Şeker itici yakıtı

Şeker itici yakıtı model roketler için yapılan ve yakıt olarak şeker ve oksitleyici içeren bir roket itici yakıtı çeşididir. İtici yakıt üç bileşene ayrılabilir: yakıt, oksitleyici ve katkı maddeleri. Yakıt şekerdir; en yaygın kullanılan şeker sakkarozdur. En yaygın oksitleyici ise potasyum nitrat (KNO3)dır. Katkı maddeleri ya katalizör olarak ya da havalanış veya uçuş estetiğini artırmak amacıyla birçok farklı madde olabilir. Geleneksel şeker itici yakıt formülasyonu genellikle 65:35 oksitleyici - yakıt oranında hazırlanır.
Şeker esaslı bir roket itici yakıtının hazırlanması için birçok farklı yöntem vardır. Kuru preslemede bileşenlerin ısıtılması gerekmez. Formülasyonu oluşturan bileşenler ayrı ayrı öğütülür, karıştırılır ve ardından bu karışım motor içine preslenir. Ancak, bu yöntem ciddi ve önemli denemeler için tavsiye edilmez. Kuru ısıtma da aslında KNO3 erimeyip şeker erir. Isı etkisiyle ergimiş şekerin içerisinde KNO3 çözünür. Isıtma ve ergitme aslında itici yakıt bileşenlerinin her ikisini de eriterek birleştirir.
İtici yakıtı eritmek için asla açık alev kullanılmamalıdır. Karışım direkt olarak asla ısıtılmaz. Ergitilecek olan karışım kendiliğinden tutuşmasına neden olan kızgın temas noktalarını ya da karamelizasyonu önlemek ve itici yakıtın bozunmaması için bir yağ banyosunda ısıtmalıdır. Yerleşik olarak ortaya çıkan sıcak noktalar tutuşacağı için şeker itici yakıtın bir mikrodalga fırında hazırlanması da tehlikelidir. Şeker itici yakıtı son derece yanıcı olduğundan dolayı, küçük miktarlarda hazırlanmalıdır. Açık havada ve dışarıda yapılacak olan bu ergitme işlemi esnasında yeterli kişisel koruyucu ekipman kullanılmalıdır.
Özgül itici kuvvet, toplam itici kuvvet ve itme kuvveti aynı miktardaki diğer kompozit model roket yakıtlarından genellikle daha düşüktür. Ancak şeker itici yakıtı diğer kompozit yakıtlara oranla çok daha ucuzdur.
Bileşenler
Şeker itici yakıt bileşenleri üç ana gruba ayrılabilir: yakıtlar, oksitleyiciler ve katkı maddeleri. Asıl yanan yakıttır. Hızla serbest kalan genleşmiş gazlar nozülden çıkarken itme kuvvetini oluştururlar. Oksitleyici yanma işlemi için gerekli olan oksijeni sağlar. Katkı maddeleri yanmayı hızlandırmak ya da yanmayı daha verimli hale getirmek için katalizör rolü oynayabilir. Bununla birlikte, bazı katkı maddeleri ise roketin kalkışının daha estetik olması için kıvılcım ve alev eklenmesi ya da roketin havada daha kolay izlenmesi için duman eklenmesi görevini üstlenirler.
Yakıtlar
Şeker itici yakıtı için yakıt olarak birçok farklı şeker kullanılabilirse de en yaygın kullanılan şeker sakkarozdur. Basit bir yapay tatlandırıcı olan Sorbitol ile daha yavaş yanma hızının yanında daha az kırılgan bir itici yakıt yapılır. Sorbitol kullanımı itici yakıt tanelerinin çatlama riskini azaltır. Früktoz ve glikoz gibi çift bağlı oksijene sahip şekerler fazla ısıtıldığında ısıl olarak daha az kararlı olup karamelize olmaya eğilimlidirler. Ama hazırlama kolaylığına uygun daha düşük bir erime noktasına sahiptirler. Sorbitol gibi sadece alkol grubuna sahip şekerler bu parçalanmaya çok daha az eğilimlidirler. Yaygın olarak kullanılan diğer bazı şekerler eritritol, ksilitol, laktitol, maltitol ya da mannitol şekerleridir.
