Jet Motoru
Jet motoru, uçakların ve uzaya gönderilen roketlerin havada yüksek hızla hareket etmesini sağlar. Tepkili motor olarak da bilinen jet motorunun çalışma ilkesini tam olarak anlamak için önce cisimlerin gaz ya da sıvı gibi bir akışkan içinde nasıl yol aldığına ilişkin genel kuralları bilmek gerekir.
Herhangi bir cismin, bir gazın ya da sıvının içinde hareket edebilmesi için, içinde bulunduğu akışkanı gitmek istediği yönün tersine doğru itmesi gerekir. Örneğin suda yüzerken ya da sandalla giderken, suyu kol ve bacaklarımızla ya da kürekle geriye doğru iteriz; kuşlar, havada durabilmek ve ileri doğru uçabilmek için çevrelerindeki havayı kanatlarıyla aşağıya ve arkaya doğru iterler. Gemilerin ya da uçakların pervaneleri de motorun gücünü, suyu ya da havayı geriye doğru iten bir kuvvete dönüştürür. 17. yüzyılda bilim adamı Sir Isaac Newton temel bir fizik yasası keşfetti; buna göre doğadaki her etki, kendisine eşit büyüklükte ama ters yönde bir tepki doğurur. Demek ki, bir pervanenin suyu ya da havayı geriye doğru itme etkisi yani kuvveti, pervanenin üzerinde bu kez onu ileri doğru sürükleyen bir tepki kuvvetinin doğmasına yol açar. Pervane üzerindeki tepki, pervanenin bağlı olduğu gemiyi ya da uçağı hareket ettirir.
Tepki kuvvetinin büyüklüğü iki öğeye bağlıdır: Bunlar, arkaya doğru itilen akışkanın miktarı ile bu akışkana kazandırılan ivmedir. Pervaneler genellikle çok m iktarda hava ya da su üzerinde etki yapar ama bunları ancak düşük bir hızla geriye doğru iter. Daha az miktarda akışkanı daha yüksek bir hızla hareket ettirerek de aynı etki elde edilebilir. Çok güçlü püskürme sonucu oluşan şiddetli hava ya da su akımına jet, bu püskürme sonucu doğan tepki kuvvetinin geriye doğru itme etkisine jet itmesi ve bu ilkeye dayalı olarak çalışan motorlara da jet motoru denir.
Jet itmesine doğada da rastlanır. Kalamar ve mürekkepbalığı gibi yumuşakçalar içlerine çektikleri suyu geriye doğru hızla püskürterek yer değiştirirler. Jet itmesinden ilk yararlanan kişi, İS 1. yüzyılda yaşamış olan Yunanlı bilgin İskenderiyeli H eron’dur. Heron ilginç bir oyuncak yapmıştı; aeolipil denilen bu aygıt, bir buhar kazanı ile bu kazandan çıkan iki borunun ortasına yerleştirilmiş bir küreden oluşuyordu. Borulara serbestçe dönebilecek biçimde tutturulmuş olan küreden ayrıca iki küçük, daha dar ve kıvrık boru çıkıyordu. Kazanın içindeki su, alttaki ateşin ısısıyla kaynayarak buharlaşıyor, buhar boruların içinden akarak küreye geçiyor ve buradan da küçük borulardan dışarı püskürüyordu. Püskürme sonucu oluşan hava jeti de kürenin ters yönde dönmesini sağlıyordu. Günümüzde çimenleri sulamak için kullanılan döner fıskiyeler de aynı biçimde çalışır.
Jet itmesini yararlı biçimde kullanan ilk mucit ise ABD’li James Rumsey oldu. Rumsey, 1787’de yüksek basınçla su fışkırtan bir yangın söndürme hortumunun büyük bir kuvvetle geriye, hortumu tutan itfaiyeciye doğru itildiğine dikkat etmişti. Bu gözleminden yararlanan Rumsey, bir tekneye bir buhar makinesi ile bir pompa yerleştirdi; buhar makinesinin çalıştırdığı pompa teknenin altından su emiyor ve bunu gene suyun içinde geriye doğru püskürtüyordu. Rumsey teknesini Potomac Irmağı’nda başarıyla yüzdürdü. Rumsey’in bu buluşu çok uzun süre ilgi görmedi, ama günümüzde aynı bu ilkeye dayalı olarak çalışan pek çok deniz motoru vardır. Bu tür teknelerde suyu püskürten memeler sağa sola döndürülerek tekne istenilen yönde hareket ettirilebilir.
