Bu çalışma, Dünya ile Ay arasındaki düzenli lojistik taşımacılık için nükleer termal itki (nuclear thermal propulsion, NTP) kullanan tek kademeli bir uzay aracı mimarisini analitik olarak inceliyor. Araştırmacılar 9000 kg başlangıç kütlesine, 900 saniye NTP özgül itkiye, sıvı hidrojen yakıta ve yakınlaşma/kenetlenme manevraları için 220 saniye özgül itkiye sahip hidrazin reaksiyon kontrol sistemine dayanan iki görev senaryosu hesaplamıştır. Senaryo A'da 700 km alçak Dünya yörüngesinden EML1'e tek NTP manevrası, Senaryo B'de ise LEO→EML1 ve ardından EML1→EML2 olmak üzere iki NTP manevrası uygulanmaktadır. Tsiolkovsky roket denkleminin ardışık kullanımı sonucunda toplam itici madde kütlesi Senaryo A için 2929,2 kg, Senaryo B için 3043,6 kg olarak hesaplanmıştır. Görev sonunda kalan toplam kütle sırasıyla 6070,8 kg ve 5956,4 kg'dır. Ancak bu değerler net kargo kapasitesi değildir; uzay aracının kuru yapısı da bu kütlelerin içindedir.

Analizin temel avantajı NTP'nin yüksek özgül itkisini göstermesidir. Çalışmada kullanılan 900 s özgül itki, 8826 m/s etkin egzoz hızına karşılık gelmektedir. Bu performans altında Senaryo A'da başlangıç kütlesinin %32,5'i, Senaryo B'de %33,8'i itici madde olarak tüketilirken görev sonunda başlangıç kütlesinin sırasıyla %67,5'i ve %66,2'si araç üzerinde kalmaktadır. Bununla birlikte çalışma, bu sonuçların gerçek bir uçuş veya motor deneyi değil, kavramsal düzeyde bir kütle bütçesi hesabı olduğunu açıkça sınırlar.

Araştırmanın özellikle dikkat çekici sonucu, ikinci EML1→EML2 NTP manevrasının toplam görev kütle bütçesine görece küçük bir ek yük getirmesidir. Senaryo A'dan Senaryo B'ye geçildiğinde toplam itici madde tüketimi 2929,2 kg'dan 3043,6 kg'a, yani yalnız 114,4 kg artmaktadır. Bu sonuç, yüksek özgül itkinin ardışık yüksek-ΔV görevlerde sağlayabileceği kütle avantajını göstermektedir; ancak kuru kütle, reaktör kütlesi, sıvı hidrojen kaybı ve gerçek yörünge dinamikleri hesaba katıldığında operasyonel faydalı yük daha düşük olacaktır.

Türkiye açısından anlamı: Çalışma Türkiye'ye özgü bir uzay programı veya görev tasarımı değildir ve burada hesaplanan NTP motoru, nükleer güvenlik düzeni veya görev kütleleri Türkiye'deki herhangi bir mevcut sistem için doğrudan uygulanabilir parametreler olarak yorumlanamaz. Buna karşılık yöntem; uzay görevlerinde itki türü, özgül itki, ΔV bütçesi, kuru kütle ve faydalı yük arasındaki ilişkinin sistem mühendisliği düzeyinde nasıl birlikte değerlendirilmesi gerektiğini gösteren yararlı bir örnek sunmaktadır. Türkiye bağlamında uygulanması, ilgili fırlatma kapasitesi, nükleer güvenlik ve mevzuat koşulları, yörünge altyapısı ve gerçek görev gereksinimleri için bağımsız doğrulama gerektirir.

Araştırmanın temel sorusu nedir?

Araştırmanın temel sorusu, düzenli Dünya–Ay lojistik görevlerinde yüksek ΔV gereksiniminin daha düşük itici madde oranıyla karşılanıp karşılanamayacağıdır. Kimyasal roket sistemlerinde özgül itki sınırlaması, yüksek ΔV gerektiren görevlerde başlangıç kütlesinin büyük bölümünün yakıta ayrılmasına neden olur. Nükleer termal itki yaklaşımında ise fisyon reaktöründe ısıtılan sıvı hidrojen yüksek hızla nozuldan dışarı atılarak kimyasal sistemlerden daha yüksek özgül itki elde edilmesi hedeflenmektedir.

