Su roketi

Su roketi fırlatma

Su roketi tepki kütlesi olarak su kullanılan bir model roket türüdür. Basınçlı kap—roketin motoru— olarak genellikle plastik bir meşrubat şişesi kullanılır. Su basınçlı bir gazla genellikle basınçlı hava kullanılarak dışarıya doğru atılır. Su roketi Newton'un üçüncü hareket yasasına iyi bir örnektir.

İşleyişi

Bir su roketinin nasıl çalıştırıldığının basitçe canlandırması. 1) basınçlı hava eklendikçe oluşan hava kabarcıkları suyun içinden geçerek su üstünde toplanır ve havanın hacmini şişenin üst kısmında sıkıştırır. 2) Şişe pompadan ayrılır. 3) Su basınçlı havanın yardımıyla nozülden dışarıya doğru itilir. 4) Şişe, Newton'un Üçüncü Kanunu uyarınca sudan ters istikamette uzaklaşır.

Şişe kısmen su ile doldurularak ağzı kapatılır. Ardından, şişe bir bisiklet pompası, hava kompresörü ya da hava tüpünden sağlanan 125 psi kadar basınçtaki basınçlı havayla sıkıştırılır. Bazen bu iş için bir gaz tüpünden sağlanan CO₂ ya da azotta kullanılabilir.

Sıkıştırılarak, potansiyel enerjiyi depolamayı sağlayan gaz ve kütle oranını arttıran su, roketin nozülünden püskürtüldüğünde daha büyük güç sağladığından dolayı bir arada kullanılmaktadır. Bazen performansı arttırmak için suya farklı yollarla katkı maddeleri katılır. Örneğin: tepki kütlesinin yoğunluğunu arttırarak daha yüksek bir özgül itici kuvvet sağlamak için suya tuz katılabilir. Tepki kütlesinin yoğunluğu azaltılarak itme süresi arttırılabilir. Bunu sağlamak için suya bazen sabun katılarak yoğun bir köpük oluşumu sağlanır. Köpüğün sıkıştırılabilir bir sıvı gibi davrandığı düşünülmekte olup De Laval nozülü ile birlikte kullanıldığında itme kuvveti artmaktadır.

Roketin nozülündeki subap serbest bırakıldıktan sonra su, itici yakıt bitinceye ve roketin içindeki hava basıncı atmosferik basınca düşünceye kadar yüksek hızda dışarıya doğru itilir. Newton'un üçüncü yasasına göre roket üzerinde net bir kuvvet oluşur. Suyun dışarıya doğru itilmesi roketin hava içinde hatırı sayılır bir mesafe kat etmesine neden olabilir.

İrtifa ve uçuş süresi, aerodinamik hususların yanı sıra su hacmi, başlangıç basıncı, roket nozülünün ölçüsü ve boş roketin ağırlığına bağlıdır. Bu faktörler arasındaki ilişki karmaşık olup bu ve diğer faktörleri araştırmak için birçok simulatör yazılmıştır.^[1][2][3]

Basınçlı kap yapımında genellikle bir ya da birden çok kullanımlı plastik meşrubat şişelerinden başka polikarbonat floresan lamba kılıfları, plastik borular ve diğer düşük basınca dayanıklı silindirik kaplar da kullanılmaktadır.

Fırlatma basıncı genellikle 75 - 150 psi (500 - 1000 kPa) arasında değişmektedir. Basınç ne kadar büyükse, depolanmış enerji o kadar büyük olur.

Tepe yüksekliğini tahmin etme

Aerodinamik sürüklenme ve basınçtaki geçici değişiklikler göz ardı edilirse, dikey olarak fırlatılan bir roketin tepe yüksekliği için üstü kapalı bir tahmin aşağıda gösterildiği şekilde ifade edilebilir:

${\displaystyle h=\left({M_{i} \over M_{R}}\right)^{2}\left({P_{i} \over \rho g}\right)}$^[4]

(${\displaystyle h}$ = ulaşılan tepe yüksekliği, ${\displaystyle M_{i}}$ = başlangıçtaki su kütlesi, ${\displaystyle M_{R}}$ = suyla doldurulmuş roketin kütlesi, ${\displaystyle P_{i}}$ = Roketin içindeki başlangıç basıncı, ${\displaystyle \rho }$ = suyun yoğunluğu, ${\displaystyle g}$ = yerçekimi ivmesi) Yukarıdaki denklem için varsayımlar: (1) su sıkıştırılamaz, (2) nozüldeki akış yeknesaktır, (3) hızlar doğrusaldır, (4) suyun yoğunluğu havanın yoğunluğundan çok daha büyüktür, (5) viskozite etki yoktur, (6) kararlı akış, (7) suyun serbest yüzey hızı nozül hızına gore çok küçüktür, (8)hava basıncı su bitinceye kadar sabit kalır, (9) nozül hızı su bitinceye kadar sabit kalır, ve (10) nozülden kaynaklanan sürtünme etkisi yoktur (bkz. Moody grafiği).