Jet İlkesinin Uçaklara Uygulanması
Uçaklarda jet itmesi ilkesinden 1940’larda yararlanılmaya başlandı. II. Dünya Savaşı sırasında, pistonlu motorla çalışan uçakların artık daha fazla geliştirilemeyeceği ortaya çıkmıştı. Gerçi o dönemde 2.000 kilowatt güç üretebilen pistonlu motorlar yapılabiliyordu, ama 3 ton ağırlığındaki bu motorlar son derece büyük ve karmaşıktı; uçakların giderek hantallaşmasına neden oluyordu. Artık daha küçük ve daha hafif, ama daha etkili ve daha büyük güç üreten motorlara gereksinim vardı.
Bu gereksinmeyi karşılamak için gaz türbinleri yapılmaya başlandı. 1930’ların başından beri İngiltere ve Almanya’da uçak tasarımcıları bu tür m otorlar üzerinde çalışmaktaydılar. İngiliz mucit Frank Whittle 1930’da bir gaz türbini geliştirmiş ve patentini almıştı; bu tür bir motor takılmış ilk uçak 1941’de yapıldı. W hittle’den kısa bir süre sonra çalışmaya başlayan Alman tasarımcı Hans von Ohain ise, gerekli mali desteği daha kısa sürede buldu ve ilk uçağını Ağustos 1930’da uçurdu.
Jet Motorunun Çalışma İlkesi
Whittle ile Ohain’in motorları aynı ilkeye göre çalışıyordu. Kısaca türbo jet denilen türbinli jet motorları, aynı döner mil üzerine oturtulmuş bir kompresör ile bunun arkasındaki bir türbin çarkından oluşur. Şaft ya da rotor denilen bu mil dönerken kompresör motorun ön tarafından içeri hava çeker ve bu havayı iyice sıkıştırır. Sıkışmış hava daha sonra yanma odasına gönderilir ve buraya püskürtülen gazyağına benzer bir sıvı yakıt olan jet yakıtıyla karıştırılarak sürekli olarak yakılır. Yanma sırasında kızgın gazlar oluşur. Bu gazların yanma odasının arkasından hızla kaçmasına olanak tanınır. Gazlar dışarı püskürürken bu arada türbinin kanatlarına çarparak çarkın ve onun bağlı olduğu milin dönmesini sağlar. Mil döndükçe, öndeki kompresörü çalıştırır. Böylece, sıcak gazların itme kuvvetinin bir bölümünden türbin çarklarının döndürülmesi ve kompresörün çalıştırılmasında yararlanılır; ama gazların asıl büyük kütlesi motorun arkasından dışarı hızla püskürür. İşte bu hızlı geri püskürmenin yol açtığı tepki kuvveti uçağı ileri doğru iter.
Jet motoru büyük yükseltilerde oldukça verimli biçimde çalışır; aslında bu motorların verimi, hava soğudukça artar. Jet motorlarıyla ses hızının iki ya da üç katma ulaşılır. Uygun bir tasarımla havanın motora girişi yavaşlatılabilir ve böylece uçağın hızı ne olursa olsun havanın kompresöre ses hızından daha düşük bir hızla ulaşması sağlanır. Daha sonra yanma odasında ısınan havanın püskürme hızı tekrar artar, çünkü sıcak gazlar daha hızlı hareket eder. Jet motoru aslında basit bir makinedir; ama 1.300°C’ye kadar çıkan sıcaklıklarda çalıştığından, bu sıcaklığa dayanabilen, ısıya karşı dirençli özel metallerden yapılmalıdır. Pistonlu motorlarda pistonların hareket yönü sürekli olarak değişir; buna karşılık jet motorlarında sürekli olarak aynı yönde dönen büyük, tek bir hareketli parça vardır. Bu nedenle jet motorlarında aşınma ve yıpranma daha azdır; daha az enerji kaybı ve çok daha az titreşim olur.
Başlangıçta jet motorları askeri uçaklarda özellikle de yüksek hızın çok önemli olduğu bombardıman, avcı ve keşif uçaklarında kullanıldı. Ama, birkaç yıl içinde üstünlüklerinin anlaşılmasıyla yolcu uçaklarında da kullanılmaya başlandı. Jet motorlarıyla yolcu uçakları çok yükseklerde uçabilir ve burada hava daha ince ve seyrek olduğundan hava direnci de daha azdır, bu nedenle uçaklar yüksekte daha az yakıt harcayarak, daha hızlı yol alabilir. Yolcular sarsıntısız, sessiz bir yolculuk kadar yolculuk süresinin kısa olmasına da önem verirler.
