Giriş

Model roketçiliğin olmazsa olmazı model roket motorudur. Aslında motor kelimesi herhangi bir enerji türünü mekanik enerjiye dönüştüren sistem bütünlüğüdür. Bu tanımlama biçimi daha dar bir çerçeveye sığdırılırsa, motor kelimesini yakıtların yanmasıyla oluşan ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makine olarak ifade etmek gerekecektir. Bu bağlamda yüksek sıcaklıktaki ısı enerjisi ve yüksek basınçlı gazın hareket ettirici bir kuvvete dönüşümünü sağlayacak dişliler, kamlar, mafsallar, pistonlar, türbinler v.b. gibi unsurlar motorun bütünlüğünü oluşturacaktır.

Model roket motorlarında katı itici yakıt kullanılmakta ve söz konusu unsurlara yer verilmemektedir. Bu bakımdan bir model roket motoru çok basit bir araç gibi görünse de, aslında çok karmaşıktır. Katı yakıtlı bir model roket motoru profesyonel bir amaç(silah veya uzay yolculuğu gibi) için kullanılmayacağından ucuz ama onlar gibi güçlü bir tasarıma sahip olmak zorundadır. Roketi hem yüzlerce metrelik irtifaya fırlatabilmeye hem de roketin sağ salim yere inmesini sağlayan kurtarma sistemini çalıştıracak düzeneğe sahip olması gerekmektedir. Bunu sağlayacak olan tehlikeli kimyasal maddelerin motor imal edilirken ya da daha sonra motorun kullanılması sırasında motora doldurulması gerekmektedir. Bu yönden model roket motorları ikiye ayrılırlar:

1. Tek Kullanımlık (Atılabilir) Model Roket Motorları: Bugün kullanılan model roket motorlarının çoğu tek kullanımlık olup kullan-at şeklindedir. Tek kullanımlık motorlar yalnızca bir tek uçuş içindir. Tek kullanımlık olduğu için tekrar doldurulamaz ya da doldurulmaya kalkışılmamalıdır. Roket motorunu tamamlayan bütün unsurlar önceden doldurulmuş olup bu tür motorlarda karabarut türevli ucuz itici yakıtlar kullanılmaktadır.

2. Çok Kullanımlı (Tekrar Doldurulabilir) Model Roket Motorları: Daha çok yüksek güç roketçiliğinde kullanılan motorlardır. Motoru oluşturan tüm unsurlar demonte halinde olup motor kullanılmadan hemen önce montajı yapılır. Her kullanımda motor kovanı, nozül, ön ve arka kapak haricindeki bütün unsurlar yenisiyle değiştirilir.  Kullanılan itici yakıt genellikle kompozit bir yakıttır. Resim 2'de görülen çok kullanımlı model roket motorunun  parçaları sırasıyla şöyledir: a) İtici yakıt taneleri, b)Alüminyum motor kovanı, c) Motor kovanının ısıdan zarar görmesini önleyen fenolik reçineden astar, d) O-ringler ve fiber contalar, e)Ön kapak, f)Geciktirme tanesi ve fırlatma barutu, g)Nozül, h)Arka kapak 

                  Resim 1 -- Tek Kullanımlık Model;                                                        Resim 2 -- Çok Kullanımlı Model 

                            Roket Motorları                                                                                            Roket Motoru

Bir model roket motorunu imal etmek için kapsamlı ve çok özel ekipman gerektiğinden dolayı "roket motoru yapıyorum" gayretine girmek maddi bir külfetin sonucu olarak motoru çok pahalıya mal edecektir. Dahası bir model roket motoru imal etmek çok bilgi ve tecrübe gerektirir. Model roket motorunun yapımında katı güvenlik önlemleri de kullanılmaktadır. Bu durum roket motorları yapımıyla niçin roket motoru üreticilerinin veya deneysel roketçilerin uğraşması gerekliliğini ortaya koyar. Günümüzde otomobil sahibi olmaya karar veren ya da olan kişiler öncelik olarak kendi  otomobil yakıtlarını ve otomobil motorlarını imal etme düşüncesinde olmazlarken model roketçilik faaliyetini yapmaya karar verenlerin aklına her nedense ilk önce kendi roket motorlarını yapmak gelmektedir.

