مطالعه عددی تاثیر اندازه ذرات و طول بستر کاتالیستی بر نیروی پیشران و ضربه ویژه یک رانشگر تک‌پیشرانه

نوع مقاله : گرایش پیشرانش و انتقال حرارت

نویسنده

شریف

چکیده

رانش‏گرهای تک‏پیشرانه با توجه به سادگی ساختمان و قابلیت اطمینان بالایی که دارند،  به‏طور گسترده در ماهواره­ها مورد استفاده قرار   می­گیرند. یک رانشگر تک‏پیشرانه از سه بخش انژکتور، محفظه تجزیه و نازل تشکیل شده است. پیشرانه از طریق انژکتور روی بستر کاتالیستی متشکل از  ذرات کاتالیست پاشیده شده و بلافاصله تجزیه می­شود. گاز ناشی از تجزیه پیشرانه در نازل شتاب گرفته و نیروی پیشران تولید می­کند. در این تحقیق، یک رانشگر  تک‏پیشرانه هیدرازینی با بستر کاتالیستی از جنس فلز فعال ایریدیم به‏صورت عددی تحلیل می­شود. معادلات حاکم بر انتقال جرم و حرارت داخل بستر کاتالیستی به صورت یک‏بعدی مدل‏سازی می­شوند. لازم به‏ذکر است که به دلیل عدم وجود تعادل شیمیایی و ترمودینامیکی بین دو فاز، معادلات انتقال جرم و حرارت جداگانه­ای مطابق تحقیق شنکار و همکارانش برای فازهای جامد و گاز نوشته شده است. همچنین، برای محاسبه نیروی پیشران و ضربه ویژه مجموعه رانشگر، نازل همگرا-واگرا  به‏صورت صفربعدی تحلیل   می­شود. با استفاده از این روش،  تاثیر قطر  ذرات بستر کاتالیستی و طول محفظه تجزیه به­عنوان دو فاکتور مهم روی عملکرد یک رانشگر نمونه بررسی می­شود. نتایج حاصل نشان می­دهند که با کاهش قطر  ذرات تشکیل­ دهنده بستر کاتالیستی،  طول بهینه محفظه تجزیه کاهش یافته و ضربه ویژه بیشینه تا حدودی افزایش می­یابد.