Çok şişeli roketler ve çok kademeli roketler

Çok şişeli iki roket.

Silindirik kanatçıklara sahip çok şişeli büyük bir roket .

Çok şişeli roketler iki ya daha fazla şişenin birkaç farklı şekilde birleştirilmesiyle oluşturulur;zincirleme haldeki hacmi arttırmak için, şişeler birbirlerinden ayrı kesip parçaları birbirinin üzerinden kaydırarak ya da diplerinden açıp birleştirilmek suretiyle nozüllerinden birleştirilebilir. Hacmin artması ağırlığın artmasına neden olsa da bu durum roketin itme süresinin uygun bir artışıyla telafi edilmektedir. Roketin birleştirilmesindeki herhangi bir hata farklı bölümleri ayırmaya yol açacağından çok şişeli roketler sağlam olmayabilirler. Fırlatmanın sağlıklı olacağından emin olmak ve güvenliği ilgilendirdiği için basınç testleri daha önceden gerçekleştirilir. Roketin yükseğe gitmesini istiyorsanız çok şişeli roketler çok iyi olsa da çok güvenilir olmayıp rotadan sapabilirler. Bu nedenle fırlatma için güvenlik mesafesinin 6 metre olmasına dikkat edilmelidir.

Çok kademeli roketler çok daha karmaşıktır. Aynen uzaya yük göndermek için kullanılan çok kademeli roketler gibi, üst üste iki ya da daha fazla roketi içerecek şekilde tasarlanırlar. Fırlatma zamanlamalarının doğru sırayla ve doğru zamanda gerçekleşme yöntemleri değişik olsa da basınç-manşon yöntemi oldukça yaygındır.

Gaz kaynakları

Bir roketin basınçlandırılmasında çeşitli yöntemler kullanılır:

• En az 75 psi (520 kPa) basınç uygulayabilen, standart bir bisiklet/araba lastiği pompası.
• Su basıncı, boş bir su hortumu içindeki bütün havayı roketin içine iter. Oluşan basınç su şebekesinin basıncıyla aynıdır.
• Atölyelerde kullanılan pnömatik araç ve gereçlere güç sağlayan bir hava kompresörü. Üzerinde değişiklik yapılmış yüksek basınçlı (15 bar / 1500 kPa / 200 psi’den daha büyük) bir kompresörün su roketinin fırlatılmasında bir güç kaynağı olarak kullanılması tehlikeli olabilir.
• Karbon dioksit (CO₂), hava ve azot gazı (N₂) gibi tüplerdeki basınçlı gazlar. Paintball tüplerindeki CO₂ veya endüstriyel ve SCUBA tüplerindeki hava da örnek olarak verilebilir. Tüplerdeki gazlarla çalışırken dikkatli olunmalıdır: basınçlı gaz genleştikçe soğur (bkz. gaz yasaları) ve aynı zamanda roket parçaları da soğur. PVC ve ABS gibi bazı malzemeler çok soğudunda zayıf ve kırılgan olabilirler. Güvenli bir mesafeyi sağlamak için uzun hava hortumları kullanılır. Roketlerin aşırı basınçlanmasını ve fırlatmadan önce patlamalarını önlemek için, fırlatma tesisatlarında genellikle basınç göstergeleri ( manometre adıyla bilinen) ve emniyet valfleri kullanılmaktadır. Endüstriyel gaz satıcılarından sağlanan dalış tüpleri ya da kapları gibi yüksek basınçlı gazlar sadece eğitimli operatörler tarafından kullanılmalı ve gaz rokete bir regülatör ekipmanı (örn. SCUBA tek kademe regülatörü) aracılığıyla sevk edilmelidir. Birçok ülkede yerel ve ulusal kanunlara tabi olan bütün basınçlı gaz kapları yetkili bir test merkezi tarafından düzenli olarak güvenlik testine tutulmalıdır .
• Şişedeki suyun üzerinde bulunan patlayıcı gaz karışımının ateşlenmesi ; patlama, roketin havaya fırlatılması için gerekli olan basıncı oluşturur.^[5]

Nozüller

Su roketi nozüllerinde De Laval nozülünde olduğu gibi ıraksak bir bölüm olmadığından, su roketi nozülleri klasik yanmalı roket nozüllerinden farklıdır. Sıkıştırılamaz özelliğe sahip olan su ıraksal bölümün verimliliğine katkıda bulunamayacağı gibi gerçekte de performansı daha da kötü yapabilir.

