Giriş

Model roketlerin fırlatılmasını sağlayan roket motorlarının, işlevini meydana getiren ve itme kuvveti yaratan itici yakıttır. Kimi zaman roket yakıtı adı verilse de işlevsel özelliğinin bir itme kuvveti meydana getirmek olmasından dolayı, bu yakıt şekline itici yakıt adı verilmesi daha uygun olacaktır. Bu nedenle bilerek veya bilmeyerek ileride ben de roket yakıtı kelimesini kullanırsam bunun itici yakıt olarak bilinmesi gerektiğini belirtirim.

Model roket motorlarında katı itici yakıt kullanılır. Bunun en büyük nedeni katı yakıtlı motorların tasarımının daha kolay ve ucuz olmasıdır. Katı itici yakıtı oluşturan yakıt ve bu yakıtın yanması için, gerekli olan oksijeni sağlayan oksitleyici arasındaki kimyasal yanma reaksiyonu sayesinde roket motoru çalışmaktadır. Uygun bir ateşleme sıcaklığına çıkıldığında meydana gelen yanma reaksiyonu itici yakıt yüzeyinin her tarafına yayılarak, önceden saptanabilen bir değerde yanma olayını gerçekleştirir. Yanma reaksiyonunun esası, oksijenle birleşen yakıt atomlarının düşük enerji seviyelerinden yüksek enerji seviyelerine geçişleri esnasında parlak ve etkileyici bir alev halinde ortaya çıkardıkları ışık ve büyük bir miktarda ısı 'dır. Ortaya çıkan bu büyük ısı, reaksiyon ürünlerinin ısısını birkaç bin dereceye çıkararak onların sıcak gaz haline geçmelerine neden olur. Bu sıcak gazlar başlangıçtaki asıl yakıttan daha fazla hacme sahip olduklarından dolayı, çok büyük bir basınç oluşur. Bu muazzam basınç, dar bir boğaza sahip motor nozülünden ses ötesi bir hızda egzoz şeklinde atılan bir kuvveti doğurmaktadır.

İtici yakıtı oluşturan belli orandaki yakıt ve oksitleyici, birlikte ve daima bir karışım halindedir. Bu kimyasal karışım bir roket motoru içinde geometrik bir biçimde şekillendiğinde itici yakıt tanesi adını alır. İtici yakıt tanesi farklı geometrik şekillerde olabilir. Bu geometrik şekli tamamlayan ise itici yakıtın yanma ucundan ileriye doğru yer alan oyuğun şeklidir. Bu oyuğa itici yakıtın göbeği adı verilmektedir. İtici yakıtın göbeğinin dolayısıyla tane geometresinin aldığı şekillerle ilgili aşağıda daha ayrıntılı bilgiyi bulabilirsiniz.

Katı itici yakıtların tane yapısının bozulmaması, oksitleyici ve yakıtın birarada bulunmasını temin eden bağlayıcı ile mümkün olmaktadır. Kısacası bir itici yakıt; oksitleyici tarafından sağlanılan oksijenle bir yanma reaksiyonu veren yakıtın ve bu karışımı belirli bir kütle halinde tutulmasını sağlayan bağlayıcının uygun oranlarda hazırlanmış bir karışımıdır. 

    

KATI İTİCİ YAKIT = OKSİTLEYİCİ + YAKIT + BAĞLAYICI

Amatör roketçilikte kullanılan katı itici yakıtların güvenilir ve ucuz olması, her şeyden evvel itici yakıtın hazırlanmasında kullanılan kimyasal maddelere bağlıdır. Oksitleyici olarak genellikle potasyum nitrat, sodyum nitrat, amonyum nitrat, potasyum perklorat ve amonyum perklorat kullanılmaktadır. Yakıt olarak da kükürt, odun kömürü, karbon siyahı, sakkaroz, glikoz, sorbitol, magnezyum ve alüminyum kullanılabilir. Bağlayıcı olarak kullanılanlar ise dekstrin, gomalaka, parafin, silikon, PVC, epoksi ve çeşitli polimer türevli reçinelerdir. Bağlayıcı maddelerin hemen hepsi organik bileşik olduğundan itici yakıt bileşiminde aynı zamanda yakıt olarak da görev yaparlar. 

