#

Roket Biliminin Genel Tarihi

Selam dostlar. Bugün roketlerin ve roket biliminin geçmişten günümüze kadarki evrimini beraber inceleyeceğiz.

Somut olarak son yüzyılda gökyüzünde roketleri görmeye başlasak da roket biliminin tarihi ve temel prensipleri esasında milattan önce 400’lere kadar uzanıyor. Şimdi tarihte biraz yolculuk yaparak süreci ve roket biliminin çok temel prensiplerden nasıl günümüzdeki karmaşık yapılara kadar evrimleştiğini beraber inceleyelim.

Archytas’ın Güvercini

Roman Yazar Aulus Gellius’ın anlattığına göre M.Ö 400’lerde yaşamış olan Archytas tahta bir güvercin yapmıştır. Güvercinin gövdesinin içinde ise boş bir mesane vardır.

Güvercin, alttan ısıtılan ve içinde su olan bir tüpe bağlıdır. Tüp ısıtıldıkça içindeki su buharlaşır ve güvercinin içindeki hazneye dolar. Hazne öyle bir noktaya gelir ki artık içeride bulunan buharın basıncı güvercini tüpe bağlayan mekanik dirençten daha güçlü hale gelir ve güvercin düzenekten fırlar ve söylenene göre birkaç yüz metre kadar uçar.

Hero’nun Buhar Motoru(Aeolipile)

Archytas’tan üç yüzyıl sonra ise Hero karşımıza aynı prensiple çalışan farklı bir düzenekle çıkar. Kendisi bir buhar türbini yapmıştır.

Düzenek altta bir sıvı haznesi ve onun da altında ısıtıcı; üstte ise merkezinden geçen bir mil etrafında dönen bir çember ve ona bağlı iki tane zıt yerleştirilmiş L şeklinde dışarıya açık borulardan oluşur.

Alttaki sıvı ısıtıldıkça oluşan buhar yukarıya boruları takip ederek çıkar ve L şeklindeki borulardan dışarı doğru atılır ve ters yönde bir itki oluşturur. Bu da çemberin dönmesini sağlar. Böylece buhar gücünden dairesel hareket elde edilmiş olunur.

Buraya kadar anlattıklarımızda rokete dair elimizde hiçbir şey olmasa da roketin çalışma prensibi olan etki-tepki yasasının uygulamalarını görüyoruz: Eğer belli bir yöne doğru ilerlemek istiyorsan o yönün tersine bir kütle bırakman gerekir. Bu basitçe momentum korunum yasasıdır. Eğer denizde durgun bir sandalda sağ yöne doğru yürümeye başlarsan sandal sol tarafa doğru hareketlenir. Eğer yukarı tırmanmak istiyorsan aşağıya doğru bir kütle bırakman gerekir. Bu kütle ne kadar fazla ve ne kadar hızlı olursa seni o kadar yukarı iter.

Barutun İcadı ve İlk Füzeler

9. yüzyılda Çinliler’in Barut’u icat etmesi ve patlayıcı özelliğini keşfetmesiyle içi barut dolu düzenekler festival ve şenliklerde eğlence amaçlı ateşlenmeye başlandı.

İlk füze diyebileceğimiz yapı ise 1232’de Çinliler ile Moğollar arasında geçen bir savaşta karşımıza çıkar. Çinliler barutun patlayıcı ve nesneleri yüksek bir güçle itici özelliğinden savaşlarda da faydalanmak isteyerek düşmanın gözünü korkutmak isterler ki öyle de olur.

Kurdukları düzenek basitçe içi barutla dolu, arkasında ufak bir açıklığı bulunan bir tüpten oluşur.

Bu tüp kuyruğundan ateşlendiğinde içerideki barut patlar ve içeride oluşan sıcak gaz arka boşluktan dışarıya atılır. Bu da önceden de bahsettiğimiz prensiple füzeye zıt yönde bir itki oluşturur.