Su roketi nozüllerinin iki ana sınıfı vardır:

• "Standart" ya da "büyük delikli" olarak da adlandırılan açık nozül türü, standart soda şişesi boğaz açıklığı olan ~22mm’lik bir iç çapa sahiptir.
• Kontrollü nozül herhangi "standart" bir nozülden daha küçüktür. 9mm’lik bir iç çapa sahip olan kontrollü bir nozül bahçe hortumları arasında bağlantı parçası olarak kullanıldığından "Bahçe sulama nozulu" olarak da bilinir.

Nozül çapı roket tarafından üretilen itme kuvvetini etkiler. Büyük çaplı nozüller daha hızlı bir ivme ile daha kısa bir itme evresi sağlarken küçük nozüller daha düşük bir ivme ile daha uzun bir itme evresi sağlar.

Bir nozülün anlık itme kuvveti basit olarak denklemle gösterilebilir:^[6]

${\displaystyle F=2PA_{t}}$

Burada ${\displaystyle F}$ itme kuvveti, ${\displaystyle P}$ basınç ve ${\displaystyle A_{t}}$ nozülün alanıdır.

Kanatçıklar

Kanatçıklar bir su roketinde son derece önemlidir. Dengeyi sağlayan kanatçıklar büyük bir olasılıkla fırlatma yüksekliğini de arttırır.

Fırlatma boruları

Bazı su roketlerinde fırlatma rampası olarak fırlatma boruları kullanılır. Roket nozülünün içine sığan fırlatma borusu burnun yukarısına doğru uzanır. Fırlatma borusu yere sabitlenmiş haldedir. Roket yukarıya doğru hızlanırken, fırlatma borusu nozülün çıkışını tıkar ve roket fırlatma borusunu terk edinceye kadar dışarıya çok az su atılır. Bu durum, sıkıştırılmış havadaki potansiyel enerjinin neredeyse tamamıyla kinetik enerjiye olan etkili çevrimi ile roket ve suyun yerçekimsel potansiyel enerjisini sağlar. Roket motorları düşük hızlarda en az tesirli olduklarından dolayı fırlatmanın başlangıç evresinde yüksek verim önemlidir. Bu nedenle bir fırlatma borusu roketin hızını ve irtifasını önemli ölçüde artırır. Fırlatma boruları, uzun fırlatma borularının yerleştirilebileceği, uzun roketlerle kullanıldığında en çok etkilidir.

Güvenlik

Hatırı sayılır miktarda bir enerji içeren su roketleri yanlış ya da hatalı yapıldığında veyahut malzeme kusuru durumlarında tehlikeli olabilir. Bazı güvenlik kuralları deneyimli su roketi meraklılarınca gözlemlenmiştir:

• Bir roket yapıldığında basınç testi de yapılmalıdır. Bu işlem roket tamamen suyla dolduruluktan sonra rokete öngörülen basıncın en az %50’sinden daha büyük bir basınç uygulamak suretiyle yapılır. Şişe patlarsa, içerisindeki basınçlı hava miktarı (dolayısıyla potansiyel enerji) küçültülücek ve şişe patlamayacaktır.
• Roketin basınçlı kısımları üzerinde kullanılacak metal parçaları şişenin patlaması durumunda şarapnel etkisine neden olabileceğinden kesinlikle önerilmez. Metal parçalar ayrıca elektrik hatlarında kısa devreye de neden olabilir.
• Roket basınçlandırılır ve fırlatılırken, seyirciler güvenli bir mesafede tutulmalıdır. Genellikle, roketin fırlatılmasında belirli bir mesafeye sahip olan mekanizmalar (örneğin bir parça ip) kullanılır. Roket beklenmedik bir yöne saparsa, güvenlik mesafesinin olması roketin operatöre ya da seyircilere vurma olasılığını azaltır.
• Su roketleri, mülkiyete ve insanlara zarar vermemek için yapılar ve diğer insanlardan uzak sadece geniş açık alanlarda fırlatılmalıdır.
• Su roketleri çarpmaya bağlı olarak kemik kırılmalarına yol açabileceğinden insanlara, mallarına ya da hayvanlara doğru asla fırlatılmamalıdır.
• Koruyucu gözlük veya yüz koruyucusu genellikle kullanılır.
• İki litrelik normal bir soda şişesi genellikle 100 psi (690 kPa) basınca güvenli bir şekilde erişebilse de şişenin bu basınca erişmeden evvel beklenmedik bir şekilde patlama olasılığına karşı hazır olunmalıdır.
• Su roketlerinin parçalarını monte etmek için kullanılan tutkal plastikte kullanmaya uygun olmalıdır. Aksi halde uygunsuz bir tutkalın kullanılması şişeyi kimyasal olarak aşındıracağından roket fırlatıldığında başarısız bir uçuşla patladığı gibi seyirciler de zarar görebilir.