Düşük hızlarda ve alçak uçuşlarda türbojet, kendi gücündeki bir pistonlu motora göre daha fazla yakıt yakar; bu nedenle bu motorlar hafif uçaklarda genellikle kullanılmaz. Orta hızlardaki uçaklar için, basit gaz türbiniyle geleneksel pervane sistemini birleştiren bir yöntem bulunmuştur. Pervaneli türbin motoru ya da kısaca türboprop denilen bu motorda, türbin mili öne doğru uzayarak uçağın pervanesini döndürür. Bu sistemde türbin, egzoz gazlarının hemen hemen tüm enerjisini pervaneye aktarır. Böylece yakıt tüketimi ve gürültü azalır.
Türboj etler de büyük ölçüde geliştirilmiştir. İngilizler’in ve Almanlar’ın yaptığı ilk jet uçaklarında merkezkaç kompresörler kullanılmıştı. Bu tür kompresörlerde havayı içeri doğru tek bir büyük kompresör çarkı emiyordu. Daha sonraları bunların yerini eksenel kompresörler aldı; bu kompresörlerde hava bazıları sabit, bazıları hareketli bir dizi küçük kanatçık tarafından emilerek içeri beslenir. Bu eksenel kompresörler jet motorunun verimini büyük ölçüde artırdı. Çift şaftlı jet motorlarında ise, iç içe geçmiş iki mil vardır; her iki mil de kompresöre ve türbine bağlıdır. Bu motorlarda içeri çekilen havanın bir bölümü yanma odasına sokulmadan ve türbin çarklarına çarptırılmadan doğrudan doğruya çıkış ağzına geçirilir ve burada egzoz gazlarıyla birlikte hızla dışarı püskürtülür.
Türbojet ve türboprop ilkelerinin birlikte uygulandığı jet motorlarına ise türbofan denir. Türbofanlarda öndeki kompresörün sıkıştırdığı havanın bir bölümü yanma odasından ve türbinden geçirilmeden, özel bir kanaldan doğrudan doğruya çıkış ağzına gönderilir. Daha sessiz çalışan jet motorları yapmak için çalışmalar sürmektedir; böylece jet yolcu uçakları çevrede yaşayanları rahatsız etmeden büyük kentlerin yakınındaki havaalanlarına inip kalkabilecektir. En son geliştirilen türbofanlarda gürültü sorunu hemen hemen tümüyle ortadan kaldırılmıştır.
Jet motorunun oluşturduğu tepki kuvvetinin yönü, motorun arkasından dışarı çıkan gazların püskürme yönünün tam tersi yönünde olduğundan, gazların çıkış yönü değiştirilerek tepkinin yönü de değiştirilebilir. Buna yönelik olarak önceleri, motorun içine ya da arkasına “tepki tersindiricisi” denilen özel siperlikler yapıldı; bu siperlikler kapandığında gazların püskürme yönü tam tersine dönüyor ve böylece bu kez uçağın önüne doğru püsküren gazlar, arkaya doğru bir tepki kuvveti yaratıyordu. Bu sistemden iniş sırasında uçağı yavaşlatmak için yararlanılıyordu. Daha sonraları motorlara gaz püskürtülmesinin yönünü istenilen biçimde ayarlayan özel “tepki yönlendiricileri” eklendi ve böylece ortaya, kısaca VTOL denilen düşey kalkış ve inişli uçaklar çıktı. Bu uçakların motorlarında bulunan hareketli memelerin yardımıyla egzoz gazlarının çıkış yönü kolayca denetlenebilir. Normal uçuş sırasında memeler arkaya doğru gaz püskürtür; uçağı yükseltmek ya da aynı yükseklikte tutmak için memeler aşağıya çevrilir ve böylece yukarı doğru bir tepki kuvveti oluşturulur. VTOL’ların başka bir türünde, kaldırma jetleri denilen ayrı motorlar vardır; egzoz gazını yalnızca aşağı doğru püskürten bu motorlar, uçağın havada belirli bir yükseklikte kalması istendiği zaman çalıştırılır.
