بررسی تاثیر قطر دانه‎های کاتالیست بر عملکرد محفظه تجزیه رانشگر کاتالیستی هیدرازینی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• محمد رضا سلیمی ¹
• حدیثه کریمایی ¹
• مصطفی غلامپور یزدی ²

¹ گروه علوم فضایی، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوری

² پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوری

10.22067/jacsm.2023.76821.1121

چکیده

رانشگرهای تک‎پیشرانه‏ای هیدرازینی، بطور گسترده در سامانه‌های کنترل وضعیت، انتقال مداری و اصلاح موقعیت ماهواره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این رانشگرها، تک‎پیشرانه هیدرازین، با عبور از بستر کاتالیستی و طی یک واکنش به شدت گرمازا به محصولات داغ گازی تجزیه می‌شود. در این مقاله، محفظه تجزیه یک رانشگر تک‎پیشرانه‏ای هیدرازینی، در مقیـاس دانه‌های تشکیل دهنده بستر کاتالیستی، بصورت عددی شبیه‌سازی شده است سپس اثر پارامتر قطر دانه‎های کاتالیست روی عملکرد محفظه تجزیه با بستر کاتالیستی مورد مطالعه به طول 48/2 سانتی‌متر، مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه‌سازی‌ها برای دانه‎های کاتالیست با قطرهای 88/0، 1، 15/1 میلی‌متر در ضریب تخلخل 4/0 و فشار ورودی محفظه 15 بار انجام گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که اندازه دانه‎های کاتالیست بر عملکرد محفظه موثر بوده و با افزایش آن، تجزیه هیدرازین حدود 8% و دمای بستر حدود 5% افزایش یافته و دبی جرمی حدود 25% کاهش می‌یابد که بارگذاری بستر نیز به تبع آن حدود 5% کاهش می‏یابد. در نهایت، افزایش بیشتر دمای محفظه تجزیه، سبب افزایش دمای دیواره بیرونی می‏گردد.

کلیدواژه‌ها

• رانشگرهای تک&lrm
• پیشرانه&rlm
• ای
• بستر کاتالیستی
• محفظه تجزیه
• قطر دانه&lrm
• های کاتالیست
• هیدرازین

موضوعات

• مهندسی هوا و فضا

---

عنوان مقاله [English]

Investigation of the Effect of Catalyst Granule Diameter on the Performance of Decomposition Chamber of a Hydrazine Catalytic Thruster

نویسندگان [English]

• Mohammad Reza Salimi ¹
• Hadiseh Karimaei ¹
• mostafa gholampour yazdi ²

¹ Aerospace Research Institute, Tehran, Iran

² Aerospace Research Institute, Ministry of Research Science and Technology.

چکیده [English]

Monopropellant hydrazine thrusters are widely used in situation control, orbital transmission, and position correction systems of satellites. In these thrusters, hydrazine is decomposed into the hot gaseous products by passing through a catalyst bed during a highly exothermic reaction. In this paper, the decomposition chamber of a monopropellant hydrazine thruster is numerically simulated in the granule scale of the catalyst bed. The effect of the catalyst granule size is investigated on the performance of the decomposition chamber with catalyst bed with a length of 2.48 cm. Simulations have been performed for catalyst granules with diameters of 0.88, 1, and 1.15 mm at the porosity equal to 0.4 and the chamber inlet pressure equal to 15 bar. The results show that the size of the catalyst granules affects the chamber performance so that with its increase, the hydrazine decomposition and the bed temperature increase respectively 8% and 5% and the mass flow decreases about 25%, which in turn reduces the bed loading about 5%. Finally, further increase in the temperature of the decomposition chamber causes an increase in the outer wall temperature.

کلیدواژه‌ها [English]

• Monopropellant thruster
• catalyst bed
• decomposition chamber
• catalyst granule diameter
• hydrazine

مراجع

[1] N. S. Davis, and J. H. Keefe ,“Concentrated Hydrogen Peroxide as a Propellant”, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol.48, no. 4, pp.745-748, 1956.  