Dünya rekoru

U.S. Water Rockets yarışmasında 630 m. yükseklikle rekor kıran X-12 Su Roketi üzerindeki video kamera ile çekilen apoje fotoğrafı

Su ve hava itişli bir roket tarafından erişilen azami irtifaya ait^[7] güncel rekor, U.S. Water Rockets^[8] tarafından 14 Haziran 2007 tarihinde düzenlenen yarışmada elde edilen 623 metrelik irtifadır. Bu irtifa iki uçuşun ortalaması alınarak hesaplanmıştır. İlk uçuşta 630 metreye ve ikinci uçuşta 615.7 metreye ulaşılmıştır. Roket yarışma kurallarının verdiği onay gereğince iki uçuşunda da yük olarak bir video kamera taşıdı.

Çok sayıdaki su roketinin eş zamanlı olarak fırlatılmasına ait Guinness Dünya Rekoru Gotta Launch’ın elindedir.^[9] 19 Haziran 2009 tarihinde, Delft Teknik Üniversitesi öğrencileri aynı anda 213 roketi hep birlikte fırlatmışlardır.

Buhar roketleri

Buhar roketi (veya sıcak su roketi) itici yakıt olarak buhar kullanan rokettir. Fırlatmadan önce, roketteki su ısıtılır. Roketteki ısınan su dışarıya sızmadığı sürece , basınç artar. Bu basınç suyu kızgın su olarak tutmaya yeterlidir. Suyun kaynama sıcaklığı basınçla arttığı için, su kaynama yerine buhar haline dönüşür. Fırlatma esnasında, basınçlı kap nozül sayesinde boşalır. Ortaya çıkan basınçlı su damlalarının nozül içerisinden geçmesi, su damlalarının kaynamasına ya da 'flaş' şeklinde anında buhar haline geçmesine imkan verir. Buharın yüksek hızı ve nozül içerisinde ilerlemesi bir roket için olağan tepki kuvvetini meydana getirir.

Bu tür roketleri yapma fikri İkinci Dünya Savaşından önce Almanya tarafından fırlatılan jet avcı uçakları için alternatif bir roket motoru kullanım önerisiyle ortaya çıktı.

Kaynakça

• D. Kagan, L. Buchholtz, L. Klein, Soda-bottle water rockets, The Physics Teacher 33, 150-157 (1995)
• C. J. Gommes, Su roketlerinin ayrıntılı bir analizi: soda şişesinde ıslak adyabatlar, geçici akışlar ve eylemsizlik kuvvetleri, American Journal of Physics 78, 236 (2010

Yararlanılan kaynaklar

1. Water Rocket Computer Model from NASA
2. Sim Water Rocket from Dean's Benchtop
3. Water Rocket Simulation from Clifford Heath's website
4. Schultz, William W. "ME 495 Winter 2012 Lecture." University of Michigan, Ann Arbor. Mar.-Apr. 2012. Lecture.
5. Dean's benchtop: hydrogen powered water rocket
6. Hydroflite: Rocket Science
7. Tek kademeli su roketi irtifa rekoru yarışma kuralları
8. U.S. Water Rockets
9. Gottalaunch.com

Dış bağlantılar

• WaterRocketLaunchers – Atık ev malzemelerinden sağlam ve oldukça etkili bir su roketi fırlatma rampası nasıl yapılır?
• The Water Rocket Achievement World Record Association – Su roketlerinin yapımı ve güvenli kullanımı için ve bütün su roketi dünya rekorlarının yönetim organı olarak görevlendirilmiş uluslararası dernektir.
• U.S. Water Rockets – Güncel irtifa rekoru sahibi – Su roketleri kullanarak hava fotoğrafçılığı
• Gotta Launch :: Water Rocket Insanity – Dünya’nın en muhteşem su roketi projeleri.
• Team Parental Advisory –Roket üzerinden ve yerden çekilen vidoları içeren bir site.
• Water-rockets.com – Her yaştaki hobi düşkünleri, öğrenciler ve öğretmenler için su roketi bilimi.
• Başka bir Su Roketi Sayfası
• Aircommand water rockets - Videoları, öğretici bilgileri, blogları ve daha fazlasını içeren bir Avustralya su roketi sitesi.
• Water Bottle Rocket – Aynı bir RPG gibi yatay uçuş yapan su roketlerini içeren site. Su roketi ile çalışan RPG’nin yapımını anlatan ücretsiz E-Kitap.
• HHWRSA – Videoları, blogları ve öğretici bilgileri içeren Su Roketi Arabası web sitesi.
• GreenRocketsIL Geri dönüşümlü malzemelerden roket yapımını videolarla anlatan bir İsrail su Roketi sitesi.