ASLA KENDİ MODEL ROKET MOTORUNUZU YAPMAYA TEŞEBBÜS ETMEYİNİZ!.... 

Herhangi bir tipte roket motoru yapmak için güvenli bir yol yoktur. Bu söz sadece bir uyarı olmayıp aynı zamanda bir gerçektir. Ayrıca, bir roket motorunu ticari bir roket motoru gibi ucuz ve güvenilir yapabileceğiniz bir yöntem yoktur. Bir model roket motorunu güvenilir yapan nedenlerin başında katı kalite standartları, kalite kontrolleri ve istatiksel usulle numune alarak test işlemlerine tabii tutulması sayılabilir. Böylece bir model roketçinin tehlikeli kimyasal maddelerle uğraşmasına(el sürmesine), motorun uygun bir itme kuvveti yaratıp yaratmayacağı konusunda endişelenmesine ya da kapsamlı ve pahalı güvenlik önlemleri almasına gerek olmayacaktır. Atölyesinde geçireceği zamanı ve göstereceği gayreti yeni model roket tasarımları geliştirmesine harcayabilecektir.

Bir model roket motoru oyuncak değildir. Bu kuralı zaten güvenlik sayfasından biliyorsunuz. Model roket motorları güvenli olmasına rağmen talimatlara göre kullanmazsanız, size ve çevrenize zararı olacaktır. Model roket motoru tepki ile tahrik olunan modeller için imal edilmiş olup başka bir amaçla kullanılmamalıdır.

Dünyada onlarca farklı çeşit ve markada model roket motoru bulunurken ülkemizde ne yazık ki ticari olarak üretilmiş model roket motoru tek bir marka ve sadece iki ayrı sınıfta satılmaktadır. Bu motorlar yıllardır deneysel roketçilik faaliyetinde bulunan bir kişi olarak benim ihtiyaçlarıma cevap veremediğinden ticari motorlar kadar iyi bir performansa sahip Oktanyum Model Roket Motorlarını geliştirdim. Bu motorlar üzerinde araştırma ve geliştirme çalışmalarım devam etmektedir.

Resim 3 -- Oktanyum Model Roket Motorları.

Yapısı

Tipik bir katı yakıtlı model roket motorunun iç kesiti Resim 4'de görülmektedir. Bu kesitin aynısını görmek için sakın gerçek bir model roket motorunu kesmeye kalkışmayınız. Bunu sizler için ben yaptım ve buraya resmini koydum (Resim 5'e bakmak daha güvenlidir). Bir model roket motoru genellikle aşağıdaki kısımlardan oluşmuştur:

• Motor Zarfı(Kovanı): Model roket motorunun dış kabı olup içerisine motor elemanları yerleştirilmiştir. Sıkı sıkıya sarılmış kağıttan ya da özel kompozit plastikten yapılmıştır. Model roket motor zarflarının çoğunluğu ateşe dayanıklı olduğu ve ısıyı iletmediğinden dolayı kağıttan yapılmıştır. Motor zarflarının boyutları itme kuvvetlerine ve üreticisine göre değişmektedir
• Nozül: Model roket motorunda hızla yanan itici yakıtın ürettiği yüksek basınç ve ısıya sahip egzoz gazlarının çıkış deliğidir. Özenle tasarlanmış boyut ve şekildeki seramik ya da kilden imal edilmiştir. Yüksek güçteki model roket motorlarının nozülleri ise fenolik plastik, grafit ve hatta çelikten yapılabilir. Nozül boğazının boyutlarında yapılacak en ufak bir değişiklik motor performansını çok değiştireceğinden nozül üzerinde asla değişikliliğe gidilmemelidir.