Çalışma bu avantajı doğrudan bir kimyasal motorla tam sistem karşılaştırması yaparak değil, iki NTP görev senaryosunun kendi içindeki kütle bütçesini hesaplayarak inceler. Araştırmacılar 9000 kg'lık bir referans araç kullanmıştır. Bu değer, NTP'nin zorunlu olduğu bir görev sınıfı olarak değil, daha büyük lojistik sistemlere ölçeklenebilecek bir analitik başlangıç noktası olarak tanımlanmıştır.

Nükleer termal itki nasıl çalışıyor?

Önerilen NTP sisteminde sıvı hidrojen kimyasal olarak yakılmaz. Hidrojen, katı çekirdekli fisyon reaktöründen geçirilerek yaklaşık 2800 K sıcaklığa kadar ısıtılır ve ardından yakınsak–ıraksak bir nozuldan dışarı atılır. Çalışmada bu sistem için özgül itki:

\[ I_{sp}=900\ \text{s} \]

olarak kabul edilmiştir. Etkin egzoz hızı:

\[ V_e=g_0 I_{sp} \]

ilişkisiyle hesaplanır. \(g_0=9{,}80665\ \text{m/s}^2\) kullanıldığında:

\[ V_e=8826\ \text{m/s} \]

elde edilmektedir.

Kaynağın Şekil 2'sindeki süreç, kriyojenik sıvı hidrojen tankından başlayan akışı gösterir. Yakıt önce turbopompa aktarılmakta, daha sonra radyasyon kalkanının arkasındaki fisyon reaktör çekirdeğinden geçerek ısıtılmakta ve itme üretmek üzere nozuldan dışarı atılmaktadır. Araştırmacıların varsaydığı motor sınıfının yaklaşık itki değeri 111 kN'dir.

Uzay aracının mimarisi nasıl kurulmuş?

Uzay aracı tek gövdeli ve tek kademeli bir lojistik aracı olarak tasarlanmıştır. Kaynağın Şekil 1'inde araç önden arkaya doğru dört temel bölümden oluşmaktadır:

• faydalı yük modülü,
• uzay aracı servis/bus bölümü ve RCS iticileri,
• kriyojenik sıvı hidrojen tankı,
• NTP motoru ve reaktör sistemi.

Reaktör ile tank arasındaki radyasyon kalkanının amacı reaktörden ileri yöndeki aviyonik, araç bus'ı ve yük bölgesine doğrudan radyasyon akısını azaltmaktır. Motor aracın arkasında konumlandırılmış ve itki vektörünün araç kütle merkezinden geçmesi hedeflenmiştir.

Yakınlaşma, yönelim kontrolü, yörünge düzeltmeleri ve kenetlenme için ana NTP motorundan bağımsız bir reaksiyon kontrol sistemi kullanılmaktadır. Bu sistem hidrazin (N₂H₄) monopropellant kullanır. Her bir RCS iticisi için 500 N itki ve sistem için 220 s özgül itki varsayılmıştır.

Neden 700 km alçak Dünya yörüngesi?

Çalışmanın NTP aracı 700 km dairesel LEO'dan başlatılmaktadır. Bu seçim nükleer güvenlik varsayımına dayanmaktadır. Reaktör fırlatma sırasında soğuk ve subkritik kabul edilse de, çalışmada nükleer motor etkinleştirildikten sonra meydana gelebilecek erken görev arızasında atmosferik yeniden giriş riskinin azaltılması için daha yüksek başlangıç yörüngesi kullanılmıştır.

Araştırmacılar aynı nedenle gelecekte yapılacak NTP–kimyasal sistem karşılaştırmasının yalnız aynı başlangıç kütlesiyle yapılmasının yeterli olmayacağını vurgulamaktadır. Kimyasal sistem için 185 km başlangıç yörüngesi kabul edilirken NTP için 700 km şartı, aynı fırlatma aracı kullanıldığında yörüngeye taşınabilecek başlangıç kütlesini de değiştirebilir.

