Gök Taşları Atmosfere Girerken Neden Yanar?

atmospheric reentry, türkçe adıyla atmosfere yeniden giriş

herhangi bir cismin atmosfere sahip herhangi bir gök cismine girmesini betimleyen durumdur.

oldukça karmaşık olan bu olguyu kontrol edebilmek için geliştirilen mühendislik teknikleri de oldukça karmaşıktır ve aynı zamanda uzay mühendisliğinin oldukça popüler bir alanıdır. atmosferi olan bir gezegene giren cismi kütle çekimi nedeniyle hipersonik rejimde şok dalgası beklemektedir. bu olguyu bu derece zorlaştıran da tam olarak budur.

dünya yüzeyinden 6500 km uzaklıkta olduğunuzu düşünün, dünya'nın yarıçapının 6371 km olduğunu düşünecek olursanız dünya sizi yeryüzündeki 9.81 m/s^2'lik bir yerçekimi ivmesi yerine yaklaşık 2.4 m/s^2'lik bir yerçekimi ile kendine doğru çekmeye başlayacaktır.

fakat uzayda olduğunuzu dikkate alacak olursanız, etrafınızda hareketinizden kaynaklanan herhangi bir sürtünme kuvvetine maruz kalmanız mümkün olmadığından dolayı bu çekim kuvveti dünya'ya yaklaştıkça giderek artan bir kuvvetle sizi kendine doğru çekecektir. newton kuralları gereği hızınız da giderek artacaktır, hem de herhangi bir sürtünme kuvveti olmadığından dolayı hesaplaması oldukça basit f=ma formülüyle.

çıkılan maksimum irtifaya bağlı olarak bu hız o kadar yüksek olabilir ki mach sayısı dünya'ya yaklaştığınızda 36'ya kadar çıkabilir. nitekim ay'dan dönen apollo 11 aracında mach sayısı 36 olmuştur(sayfa 17).

bildiğiniz gibi mach sayısı, bir cismin hızının sesin o cismin bulunduğu ortamdaki hızına oranından ibaret olmakla beraber akış hakkında çok temel bilgiler verir. öncelikle şok nedir ona odaklanalım.

şok dalgası, bir ortamı sesten daha hızlı bir şekilde rahatsız eden, rahatsız eden bir değişiklik olduğunda görülen bir fenomendir

ortamı rahatsız etmekse, içinde bulunulan gaz dolu ortamda hareket etmekle mümkündür. yani bırakın atmosfere girişi, sokakta yürürken bile içinde bulunduğunuz hava dolu ortamdaki molekülleri rahatsız edersiniz. bu nedenle sahip olduğunuz hızı aktardığınız hava moleküllerin toplam sıcaklıkını ve toplam basınçını değiştirmiş olursunuz. bunu hareketinizin yarattığı basınç dalgaları sizin adınıza gerçekleştirir.

şöyle bir sorun var ki, bu basınç dalgaları moleküller arası titreşim frekansına bağlı bir şekilde yayılabilirler, biz bunu makroskopik düzeyde ses hızı olarak algılarız. yani sesten hızlı giden bir cismin yarattığı rahatsızlığı dengeleyecek edecek basınç dalgaları cisimden yavaş kalır ve bu biriken rahatsızlık bir anda bütün enerjisini akışkanın üzerine boca eder ve sonunda şok dalgası denilen kavram oluşur. şok dalgalarından sonra havanın statik sıcaklığında ve statik basıncında ani yükselişler oluşur.

yolcu uçakları bu yüzden sesten hızlı gitmezler ve tasarımları hep akışı az rahatsız edecek şekilde bombeli yani streamlined şekilde tasarlanır.sesten 2-3 kat hızlı gidebilen savaş uçaklarında ise amaç şok nedeniyle oluşacak kayıpların azaltılmasıdır. normal şok yerine, eğik şok dalgasına yol açacak şekilde keskin hatlara sahip bir şekilde tasarlanırlar. 

yolcu uçağının geometrisiyle bir f-16'yı karşılaştırırsanız bu fark oldukça belirgindir.

şimdi şok dalgasından sonra neden sıcaklık ve basıncın arttığını anlattığımıza göre gelelim

daha yüksek hızlarda nelerle karşılaşılacağına. savaş uçakları için ses hızını aşmak mesele değildir hatta uygun irtifada iki kattan fazla bile aşarlar. ama mach sayısı 5'i aştıktan sonra işler karışmaya başlar.

akış rejimi ses üstü dediğimiz süpersonik rejimden çıkıp aşırı ses üstü dediğimiz hipersonik rejime doğru kaymaya başlar. unutulmaması gerekir ki, mach 5 dediğimiz seviyede hız saniyede yaklaşık 2 kilometrenin biraz altındadır, yani baya bir yüksek bir hızdan söz ediyoruz.

ideal gaz denklemini, birçok kişi lisede görmüştür

o denklem yaklaşık 2000 kelvin üzerindeki sıcaklıklardan sonra işe yaramamaya başlayacaktır. hatta çok daha yüksek sıcaklıklarda tamamen devre dışı kalır. 18. sayfada ideal gaz denklemi ile gerçek durum arasındaki farkı net bir şekilde görebilirsiniz. apollo aracının ulaştığı 36 mach sayısında ideal gaz denklemine göre şok sonrası sıcaklık 55 bin kelvin olacakken, gerçek durumda yaklaşık 11 bin kelvin olmuştur.

çünkü gaz moleküllerini bir arada tutan kimyasal bağlar o kadar yüksek sıcaklıklara dayanamaz ve kırılarak gazın bütün kimyasal yapısını da değiştirirler. hatta sıcaklık daha da artmaya devam ederse, bu gaz molekülleri önce atomlarına sonra da elektronlarını da kaybederek iyonlaşmış gaz ve serbest elektronlardan müteşekkil plazma fazına geçerler.

bunları ekledikten sonra konumuza geri dönelim

uzay ortamında sürtünmesiz bir haldeyken kütle çekimi nedeniyle dünya'ya doğru çekiliyorsunuz fakat bir noktadan sonra dünya atmosferiyle karşılaşıyorsunuz, çıktığınız maksimum irtifaya bağlı olarak hızınız saniyede 11 ile 5 km arasında bir noktada. haliyle sizi atmosferde son derece hipersonik bir şok tabakası bekliyor. akışın daha kolay yayılması için eğik değil yay şoka ihtiyacınız var ama yine de sıcaklıklar o kadar yükseliyor ki ciddi termal koruma sistemlerine ihtiyaç duymak zorunda kalıyorsunuz.

aslında bu pek de şikayet edilecek bir durum değil, atmosferin bu özelliği nedeniyle onlarca göktaşı tehlikesinden belki de kurtuluyoruz, ama tabii atmosfere giriş içeren mühendislik uygulamaları için başlı başına bir sorun.