Teknoloji Politik: Uzaya Erişim Hedefinde Turbo Pompa
9 Şubat 2021, Türkiye Cumhuriyeti’nin önemli anlarından birine tanık olduğumuz tarihi bir gündür. Cumhurbaşkanımız Sayın Recep Tayyip Erdoğan’ın tanıtımıyla, ülkemizin geçmiş uzay çalışmalarını anlamlandıran ve geleceğe dair vizyonu belirten Milli Uzay Programı (MUP) kamuoyu ile paylaşılmıştır. Yurtiçi ve yurtdışından gelen birçok önemli temsilcinin katılımı ile gerçekleştirilen tanıtım ile Türkiye yerli ve milli uzay sektörünün gelişimi ve bağımsız bir sivil uzay gücünün tesisi için gerekli adımları ortaya koymuştur. İddialı ve aynı zamanda ayakları yere basan 10 hedeften en önemlilerinden birisi de “Uzaya Bağımsız Erişim ve Uzay Limanı” hedefidir. Uzaya bağımsız erişim, yer kontrol istasyonları ile birlikte fırlatma aracı, fırlatma üssü teknolojileri ve fırlatma operasyonlarında başarıya ulaşmış olmanın performans göstergesi konumundadır.
Uzay Sınırı
Günümüzde Uluslararası Havacılık Federasyonu (Fédération Aéronautique Internationale, FAI) tarafından 100 km yükseklik uzay sınırı olarak kabul edilmekte iken NASA ve Federal Havacılık İdaresi (FAA) gibi ABD kuruluşları Theodore Von Kármán tarafından belirlenen ilk yükseklik olan 80 km’yi (50 mil) uzayın başlangıcı olarak görmektedir[1]. Her ne kadar uzayın başlangıç yüksekliği konusunda farklı görüş olsa da uzay uçuşları konusunda herhangi bir ihtilaf söz konusu değildir. Dünyanın yörüngesinde bir tam tur yol alabilen her türlü uçuş yörünge uçuşu olarak adlandırılırken, bu yeterlilikte olmayan diğer tüm hareketler yörünge altı uçuş olarak sınıflandırılmaktadır[2].
Yörünge altı uçuşunu yörünge uçuşundan ayıran en temel özellik uzay aracının hızıdır. Bir aracın 100 km’yi geçen her irtifası uzaya ulaşmış kabul edilebilir. Uzayda operasyon yürütmek için ise yörüngede tutunabilecek bir hız kazanılmalıdır. Örneğin 200 km irtifadaki dünya yörüngesinde kalabilmek için uzay aracının yörüngesel hızının saatte yaklaşık 28000 km olması gerekir[3]. Benzer şekilde, Dünya’nın yörüngesinde 1998 yılından beri seyahat eden Uluslararası Uzay İstasyonu 7,6-7,7 km/s (yaklaşık olarak 27500 km/h) hızla hareket etmekte ve bu yörüngesel hızı sayesinde irtifasını koruyabilmektedir.
Resim – Uluslararası Uzay İstasyonu[4]
Uzaya erişim ve yörüngede tutunabilecek hıza ulaşmayı sağlayan araçlar kimyasal itkili roketlerdir. Taşıdıkları görev yüküne hasar vermeden hızlanmayı sağlayan roketler sayesinde bugün Dünya yörüngesinde binlerce uydu görev yapmaktadır. Çoğunlukla iletişim alanında hizmet veren bu uydular için fırlatma ihtiyacı her geçen gün arttığından, geçmişe kıyasla günümüzde daha fazla yük taşıma kapasiteli fırlatma araçları daha sık şekilde kullanılmaktadır. Yüksek görev yükü kapasitesi ile yörüngede tutunmayı sağlayacak hızın kazanılması ise itki sisteminin sağladığı toplam darbe ve yüksek itki kuvvetine bağlıdır. Roketler itki kuvvetini temel olarak etki-tepki prensibi çerçevesinde oluşturmaktadır.
Newton’un etki-tepki prensibini anlatan üçüncü yasasına göre her etki için karşıt yönde ve eşit büyüklükte bir tepki kuvveti oluşmaktadır[5]. Bu çerçevede basit bir örnek göstermek gerekirse, şişmiş bir balonun ağzı kontrollü olarak açıldığında balonun hareket ettiği gözlemlenebilir. Roketler de yanma odasında elde edilen sıcak gazın lüleden atılması ile oluşan tepki kuvvetine dayanan bir temelde hareket etmektedir.
Resim – Roketlerin hareket prensibi
Yakıt Türüne Göre Roketler
Uzaya erişimde kullanılabilecek roketler yakıt türüne göre 3’e ayrılmaktadır: katı yakıtlı, sıvı yakıtlı ve hibrit roketler. Katı yakıtlı roketlerde yakıt ve oksitleyici madde bir arada katı halde bulunur ve ateşleyici mekanizma sayesinde kimyasal reaksiyona girerler. Genellikle askeri amaçlı kullanılan füzelerde ve kalkışın ilk anlarındaki yüksek itki gücünü sağlamak için destek itki sistemlerinde (booster) veya birinci kademe roket motoru olarak kullanılırlar. Yüksek itki yoğunluğuna sahip katı yakıtlı roket sistemleri düşük özgül darbe değerlerine sahiptir. Bu durum özellikle uzaya erişim noktasında daha az tercih edilmelerine sebep olmaktadır.