[2] B. W. Schmitz, ; W.W. Smith, D.A. Williams, and D. Maybee, Design and Scaling Criteria for Monopropellant Hydrazine Rocket Engines and Gas Generators Employing Shell 405 Catalyst; in: AIAA Second Propulsion Joint Specialist Conference, Colorado Springs, Colorado, 1966.

[3] A. S. Kersten, Analytical Study of Catalystic Reactors for Hydrazine Decomposition; Technical Report, NASA UARL G. pp. 7-458. 1969,

[4] A.S. Kersten, Analytical and Experimental Studies of the Transient Behaviour of Catalytic Reactor for Hydrazine Decomposition; Technical Report, NASA UARL C., 459-960, 1967.

[5] V. Shankar, A.K Anantha Ram and K. A. Bhaskaran, “Prediction of the Concentration of Hydrazine Decomposition Products Along a Granular Catalystic Bed”; Acta Astronautica. vol.11, no. 6, pp. 287–299. 1984.

 [6] A. E. Makled, H. Belal, Modeling of Hydrazine Decomposition for Monopropellant Thrusters; 13^th International Conference on Aerospace Sciences & Aviation Technology. 2009.

 [7] CH. Hwang, S.N. Lee, S.W. Baek, C.Y. Han, S.K. Kim and M.J. Yu, “Effects of Catalyst Bed Failure on Thermo Chemical Phenomena for a Hydrazine Monopropellant Thruster Using Ir/Al2O3 Catalysts”, Industrial & Engineering Chemistry Research, no. 51, pp. 5382–5393, 2012.

 [8] Z.G. Gao, G.x. Li, T. Zhang, X. Liu, Z. Wang and X. Liu, “Numerical Simulation for the Decomposition of DT-3 in a Monopropellant Thruster”, Aerospace Science and Technology , vol. 74, no. 1, pp. 132-144, 2018.

 [9] M.R. Salimi, H. Karimaei, “Making Catalyst and Preparing Catalyst Bed for Hydrazine Decomposition in Low-Thrust Monopropellant Thrusters”, Technology in Aerospace Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 17-25, 2019. (In Persian)

 [10] Sh. Pakdehi, F. Shirvani, R. Zolfaghari, “A Thermodynamic Study on Catalytic Decomposition of Hydrazine in a Space Thruster”, Archives of Thermodynamics, vol.40, no. 4, pp. 10-20. 2019.

 [11] M. Namazi, M. Nayebi, A. Isazadeh, , A. Modarresi, I.G. Marzbali, and S.M. Hosseinalipour, “Experimental and numerical study of catalytic combustion and pore-scale numerical study of mass diffusion in high porosity fibrous porous media”, Energy. vol. 238, no. 1, 121831-9. 2022.

 [12] S.A. Solovev, O.V. Soloveva, I.G. Akhmetova, Y.V. Vankov, and D.L. Paluku , “Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer in an Open-Cell Foam Catalyst on Example of the Acetylene Hydrogenation Reaction”, Chemical Engineering. vol. 6, no.1, pp. 11-19, 2022.

 [13] L. Chen, R. Zhang, Q. Kang, and W.Q. Tao, “Pore-scale study of pore-ionomer interfacial reactive transport processes in proton exchange membrane fuel cell catalyst layer”, Chemical Engineering Journal., vol. 391, no. 1, pp.123590-9. 2020.

[14] M. Farzaneh, H. Ström, F. Zanini, S. Carmignato, S. Sasic and D. Maggiolo, “Pore-scale transport and two-phase fluid structures in fibrous porous layers: Application to fuel cells and beyond”, Transport in Porous Media., vol.136, no.1, pp. 245-270. 2021.

 [15] C.H. Hwang, S.W. Baek, S.J. Cho, “Experimental Investigation of Decomposition and Evaporation Characteristics of HAN-Based Monopropellants”, Combustion and Flame, vol. 161, no. 4, pp. 1109–1116. 2014.

 [16] Z.G. Gao, G.X. Li, T. Zhang, X.H. Liu, Z.H. Wang, X. Liu, “Numerical simulation for the decomposition of DT-3 in a monopropellant thruster”, Aerospace Science and Technology., vol. 74, no.1, pp. 132-144, 2018.