The Man in the Moon – Aydaki Adam

Bir Çin efsanesine göre Ming hanedanlığında bir yetkili olan Wan Hu, altına 47 adet füze bağı bir sandalyeye oturmuş ve barutları ateşlemiştir. Efsaneye göre, kimileri onun Ay’a ulaştığını söylese de kendisi muhtemelen patlamanın hemen ardından ölmüştür.

Avrupa’daki İlk Roketler

Avrupa’ya ilk roketlerin 13. yüzyılda Moğol istilaları sırasında geldiği düşünülüyor. Burada Avrupalılar daha güçlü barutlar üreterek ve hedefe daha iyi ayarlanmış fırlatma rampalarıyla füzelerini geliştirmişlerdir.

Yine 16. yüzyılda havai fişeklerle uğraşan bir tamirci olan Johann Schmidlap günümüzdeki roketlere temel oluşturan aşamalı roketlerin mucididir. Aşamalı roketlerde kendi içinde ayrı yakıtı olan birden fazla aşama üst üste yerleştirilir ve ilk aşama yanıp yakıtını tükettiğinde ikinci aşama yanmaya başlar ve yolculuğuna devam eder.

Aşamalı Roketler

Ardından Isaac Newton’ın(1643-1727) hareket yasalarıyla roket bilimi daha bilimsel bir temel kazandı Newton’ın ölümünün ardından, arkasında bıraktığı prensiplerden faydalanarak bilim insanları Avrupa çapında daha güçlü roketler üretmeye başladılar.

18. yüzyılın son otuz yılında Hindistan’daki İngiltere Doğu Hindistan Şirketi ile Hindistan’daki Maratha İmparatorluğu arasındaki savaşta Hintliler ilk defa demirden yapılmış roketleri İngilizlere karşı kullandı.

Öncesinde kağıt, karton ve tahtadan yapılan gövdenin yerini demirin almasıyla roketler, içinde daha yoğun ve güçlü yakıtları barındırabilmekle beraber daha sert yanma koşullarına da dayanabildi ve böylece roketlerin menzil mesafesi artmış oldu. Bu demir kaplama roketler 2.7 ila 5.4 kg ağırlığına ve 2.5km kadar da menzile sahiplerdi. Ve bu teknolojiden ilham alan İngiliz Colonel William Congreve İngiliz ordusu için demirden yapılma kendi roketini geliştirmeye başladı. Bu Congreve roketlerinin menzili 5km’ye kadar uzanıyordu. İngilizler ise sonrasında bu roketleri Napolyon önderliğindeki Fransız ordusuna karşı kullandı.

Modern Roketlere Doğru

Konstantin Eduardoviç Tsiolkovskiy(1857-1935)

Rus bir matematik öğretmeni olan Tsiolkovskiy roket biliminin kurucusu olarak kabul edilmektedir. Dönemine göre oldukça ileride bir hayal gücüne sahip ve hayatı boyunca uzayla ilgili 500’den fazla esere imza atmış olan Tsiolkovskiy eserlerinde uzay istasyonu, uzay boşluğuna çıkış için basınç odaları, uzayda besin sağlayabilecek kapalı ekosistemler gibi insanlığın şu an hayata geçirmeye çalıştığı fikirlerden bahsetmiştir. Ancak uzayın keşfi için dönemindeki katı yakıtlı roketlerin yeterli olmayacağını söyleyerek sıvı yakıtlı roket fikrini önermiş, roket yakıtı olarak da günümüzde hala kullanılmakta olan sıvı hidrojen ve sıvı oksijeni önermiştir. Ayrıca roketlerin birden fazla kademeden oluşmasının daha verimli olacağını savunmuştur.

Robert H. Goddard (Roket Biliminin Babası)

Robert H. Goddard ve ilk sıvı yakıtlı roketi

Modern roket biliminin babası olarak kabul edilen Robert H. Goddard’ın amacı ise roketlerin menzilini arttırmaktı. Bunun adına katı yakıtlı roketlerle pek çok deneme yapsa da sonun da Tsiolkovskiy’nin sıvı yakıtlı roket fikrine ikna olmuştur.

