Numerical simulation of nitrous oxide catalytic decomposition

The thesis presents a model for the simulation of nitrous oxide (N2O) catalytic decomposition, translating in a numerical environment some of the most important experimental outcomes about this process. N2O has gained popularity in the space field during last decade thanks to its promising potential as hydrazine substitute. Hydrazine (N2H4) is currently the most used monopropellant for attitude thrusters. Its dominance over other propellant solutions has been guaranteed by the creation and commercialization of the Shell S405 catalyst which is able to activate hydrazine decomposition reaction so as to maximize its propulsive performances. Hydrazine is anyway affected by some drawbacks: it has a very high toxicity and it needs a pressurization device in the storage system. During last decade, management and transportation costs have increased steadily, together with the price of the bulk material due to its large request. Therefore, engineers have started looking around for possible alternatives. Nitrous oxide is considered a good alternative to hydrazine: characterized by an exothermic decomposition, its very low level of toxicity and self-pressurization properties may help in reducing management costs for the propellant, with an additional simplification of the storage system connected with the lack of pressurization system needed. Increasing effort has been spent to study and understand the decomposition phe- nomenon itself and to survey possible catalytic materials able to activate the reaction: goal for the near future is to discover an efficient, long-lasting and reusable catalyst. Only such an achievement can justify a widespread adoption of N2O as monopropellant, similarly to what happened for hydrazine with the S405. Inside this framework of active experimental studies about N2O decomposition, the thesis presents a numerical study on the catalytic decomposition process of nitrous oxide. The simulator can help in understanding how different catalytic active phases affect the decomposition and their impact on propulsive performances. In the present work, catalyst simulator is coupled with tank outflow and nozzle expansion simulators to present a complete blowdown process with no mass flow control. Goal of the work is to simulate how catalyst perform with time-varying inlet conditions, to spot possible technological problems connected to N2O usage and to give a preliminary sizing of the main components for an on-ground bench to test a catalytic decomposition.

La tesi presenta un modello utile a simulare il processo di decomposizione catalitica per ossido di diazoto (N2O), traducendo in un ambiente numerico alcuni dei piu` importanti risultati sperimentali riguardanti tale processo. N2O ha acquistato popo- larità nell’ultimo decennio all’interno dell’industria spaziale grazie al suo riconosciuto potenziale come possibile sostituto dell’idrazina. L’idrazina (N2H4) è attualmente il più usato monopropellente per sistemi di controllo d’assetto a razzo. Il suo attuale incontrastato dominio `e dovuto alla creazione e commercializzazione del catalizzatore Shell S405 il quale è in grado di attivare la reazione di decomposizione dell’N2H4 massimizzandone le prestazioni propulsive. L’idrazina presenta tuttavia importanti svantaggi, rappresentati dal suo alto livello di tossicità e dalla necessità di un sistema di pressurizzazione all’interno del serbatoio. Nell’ultimo decennio, i costi di trattamento e trasporto per l’idrazina sono aumentati costantemente, insieme con il prezzo del materiale grezzo, a causa della crescente richiesta dall’industria spaziale. A conseguenza di ci`o, gli ingegneri sono attualmente alla ricerca di possibili alternative. N2O è considerato una valida soluzione ai problemi dell’idrazina: anch’esso caratterizzato da una decomposizione esotermica, il suo basso livello di tossicità accoppiato con proprietà di auto pressurizzazione aiutano nella riduzione dei costi di trattamento del propellente, con una semplificazione addizionale nello schema del serbatoio. Un impegno crescente viene speso per studiare e capire i principi fondamentali alla base del fenomeno di decomposizione stesso, investigando possibili materiali catalitici capaci di attivare la reazione: l’obiettivo per l’immediato futuro `e di sintetizzare un catalizzatore efficiente, duraturo e riutilizzabile. Solo il raggiungimento di questo traguardo pu`o giustificare l’adozione di N2O come monopropellente, in maniera del tutto simile a quanto è accaduto all’idrazina con l’S405. In questo contesto di intensa attività sperimentale riguardante la decomposizione di N2O, la tesi presenta uno studio numerico sul processo di decomposizione catalitica di N2O. Il simulatore viene utilizzato per comprendere come diverse fasi attive catalitiche influenzano la decomposizione e il loro impatto sulle prestazioni propulsive. Nel presente lavoro, il simulatore del catalizzatore è accoppiato con simulatori per l’efflusso da serbatoio e per l’espansione in ugello in modo da rappresentare un completo sistema di blowdown senza controllo di flusso di massa. Obiettivo della tesi è di simulare come il catalizzatore viene influenzato da condizioni iniziali tempo dipendenti, di identificare possibili problematiche nell’applicazione tecnologica dell’N2O e fornire un dimensionamento preliminare di un banco di prova per testare la decomposizione catalitica.