İki görev senaryosu nasıl tanımlandı?

Senaryo A, 700 km LEO'dan EML1'e tek NTP manevrası ve ardından hidrazin RCS ile yakınlaşma ve kenetlenmeden oluşmaktadır.

Senaryo B, önce LEO→EML1 NTP manevrasını, ardından EML1→EML2 için ikinci NTP manevrasını ve son olarak RCS kontrollü yakınlaşma/kenetlenmeyi içerir.

Verianla Live: Süreç görünümü bu makaledeki görünür veri tablosundan tarayıcıda oluşturulur. Tablo bilimsel kaynak-of-truth olarak korunur.

ΔV bütçesi nasıl hesaplandı?

LEO→EML1 için kaynak alınan deterministik değer 3164 m/s'dir. Çalışmanın %5 görev marjıyla:

\[ \Delta V_{A,NTP}=3164\times1{,}05=3322{,}2\ \text{m/s} \]

hesaplanmıştır.

Senaryo B'deki ikinci EML1→EML2 manevrasının deterministik değeri 160 m/s'dir:

\[ \Delta V_{B,2}=160\times1{,}05=168\ \text{m/s} \]

Bu hesaplamaların tamamında motor ateşlemeleri ani hız değişimi oluşturan impulsif manevralar olarak modellenmiştir. Sonlu yanma süresi, yerçekimi kayıpları ve yönlendirme kayıpları dahil edilmemiştir.

Tsiolkovsky denklemi kütleyi nasıl belirliyor?

Her manevradan sonra kalan araç kütlesi:

\[ m_{\mathrm{after},i} = m_{\mathrm{before},i} e^{-\frac{\Delta V_i}{g_0 I_{sp}}} \]

ile hesaplanmaktadır.

Belirli bir manevrada tüketilen itici madde kütlesi:

\[ m_{p,i} = m_{\mathrm{before},i} - m_{\mathrm{after},i} \]

veya eşdeğer olarak:

\[ m_{p,i} = m_{\mathrm{before},i} \left( 1-e^{-\frac{\Delta V_i}{g_0 I_{sp}}} \right) \]

şeklindedir.

Senaryo B'de kritik nokta, ikinci manevranın 9000 kg başlangıç kütlesi üzerinden yeniden hesaplanmamasıdır. İlk NTP manevrasında yakıt tüketildikten sonra kalan kütle, ikinci manevranın başlangıç kütlesi yapılmaktadır. Böylece çoklu manevra mimarisinin kütle etkisi ardışık olarak modellenmiştir.

Senaryo A'nın kütle bütçesi

Senaryo B'nin kütle bütçesi

“Teslim edilen kütle” neden faydalı yük değildir?

Çalışmanın en önemli yorum sınırlarından biri budur. 6070,8 kg ve 5956,4 kg değerleri yalnız taşınan kargoyu ifade etmez. Bu değerler görev tamamlandığında araç üzerinde kalan toplam kütledir ve reaktör, tank, yapı, aviyonik, RCS ve diğer kuru sistemler de bu miktarın içindedir.

Kaynakta verilen kavramsal alt sistem tahsislerinde NTP reaktör grubunun kütlesi tek başına en az 4550 kg olarak alınmıştır. LH₂ tank yapısı ve izolasyonu 720–1080 kg, araç bus'ı ve aviyonikler 360–540 kg, RCS ise 90–180 kg aralığında tahmin edilmiştir.

Bu nedenle araştırmacılar 9000 kg referans ölçeğinde Senaryo A'nın gerçek net teslim edilebilir faydalı yükünün yaklaşık 0–350 kg düzeyinde olabileceğini belirtmektedir. Bu sonuç, NTP'nin yüksek özgül itkisinin tek başına yüksek net faydalı yük garantisi vermediğini; reaktör ve kriyojenik sistemlerin yüksek kuru kütlesinin de aynı sistem hesabında değerlendirilmesi gerektiğini açıkça göstermektedir.

