Scramjet Motoru Nedir?

Scramjet motor, tipik bir jet motorunun kompresörü ve türbinini olmadan Mach 5’ten daha yüksek hızlara ulaşabildiği, süpersonik yanmalı bir motordur! Hindistan’daki DRDO (Savunma Araştırma ve Geliştirme Organizasyonu), hipersonik hızlı uçuş için insansız scramjet gösteri uçağının ilk uçuş testini başarıyla yürüttüğü haberi vermiştir. Bu gösteri uçağına resmen Hipersonik Teknoloji Gösterici Aracı (HSTDV) adı verilmiştir. Uçak, Mach 6’dan daha yüksek hızlara ulaşacak şekilde tasarlanmıştır. Bunu perspektife sokmak için, bir yolcu uçağı Mach 1’in önemli ölçüde altında bir hızda seyahat etmiştir. Mach 6 veya daha yüksek hızlara scramjet teknolojisi kullanılarak ulaşılmaktadır. Scramjet teknolojisinin geliştirilmesi son derece zordur ve Hindistan’dan önce sadece üç ülke ABD, Rusya ve Çin böyle bir teknolojiyi geliştirmede başarılı olmuştur.

Jet Motorları Nedir?

Jet motorları, jet tahrikiyle itme veya hareket üreten yanmalı motorlardır. Bu motorlar jet uçakları, avcı uçakları, füzeler ve füze uçağı gibi yüksek hızlı durumlarda uygulama bulur. Jet motorları ayrıca yüksek hızlı otomobillerde ve enerji santrallerinde kullanılmak üzere modifiye edilmiştir. Temel bir jet motoru, geleneksel bir gaz türbini ile aynı prensipte çalışmaktadır. Bir jet motoru, öndeki bir kompresör, ardından bir yanma odası ve bir türbinden oluşmaktadır. Kompresör ve türbin aynı şaft üzerine monte edilmiştir ve kompresörün önündeki bir fan atmosferden hava emmektedir. Bir şaft üzerinde yüksek hızlarda dönen birden fazla bıçaktan oluşan kompresör, gelen havayı sıkıştırmaktadır. Bu sıkıştırma sonucunda havanın basıncı ve sıcaklığı artmakta ve hız düşmektedir. Yanma odasında yakıt basınçlı hava üzerine püskürtülür ve bujiden gelen kıvılcım karışımı tutuşturmaktadır.
Karışım daha sonra kendiliğinden genişleyerek bir jet oluşturmaktadır. Püskürtme memesinden püskürtmeye çalışan jetten üretilen reaksiyon kuvveti, düzlemi ve aracı ileri hareket ettirmek için gerekli itişi sağlamaktadır. Üretilen itme miktarı, giriş havasının hızına kıyasla çıkış jetinin hızına bağlıdır. Çıkış jetinin hızı arttıkça, üretilen itme miktarı da artmaktadır. Bununla birlikte motordan çıkmadan önce, jet türbin kanatlarından geçmektedir. Çıkış jeti tarafından türbin kanatlarına verilen hareket, bir şaft ile kompresöre aktarılmaktadır.

Geleneksel Jet Motorunun Eksiklikleri

Geleneksel jet motorunun en büyük dezavantajı, içerdiği hareketli parçaların sayısıdır. Listede çok kademeli kompresör ve türbin rotorlarının yanı sıra bujiler, soğutma sistemleri, son yakıcılar, yakıt kontrol ünitesi, ana taşıyıcı vb. gibi diğer mekanik bileşenler bulunmaktadır. Bu bileşenler genel motora çok fazla ağırlık katmaktadır ve buda tüm aracı ağırlaştırmaktadır. Mühendislik karmaşıklığı, arızalanabilen ve motor arızasına veya kapanmasına neden olabilecek elemanların sayısı da çok fazla parça ile önemli ölçüde artmaktadır. Kompresör, geleneksel bir jet motorunda gelen havayı ses altı hızlarına düşürmektedir. Böylece, çıkış jet hızı da ses altı seviyelerinin altında kaldığından sınırlı miktarda itme üretilebilmektedir.
Dahası, süpersonik hızlarda Dünya’da bir yerden diğerine seyahat etme hayali, düzenli bir jet motoruyla elde edilememektedir. Çoğu jet motoru yalnızca ses altı hızları, yani Mach 1’in altındaki hızları başarabilmektedir, ancak çok az sayıda Mach 3’ün etrafındaki hızlarda uçabilmektedir. Bu, ramjetler ve scramjet motorların devreye girdiği yerdir.

Ramjet ve Scramjet Motorlar Nelerdir?