Katı İtici Yakıtların Özellikleri

Katı itici yakıtlar aslında düşük güçlü patlayıcı maddeler olup, etrafına basınçtan ziyade yüksek ısı ve düşük molekül ağırlıklı gaz üretmesi amaçlanan  kimyasal maddelerin bir karışımıdır. Bunu sağlamak için ise itici yakıtların bazı özelliklere sahip olması gerekmektedir. Bu özellikler şunlardır:

• Yoğunluk: İtici yakıtı oluşturan kimyasal bir karışım kütlesinin belli bir yoğunlukta olması gerekmektedir.  Bu yoğunluk değerine itici yakıtın preslenmesi ya da çakılmasıyla ulaşılabilinir. Bu işlem şeker yakıtlarda olduğu gibi itici yakıtın ergitilmesi ya da kompozit yakıtlarda olduğu gibi itici yakıtın polimer bir bağlayıcıyla kalıplanmasıyla da başarılabilinir. Hangi usulle hazırlanırsa hazırlansın itici yakıtın belli bir yoğunluk değerinin olması gerekir. Tanenin doku kalınlığı(yoğunluğu) aynı zamanda yanma süresinin de belirleyicisidir. Bu yoğunluk değeri 1.6-2 gr/cm³ arasında değişir. Bu yoğunluk değerinde olmayan bir karışım  yandığı zaman oksitleyiciden ayrı olarak hava oksijeninde reaksiyon ortamında bulunması istenen yanma hızının düzensizliğine ve yanma sonucunda ortaya çıkan yanma ürünlerinin bir blast (patlama) etkisi yaratmasına yol açar. Bu durum roket motorunda büyük performans değişikliğine neden olur. Bu performans değişikliği roket motorunu ya kesikli çalıştırarak roketin kalkışı için yeterli itme kuvveti yaratamaz ya da roket motorunun yanma odasında aşırı basınca yol açarak sonuçta roket motorunu patlatır.
• Yanma Değeri(Hızı): İtici yakıtlar, bozunmanın şekli bakımından patlayıcı maddelerden ayrılırlar. Patlayıcı maddelerdeki bozunma bir zincir reaksiyonu şeklinde çok hızlı gelişirken (4.000-10.000 m/san. hızla) itici yakıtlarda bu bozunma şekli sadece yüzeysel bir yanma şeklinde daha yavaş gelişir. İtici yakıtı oluşturan formülasyon bilindiği taktirde bu itici yakıtın yanma değeri önceden hesaplanarak tahmin edilebilir. İtici yakıtın tahmin edilebilir bir yanma değerinin önceden bilinmesi yanan yüzey alanını ve yanma odasındaki basıncı belirtir.
• Tane geometrisi: Bir itici yakıt tanesinin ilk şekli ateşlemeden sonra alevin izleyeceği yolu belirlediğinden, motorun çalışmasının her anında yanma odasının basıncı ve itme kuvvetinin ne olacağının bir motorun tane geometrisi belirler. Tane geometresinin etkinliğini belirleyen itici yakıtın sahip olduğu göbeğin şekli ve boyu olduğundan dolayı bu göbeğe bağlı olarak motorun dayanma sınırlarına uygun olan geometrik şeklin seçilmesi gerekmektedir. Eğer buna dikkat edilmezse itici yakıtın yaratacağı yanma odasının basıncı çok artacak ve sonuçta roket motorunu patlatacaktır. Tane geometresinin çeşitli şekilleri ve bu şekillere bağlı olarak itme kuvveti-zaman eğrisinin aldığı şekli aşağıdaki resimde bulabilirsiniz. 

Resim 1 -- Çeşitli şekillerdeki itici yakıt tane geometrileri.