Sıvı yakıtlı roketler, yakıt ve oksitleyicinin sıvı fazda tutulduğu tanklardan; yanma odasında bir araya getirilmesiyle ortaya çıkan sıcak gazın atılmasıyla itki gücü elde ederler. Roket karakteristiklerinden bir parametre olan özgül darbe (Isp, specific impulse) sıvı yakıtlı roketlerde başarılı uzay operasyonları için arzu edilen seviyelerdedir ve günümüzde sivil amaçlı geliştirilen fırlatma araçları büyük çoğunlukla sıvı yakıtlı roket motorlarına sahiptir.
Hibrit roket motorları ise yakıtın katı fazda, oksitleyicinin ise sıvı fazda bulunduğu sistemlerdir. Bu roket tipinde sıvı oksitleyici, katı yakıt üzerine enjekte edilerek yanma reaksiyonu sağlanmaktadır. Özgül darbe açsından değerlendirildiğinde katı roket motorlarından daha yüksek, sıvı roket motorlarından ise daha düşük bir konumda bulunmaktadır. Bu açılardan bakıldığında yaygın olarak kullanılan katı ve sıvı yakıtlı sistemlerin performans açısından ortasında bir yere konumlandığı söylenebilir. Sistem mimarisinin getirdiği avantajlarla daha ekonomik sistemler bu roket türü ile geliştirilebilmektedir.
Uzaya Erişimde Kritik Teknoloji
Fırlatma operasyonlarında kullanılan roket motorlarına bakıldığında sıvı yakıtlı roket motorlarının ezici bir üstünlükle en büyük paya sahip olduğu görülebilir. Bunun temeli yüksek özgül darbeye sahip olmaları ve fırlatma aracı kontrolünün maliyet ve risk faktörleri açısından optimum noktaya ulaşmış olmasıdır. Bu yüzden uzaya erişim hedefi ile geliştirme yapılırken sıvı yakıtlı roket motorlarının üzerinde durulması son derece normaldir. Nitekim, Mikro Uydu Fırlatma Sistemi Geliştirme Projesi (MUFS) kapsamında Roketsan tarafından geliştirilen ve 136 km’lik irtifa ile Türkiye’nin uzaya ilk ulaşan fırlatma aracı olan SR-0.1 sonda roketi, ilk kademesi katı yakıtlı roket motoru olmakla beraber, ikinci kademesinde sıvı yakıtlı motoru kullanmaktadır[6].
Diğer taraftan, yerli ve milli imkanlarla DeltaV firması tarafından geliştirilen hibrit yakıtlı motor teknolojisi de kayda değer bir başarı grafiği sergilemektedir[7]. MUP “Ay Araştırma Görevi”nde (AYAP-1) uzay aracını Ay’a taşıyacak Milli Hibrit İtki Sistemi’ni geliştiren firma, bu projeden önce yine hibrit motor teknolojisi ile geliştirdiği Sonda Roket Sistemi’nin (SORS) uçuş testlerini başarı ile tamamlamıştır[8].
Hem sıvı yakıtlı roket motoru hem de hibrit roket motoru için düşünüldüğü zaman, yanma odasında daha fazla miktarda yakıt ve oksitleyicinin buluşması itki gücünü artırmakta, fırlatma aracının hızını ve görev yükü kapasitesini yükseltmektedir. Yanma odasına oksitleyici ve/veya yakıtın getirilmesi ise iki şekilde gerçekleşmektedir: basınç beslemesi ve turbo pompa (pompa beslemesi).
Basınç beslemesi, yakıt ve oksitleyici tanklarından başka bir tankta tutulan yüksek basınçlı ve reaksiyona girmeyen gaz sayesinde iki maddenin yanma odasına gönderilmesine dayanan bir sistemdir. Göreceli olarak daha basit bir yapıya sahip olsa da fazladan ağırlık yaratması ve istenen gücü sağlayamaması sebebiyle daha verimsiz bir sistemdir[9]. Bunun dışında, belirli bir ölçeğin üzerinde ağırlık bütçesinden bağımsız olarak basınç beslemeli sistemlerin kullanılması teknik olarak da verimsiz olmaktadır. Ayrıca basınç beslemeli sistemlerin kullanılması, zamana bağlı olarak, belirli bir süre sonra roket performansının azalmasına sebep olmaktadır.