• Katı İtici Yakıt:  Ayrıntılı olarak itici yakıtlar ve özellikleri kısmında anlatıldığı gibi bir katı itici yakıt, kontrollü yanma özelliğindeki yanıcı kimyasal maddelerin bir araya gelmiş halidir. Model roket motorlarında çoğunlukla standart karabaruttan ziyade yanma değeri azaltılmış modifiye karabarut kullanılmaktadır. Çünkü karabarut diğer yakıtlara göre ucuzdur. Nozül deliğinden ateşlenen itici yakıt nozülden ileriye doğru hızla yanar. Yanma sonucu ortaya çıkan yüksek basınç ve sıcaklıktaki egzoz gazları nozülden atılırken itme kuvveti oluşturur. Katı itici yakıtın yanışı geciktirici taneye oranla daha kısa sürer.

• Geciktirici: Katı itici yakıtın ilerisinde ve hemen bitiminde yer alır. Geciktirici tane itici yakıt gibi yakıt ve oksitleyiciden yapılmıştır. Ancak oksitleyicinin yakıta oranı daha düşük olup model roket motorunda daha yoğun duman ve daha yavaş bir yanma hızı meydana getirmek için diğer katkı maddeleri eklenmiştir. Yani çok az gaz (dolayısıyla hemen hemen sıfır itme kuvveti) üreten ve çok yavaş yanan bir itici yakıt parçasıdır. Zaman geciktirme barutunun yanışı motor tipine bağlı olarak birkaç saniye sürer. Eğer zaman geciktiricisi model roket motorunda olmasaydı kurtarma sistemini harekete geçirecek olan fırlatma barutu roket daha düşük irtifada ve yüksek bir hızda iken ateşlenirdi. Model ve kurtarma tertibatı böyle bir uçuş şekline bir kere bile dayanacak kadar güçlü değildir.
• Paraşüt Fırlatma Barutu: Zaman geciktiricisinin yanışından sonra kurtarma sistemini harekete geçirecek olan fırlatma barutu yer alır. Bu bileşim, az miktarda tane halindeki standart karabaruttur. Fırlatma barutunun anında ateşlenmesiyle (pohlamasıyla) ortaya çıkan gazlar model roket gövdesinin içinde küçük bir basınç meydana getirerek burun konisinin gövdeden ayrılmasına neden olur. Motorun en üstünde yer alan fırlatma barutunun üzeri, dökülmemesi için kağıt bir kapak veya ince bir kil tapa ile örtülmektedir. Bu kapak veya tapa ince ve dayanıksız olduğundan fırlatma barutu ateşlendiğinde paramparça olur.
 
  

Resim 5 -- Model Roket Motorunun gerçek kesiti.

                    Resim 4 -- Model Roket Motorunun Kesiti.

Nasıl Çalışır?

Model roket motorlarının  çalışma evreleri ve süresi yapısında olduğu gibi diğer motor özelliğindeki makinelerden farklıdır. Model roket motorları diğer motorlar kadar uzun süreli çalışmayıp, saniyelerle ifade edilecek bir çalışma süresine sahiptirler. Çalışma sürelerinin bu kadar kısa süreli olmalarına rağmen çalışma evrelerinin farklı ve basit oluşu bir diğer özellikleridir. Bu evreler ve çalışma şekilleri aşağıdaki gibidir:

1. İTME EVRESİ: Bu evre motorun elektrikli ateşleyici yardımıyla tutuşturulmasıyla başlar. Ateşleyicinin itici yakıt tanesine değdiği yerden itibaren yanma başlar. Alev itici yakıtı tüketerek kendisine daha fazla yanma alanı oluşturur. Bu durum itici yakıt tanesinin geometresine bağlı olarak itici yakıtın göbeğinden motor zarfına doğru yanma yüzeyinin artmasına yol açar. Göbeğin yanan yüzeyi arttıkça itme kuvveti, basınç ve yanma hızı da artar. Bu artış, yakıtın motor zarfının iç çapının yarısında iken maksimum düzeydedir. Yanan alandaki bu artış, bu düzeyden sonra da devam edeceğinden itici yakıt miktarı tükeninceye kadar (geriye kalan yanma alanı azalacağı için) daha düşük bir itme evresi görülür. Tüm bu yanış sürecinde itici yakıtın hacminin 2000 katından daha fazla hacimde sıcak gaz oluşur. Bu gaz nozülden süratle atılırken Newton'un Üçüncü Hareket Kanunu esasına göre bir itme kuvveti oluşturur.
2. GECİKME EVRESİ: İtici yakıt tükendiğinde, geciktirici tane çok daha yavaş bir hızda yanmaya başlar. Daha yavaş yanmadan dolayı önemli sayılacak miktarda bir itme meydana gelmez. Uygun şekilde tasarlanmış bir gecikme model roketin uçuşu sırasında model en yüksek irtifaya ulaşıp aşağıya doğru düşerken izleme dumanı meydana getirecektir. Bu durum kurtarma evresinde modelin kolaylıkla yerinin saptanmasına yardımcı olur.
3. FIRLATMA EVRESİ: Zaman geciktirici yanışının sonunda kurtarma sistemini harekete geçirecek olan fırlatma barutu kendiliğinden ateşlenir. Fırlatma barutunun yanma değerinin yüksek oluşu, gevşek ve taneli yapısı (daha büyük bir yüzey alanı oluşturmak için) çok hızlı yanmasına neden olur. Bu hızlı ve ani yanma model roket motorunun ön tarafından büyük hacimde bir gaz çıkışı meydana getirir. Bu gaz da motorun ilerisinde, gövde borusunun içinde bulunan kurtarma sistemini dışarıya doğru iter. 

İnteraktif bir formatta hazırlanan aşağıdaki resim, size karabarutlu bir model roket motorunun nasıl çalıştığı konusunda çok daha faydalı olacaktır. Bilgisayarınızın fare imlecini yazılı komutlar üzerinde gezdirdiğinizde üstte yazılan evrelerin ayrıntılı canlandırmasına ulaşacaksınız.

Resim 6 -- Karabarutlu Model Roket Motorunun Çalışması.

Çeşitleri

• Karabarut Motorları: İtici yakıtları karabarut esaslı olup 1/8A'dan E sınıfına kadar değişen itici kuvvete sahiptirler. Bu kuvvetin model roketçilik için yeterli olması ve bu motor türünün ucuz olması sebebiyle model roketçilikte daha çok kullanılmaktadır. Karabarutun ucuz bir itici yakıt olmasının verdiği avantajın yanısıra enerjisinin sınırlı olması onun kullanımını ve boyutlarını da sınırlamıştır. Karabarut motorları ısıya ve neme duyarlı olup aynı zamanda kırılgandır. Eğer kazara ''büyük'' bir karabarut motoru yere düşerse ya da uzun süre ısınma/soğuma döngüsüne maruz kalırsa itici yakıt tanesi kılcal bir şekilde çatlayabilir. Bu durum itici yakıtın yüzey alanının artmasına neden olacağından yanma odasının basıncını da arttıracaktır. Bu durumda roket motorunun patlamasına neden olabilir. Tek kullanımlıktırlar.
• Kompozit Yakıtlı Motorlar: İtici yakıtları kompozit esaslı olup B'den O sınıfına kadar değişen itici kuvvete sahiptirler. İtici kuvvetlerinin büyük olması ve karabarut motorlarına oranla daha pahalı olmaları bu motorların daha çok Yüksek Güç Roketçiliğinde kullanılmalarına yol açmıştır. Kompozit yakıtlarda kullanılan lastiksi bağlayıcı sayesinde bu motorlarda kullanılan itici yakıt daha az kırılgan hale gelmiştir. Kompozit motorlar karabarut motorlarına oranla birim ağırlık başına daha fazla itici kuvvet (özgül itici kuvvet) üretirler. Tek kullanımlıktırlar.
• Tekrar Doldurulabilir Tipte Kompozit Yakıtlı Motorlar: İtici yakıtları kompozit esaslı olup D'den O sınıfına kadar değişen itici kuvvete sahiptirler. Daha çok Yüksek Güç Roketçiliğinde kullanılan bu motorların yapısı kompozit bir itici yakıtın dayanıklı özel bir alüminyum kovan içersine O ring ve sızdırmalık contası yardımıyla monte edilmesinden oluşur. Bu motorların en önemli avantajı maliyetlerinin aynı itici kuvvetli tek kullanımlık motorlardan daha az olmasıdır. Motor kovanı, nozül, ön ve arka kapakları yeniden kullanılabilir. 

Resim 7 -- Karabarut Motorları (Estes motorları), Kompozit Yakıtlı Motor (ortadaki F20-7 kodlu) ve Tekrar Doldurulabilir Tipte Kompozit Yakıtlı Motorlar (en üstte 29 mm. ve 38 mm. çapta).

• Hibrit (Melez) Yakıtlı Motorlar: Hibrit motorlar sıvı ya da gaz haindeki bir oksitleyici ile katı bir yakıttan oluştukları için katı itici yakıtlı ve sıvı itici yakıtlı roket motorlarından farklılık gösterirler. Katı ve sıvı itici yakıtlı roketlerin özelliklerini bir arada taşıdıkları için bu motorlara hibrit roket motorları adı verilmektedir. Hibrit motorlar katı yakıtlı motorlara oranla daha az karmaşık olmalarına rağmen güvenliklerinin daha düşük olması, depolama ve taşıma sorunları yüzünden ticari olarak daha az üretilmektedirler. Bu motorlarla çoğunlukla araştırma grupları ve deneysel amatör roketçiler çalışmaktadır. Yanma sürelerinin ve itici kuvvetlerinin yüksekliği bu motorların gelecekte çok daha büyük model roketlerde kullanılacağını göstermektedir. Katı yakıt olarak Polietilen(PE), Poli-metil metakrilat (PMMA), Polivinil klorür (PVC) ve Hidroksil Terminat Polibütadien(HTPB) gibi viskoelastik maddeler kullanılır. Bu yakıt taneleri motor zarfının içerisine yerleştirilerek ortalarındaki boşluğa veyahut yanma odasından önceki bölüme oksitleyici enjekte edilir. Oksitleyicilerin başında N2O formülüyle gösterilen nitroz oksit (azot oksidül, diazot monoksit) gelmektedir. Ağırlık olarak %36'sı oksijen olan bu gaz yanma odasındaki sıcaklıktan dolayı azot ve oksijene parçalanır. Bu yanma şekli modifiye otomobillerdeki NOS sistemiyle hemen hemen aynıdır. Tek farkı roket motorlarındaki yanma olayında oksijen kaynağının tamamen nitroz oksit gazında olmasıdır. Bu motorlarda kullanılan diğer oksitleyiciler gaz veya sıvı haldeki saf oksijen, hidrojen peroksit, sıvı azot dioksit, nitrik asittir. 
      
 

Resim 8 -- Hibrit Yakıtlı Motor (1. Zarf, 2. PVC yakıt tanesi, 3. Piston, 4. Enjektör, 5. O-ringler,
6. Segman, 7. Doldurma hortumu, 8. Ölçü tüpü, 9. Geciktirici sıvı, 10. Montaj yağı,
11. Grafit nozül 12. Uzaktan boşaltma aparatı.

Tanımlama ve Sınıflandırma

Ticari model roket motorları birçok boyutta bulunabilir. Ticari olarak üretilen en küçük çaplı motorlar 6 mm ve 10.5 mm. çapındaki mikro motorlardır. Mikro motorlar A ve B sınıfında bulunurlar. 13 mm. çapındaki mini motorlar A, B ve C sınıfındadırlar. 18 mm. çapındaki standart motorlar ise B, C ve D sınıfında bulunmaktadırlar. E sınıfı motorlar 24 mm. çapında olur iken F sınıfı motorlar 29 veya 32 mm. çapında bulunabilirler. Yüksek güç roketçiliğinde kullanılan tekrar doldurulabilir tipteki motorlar ise 38 mm., 54 mm., 75 mm. ve 98 mm. çapındadırlar. NAR Standartları ve Test Komitesi (S&T), Amerikan Ulusal Roketçilik Kurumu (NAR) üyelerine bir hizmet olarak sertifikalandırılmış tüm roket motorlarını pdf formatında olan bu listede yayınlamıştır.