کلیدواژه‌ها

مراجع

  1. Davis, N. S., and Keefe, J. H. “Concentrated Hydrogen Peroxide as a Propellant”, Ind. Eng. Chem. Vol. 48, No. 4, 745–748, 1956.##
  2. Plumlee, D., Steciak, J., and Moll, A. “Development and Simulation of an Embedded Hydrogen Peroxide Catalyst Chamber in Low-Temperature Co-Fired Ceramics”, Int. J. Appl. Ceram. Technol. Vol. 4, No. 5, 406–414, 2007.##
  3. Krejci, D., Woschnak, A., Scharlemann, C., and Ponweiser, K. “Structural Impact of Honeycomb Catalysts on Hydrogen Peroxide Decomposition for Micro Propulsion”, Chem. Eng. Res. Des., Vol. 90, No. 12, pp. 2302–2315, 2012.##
  4. Amri, R., Gibbon, D., Rezougc, T. “The Design, Development and Test of One Newton Hydrogen Peroxide Monopropellant Thruster”, Aerosp. Sci. Technol., Vol. 25, No. 1, pp. 266–272, 2013.##
  5. An, S.Y., Jo, S., Wee, J., and Hosung Yoon, H. “Preliminary Flight Test of Hydrogen Peroxide Retro-Propulsion Module”, Acta Astronaut., Vol. 67, No. 5-6, pp. 605–612, 2010.##
  6. Hou, B., Wang, X., Li, T., and Zhang, T. “Steady- in Packed Bed”, AIChE Journal, Vol. 61, No. 3, State Behavior of Liquid Fuel Hydrazine Decomposition, pp. 1064-1080, 2015.##
  7. Hwang, CH., Baek, SW., and Cho, SJ. “Experimental Investigation of Decomposition and Evaporation Characteristics of HAN-Based Monopropellants”, Combust. Flame, Vol. 161, No . 4,  pp. 1109–1116, 2014.##
  8. Amrousse, R., Katsumi, T., Niboshi, Y., Azuma, N., Bachar, A., and Hori, K. “Performance and Deactivation of Ir-Based Catalyst During Hydroxyl Ammonium Nitrate Catalytic Decomposition”, Applied Catalysis A: General, Vol. 452, pp. 64–68, 2013.##
  9. Courtheoux, L., Amariei, D., Sylvie Rossignol, S., and Kappenstein, C., “Thermal and Catalytic Decomposition of HNF and HAN Liquid Ionic as Propellants”, Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 62, No. 3,  pp. 217–225, 2006.##
  10. Gohardani, A. S., Stanojev, J., Demaire, A., Anflo, K., Persson, M., Wingborg, N., and Nilsson, C. “Green Space Propulsion: Opportunities and Prospects”, Progress in Aerospace Sciences, Vol. 71, No. 3, pp. 128-149, 2014.##
  11. Birbara, P. J., and Conn, W. L. “Catalyst for Hydrazine Decomposition and the Method of Producing the Catalyst”, US Patent 4324819, 1980.##
  12. Soares Netoa, T. G., Cobob, A. J. G., and Cruz, G. M. “Evolution of Morphologic Properties on the Preparation of Ir/Al2O3 Catalysts with High Metallic Contents”, Applied Surface Science, Vol. 240, Nos. 1-4, pp. 355–365, 2005.##
  13. Armstrong, W. E., Ryland, L. B., and Voge, H. H. “Catalyst for Hydrazine Decomposition and Method for Preparing Such Catalyst”, US Patent 4124538, 1978.##
  14. Chen, X., Zhang, T., Xia, L., Zheng, M., Wu, Z., Wang, X., Wei, Z., Xin, Q., and Li, C.  “Catalytic Decomposition of Hydrazine over Supported Molybdenum Nitride Catalysts in a Monopropellant Thruster”, Catalysis Letters, Vol. 79, No. 2, pp. 21–25, 2002.##
  15. Chen, X., Zhang, T., Ying, P., Zheng, M., Wu, W., Xia, L., Li, T., Wang, X., and Li, C. “A Novel Catalyst for Hydrazine Decomposition: Molybdenum Carbide Supported on γ-Al2O3”, Chem. Commun., Vol. 288, No. 3, pp.288-289. 2002.##
  16. Rodrigues, J. A. J., Cruz, G. M., Bugli, G., Boudart, M., and Djéga-Mariadassou, G. “Nitride and Carbide of Molybdenum and Tungsten as Substitutes of Iridium for the Catalysts used for Space Communication”, Catalysis Letters, Vol. 45, No. 1,  pp. 1–3, 1997.##
  17. Santos, J. B. O., Valença, G. P., and Rodrigues, J. A. J. “Catalytic Decomposition of Hydrazine on Tungsten Carbide: The Influence of Adsorbed Oxygen”, Journal of Catalysis, Vol. 210, No. 1, pp. 1-6, 2002.##
  18. Zheng, M., Chen, X., Cheng, R., Li, N., Sun, J., Wang, X., and Zhang, T. “Catalytic Decomposition of Hydrazine on Iron Nitride Catalysts, Catalysis Communications”, Vol. 7, No. 3,  pp. 187–191, 2006.##
  19. Han, D. I., Han, C. Y., Shin, H. D. “Empirical and Computational Performance Prediction for Monopropellant Hydrazine Thruster Employed for Satellite”, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 46, 2009.##
  20. Kersten, A. S. “Analytical Study of Catalystic Reactors for Hydrazine Decomposition, Part 1. Steady State Behavior”, NASA Contract NAS, pp.7-458, 1966.##
  21. Kersten, A. S., “Analytical Study of Catalystic Reactors for Hydrazine Decomposition, Part II. Steady Transient Behavior”, NASA Contract NAS 7-458, 1966.##
  22. Kersten, A. S., “Analytical and Experimental Studies of the Transient Behaviour of Catalytic Reactor for Hydrazine Decomposition”, UARL Contract NAS 7-458, 1967.##
  23. Shankar, V., Anantha Ram, A.K., and Bhaskaran, K. A. “Prediction of the Concentration of Hydrazine Decomposition Products Along a Granular Catalystic Bed”,  Acta Astronautica, Vol. 11, No. 1, pp. 287-299, 1984.##
  24. Makled A. E., Belalm H. “Modeling of Hydrazine Decomposition for Monopropellant Thrusters”, 13th International Conference on Aerospace Sciences & Aviation Technology, ASAT- 13, Egypt, May 26 – 28, 2009.##
  25. Hwang C. H., Lee S. N., Baek S. W., Han C. Y., Kim S. K., Yu M. J. “Effects of Catalyst Bed Failure on Thermo Chemical Phenomena for a Hydrazine Monopropellant Thruster Using Ir/Al2O3 Catalysts”, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 51, No. 2, pp. 5382–5393, 2012.##
  26. Pasini, A., Torre, L., Romeo, L., Cervone, A., d’Agostino, L. “Reduced-Order Model for H2O2 Catalytic Reactor Performance Analysis”, Journal of Propulsion and Power, Vol. 26, No. 3, pp. 446-453, 2010.##
  27. Jung, S., Choi, S., Kwon, S. “Design Optimization of Green Monopropellant Thruster Catalyst Beds Using Catalytic Decomposition Modeling”, 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Atlanta, GA, 10-12 July. 2017.##
  28.  Hou, B., Wang, X., Li, T., and Zhang, T. “Steady-State Behavior of Liquid Fuel Hydrazine Decomposition in Packed Bed”, AIChE Journal, Vol. 61, No. 3, pp.1064-1080., 2014.##
  29. Zhang, T., Li, G., Yu, Y., Chen, J., and Wang, M. “Effects of Catalytic Bed Thermal Characteristics on Liquid Monopropellant Decomposition and Combustion Characteristics within an Eco-Friendly Thruster Based on Ammonium Dinitramide”, Combustion Science and Technology,  Vol. 188, No. 6, pp.910-923. 2016.##
  30. Macdonald, I. F., El-Sayed M. S., Mow, K.; Dullien F. A. “Flow Through Porous Media-the Ergun Equation Revisited”, Ind. Eng. Chem. Fundam., Vol. 18, No. 2,  pp. 199−208, 1979.##

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 10 دی 1397
  • تاریخ بازنگری: 23 بهمن 1397
  • تاریخ پذیرش: 12 آذر 1398

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار