8 Nisan 2016 Cuma günü, SpaceX’in Falcon 9 roketi, Dragon adlı bir uzay aracını , malzeme ve deney yüküyle Uluslararası Uzay İstasyonu’na (ISS) doğru bir yörüngeye ulaştırma görevini başlattı. En dikkat çekici olanı, ilk aşamadaki güçlendirici daha sonra bir gemiye indi.
Bu kolay bir iş değil. Apollo 11 görevinin aya üç astronot getirdiği 1969 yılını düşünün . Neil Armstrong ve Buzz Aldrin ayda yürüdüler, Michael Collins ise komuta modülünü ay yörüngesinde yönetti. Üçü de güvenle Dünya’ya döndü.
Onları uzaya fırlatan devasa Satürn V roketinin ilk aşaması yaklaşık üç dakika yandı ve ardından okyanusa düştü. İkinci aşama, altı dakika daha yanarak, aracı Dünya’ya yakın yörüngeye aldı. O da atıldı ve daha sonra Dünya’ya inişi sırasında yandı. Üçüncü aşama, astronotları aya göndermek için dokuz dakika daha yandı – tekrar girişte tekrar yandı. 1969’da 6 milyar ABD dolarına mal olan Satürn V roketi tamamen kayboldu.
Astronotların dönüşünde, Pasifik Okyanusu’na yalnızca komuta modülü düştü. Fırlatılan 140 ton metalden sadece beş tonu dünyaya geri döndü. Ve lansmanda, görev şaşırtıcı bir şekilde 3.000 ton yakıt taşıdı… daha sonra bu konuda daha fazlası. Satürn V neredeyse bozulmadan Dünya’ya dönebilseydi ve sonra başka bir görevde kullanılmak üzere iniş yapabilseydi maliyet tasarrufunu bir hayal edin. En son SpaceX inişinin kanıtladığı gibi – Blue Origin tarafından geliştirilen yeniden kullanılabilir teknolojiyle birlikte – bu rüya gerçek oluyor .
Elbette, daha önce yeniden kullanılabilir uzay araçları vardı. Uzay mekiği yeniden kullanılabilir bir uzay aracı olarak tasarlandı. Orbiter, geleneksel bir uçak gibi inerek Dünya’ya geri döndü ve iki sağlam roket güçlendirici denizden kurtarılabilirdi. Yalnızca devasa turuncu dış tank yanacaktı, ancak uzay aracını bir sonraki uçuşa hazırlamak yavaş ve pahalıydı.
SpaceX’in felsefesi, roketin çoğunluğunun hızla geri kazanılabilmesi, yakıt ikmali yapılabilmesi ve yeniden uçulabilmesi ve önemli maliyet tasarrufu sağlamasıdır. Yakıt, görev maliyetinin yüzde yarısından daha azdır, bu nedenle uzaya gitme maliyetini önemli ölçüde azaltma potansiyeli vardır.
roket bilimi bit
Peki ya roket bilimi? Eh, ISS yaklaşık 400 km yükseklikte “Dünyaya yakın yörüngede”. Bu, dümdüz de olsa, Londra’dan Paris’e olan mesafeden daha az. Yaklaşık 7.7 km/s’lik bir hızla yörüngede dönüyor – Dünya’nın çevresini bir kez dolaşmak sadece 90 dakika sürüyor.
Peki 1kg yükü ISS’ye teslim etmek için ne kadar enerji gerekiyor? İlk olarak, kinetik enerjiyi (KE) düşünün – evet, bunu okulda öğrendiniz. 7.7km/s’de, kilogram başına KE yaklaşık 30MJ’de (megajoule) çalışır. Ama aynı zamanda yerçekimi potansiyel enerjisini (GPE) de göz önünde bulundurmalısınız – evet, bunu okulda da yaptınız. Dünya’nın yarıçapının 6.400 km olduğu göz önüne alındığında, Dünya’nın yerçekimi kuvveti, bu kısa mesafede yukarı doğru çok fazla değişmez. Bu nedenle, 1 kg’ı 400 km’ye kadar kaldırmak için gereken GPE’nin yalnızca yaklaşık 4 MJ olduğunu anlamak kolaydır. Bu, gereken 30MJ KE ile karşılaştırıldığında küçüktür.