Sıvı yakıtlı roket üretmenin temel problemi ise katı yakıtlı roketlerden çok daha karmaşık olmalarıdır. Katı yakıtlı roketlerin aksine yanıcı ve yakıcı farklı odalarda depolanmalıdır. Bununla beraber yakıtımız sıvı olduğundan karmaşık vana-boru sistemlerine; yakıtları basınçlandırmak için turbo pompalara ve bu pompaları çalıştırmak için de yine karmaşık boru düzeneklerine ihtiyaç vardır.

SpaceX’e ait sıvı yakıtlı bir Raptor motoru.

Ancak tüm bu zorluklara rağmen Goddard bir sıvı yakıtlı roket motoru yapmayı başardı. Bu motor yakıt olarak benzin, oksitleyici olarak sıvı oksijen kullanıyordu. Ve 16 Mart 1926’da ilk denemesini gerçekleştirdi. Roket sadece 2.5 saniye yanarak 12.5 metre yüksekliğe ulaştı. Günümüz şartlarında kötü olarak niteleyebileceğimiz bu uçuş o zaman ve yepyeni bir teknoloji için muazzam bir başarıydı. Goddard ardından teknolojisini geliştirmeye devam ederek daha yüksek irtifalara ulaşan roketler tasarlamayı başardı.

Goddard aynı zamanda egzoz çıkışı için De Laval Nozülü denen günümüzdeki neredeyse tüm roket motorlarında hala kullanılan kum saati biçimli bir tasarım önerdi.

Sıcak ve yüksek basınçlı egzoz gazı bu nozülden geçerek süpersonik(ses üstü) bir hıza ulaşır. Ve bildiğimiz üzere gaz ne kadar yüksek hızla dışarı atılırsa ürettiği ters yönde itme de o kadar fazla olur. Bu tasarımla beraber motor verimliliği %2’lerden %64’lere kadar çıkmıştır.

Atlantik’in öbür tarafında ise Valentin Glushko’nun önderliğinde Ruslar, Wernher von Braun’un (2. Dünya Savaşında sonra Amerika’ya çağrılıp NASA’nın başına geçecek olan bilim insanı) önderliğinde ise Almanlar roket biliminde önemli gelişmeler kaydediyorlardı.

Almanların ürettiği sonrasında Ay’a ilk ayak basacak olan astronotları taşıyan Saturn V roketine ilham olan V-2 roketi döneminin en iyi roketiydi.

V-2 Roketi

Yakıt olarak alkol ve sıvı oksijen karışımı kullanan V-2 aynı zamanda ilk balistik füze ve uzaya ulaşan ilk insan yapımı araçtır. 1000kg’lık savaş başlığı ile tüm bir şehri yok edebilecek kadar güçlüydü. Ancak V-2’de yoldaşları gibi hedefi nokta atışı vurma konusunda pek iyi değildi. 2.Dünya Savaşı’nın sonlarına doğru ise Alman roket bilimciler Amerika’ya karşı gerektiğinde kullanılabilecek kıtalar arası balistik füze tasarlamayı kafaya koymuşlardı. Ancak 1945’te Nazi Almanyası’nın çöküşüyle projeler düşman güçlerin eline geçti. Amerikalılar V-2 roket parçalarıyla yüklü trenleri ele geçirerek parçaları Amerika’ya götürdüler.

Alman roketlerini taşıyan trenlere el koymuş Amerikalı askerler

Üstelik hem daha iyi imkanlardan dolayı hem de Nazi Almanyası’na destek vermiş olduklarından ötürü yargılanacakları için Alman roket bilimcilerinin çoğu Amerika’ya göç ederek oradaki roket bilimine katkı sağlamışlardır. Amerika’da ise V-2 roketi Redstone Roketi’nin(ilk büyük Amerikan balistik füzesi) ortaya çıkmasına ön ayak olmuştur.

PGM-11 Redstone

2.Dünya Savaşından sonra Soğuk Savaşla beraber Amerika ve Rusya kıtalar arası balistik füze yarışına girmişlerdir. Amerika V-2 roketine bir üst aşama takarak Amerikan topraklarından atılan en büyük roket olan Bumper-WAC’ı üretmiştir. Bu roketin yaptığı 6 uçuşta ulaşabildiği maksimum irtifa 400km(bugün ISS’in bulunduğu irtifa) olmuştur.