Karabarut tarihi boyunca ve kullanılış amacına göre birçok formülasyonda üretilmiş olup, bugün ticari olarak üretilen standart karabarutun bileşimi ağırlıkça şöyledir:

Karabarutlu itici yakıtlar bu standart formülün  üzerinde yapılan çok küçük değişikliklerle imal edilirler. Standart formülün yanma değeri model roket motorları için yüksek olduğundan dolayı, oksitleyici miktarı düşürülüp yakıtların oranı arttırılarak ve bir bağlayıcı katılarak standart karabaruta oranla yanma hızı daha düşük bir itici yakıt hazırlanmış olur. Aşağıda ticari model roket motorları üretiminde dünyaca ünlü Estes firmasının motorlarında kullandığı itici yakıt formülü bulunmaktadır. Bu formülde dekstrin, itici yakıt tanesinde bağlayıcı olarak kullanılmıştır.

Karabarut stokiyometrik bir karışımdır. Stokiyometrik kelimesi kimya bilimine ait bir ifade olup, kimyasal bir reaksiyonda reaksiyona giren maddelerin birbirleriyle ne oranda birleştiklerini anlatır. Bu bir anlamda kimyasal reaksiyonların matematiksel bir ifadesidir. Bu ifade standart bileşimdeki karabaruta uyarlanacak olursa karabarutun yanma reaksiyonu kabaca şöyle denklemleştirilir:                         

Bu reaksiyon biraz daha ayrıntılı olarak:

10KNO₃ + 8C + 3S ==> 5N₂ + 6CO₂ + 3K₂SO₄ + 2K₂CO₃  olarak da yazılabilir.

Yukarıdaki formüller kabaca yazılmış olup karabarutun yanma reaksiyonu diğer yan reaksiyonlarla da devam eder. Bu reaksiyonların neticesinde standart karabarut yandığında % 43 gaz ve % 57 oranında katı artık bırakır. Yanmayla oluşan başlıca gazlar karbon monoksit, karbon dioksit ve azot gazıdır. Katı maddeler ise potasyum karbonat, potasyum sülfat ve potasyum sülfür'dür. Ayrıca şeker yakıta oranla daha az oranda egzoz gazı oluşturduğundan dolayı, bu itici yakıtın özgül itici  kuvveti şeker yakıttan daha fazla olmayıp 80-90 saniye kadardır. Bu nedenle bu itici yakıtla ancak A-F sınıfında model roket motoru yapılabilmektedir.    

3. Şeker (KS) İtici Yakıtları: Şeker itici yakıtları deneysel ve amatör roketçiler tarafından 1940'lı yıllardan bu yana kullanılmaktadır. Benim de sıklıkla kullandığım bu itici yakıtın en büyük özelliği bileşimi oluşturan kimyasal maddelerin ucuz ve her yerde bulunuyor olmasıdır. Bu maddeler potasyum nitrat ve sakkaroz(=toz şeker)dur. Bu itici yakıt karabaruta göre daha yüksek bir itme kuvveti oluşturmasına rağmen, nem çekici özelliğinin yüksek olmasından ve raf ömrünün kısalığından dolayı ticari olarak üretilmemektedir. 1980'li yıllardan bu yana toz şeker yerine bir şeker alkolü olan sorbitol veyahut glikoz, maltoz gibi basit şekerler de bu itici yakıtın imalinde kullanılmaktadır.Bu itici yakıtta şekerler hem yakıt hem de bağlayıcı olarak görev yaparlar. Bu itici yakıtlarda kodlama şeklindeki kısa adlandırma, kullanılan şekere göre olmaktadır. Bu adlandırmada K harfi potasyum nitratı ifade etmektedir. Buna göre yakıt olarak sakkaroz kullanılırsa KS, sorbitol kullanılırsa KSB, glikoz(dekstroz) kullanılırsa KDX olarak adlandırılır. 