İki senaryo arasındaki temel fark

Verianla Live: Grafik bu görünür bilimsel veri tablosundan tarayıcıda oluşturulur. Veriler kaynak çalışmanın Tablo 5 sonuçlarıdır.

İkinci NTP manevrası toplam itici madde fraksiyonunu yalnız %32,5'ten %33,8'e yükseltmektedir. Bunun temel nedeni EML1→EML2 için kabul edilen 168 m/s marjlı ΔV'nin ilk 3322,2 m/s transfer manevrasına göre çok küçük olması ve ikinci manevranın ilk yakıt tüketiminden sonra daha düşük araç kütlesiyle gerçekleştirilmesidir.

NTP'nin gerçek avantajı nerede ortaya çıkıyor?

Çalışma, 9000 kg tek yönlü bir görevde yüksek performanslı kimyasal üst kademenin de EML1'e ulaşabileceğini açık biçimde kabul etmektedir. Dolayısıyla araştırmacılar bu tek görevi “yalnız NTP ile yapılabilir” bir görev olarak sunmamaktadır.

Öne sürülen NTP avantajı, görev kütlesi ve manevra sayısı büyüdükçe 900 s düzeyindeki yüksek özgül itkinin ardışık manevralarda yakıt gereksinimini daha yavaş büyütmesi üzerine kuruludur. Yazarların mimari tezi; daha ağır, tekrarlanan ve çok manevralı cislunar lojistik kampanyalarında NTP'nin yakıt ikmali altyapısına bağımlılığı azaltabileceğidir.

Sıvı hidrojen kaybı neden önemli bir belirsizlik?

LH₂ kriyojenik bir yakıttır ve Senaryo B'de ilk ile ikinci manevra arasındaki bekleme süresinde depolanması gerekir. Çalışma bu süreçteki boil-off, yani sıvı hidrojenin ısıl yük nedeniyle buharlaşarak kaybedilmesini hesaplamamıştır.

Araştırmacılar pasif çok katmanlı izolasyonun uzun bekleme sürelerinde tek başına yeterli olmayabileceğini ve aktif sıfır-boil-off kriyojenik soğutma sistemlerinin gerekebileceğini belirtmektedir. Bu sistemlerin kütlesi ve elektrik gereksinimi de mevcut kütle bütçesine dahil değildir.

Dolayısıyla 6070,8 kg ve 5956,4 kg toplam kalan kütle değerleri gerçek operasyonel araç için iyimser bir üst sınır niteliğindedir.

Çalışma neyi söylüyor, neyi söylemiyor?

Çalışmanın desteklediği sonuç: Belirlenen 9000 kg başlangıç kütlesi, 900 s NTP özgül itki, literatür tabanlı ΔV değerleri ve impulsif manevra varsayımı altında NTP tabanlı iki cislunar görev senaryosunun toplam itici madde ihtiyacı başlangıç kütlesinin yaklaşık üçte biri düzeyinde hesaplanmaktadır. İkinci EML1→EML2 manevrası, model içinde toplam yakıt ihtiyacına sınırlı ek yük getirmektedir.

Çalışmanın desteklemediği sonuç: Bu analiz NTP'nin kimyasal sistemlerden kesin olarak daha ucuz olduğunu kanıtlamaz; net taşınabilir yükün 6 ton olduğunu göstermez; NTP motorunun 900 s özgül itkiyle operasyonel olarak hazır olduğunu doğrulamaz; kriyojenik hidrojen depolamasını çözmez; gerçek yörünge fazlamasını ve sonlu yanma kayıplarını modellemez; nükleer güvenlik ve mürettebat radyasyon sorunlarını ayrıntılı olarak çözmez.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Temel hesaplama girdileri

Kütle performans göstergeleri

Toplam itici madde fraksiyonu:

\[ f_p= \frac{m_{p,total}}{m_0} \]

olarak tanımlanmaktadır.

Toplam görev sonu kalan kütle fraksiyonu:

\[ f_{pl}= \frac{m_{tdm}}{m_0} \]

şeklindedir.