Oksitleyiciler
Şeker motorlarının hazırlanmasında en sık kullanılan oksitleyici potasyum nitrat (KNO3) dır. Diğer oksitleyiciler olarak sodyum ve kalsiyum nitratlar kullanıldığı gibi sodyum ve potasyum nitrat karışımları da kullanılabilir. Nadir olarak kullanılan diğer bir oksitleyiciler ise amonyum ve potasyum perklorattır.
Oksitleyici olarak potasyum nitrat kullanan birinin iki ana konuya dikkat etmesi gereklidir. En önemli konu potasyum nitrat maddesinin saflığıdır. Satın alınan madde ile tatmin edici bir sonuç alınamıyorsa madde yeniden kristallendirilerek olabildiğince saf KNO3 elde edilmelidir. İtici yakıtın oksitleyici açısından dikkat edilmesi gerekli ikinci önemli konu potasyum nitrat maddesinin tanecik boyutudur. İtici yakıt yapan çoğu kişi 100 meç (yaklaşık 150 mikron) ya daha küçük bir tanecik boyutuna sahip KNO3 tercih ederler. Bu tanecik boyutuna sahip potasyum nitrat ise bir kahve değirmeni kullanılarak yapılabilir.
Katkı maddeleri
Katkı maddeleri çoğu kez roket itici yakıtlarının yanma özelliklerini değiştirmek için katılır. Katkı maddeleri itici yakıtın yanma hızını artırmak ya da azaltmak için kullanılabilir. Bazı katkı maddeleri alevin rengini değiştirmek ya da duman üretmek için kullanılır. Plastikleştiriciler ya da surfaktanlar gibi katkı maddeleri de formülasyonun kalıplaştırılmasını kolaylaştırdığından bazı itici yakıtların kendi fiziksel özelliğini değiştirmek için kullanılır. Deneysel katkı maddelerinin birçok türü vardır. En yaygın olarak kullanılanlar burada listelenmiştir.
Metal oksitlerin şeker itici yakıtların yanma hızını artırdığı tespit edilmiştir. Bu tür katkı maddelerinin yüzde 1-5 düzeylerinde en iyi iş gördükleri saptanmıştır. En sık kullanılan oksitler demir oksitlerdir. Sarı, kahverengi ya da siyah çeşitlerinden daha kolay elde edildiği için kırmızı demir oksit daha çok kullanılmaktadır. Kahverengi demir oksit basınç altında alışılmamış yanma hızı artış özellikleri gösterir.
Odun kömürü, karbon siyahı, grafit v. b. formda olabilen karbon, şeker formülasyonlarında bazen yakıt olarak kullanılır. Ancak çoğu kez karbon, görünür bir duman izi yapımı için kullanılır. Karbon, itici yakıtın yanması ile ortaya çıkan ısıyı motor zarfına çabucak iletmektense ısının bir kısmını tutarak bir anlamda ısı yutucu gibi rol oynar.
Bir şeker formülasyonunda alüminyum ya da magnezyum gibi metalik yakıtlar kullanıldığı takdirde oksitleyici de safsızlıktan dolayı çok az miktarda bazik potasyum karbonat ya da potasyum hidroksit bulunursa tehlikeli bir durum ortaya çıkar. Bazik özellikte olan bu maddeler metalle kolaylıkla hidrojen ve ısı oluşturan bir tepkime vererek tehlikeli bir bileşim ortaya çıkar. Zayıf asitler eklemek bu bazik maddeleri nötürleştirmeye yardımcı olur ve onların tehlikesini azaltmaya büyük ölçüde yardımcı olur. Zayıf asit olarak borik asit, tartarik asit veya sitrik asit kullanılabilir.
Çoğu kez şeker formülasyonlarına titanyum metal taneciği ya da süngeri (yaklaşık 20 meç boyutunda) kalkışta kıvılcımlı bir alev ve duman oluşturmak için %5-10 düzeylerinde katılır.
Surfaktanlar, şeker itici yakıtların erime akışkanlığını azaltmak için kulanılır. Örneğin, propilen glikol sakkaroz esaslı itici yakıtların erime akışkanlığını azaltmaya yardımcı olur.
Formülasyonlar
Standart bir şeker itici yakıt formülasyonu genellikle oksitleyici yakıt oranı 65:35 olacak şekilde hazırlanır. Ancak, bu formülasyonun yakıtı bir parça zengindir. Bu oran erimiş durumdaki formülasyonun daha çok sıvı halde olmasını sağlar. Katkı maddeleri toplam yakıtın %0-10 arasında olabilir. Model roketçilikte uçuş gerçekleştirmeye yarayacak birçok farklı formülasyon vardır.