Şeker itici yakıtların imalinde başlıca dört yöntem kullanılmaktadır. Bu imalat yöntemleri şunlardır:

• Kuru Presleme: Belirli bir incelik derecesinde ayrı ayrı öğütülen potasyum nitrat ve sakkaroz karışımının kuru kuruya çakma veya presleme usullerinden birinin uygulanmasıdır. Bu yöntemi sıklıkla kullanmaktayım.
• Islak Presleme:  Belirli bir incelik derecesinde ayrı ayrı öğütülen potasyum nitrat ve sakkaroz karışımının solventle ıslatıldıktan sonra çakma veya presleme usullerinden birinin uygulanmasıdır.  
• Eritme/Kalıplama: Potasyum nitrat ve şeker karışımının çok az su eşliğinde ısıyla ergitilip bir kalıp içine dökülmesi işlemidir. Üretim yöntemi tıpkı bir şekerleme imalatına benzediği için, bu yöntemle imal edilen itici yakıta şekerleme yakıt adı verilmektedir. Bu yöntemin uygulanması iyi bir ekipman ve tecrübe gerektirir. Bu yakıtın hazırlanmasında uygulanacak ısı derecesinin aşılması durumunda  şekerin yanmasından dolayı yakıt kahverengileşerek karamelize olur. Bu durum yakıtın performansını düşürdüğü gibi, hazırlama esnasında yakıtın kendiliğinden tutuşmasına yol açarak işlemi tehlikeli bir hale sokar. Hazır bir şekerleme yakıtının ideal rengi kullanılan şeker çeşidine bağlı olarak, fildişinden açık sarı renge kadar değişmektedir. Aşağıdaki resimde bu yöntemle hazırlayıp kalıpladığım altı adet şekerleme itici yakıt tanesi görülmektedir. 
• Yeniden Kristallendirme: Şekerleme yakıtın hazırlanması zaman aldığından dolayı, daha önceden hazırlanan ve çok iyi bir saklama koşullarında (nemden uzak) muhafaza edilen itici yakıtın, ısı etkisiyle tekrardan yumuşatılarak kalıplanması işlemidir. Bu yöntemde şekerleme yakıtın hazırlanma süreci daha önceden gerçekleştirildiğinden, itici yakıtın şekillendirilmesi ve bir roket motoru oluşturulması daha hızlı olmaktadır.  

Şeker itici yakıtları birçok formülasyonda üretiliyor olup, standart bir şeker itici yakıtın bileşimi ağırlıkça şöyledir:

Şeker yakıtın yanması da stokiyometrik olup, şeker yakıtın yanma reaksiyonu kabaca şu şekilde denklemleştirilir:           

Stokiyometrik orandaki bu yanma denkleminde oksitleyici potasyum nitratın, yakıt olan sakkaroza olan oranı (oksitleyici/yakıt oranı = O/ Y) yukarıdaki standart şeker yakıt formülünden çok farklıdır. Bu oran (O/Y) stokiyometrik ve tam bir yanma reaksiyonu olan bu denklemde 74/26 'dır. Diğer bir ifadeyle %74 potasyum nitrat ve % 26 şeker karışımı tam bir yanma reaksiyonu verir. Fakat bu oranda hazırlanan bir yakıt yukarıda söz konusu edilen itici yakıtların özelliklerine uygun olmayacağı ve bu yakıtın yanmasıyla ortaya çıkacak basınç ve sıcaklık yanma odasının dayanıklılığına zarar vereceğinden dolayı, O/Y oranı daha düşük tutulmaktadır. Buna göre, O/Y oranı 65/35 olan KS itici yakıtının yanma reaksiyonu şu şekilde denklemleştirilir :

Bu reaksiyonların neticesinde şekerleme bir itici yakıt yandığında % 57 gaz, % 43 katı artık bırakır. Yanmayla oluşan başlıca gazlar karbon monoksit, karbon dioksit ve azot gazıdır. Katı maddeler ise potasyum karbonat ve potasyum hidroksit'tir. Bu yüzden, şekerleme bir itici yakıt yandıktan sonra oluşan potasyum karbonat ve hidroksitin nem çekici özelliği sebebiyle katı artık bir süre sonra havanın nemini çekerek ıslak bir görüntü oluşturur. Ayrıca karabaruta oranla daha fazla oranda egzoz gazı oluşturması nedeniyle bu itici yakıtın özgül itici  kuvveti karabaruttan daha fazla olup, 130 saniye kadardır. Bundan dolayı bu itici yakıtla A-M sınıfında model roket motoru yapılabilmektedir.