransız bilim adamı René Leduc konik bir ramjet motoruyla Mach 0.9 hızına kadar bir yer testi gerçekleştirdi. Ayrıca 1938’de tam ramjet motorlu bir uçağın çalışmaları başlamış ve 1939’da parçalarının Mach 2.35'e kadar testi gerçekleştirilmiştir ancak 2. Dünya Savaşı sebebiyle testler durdurulmuştur.
(Görsel 8: Fransız Bilimci René Leduc)
1940 Yılında Almanlar V1 roketlerini geliştirdi. Bu roketler her ne kadar tam olarak ramjet motoru kullanmıyor olsalar da kullandıkları motor ramjet motorlarına oldukça benzediğinden ramjet motorlu füzelerin atası olarak anılırlar.
(Görsel 9: V1 roketleri)
1930’larda Ruslar da boş durmamış ve Mach 2 hızında gidebilecek ramjet motorlarının testlerine başlamışlardır. Ramjet motorları bundan sonraki süreçlerde uçaklarda itkiye yardımcı olmak amacıyla kanatlara monte edilecek şekilde tasarlanmaya başlandı. 1940’ların başında Amerika ve İngiltere’de ramjetli güdümlü hava savunma sistemleri ve uçak performans arttırıcıları geliştirilmeye başlandı. Bu geliştirmeler 2. Dünya Savaşı boyunca devam etti ve sonucunda Bomarc(Amerika Hava Kuvvetleri) , Talos(Amerikan Donanması) ve Bloodhound(İngiltere) gibi silah sistemlerinin ortaya çıkmasını sağladı.
(Görsel 10,11 ve 12: Amerikan Bomarc, Ramoc füzeleri ve İngiliz Bloodhund füzesi)
1940’ların ortalarına doğru ramjet motorları iyice ilgi toplamaya başlamış ve Fransızlar bu dönemde birtakım başarılı projelere imza atmıştır. Ancak 1950’lerde ramjetin harici bir itkiye ihtiyaç duyması sebebiyle bu dönem diğer jet motorları ve roket motorlarının gölgesinde kalmıştır. Rusların SA-4 SA-6 SS-N-19 gibi tasarımları sayesinde 1960-1970 yılları arasında ramjet motoruna olan ilgi tekrar artmıştır.
(Görsel 13, 14 ve 15: SA-4, SA-6, SS-N-19 füze sistemleri)
Kaynakça
Yazılar:
Görseller (Sıralı Şekilde):