RCS marjındaki kaynak içi tutarsızlık

Makale metodolojisinde deterministik ΔV değerlerinin tamamına %5 marj uygulanacağı belirtilmektedir. LEO→EML1 ve EML1→EML2 değerlerinde bu uygulama açık biçimde görülür. Buna karşılık RCS için yayımlanan 106,0 kg ve 104,0 kg itici madde sonuçları, 37,36 m/s değerinin %5 artırılmış hâlinden ziyade doğrudan 37,36 m/s üzerinden yapılan Tsiolkovsky hesabıyla uyumludur.

Bu nedenle Verianla metni yayımlanmış kütle tablolarındaki değerleri değiştirmemekte, fakat %5 marj ifadesinin RCS hesabıyla tam olarak uyuşmadığını açıkça belirtmektedir.

Modelin temel varsayımları

• NTP ateşlemeleri impulsif manevra olarak modellenmiştir.
• Yerçekimi kayıpları dahil edilmemiştir.
• Yönlendirme kayıpları dahil edilmemiştir.
• Atmosferik sürükleme dahil edilmemiştir.
• Manevralar arasında LH₂ boil-off kaybı yok kabul edilmiştir.
• Yakıt sızıntısı ve kullanılamayan artık yakıt modellenmemiştir.
• Başlangıç kütlesi iki senaryoda da sabit 9000 kg'dır.
• Net faydalı yük ayrıntılı kuru kütle bütçesinden ayrıştırılmamıştır.
• 900 s NTP özgül itki kavramsal tasarım varsayımıdır.
• NTP motorunun termal, yapısal ve ayrıntılı nükleer güvenlik analizi yapılmamıştır.
• Görev tek yönlü lojistik görev olarak tanımlanmış, dönüş manevrası modellenmemiştir.

Bilimsel sonucun gerçek kapsamı

Bu çalışma, NTP'nin cislunar lojistikte teorik kütle avantajının büyüklüğünü tanımlayan bir ilk seviye görev mimarisi hesabıdır. Çalışmanın güçlü tarafı, yakıt tüketimini manevra bazında ve ardışık araç kütlesi üzerinden açık biçimde hesaplamasıdır. En büyük sınırlılığı ise NTP'nin yüksek kuru kütle maliyetinin, kriyojenik depolama altyapısının, sonlu yanma dinamiklerinin ve gerçek yörünge fazlamasının aynı doğrulukta modellenmemesidir.

Araştırmacılar da sonraki adım olarak net NTP faydalı yükü ile kimyasal sistem faydalı yükünün aynı fırlatma sistemi altında karşılaştırılmasını en yüksek öncelikli çalışma olarak tanımlamaktadır. Böyle bir karşılaştırmada reaktör kuru kütlesi, tank kütlesi, farklı başlangıç yörüngeleri ve gerçek fırlatma aracı performansı birlikte değerlendirilmelidir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: Enabling High-Efficiency Cislunar Transportation: A Mission Architecture Study Based on Nuclear Thermal Propulsion Systems

Yazarlar ve sıralama: Simona-Nicoleta Danescu; Alexa-Andreea Crisan; Vlad Stefan Buzetelu; Theodora Andreescu; Daniel-Eugeniu Crunteanu.

Eş katkı/eş birinci yazar: Kaynakta eş birinci yazar beyanı bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Alexa-Andreea Crisan.

Kurumlar: Romanian Research & Development Institute for Gas Turbines-COMOTI, Bucharest, Romania; Faculty of Aerospace Engineering, National University of Science and Technology Politehnica Bucharest, Bucharest, Romania.

Dergi: Aerospace.

Yayınevi: MDPI, Basel, Switzerland.

Cilt / sayı / makale: 13 / 5 / 451.

DOI: 10.3390/aerospace13050451.

Yayın süreci: 31 Mart 2026'da alınmış, 7 Mayıs 2026'da revize edilmiş, 8 Mayıs 2026'da kabul edilmiş ve 10 Mayıs 2026'da yayımlanmıştır.

Kaynak türü ve hakemlik durumu: Hakemli araştırma makalesi; yöntem bakımından kavramsal ve analitik cislunar görev mimarisi/kütle bütçesi çalışmasıdır.