Ramjet ve scramjet motorlar, normal kompresör motorundan döner kompresörü ve türbini boşaltan jet motoru varyantlarıdır. İki model itme kuvveti oluşturmak için havanın doğal çarpışmasına dayanmaktadır. Rametler ve scramjetlerde ki temel çalışma prensibi, gelen hipersonik (Mach 5’ten büyük hız) veya süpersonik havanın önemli kinetik enerjisinin basınç enerjisine dönüştürülmesini içermektedir. Hipersonik hızlarda akan hava çok yüksek dinamik basınca sahiptir. Dinamik basınca hız basıncı da denmektedir ve resmi olarak hacim birimi başına kinetik enerji olarak tanımlanmaktadır. Bernoulli denkleminde bir terim olarak bilinen P + ½ v 2+gh = sabit, burada ‘½ v 2 ‘ terimi dinamik basınçtır. Bununla birlikte, ses altı hızlarında akan havanın dinamik basıncı, herhangi bir kullanılabilir itme kuvveti oluşturmak için yetersizdir. Ayrıca, bir uçak dururken, çevresindeki havanın dinamik basıncı daha da düşüktür ve itme üretmek için kullanılamamaktadır. Bu nedenle, ramjetler ve scramjetler, düzlem belirli bir hıza ulaşana kadar ilk kalkışları için yardıma ihtiyaç duymaktadırlar. Her iki tip de sadece Mach 3’ten başlayarak çevreleyen hava süpersonik hızlardan daha az olmayan bir hızla aktığında verimli bir şekilde çalışmaktadır. Günümüzde, iki jet motorunun yapısı ile ilgili olarak, öndeki normal jet motorunun kompresörü bir difüzör ile değiştirilirken, motorun diğer ucu itici (yakınsak-ıraksak) bir meme ile doldurulmaktadır.
Difüzörler, bir sıvının hızını (bizim durumumuzda gelen hava) azaltmak, basıncını ve sıcaklığını arttırmak için kullanılan cihazlardır. Diğer yandan nozullar, bir sıvının (egzoz jet) basıncını düşürmek ve hızını arttırmak için kullanılmaktadır. Ramjet ve scramjet motorlarda kompresör bulunmadığından türbin ihtiyacı da ortadan kaldırılmaktadır. Hipersonik hızlarda hareket eden hava difüzörden geçmeye zorlandığında, dinamik basıncı statik basınca dönüştürülmektedir. Basınç ve sıcaklık artarken, hava akışının hızı azalmaktadır. Bu artan sıcaklık ve basınç, karışımın yanmasına yardımcı olmaktadır. Ayrıca çalışma prosedürünün geri kalanı normal bir jet motorundaki ile aynı kalmaktadır. Yanma odasının içinde hava yakıtla karıştırılır ve bujiler karışımı tutuşturmaya yardımcı olurken, itme memesi itme akışını hızlandırmak için egzoz akışını hızlandırmaktadır.

Ramjet ve Scramjet

Bir ramjet’te gelen hava, difüzör tarafından ses altı seviyelerinin altına düşmektedir. Akışı yavaşlatmak için eğik şok dalgalarını kullanır, ardından subsonik hızların altına getirmek için son bir normal şok dalgası kullanılmaktadır. Üretilen itme miktarı, jet motorlarına benzer şekilde, ramjetlerdeki egzoz jetinin hızına bağlı olduğundan, üretilen itme miktarı, yanma odasındaki ses altı hava akışı ile sınırlıdır. İtme üretimini arttırmak için, gelen hava ses altı hızlarının altına düşürülmemelidir; scramjet motorlar bunu yapmaktadır. Scramjet motorları ramjet motorlarına yükseltme yapmaktan başka bir şey değildir; aslında, scramjet süpersonik yanmalı ramjet motorları anlamına gelmektedir.
Scramjetler de, gelen hava akışı ses altı seviyelerine yavaşlamaz ve süpersonik hızları korumaktadır. Bu, daha kademeli olarak ayrılan bir difüzör ile gerçekleştirilmektedir. Scramjetlerde ki yanma odası da süpersonik hızlarda çalışmak üzere modifiye edilirken, ramjetlerdeki yanma odası sadece ses altı hızlarda çalışmaktadır. Ayrıca itici ağız egzoz jetini daha yüksek Mach sayılarına hızlandırmak için modifiye edilmektedir. Böylece, kapların yarattığı itme rametlerden daha fazladır. Bu nedenle, scramjetler ramjetlerden daha yüksek hızlarda uçabilmektedirler. Scramjetler yakıt taşır ve oksitleyici olarak yutulan atmosferik oksijeni kullanmaktadırlar, roketler ise hem yakıtı hem de oksitleyici maddeyi gemide taşımaktadırlar. Scramjetler oksitleyici bir ajan taşımadığından, atmosferik uçuşlarla sınırlıdırlar ve uzay yolculuğu için kullanılamamaktadırlar.
Sonuç olarak scramjet teknolojisinin kullanımı, ses hızının 10 katından daha yüksek hızlarda uçmaya izin verebilmektedir, ancak bu hala devam eden bir çalışmadır. Daha önce de belirtildiği gibi, sadece 4 ülke scramjet teknolojisini geliştirmede başarılı olmuştur. İlk scramjet motorla çalışan araç, 1991 yılının Kasım ayında uçuş yapmıştır ve Rusya tarafından geliştirilmiştir. Scramjet teknolojisinin ilk tanıtımından bu yana yaklaşık 27 yıl geçmiştir. Ana sorun, uçağın başlatılması için ek bir fırlatma aracına duyulan ihtiyaçtır, çünkü scramjetler sadece Mach 5 veya daha yüksek hızlarda yararlı itme üretmektedirler. Hava sürtünmesi ve şok dalgaları tarafından üretilen ısı miktarı başka bir endişe kaynağıdır. Zayıf bir itme ve ağırlık oranı ivmeyi sınırlar ve belirli bir yükü taşımak için düzlemin de oldukça büyük olması gerekmektedir. Her şeyden önemlisi, scramjet teknolojisinin üretimi ve testi son derece pahalıdır. Çoğu test, test aracının tamamen imha edilmesiyle sona ermektedir.

Kaynakça:
https://www.asminternational.org/news/-/journal_content/56/10192/27508773/VIDEO
https://www.britannica.com/technology/scramjet

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu

Yorum Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This div height required for enabling the sticky sidebar