Ancak sadece yükünüzü 7,7km/s’ye çıkarmanız değil, yakıtı da tanklarınızda taşımanız gerekiyor. Ancak Konstantin Tsiolkovsky’nin “ideal roket denklemi” sayesinde daha hızlı gaz jet hızına sahip sıvı yakıtların katı yakıtlardan daha verimli olduğunu biliyoruz. Esasen, sıvı yakıt kullanıldığında, 7,7 km/s hıza ulaşmak için her 1 kg’lık yük için minimum 4,5 kg yakıt gerekirken, katı yakıtla 20 kg’dan fazlasına ihtiyacınız olacaktır – ve bu, roket kütlesini almadan önce. hesaba katmak. Bu, SpaceX de dahil olmak üzere roketçilerin sıvı yakıt kullanmayı tercih etmelerinin çok iyi bir nedenidir; yüksek gaz jet hızı ile fırlatma kütlesi çok daha azdır.
SpaceX’in sırrı
Peki SpaceX’in roketi nasıl çalışıyor? Falcon 9, iki aşamalı bir fırlatma aracıdır. Her aşamada sıvı oksijenli bir sıvı yakıt kullanılır (Satürn V’de kullanılan gazyağı ve sıvı oksijen yakıtına çok benzer – kimya 50 yıldır değişmedi). Falcon 9’un ilk aşaması “güçlendirici”, fırlatma kütlesinin açık ara en büyük ve en pahalı bileşenidir ve yeniden kullanım için geri almaya çalışmak mantıklıdır – denize sıçraması iyi değildir çünkü ortaya çıkan hasar ve korozyon işe yaramaz.
Ve böylece SpaceX, bir gemiye inebilmesi için Falcon 9 güçlendiriciyi geliştirdi. Buradaki fikir, ana motor kesilmesinden ve aşama ayrılmasından kısa bir süre sonra, güçlendiricinin ters dönerek kendisini bir iniş pisti olarak bekleyen insansız bir insansız gemiye yönlendirmesidir.
İniş sırasında, güçlendirici yaklaşık 1.000 m/s hıza ulaşır (daha maceralı jeostatik görevlerden sonra bunu ikiye katlar) ancak kanatçıkları ve motorları Falcon’un hızını ve yönünü kontrol ederek Dünya’ya yaklaştıkça onu yavaşlatır. Son dakikada, dört ayak açılır ve 6m/s’den daha düşük bir hızda yumuşak bir iniş yapar. Tüm bu hassas navigasyon, yerleşik bilgisayarlar ve atalet navigasyon sistemleri tarafından gerçekleştirilir. İniş o kadar hızlıdır ki, hiçbir insan düzgün bir iniş sağlamak için yeterince hızlı tepki veremez.
İşleri daha da zorlaştırmak için gemi denizde sallanıyor, yuvarlanıyor ve yükseliyor. Pilotların bir uçak gemisine inmesi yeterince zor – Falcon, yaklaşık 20 kat yüksekliğinde uzun ve ince bir sütundur. Falcon bir kez indiğinde, bacaklar sert bir şekilde kilitlenir. Daha önceki Falcon görevlerinden birinde, bacaklardan biri başarısız oldu, bu yüzden iniş başarılı olmasına rağmen Falcon kısa bir süre sonra düştü ve büyük bir yangına neden oldu. Ancak bu yüzden iniş platformu olarak insansız bir drone gemisi kullanıyorlar – kimse zarar görmüyor. Elbette karaya inmek daha kolaydır ve Falcon bunu görev karada uçarsa yapar. Ancak denize inme yeteneği esneklik katar.
Sıradaki ne?
Falcon 9 ve Dragon, yeni nesil düşük maliyetli yeniden kullanılabilir uzay aracının yolunu açıyor ve SpaceX, yörüngeye ve ötesine yedi astronot fırlatıp geri döndürmek için Dragon’u zaten geliştiriyor. Belki daha sonra ayda bir yakıt ikmali üssü olacak? O zaman Mars çok daha yakın.
Yeniden kullanılabilir araçların sunduğu esneklik, bilim kurgu malzemesidir – klasik Star Wars filmi ve daha yakın zamanda The Martian ve Interstellar, bir düğmeye basarak fırlatılan uzay gemileri olmadan bir hiçtir. Henüz orada değiliz, ancak uçak gibi zıplayabilen uzay araçlarıyla her şey mümkün.