En yaygın kullanılan jet m otoru gaz türbinidir; ama uçaklarda tepki kuvvetinden yararlanmak için başka yöntemler de uygulanır. Örneğin “ani itmeli motor” anlamına gelen palslı jet motorları'nda, kompresör ve türbin yoktur; bunların ön tarafında yaylı pencereler vardır ve bu pencerelerin açılıp kapanmasıyla içeri hava çekilir. Hava daha sonra yanma odasına gönderilir ve burada yakıt ile birlikte birbirini izleyen çok hızlı patlamalarla yakılır. Yanma sırasında yükselen gaz basıncının etkisiyle hava girişindeki pencereler kapanır ve egzoz gazları arkadaki jet borusundan hızla dışarı çıkar. Yanma tamamlandığı zaman basınç düşer, hava giriş pencereleri açılır, motora yeni hava çekilir ve aynı süreç yinelenir.
Jet motorlarının daha da basit bir biçimi olan ramjet, hareketli hiçbir parçası olmayan bir motordur ve bu haliyle kompresörsüz ya da türbinsiz bir türbojete benzer. Bu motorlarda hava, motorun içine uçağın kendi hızıyla girer ve aynı etkiyle yanma odasında sıkışır. Burada yanan gazlar hızla genleşir ve bu genleşmenin etkisiyle çıkış ağzından dışarı püskürür. Görüldüğü gibi ramj etler ancak uçak hızla uçarken çalışır, bu nedenle bu tür bir motorla donatılmış bir aracın başka bir yolla fırlatılması ve yüksek hıza ulaşması gerekir. Bu yüzden ramj etlerden yalnızca füzelerde ve benzeri uygulamalarda yararlanılır.
Roketlerde Jet İtmesi
Jet motoruyla sağlanan tepkinin her zaman egzoz gazının çevredeki havayı itmesinden kaynaklandığını düşünmek yanlış olur. Başka bir deyişle jet itmesi için mutlaka havanın bulunması gerekmez; hatta boşlukta jet itmesi çok daha etkilidir; ama Dünya atmosferinin dışında gaz türbini kullanılamaz, çünkü türbinde yakıtın yanabilmesi için havadaki oksijene gereksinim vardır. Bu nedenle atmosfer dışında jet itmesi ilkesine dayalı olarak çalışan roketlerde, yakıtın yanması için gerekli oksijen ya sıvılaştırılmış olarak roketin içinde taşınır ya da oksijen içeren bir katı yakıt kullanılır. Yakıt ve oksijen karışımının yanma odasında yanmasıyla ortaya çıkan gazlar büyük bir hızla çıkış borusundan dışarı püskürür. Roketlerde küçük bir motorla çok yüksek bir tepki kuvveti elde edilebilir, ama bunların çalışma süresi sınırlıdır, çünkü taşıdıkları oksijen bitince dururlar. Uçaklarda bir anda hızı ya da tırmanma yüksekliğini artırmak amacıyla, ek roket motorlarından yararlanılabilir. Uzay araştırmalarında da roket en önemli araçtır. Katı yakıtlı roketlerde hiçbir hareketli parça yoktur; son derece hafif ve basit olduklarından bu roketler füzelerde kullanılır. Tepki kuvvetinin artırılıp azaltılması gereken ya da duyarlı denetim gerektiren uygulamalarda ise sıvı yakıtlı roketlerden yararlanılır.
Uçakların ya da uzay araçlarının rotasının denetlenmesinde de tepki ilkesinden yararlanılır. Düşey iniş ve kalkışlı bir uçak havada asılı dururken, uçağın yüzeyleri üzerinde hava akımı olmadığından bu yüzeyler üzerinde havanın kaldırma kuvveti de bulunmaz. Bu durumda uçağın havada kalabilmesi için kanat uçlarında, burunda ve kuyrukta bulunan küçük jet memelerine kompresörle hava basılır. Pilot bu memelerden birini ya da bir başkasını açıp kapayarak dışarı hava püskürtür ve böylece uçağı istediği konuma getirebilir. Benzer biçimde, bir uzay aracının yörüngesini değiştirmek ya da uzay aracına belirli bir manevra yaptırmak istendiği zaman, aracın belirli noktalarında bulunan çok koüçük, denetlenebilir gaz jetleri ateşlenerek istenilen tepki kuvveti elde edilir. Uzayda en küçük kuvvet bile uzay aracını döndürmeye başlar; bu nedenle araca istenilen konum verildikten sonra aracın dönmesini durdurmak için, başlangıçta uygulanan kuvvete eşit ama ters yönlü bir kuvvet uygulanır.