Resmî bağlantı:https://doi.org/10.3390/aerospace13050451

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY) açık erişim lisansı.

Finansman: Çalışma COMOTI–Romanian Research & Development Institute for Gas Turbines kurumunun iç kaynaklarıyla finanse edilmiştir; hibe numarası bulunmamaktadır.

Veri erişilebilirliği: Araştırmacılar çalışmanın özgün katkılarının makale içinde yer aldığını ve ek soruların sorumlu yazara yöneltilebileceğini belirtmektedir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması bildirmemiştir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma A.-A.C. ve S.-N.D.; yöntem A.-A.C.; doğrulama A.-A.C., S.-N.D. ve D.-E.C.; biçimsel analiz A.-A.C., S.-N.D. ve V.S.B.; araştırma A.-A.C. ve S.-N.D.; kaynaklar A.-A.C., S.-N.D., T.A. ve D.-E.C.; veri düzenleme A.-A.C., V.S.B. ve T.A.; ilk taslak A.-A.C.; gözden geçirme ve düzenleme A.-A.C. ve S.-N.D.; görselleştirme A.-A.C.; danışmanlık A.-A.C. ve S.-N.D.; proje yönetimi S.-N.D., A.-A.C. ve T.A.; finansman edinimi S.-N.D. tarafından gerçekleştirilmiştir.

Temel bilimsel sınır: Çalışma fiziksel NTP motor deneyi, uçuş testi veya yüksek doğruluklu üç-cisim yörünge optimizasyonu değildir. Sonuçlar literatürden alınmış ΔV değerlerinin, kabul edilen özgül itki değerlerinin ve Tsiolkovsky roket denkleminin kavramsal görev mimarisine uygulanmasından elde edilmiştir.

Faydalı yük sınırı: Çalışmanın 6070,8 kg ve 5956,4 kg olarak raporladığı “total delivered mass”, yalnız faydalı yükü değil araç kuru yapısını da içerir. Bu değerlerin doğrudan kargo kapasitesi olarak sunulması doğru değildir. Kaynağın alt sistem tahsisleri 9000 kg referans ölçekte net faydalı yükün çok daha düşük olabileceğini göstermektedir.

Kriyojenik depolama sınırı: Senaryo B'deki LH₂ boil-off kayıpları ve aktif sıfır-boil-off soğutma sisteminin kütle/güç cezası hesaplamaya dahil edilmemiştir. Bu nedenle yayımlanan görev sonu kütleleri operasyonel uygulama için üst sınır niteliğindedir.

Yörünge modeli sınırı: Sonlu yanma süresi, yerçekimi ve yönlendirme kayıpları, gerçek görev fazlaması, dispersiyonlar ve fırlatma penceresi kısıtları modellenmemiştir.

Nükleer sistem sınırı: 900 s özgül itki, yaklaşık 111 kN itki ve çoklu ateşleme yeteneği kavramsal NERVA sınıfı tasarım varsayımlarına dayanmaktadır. Ayrıntılı termal, yapısal veya nükleer güvenlik analizi yapılmamıştır.

Kaynak içi metodolojik tutarsızlık: Çalışma bütün deterministik ΔV değerlerine %5 marj uygulandığını belirtmesine rağmen tabloda verilen RCS itici madde kütleleri 37,36 m/s RCS değerinin marjsız kullanımıyla uyumludur. Verianla yayımlanmış kütle sonuçlarını değiştirmemiş, tutarsızlığı görünür biçimde korumuştur.

Bu Verianla içeriğinin bilimsel bulguları yalnız incelenen çalışmaya dayanmaktadır. Dış doğrulama bibliyografik kimlik ve derginin yayın/hakemlik statüsünü doğrulamak amacıyla kullanılmış; çalışmaya dışarıdan yeni görev sonucu veya performans verisi eklenmemiştir.

Meta Etiketler

nükleer termal itki, cislunar ulaşım, Tsiolkovsky denklemi, Lunar Gateway lojistiği, uzay görev mimarisi