تحلیل عددی-پارامتری عملکرد شیمیایی بسترهای کاتالیستی پراکسیدهیدروژن به‌منظور کاربرد در رانشگرهای تک پیش‌رانه فضایی

نویسندگان

1 گروه علوم فضایی، پژوهشکده سامانه های فضانوردی، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری

2 پژوهشگاه هوافضا

3 پژوهشگر

4 دانشگاه تربیت مدرس

چکیده
هدف از ارائه این مقاله، تحلیل عملکرد شیمیایی بسترهای کاتالیستی پراکسید هیدروژن به دو روش عددی و پارامتری می‌باشد. عملکرد شیمیایی مناسب بستر کاتالیستی‏، به عنوان یکی از اجزاء اصلی رانشگرها‏ی تک‌پیشرانه، نقش به سزایی در رسیدن به دو هدف اصلی در طراحی (کمینه‌سازی وزن و بیشینه‌سازی ضربه ویژه) ایفا می‌کند. بنابراین، به‌منظور بررسی تأثیر قطر گرانول (گوی‌های) کاتالیستی بر نحوه عملکرد شیمیایی بستر، طول بهینه و میزان افت فشار، شبیه‌سازی‌هایی برای بسترهای با قطرهای مختلف گوی‌های کاتالیستی به قطرهای 4/0 الی 9/0 صورت پذیرفته است. در شبیه‌سازی‌ها، پراکسیدهیدروژن 90%، با سرعتی 014/0 متر بر ثانیه به عنوان سیال ورودی تعریف گردیده است. در هر شبیه‌سازی، تغییرات غلظت اجزاء واکنش در طول بستر کاتالیستی برای ورودی جریان پراکسیدهیدروژن مایع تعیین‌شده است. محاسبه افت فشار در اثر عبور جریان در طول بستر کاتالیستی، از دیگر فعالیت‌های این مطالعه است. نتایج این مطالعه حاکی از آنست که با افزایش قطر گوی‌های کاتالیستی، میزان سطح مؤثر واکنش کاهش پیداکرده و طول مورد نیاز بستر کاتالیستی جهت تجزیه کامل پیش‌رانه نیز افزایش می‌یابد. علاوه بر طول مورد نیاز برای تجزیه کامل پراکسیدهیدروژن، افت فشار ایجادشده در بسترهای کاتالیستی مختلف نیز محاسبه و مورد ارزیابی قرارگرفته است. نتایج بررسی افت فشار بستر کاتالیستی نشان می‌دهد که در یک سرعت پیش‌رانه مشخص، در قطر خاصی کمینه افت فشار ایجاد خواهد شد. دلیل این امر برهم‌کنش تأثیرات میزان سطح واکنش و طول بستر کاتالیستی بر افت فشار ایجادشده در طی فرآیند تجزیه پیش‌رانه نسبت داده شد. صحه‌گذاری و تایید نتایج تحلیل با نتایج تجربی صورت پذیرفته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Numerical-parametrical analysis on the hydrogen peroxide catalyst bed for space monopropellant thruster applications

نویسندگان English

Hassan Naseh 1
mohamamd M.N.P. Meibody 2
Hadi Hosseini Anari 3
Fathollah Ommi 4
1 Space Group, Astronautics Department, Aerospace Research Institute (ARI), Ministry of Science, Research and Technology
2 Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology, Tehran, Iran
3 Researcher
4 Tarbiat Modares University
چکیده English

The main aim of this paper is to analysis of chemical performance of hydrogen peroxide based on numerical and parametric methods. The proper chemical function of the catalytic bed, as one of the components of monopropellant thruster, plays a significant role in achieving the two design main goals in (minimizing mass and maximizing the specific impulse). To this end, the effect of catalyst diameter (granules) on the bed chemical performance, optimal length and pressure drop, simulations for beds with different catalytic pellet diameters have been made to 0.4-0.9 cm diameters. Hydrogen peroxide with a concentration of 90% is defined as an inlet fluid at 0.014 m/s in simulations. The calculation of flow pressure drop across the catalyst bed is one of the activities undertaken in this study. The results of this study indicate that with increasing the pellet diameter, the reaction effective surface is reduced and the catalyst bed length is increased for complete decomposition of the propellant. In addition to the required length for complete decomposition of hydrogen peroxide, the pressure drop in various catalyst beds have also been calculated and evaluated. The results of the catalytic bed drop evaluation indicate that at a specific flow rate, a minimum pressure drop will be made in a specific diameter. The reason for this is the interaction of reaction surface and catalyst bed lengths on the pressure drop generated during the propellant decomposition process. Verification and validation of achieved results was conducted by comparing with experimental results.

کلیدواژه‌ها English

Chemical performance
catalytic beds
Hydrogen peroxide
monopropellant thruster