Hazırlama
Şeker esaslı bir roket yakıtı hazırlamak için birkaç farklı yöntem vardır. Kuru preslemenin dışında, bu yöntemlerin hepsi yakıtın ısıtılmasını gerektirir. Bu değişik yöntemler şunlardır: kuru presleme, kuru ısıtma ve çözündürüp ısıtma.
Kuru presleme de, şeker ve potasyum nitrat ayrı ayrı mümkün olduğunca ince olarak öğütülür. Daha sonra öğütülmüş bileşenler homojen bir şekilde karıştırılır. Ardından, bu karışım motor borusunun içerisine preslenir. Ancak, bu yöntem ciddi denemeler için nadiren kullanılmakta olup bu yöntemi kullanmaya karar vermeden önce bazı hususlara dikkat etmek gerekir.
Şeker esaslı bir roket itici yakıtı hazırlamanın daha yaygın bir başka yöntemi kuru ısıtmadır. İlk önce, potasyum nitrat ince bir toz şeklinde öğütülür ve ardından pudra şekeri ile iyice karıştırılır. KNO3 erime noktası 334 santigrat derece olduğundan bu yöntem aslında potasyum nitratın erimesi değildir. Ancak şeker erir ve KNO3 tanecikleri erimiş şekerle kaplanır.
James Yawn adlı çok tanınmış bir deneysel amatör roketçi çözme ve ısıtma yöntemini diğer yöntemlerden daha kullanışlı bulmaktadır. İtici yakıtın çözülmesi ve ısıtılması aslında itici yakıtın her iki öğesinin çözündürülüp birleştirilmesidir. İlk önce, KNO3 ve şeker saplı tencere ya da derin bir tavaya konur. Ardından, KNO3 ve şeker tamamen eritebilmek için yeterince su eklenir. Karışım kaynama meydana gelip su buharlaşıncaya kadar ısıtılır. Karışım çeşitli aşamalardan geçer. Önce kaynar, ardından köpürür ve ağdalaşmaya başlar. Daha sonra karışım yumuşak bir krema kıvamına dönecektir. Isıtmadan önce şeker ve KNO3 ın suda eritilmesinin çeşitli avantajları vardır. Bir avantajı KNO3 ve şekerin ince toz halinde olma zorunluluğu olmamasıdır. Çünkü her ikisi de tamamen suda erimektedirler. Diğer yandan bu hazırlama yöntemi itici yakıtın karamelize oluncaya kadar tencerede daha uzun ömürlü olmasını sağlar. Bu yakıt hazırlayacak kişiye motor zarflarının içine yakıt doldurması için fazladan daha uzun süre avantajı sağlar.
Performans
Şeker esaslı roket itici yakıtlarının ortalama 115-130 saniye arasında bir Isp( özgül itici kuvvet) değeri vardır. Karşılaştırmak gerekirse bir APCP (Amonyum perklorat kompozit itici yakıtı) ortalama Isp değeri 150-180 saniyedir. 65:35 oranındaki standart bir sorbitol ve KNO3 esaslı itici yakıtlar 110 N maksimum bir itme yeteneğine, 110-125 saniye arasında bir Isp değerine sahip olup, ayrıca yaklaşık 40 N. ortalama itme kuvvetine sahip olabilirler. Bununla birlikte, ortalama itme kuvvetleri 100N a kadar, toplam itici kuvvetleri 735 Ns a kadar ve özgül itici kuvvetleri 128 saniyeye kadar olan katkı maddeli sorbitol ve KNO3 roket motorları kaydedilmiştir.
Ksilitol ve KNO3 esaslı roket itici yakıtları ~ 100 saniye özgül itici kuvvet yeteneğine sahip olup, 230Ns a kadar toplam itici kuvvete sahip olabilirler. Bu tür yakıtlar yaklaşık 1.3 mm/san. serbest bir yanma hızına sahiptirler
Dekstroz ve KNO3 esaslı yakıtlar ~80N ortalama itme kuvveti, 144 Ns bir toplam itici kuvvet ve 118 saniye bir Isp değerine sahiptirler.