Bütün model roket motorları hakkında bilinmesi gereken hususlar model roket motoru üzerindeki etikete basılmıştır. Bu bilgiler özellikle sertifikaya sahip motorlarda kodlama şeklinde olmaktadır. Bu kodlama harf, rakam, çizgi işareti ve rakamdan oluşur. Aşağıdaki resimde bir B6-4 motorunun tanımlanması görülmektedir. Kodun ilk harfi olan B harfi motorun toplam itici kuvvet sınıfını belirtir. Toplam itici kuvvet terimi itme kuvveti süresinin ortalama itme kuvveti ile çarpılması suretiyle elde edilmiş bir katsayıdır ve newton-saniye olarak belirtilir. Bir başka ifadeyle bu harf motorun itme evresinde üretilen toplam itme kuvvetini aşağıdaki tabloya uygun olarak tanımlamaktadır. Her gelen harf önceki harfin iki katı kadar toplam kuvvete sahiptir.

                                           Tablo 1 -- Model Roket Motoru Sınıflandırması. 

Kodun ikinci sırasındaki 6 rakamı ortalama itme kuvvetini belirtir. Ortalama itme kuvveti terimi toplam itici kuvvetin itme kuvveti süresine bölünmesi suretiyle elde edilmiş bir katsayıdır ve newton olarak belirtilir. Motorun ürettiği itme kuvvetiyle roketin ne kadar hızlı gideceğini gösterir. Bu rakam ne kadar büyükse roketin hızı da o kadar fazladır. Model roketçilik uluslararası bir spor olduğundan bu kuvvet genellikle uluslararası metrik ölçü sisteminde gösterilir. Metre-Kilogram-Saniye (M.K.S) sisteminde kuvvet birimi newtondur. İngiliz ölçü sisteminde ise kuvvet birimi pound (libre)'dir. Bu iki katsayının birbirlerine dönüştürülmesi ve ayrıca newton kavramının açıklaması şöyledir:  

Kodun ikinci sırasındaki 4 rakamı gecikme evresinin süresini belirtir. Bu rakam itme evresinin sonuyla kurtarma sistemini harekete geçiren fırlatma barutunun ateşlenmesi arasında geçen süreyi saniye olarak belirtir. Kodları “0” ile biten motorlar destek motorlarıdır; geciktirme ve fırlatma barutlarını ihtiva etmezler. Ayrıca, kodları “P” ile biten “tapalı” özel bir tip motor da vardır; bunlar paraşüt fırlatmanın  ya da destekli fırlatmaya kadar istenmeyen yerlerdeki radyo kontrollü planörlerde kullanışlıdır.     

              Resim 9 -- Bir B6-4 Motorunun Tanımlanması.                      

Bir roket motorunun uçuş performansını tam olarak tahmin etmek için, itme kuvvetinin zamanla nasıl değiştiğini gösteren tam bir grafiğe ihtiyaç vardır. Bir motorun statik teste tutulmasıyla elde edilen veriler sonucu oluşturulan bu grafiğe itme kuvveti grafiği adı verilmektedir. Bu grafiğin y ekseninde itme kuvveti, x ekseninde zaman yer alır. Bu eksenlere yerleştirilen değerlerle elde edilen itme kuvveti-zaman eğrisi aynı zamanda yukarıdaki tanımlamanın ve bir motorun çalışma evrelerinin grafiksel gösterimidir. 

                                                            Resim 10 -- C6-4 Motorunun İtme Kuvveti Grafiği.

Üstteki standart tanımlamalardan ayrı olarak Estes Model Roket Motorlarına özgü bir renk tanımlaması daha bulunmaktadır. Bu renk tanımlamasında kodlar motorun kullanılma amacına göre çeşitli renklerde motorun üzerine basılmışlardır. YEŞİL renkli motorlar tek kademeli roketlerde, KIRMIZI renkli motorlar çok kademeli roketlerin ara kademelerinde ve yardımcı motor olarak kullanılırlar. MOR renkli motorlar çok kademeli roketlerin en üst kademesinde ve tek kademeli çok hafif roketlerde kullanılırken MAVİ renkli motorlar ''tapalı motor'' olarak tanınıp R/C planörler gibi özel kullanımlarda önerilmektedirler.