Buna karşın, özellikle büyük ölçekli roket sistemlerinde hem ağırlık maliyetinin düşürülmesi hem de performans kaybı olmaması sebebi ile turbo pompa besleme sistemlerinin kullanılması kaçınılmazdır. Turbo pompa yüksek basınç, sıcaklık değişimleri, yüksek dönü hızı ve aşınma gibi baş edilmesi gereken zorluklara rağmen, uzay alanında özellikle malzeme teknolojilerinde önemli gelişmelere katkıda bulunmuş kritik bir bileşendir. Falcon 9, Electron, H-II A, Angara gibi bugün sıklıkla kullanılan sıvı yakıtlı fırlatma sistemleri turbo pompa ile donanımlıdır.
Resim – M-1 Roket motoru için geliştirilmiş olan turbo pompa[10]
Yeniden kullanılabilir roketlerin de operasyonel olarak kullanılmaya başlanması ile roket alt sistemlerinin ve bileşenlerinin dayanımı kritik önem kazanmıştır. Bu teknolojide itki gücünün ayarlanabilmesi, roketin durdurulup tekrar çalıştırılabilmesi, kesintisiz olarak akışta kararlılık sağlanması ancak turbo pompa kullanılması ile gerçekleşmektedir. Basınç beslemesi sistemlerinin ise turbo pompaya göre küçük ölçekli sistemlerde nisbi verimli olduğu söylenebilir.
Sonuç
Sürdürülebilir ekonomik kalkınma, istihdam, eğitim, sağlık gibi birçok alandaki uygulamalar düşünüldüğü zaman teknoloji geliştirme, günümüz dünyasında devletler açısından en önemli konu haline gelmiştir. Küresel ekonomi modelinde ülkeler arası ticaret ve insan hareketliliği sınırlara takılmıyor olsa da ülkeler, kritik teknolojileri koruma konusunda hâlâ katı bir politika benimsemektedir. Ülkemizin MUP kapsamında sivil alan olarak belirlediği “Uzaya Bağımsız Erişim” hedefi de ithal edilemeyen kritik teknolojileri içermekte olup başarı sağlanması halinde önemli teknolojik ilerlemeleri beraberinde getirecek bir kızıl elma niteliğindedir.
Bir fırlatma aracı tasarımında her aşama ve bileşen büyük önem arz etse de mevcut ve geçmiş fırlatma araçları incelendiğinde başarılı bir turbo pompa teknolojisinin belki de en önemli adım olduğu söylenebilir. Çünkü; diğer bileşenlerle uyumu, istenen çalışma koşullarını sağlaması ve ilgili malzeme teknolojisinin geliştirilmesi gibi aşılması gereken büyük problemleri içinde barındırmaktadır. Aşılan her problem ise teknolojik bir gelişmenin habercisidir ve mühendislik, problemler aşıldığı zaman gelişir.
Diğer taraftan, teknoloji konusunda politika belirlerken makro bakış açılarının yanında, ulaşılmak istenen teknolojik seviyenin alt kırılımlarına inerek bunların kritikliği ve uygulanabilirliği üzerinde de değerlendirme yapılması faydalı olacaktır. Ülkemiz, Milli Uzay Programı ile sivil uzay yarışında teknolojik gelişme vizyonunu belirlemiş ve önemli bir hedef olarak uzaya bağımsız erişim kabiliyetini gelecek planına almıştır. Bu plan elbette birçok kritik aşamadan oluşmaktadır; ancak roket sistemlerinin kalbi olarak nitelendirilen turbo pompa teknolojisinin geliştirilmesi en önemli aşama olarak değerlendirilebilir. Fayda-maliyet analizlerine dayanan örnek fırlatma konfigürasyonlarına göre projelendirilmesi ile göreceli olarak küçük bütçelerle daha hızlı sonuçlar elde edilmesi olası gözükmektedir.
Fatih DEMİR
Space Technologies Expert
[1] https://www.nationalgeographic.com/science/article/where-is-the-edge-of-space-and-what-is-the-karman-line (E.T.:03.11.2022)
[2] https://www.collinsdictionary.com/dictionary/english/suborbital
[3] https://www.space.com/suborbital-orbital-flight.html (E.T.:03.11.2022)
[4] https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5‑8/features/nasa-knows/what-is-the-iss-58.html
[5] https://www.grc.nasa.gov/WWW/K‑12/rocket/newton3r.html
[6] https://www.roketsan.com.tr/tr/medya/haberler/turk-roketi-ilk-kez-sivi-yakitla-uzayda
[7] https://www.aa.com.tr/tr/bilim-teknoloji/ay-gorevinde-kullanilacak-milli-hibrit-itki-sisteminin-yeni-detaylari-paylasildi/2536978
[8] https://www.trthaber.com/haber/bilim-teknoloji/ay-misyonunda-kullanilacak-sors-ucus-testinden-gecti-596631.html
[9] Research and Development of Rocket Turbopumps -35 Years in Retrospect, Tohoku University Press, Sendai, February 2013.
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Turbopump
https://www.nesdis.noaa.gov/news/where-space
https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/suborbital-flight