Karabarut roket motoru

Karabarut roket motoru bir model roketi, içerisindeki karabarutun çok hızlı bir biçimde yanması sayesinde fırlatır. Karabarut roket itici yakıtları odun kömürü, kükürt, potasyum nitrat ve bağlayıcı olarak kullanılan dekstrin den oluşur. Karabarutun yanma oranını değiştirmek için her bir bileşenin miktarında düzenlemeler yapılabilir.
İlk olarak, 13. yüzyılın başlarında Çinliler tarafından basit olarak yapılan karabarut roket motorları, yıllar boyunca geliştirilerek çeşitli alanlarda kullanılmıştır. Silah olarak kullanıldığı gibi eğlence aracı olarak da kullanılmışlardır.
Karabarut roket motorları patlama riskini ve verim kaybını azaltmak için sadece küçük boyutlarda üretilmektedir. Karabarut roket motorları 1/4 A ile E sınıfına kadar üretilmektedir. Daha büyük boyutlu model roket motorlarında, amonyum perklorat ya da amonyum nitrat içerikli kompozit yakıtlar kullanılmaktadır.
Tarihçe
Karabarut en eski kompozit itici yakıttır. Silahlarda kullanılmadan çok önce roketlerde kullanılmıştır.. Askeri silah olarak roketlerin ilk kullanımı 1232 yılında oldu. Çinlilerin ateş okları adı verilen bu ilkel roketler sapan şeklindeki bir çeşit fırlatma rampasından ateşlendi. Karabarut dolu kapalı bir borunun bir ucunda yanma sonucunda ortaya çıkan sıcak gazların çıkması için bir delik vardı. Ayrıca bu roketlerde denge unsuru ve güdüm sistemi görevini gören uzun bir sopa bulunuyordu.
Ancak, karabarutun çok düşük bir özgül itici kuvveti vardı. Kağıt üzerinde de olsa roket tasarımındaki gelişmeler ancak, sonraki birkaç yüzyıl sonra yapılmıştır. 1591 yılında Belçikalı Jean Beavie, önemli bir fikir olarak çok kademeli roketleri tanımlamış ve çizimlerini gerçekleştirmiştir. İki ya da daha fazla yakıt hücresinin üst üste yerleştirilmesi ve kadeneli olarak ateşlenmesi olan çok kademelendirme uygulaması roketin, yerçekiminden kurtulma sorununa pratik bir çözüm sağlıyordu.
1600 yıllarında, roketler Avrupanın çeşitli yerlerinde süvarilere karşı kullanılmaya başlandı. By 1688 yıllarına gelindiğinde, 54 kilogramı aşan ağırlıktaki roketler Almanyada yapılmış ve başarıyla ateşlenmiştir. 7 kilogramlık savaş başlığı taşıyan bu Alman roketlerinde motor zarflarının yapımında ketenle güçlendirilmiş ince odun talaşı kullanılıyordu.
Onsekizinci yüzyılın sonlarına doğru Londralı bir avukat olan Sir William Congreve, roketlerin geliştirilme zorluğuna kendini kaptırdı. William Congreve itici yakıtlar ve motor zarfı tasarımları ile birçok deneme yaptı. Roketlerin geliştirilmesinde karşılaşılan sorunlara sistematik bir şekilde yaklaşımı roketlerin menzil, güdüm (dengeleme) ve yangın kabiliyetlerini artırdı. Congreve'in yeni roketlerini kullanan İngiliz ordusu Napolyon Savaşları sırasında bu roketlerden epey faydalandı.
1939 yılında, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünde uçakların havalanmasına yardımcı olacak yüksek performanslı katı bir roket motoru geliştirmek isteyen araştırmacılar, ilk kompozit motoru üretmek için karabarutu adi yol asfaltı ile birleştirdiler. Bu çalışma gerçek kompozit motorun doğumu oluyor ve aynı zamanda esas roketçilik uygulamalarında karabarut kullanımının sona erdiğinin de işareti oluyordu.
Formülasyonlar
Karabarut model roket itici yakıtının yapılması eski usul barut yapımına çok benzemektedir. Temel farklılık formülasyonda bir bağlayıcının (genellikle dekstrin) oluşudur. Yaygın olarak kullanılan Estes model roket motorları karabarut itici yakıtı ile yapılır. Motorun iyi çalışması için karabarut itici yakıtı çok sıkı preslenmelidir. Karabarutla tasarlanan motorlar bu itici yakıtın yanma hızının hızlı olması nedeni ile çoğu kez dıştan yanmalıdır. Dekstrinsiz basit bir çeşidi (en yaygın kullanılan formülasyon) %75 potasyum nitrat, %10 kükürt ve %15 odun kömürü içermektedir. Dekstrin istenen miktarda (genellikle %0-5 arasında) eklenebilir. İlginç bir kıvılcım izi elde etmek için, odun kömürü (kaba taneli) ya da metal tozları ilave olarak (%5 - 10) eklenebilir. Ancak, bu ilaveler karışımın yanma hızını biraz değiştirebilir.
Performans
Bir karabarut motorunun itici kuvveti (itme kuvveti zaman eğrisi altında kalan alan) motorun sınıfını belirlemekte kullanılır. Motorlar, 0 - 40 Ns (Newton saniye) arasında bir itici kuvvet aralığını kapsayan 1/4A dan E ye kadar sınıflar halinde ayrılır. Model roket motorlarının diğer türleri 320 Ns kadar olan H sınıfına kadar ve bazı durumlarda daha da fazla olarak sınıflandırılabilir. Her sınıfın üst sınırı bir önceki sınıfın üst sınırının iki katıdır.
Aşağıdaki motor performans örneklerinde Estes roket motorlarından elde edilmiş değerler kullanılmıştır.
Mini karabarut roket motorları (13 mm çap) için, maksimum itme kuvveti 5 - 12 N, toplam itici kuvvet 0.5 - 2.2 Ns ve yanma süresi 0.25 - 1 saniye arasındadır. Normal boyutlu Estes roket motorları (18 mm çap) için, üç sınıf vardır: A, B ve C. 18 mm çaptaki A sınıfı motorların maksimum itme kuvveti 9.5 - 9.75 N, toplam itici kuvveti 2.1 - 2.3 Ns ve yanma süresi 0.5 - 0.75 saniye arasındadır. 18 mm. çaptaki B sınıfı motorların maksimum itme kuvveti 12.15 - 12.75 N, toplam itici kuvveti 4.2 - 4.35 Ns ve yanma süresi 0.85 - 1 saniye arasındadır. 18mm çaptaki C sınıfı motorların maksimum itme kuvveti 14 14.15 N, toplam itici kuvveti 8.8 - 9 Ns ve yanma süresi 1.85 - 2 saniye arasındadır.
Ayrıca, Estesin büyük (24 mm çap) roket motorlarında 3 sınıf bulunur: C, D ve E. 24 mm çaptaki C sınıfı motorların maksimum itme kuvveti 21.6 - 21.75 N, toplam itici kuvveti 8.8 - 9 Ns ve yanma süresi 0.8 - 0.85 saniye arasındadır. 24 mm çaptaki D sınıfı motorların maksimum itme kuvveti 29.7 - 29.8 N, toplam itici kuvveti 16.7 - 16.85 Ns ve yanma süresi 1.6 - 1.7 saniye arasındadır. 24 mm çaptaki E sınıfı motorların maksimum itme kuvveti 19.4 - 19.5 N, toplam itici kuvveti 28.45 - 28.6 Ns ve yanma süresi 3 - 3.1 saniye arasındadır.