RTV-G-4 Bumper

Öbür taraftan Sovyetler’de V-2 roketinden ilham alarak R-1, R-2 ve R-5 roketlerini tasarlamışlardır. 1950’ye gelindiğinde ise Alman tasarımlarını terk etmişler ve Rus roket bilimci olan Aleksei Mikhailovich Isaev’in tasarımlarına geçerek ilk kıtalar arası balistik füze olan R-7 roketini üretmişlerdir.

R-7 Roketi

R-7 sonrasında geliştirilerek 4 Ekim 1957’de uzaya atılan ilk uydu olan Sputnik-1’i taşıyan Vostok roketine dönüştü. Birkaç hafta sonra ise Sovyetler Sputnik-2’yi ve köpek Laika’yı fırlattılar.

Sovyetlerin çözemediği sorunlardan biri atmosferik girişti. Uzay araçları uzaya çıktıktan sonra tekrar Dünya’ya devasa hızlarda giriş yaparlar. Dolayısıyla çok yüksek kinetik enerjiye sahiptirler. Yere indiklerinde ise bütün kinetik enerjileri tükenmiş olmalıdır. Peki bu kadar kinetik enerji nereye kaybedilecek? İki seçenek var:

  1. Uzay aracına ısı olarak aktarılabilir
  2. Uzay aracını çevreleyen hava moleküllerine(atmosfere) aktarılabilir

Bizim temel amacımız ikinci seçenek olmalıdır. Çünkü uzay aracımızda astronotları taşıyoruz. Dolayısıyla uzay aracımızın ısınıp yanıp kül olmasını istemeyiz.. 1951’de H.J. Allen ve A.J. Eggers atmosferik girişle ilgili bir makale yayımladılar. Makalelerinde uzay aracının atmosferik girişten en az düzeyde hasar görmesi için kör(kıç) kenarı aşağıda kalacak şekilde girmesi gerektiği fikrini önerdiler. Kısacası daha fazla sürtünme uzay aracının daha az ısınmasına sebep oluyordu.

H.J. Allen ve A.J. Eggers’in bu fikri sonrasında Mercury, Gemini, Apollo ve Soyuz gibi insanlı uzay görevlerinde kullanıldı ve hala daha kullanılmaya devam ediyor.

Ruslar’ın 1960’larda başlattığı insanlı uzay programı olan Voskhod’da kullanılan kapsüller küre şeklindeydi.

Küre kapsüllerin üretimi ve basınçlandırılması kolay olsa da önemli dezavantajları da vardı:

Bunlardan ilki uzay aracının simetrik şeklinden dolayı atmosferik girişte hiç taşıma kuvveti(lift) üretememesiydi. Sadece sürtünmenin aktif olduğu bir durumda kapsülün içindeki mürettebat atmosfere giriş sırasında 8-9G’lere kadar kuvvete maruz kalabilirken taşıma kuvvetiyle beraber bu kuvvetler 4-5G’lere kadar inebilir. Üstelik taşıma kuvveti olmaksızın uzay aracını yavaşlatmak için daha fazla yakıt harcamamız gerekir. Bu da inişi daha zor bir hale getirir. 1965’de Rusların Voskhod 2 uzay aracı hedeflenen yerden 365km ötede yere inmiştir. Taşıma kuvvetiyle beraber uzay aracı daha kararlı bir hale gelir ve yönlendirmesi daha kolay olur. Böylece hedefe daha hassas bir şekilde iniş yapabilir. Bunu şuna benzetebiliriz: Saatte 200km hızla giden bir araçla mı virajı almak daha kolaydır yoksa 50km hızla giden bir araçla mı? Elbette 50km hızla giden araçla!

Tüm bu sebeplerden sonraki yıllarda kapsüller aerodinamik açıdan daha avantajlı bir şekil olan koni şeklinde tasarlanmaya başlanmıştır.

Amerika ise ilk uydusu Explorer 1’i 31 Ocak 1958’de fırlatmıştır. Explorer, Sputnik 2’den 30 kat daha hafif olmasına rağmen Van Allen Kuşağını gözlemleyerek uzaydan gerçekleştirilen ilk bilimsel keşfi yapmıştır. Hemen ardından 29 Temmuz 1958’de NASA kurulmuştur. Sovyetler’de öbür taraftan daha önceden bahsettiğimiz R-7 roketinden ilham alarak Vostok, Soyuz ve Proton roketlerini geliştirmişlerdir. Soyuz roketleri günümüzde hala Uluslararası Uzay İstasyonu’na(ISS) astronot göndermek için kullanılırken Proton roketleri de Ay, Mars ve Venüs’e pek çok sayıda sonda göndermiştir.

Soyuz Roketi

NASA sonraki yıllarda havadan başka bir uçakla fırlatılan, roket yakıtlı X-15 uçağını geliştirmiştir.

X-15

X-15 pek çok hız ve irtifa rekoruna kırmakla birlikte NASA’ya uzay mekiğinin Dünya’ya en ideal açıda girmesi adına pek çok deney gerçekleştirerek veri sağlamıştır.

Uzay yarışında sonraki kilometre taşı 12 Nisan 1961’de gerçekleşmiştir. Kozmonot Yuri Gagarin Vostok 1 uzay kapsülünün içinde Dünya’nın çevresini turlayarak tarihte uzaya çıkan ilk insan olmuştur.

Bundan 1 ay sonra 5 Mayıs 1961’de ise Alan Sheapard, Freedom 7 Mercury kapsülünün içinde uzaya çıkan ilk Amerikan astronot olmuştur. Ancak Shepard’ı taşıyan Redstone roketi yeterince güçlü olmadığından Sheapard “Suborbital Flight” denen yörüngealtı bir uçuş gerçekleştirmiştir.

Yörüngealtı Uçuş

Şubat 1962’de Amerika daha güçlü bir roket olan Atlas ile John Glenn’i yörüngeye ulaştırmayı başarmıştır. Atlas roketleri günümüzde hala kullanılmakta olup(son uçuşlarını yapıyor) geçmişte insanlı görevlerden günümüzde ticari, bilimsel ve askeri pek çok ekipman ve uyduyu yörüngeye ulaştırmaya devam ediyor.

Gemini Projesi

Gemini görevi, NASA’nın Ay’a gitmek için gerekli becerileri test etmek için başlattığı bir projedir. Apollo görevine ön ayak olmuştur. Bu proje kapsamında astronotların uzay ortamında vücudundaki etkiler, uzay yürüyüşleri, uzay araçlarının yörüngede birbirine kenetlenip ayrılması, atmosfere uygun giriş açıları ve iniş metotları pek çok bakımdan test edilerek geliştirilmiştir. Gemini projesi adı altında 1965’ten 1966’ya kadar sadece 1 yılda 10 sorunsuz uzay görevi yerine getirilmiştir.

Gemini kapsülleri daha güçlü bir roket olan Titan ile uzaya taşınmıştır. Titan roketi Mars’a gönderilen Viking, Güneş Sistemi’nin dışına gönderilen Voyager ve daha pek çok uzay aracı ve uyduyu fırlatmış olan dönemine göre oldukça başarılı bir rokettir.

Titan Roketi

Yine 1960’larda bu gelişmelere paralel olarak yeni bir Delta roket ailesi geliştirilmeye başlandı. Delta roketleri yıllarca geliştirilmeye devam etti ve şu an da hala kullanılmaya devam ediyor.(ancak son uçuşlarını yapıyor). Bugüne kadar 300’den fazla uçuşu %95 başarı oranıyla gerçekleştirmişlerdir

Delta roketi çok yönlü bir rokettir. Pek çok görev için kullanılabilir. Bunun sebebi yük bölmesinin ve diğer aşamalarının(yardımcı iticilerin adedi vs.) değiştirilebilir olmasıdır.

Delta Roket Ailesi

Bu aşamaya kadar Amerika pek çok hata ve beraberinde test yaparak tasarımlarını ve teknolojilerini geliştirip başarı oranlarını arttırırken Sovyetler aynı başarı oranına ulaşamayarak uzay yarışında geri düşmeye başlamışlardır.

Amerika Kennedy’nin basın konuşması üzerine 1970’den önce Ay’a çıkma hedefini kafaya koymuştu ancak ne Titan ne de Delta roketleri bu hedefi gerçekleştirmeye yetecek kadar güçlüydü. Bu yüzden yeni ve çok daha güçlü bir roket ihtiyacı doğmuştu. Bunun üzerine 2. Dünya Savaşından sonra Almanya’dan Amerika’ya kaçmış ve ardından NASA başkanı olmuş Wernher von Braun’ın öncülüğünde Saturn V roketinin tasarımına başlandı. Şimdiye kadar yapılmış en güçlü roket unvanını taşıyan Saturn V roketi kendi başına ayrı bir başlığı hak ediyor. O yüzden detaylarına başka bir yazımızda değineceğiz.

Saturn V

Amerika’nın çalışmaları sonunda bir sonuç vermiş ve 20 Temmuz 1969’da Apollo 11 göreviyle astronot Neil Armstrong ve Buzz Aldrin Ay’a ayak basan ilk insanlar olmuşlardır. Amerika’nın ilk uydusu Explorer 1 uzay aracının fırlatılmasından tam 11 yıl sonra!

Uzay Mekiği Devri(Space Shuttles)

NASA 80lere gelindiğinde fırlatma maliyetlerini düşürme arayışına girdi. Ve bu sebeple tekrar kullanılabilir roket sistemleri üzerine çalışmaya başladı. Türkiye’den Amerika’ya uçan bir Boeing uçağının uçuştan sonra tekrar kullanılamayacağını düşünün. Fırlatma maliyetlerini ciddi oranda arttıracaktır. Bu sebeple NASA uçak benzeri bir mekik geliştirdi. Bu mekik merkezdeki sıvı yakıtlı turuncu bölme ve kenarlardaki katı yakıtlı yan iticilerle uzaya taşınıyordu. Katı yakıtlı yan iticiler fırlatmadan kısa bir süre sonra gövdeden ayrılıp okyanusa düşüyorlardı. NASA bu yan iticileri de tekrar kullanmayı düşünüyordu. Uzayda görevini tamamlamış mekik ise Dünya’ya uygun bir açıyla girerek bir uçağın indiği gibi karaya iniyordu. Aşağıda bir uzay mekiğinin iniş aşamasını izleyebilirsin

NASA’nın amacı uzay mekiğiyle fırlatma maliyetlerini %90 oranında azaltmaktı. Ancak işler beklendiği gibi gitmedi. Yan iticilerin suya sert çarpması bazen onları onarılamayacak hale getirirken mekiğin ısı tabakasının bakımı ve onarımı da epey maliyetliydi. Bu sebeplerden NASA mali açıdan istediği hedefe ulaşamadı.

5 uzay mekiği Endeavour, Discovery, Challenger, Columbia ve Atlantis 1981’den 2011’e kadar 1983’deki Challenger ve 2003’deki Columbia faciaları da dahil olmak üzere 135 ayrı görev gerçekleştirmiş bununla beraber Hubble teleskobu ve Uluslararası Uzay İstasyonu’nun yörüngede inşasına yardımcı olmuşlardır. Bu görevlere ve uzay mekiklerine ilerideki yazılarımızda detaylı olarak değineceğiz.

Yazımızı burada noktalayacağız. Çünkü bu noktadan sonra bizi günümüz roket endüstrisi karşılıyor. Bu süreçte uzay sanayisine SpaceX, Blue Origin, Rocket Lab ve bunun gibi daha pek çok sayıda özel şirket adımını atmış, büyük gelişmeler kaydetmiş ve hala daha kaydetmeye devam etmektedirler. SpaceX hedefini Mars’a koyarken NASA ise Artemis programıyla Ay’a geri dönmeyi ve orada kalıcı bir üs kurmayı hedeflemektedir. İleriki yazılarımızda bu projelere daha detaylı olarak değineceğiz. Şimdilik hoşçakalın 😉