تحليل عددي-پارامتري عملكرد شيميايي بسترهاي كاتاليستي پراكسيدهيدروژن به‌منظور كاربرد در رانشگرهاي تك پيش‌رانه فضايي

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

هدف از ارائه اين مقاله، تحليل عملكرد شيميايي بسترهاي كاتاليستي پراكسيد هيدروژن به دو روش عددي و پارامتري مي باشد. عملكرد شيميايي مناسب بستر كاتاليستي، به عنوان يكي از اجزاء اصلي رانشگرهاي تك پيشرانه، نقش به سزايي در رسيدن به دو هدف اصلي در طراحي (كمينه سازي وزن و بيشينه سازي ضربه ويژه) ايفا مي كند. بنابراين، به منظور بررسي تاثير قطر گرانول (گوي هاي) كاتاليستي بر نحوه عملكرد شيميايي بستر، طول بهينه و ميزان افت فشار، شبيه سازي هايي براي بسترهاي با قطرهاي مختلف گوي هاي كاتاليستي به قطرهاي 0/4 الي 0/9 صورت پذيرفته است. در شبيه سازي ها، پراكسيدهيدروژن 90%، با سرعتي 0/014 متر بر ثانيه به عنوان سيال ورودي تعريف گرديده است. در هر شبيه سازي، تغييرات غلظت اجزاء واكنش در طول بستر كاتاليستي براي ورودي جريان پراكسيدهيدروژن مايع تعيين شده است. محاسبه افت فشار در اثر عبور جريان در طول بستر كاتاليستي، از ديگر فعاليت هاي اين مطالعه است. نتايج اين مطالعه حاكي از آنست كه با افزايش قطر گوي هاي كاتاليستي، ميزان سطح موثر واكنش كاهش پيداكرده و طول مورد نياز بستر كاتاليستي جهت تجزيه كامل پيش رانه نيز افزايش مي يابد. علاوه بر طول مورد نياز براي تجزيه كامل پراكسيدهيدروژن، افت فشار ايجادشده در بسترهاي كاتاليستي مختلف نيز محاسبه و مورد ارزيابي قرارگرفته است. نتايج بررسي افت فشار بستر كاتاليستي نشان مي دهد كه در يك سرعت پيش رانه مشخص، در قطر خاصي كمينه افت فشار ايجاد خواهد شد. دليل اين امر برهم كنش تاثيرات ميزان سطح واكنش و طول بستر كاتاليستي بر افت فشار ايجادشده در طي فرآيند تجزيه پيش رانه نسبت داده شد. صحه گذاري و تاييد نتايج تحليل با نتايج تجربي صورت پذيرفته است.

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.