N2O thermal decomposition : reaction kinetics and design of a dedicated experimental setup

Established technologies in rocket propulsion for launch and in-space applications have to deal with hazardous substances, which require special procedures. Particular equipments and skilled workers are needed to deal with toxic substances such as hydrazine and its derivatives (MMH and UDMH), or with cryogenics such as hydrogen and oxygen. These aspects heavily affect the costs for the space access platforms, satellites and in-space missions. In the last decades nitrous oxide captured an increasing interest in rocket propulsion as propellant for small and medium launchers and in-space applications. This substance features an high thermal stability and self-pressurizing properties. It undergoes thermal and catalytic decomposition, releasing 36% by mass of oxygen and 63% of nitrogen. Although theoretical performances are slightly low with respect to conventional, and thus mature, technologies (as storable propellants and H2O2), N2O stays as competitive thanks to prospected reduction of costs and ease of implementation. In this work the chemical stability of N2O is accessed through a detailed study on the reaction kinetics occurring in thermal decomposition. A detailed reaction mechanism has been developed. It has been resolved with the implementation of a numerical stiffly-stable algorithm. The results have been validated on the basis of the open literature experimental investigations. A dedicated experimental setup, based on a flow reactor, and suitable for a versatile study of thermal and catalytic decomposition has been designed and implemented. The design phase was assisted by a purposely developed MatLab algorithm. The latter provide a characterization of an inert and reacting gas flow within the reactor. A dedicated temperature control system has been pursued and manufactured with the involving of rapid prototyping techniques, in particular 3D-printing.

Le tecnologie affermate nel campo della propulsione spaziale devono spesso confrontarsi con i rischi dovuti al'uso di sostanze pericolose. Particolari equipaggiamenti e personale altamente specializzato devono essere inseriti nel processo di sviluppo e manutenzione dei dispositivi critici. Molte situazioni fanno dell'idrazina, dell perossido di idrogeno, e dei criogenici le sostanze più citate in esempio alle criticità annesse all'utilizzo di propellenti pericolosi in campo spaziale. Negli ultimi decenni il protossido d'azoto ha suscitato un crescente interesse per la propulsione di lanciatori di taglia medio-piccola e per applicazioni spaziali. Questa sostanza denota una grande stabilità chimica anche a temperature modestamente alte, inoltre possiede proprietà autopressurizzanti, grazie all'elevata tensione di vapore. Il protossido può decomporre esotermicamente rilasciando il 33% in massa di ossigeno e il 63% di azoto. Nonostante le prestazini teoriche siano al di sotto dei più convenzionali, e tecnologicamente maturi, propellenti stivabili, l'N2O rimane competitivo grazie alle promettente prospettiva di riduzione dei costi e di facilità di implementazione. In questo lavoro di tesi la stabilità chimica del protossido d'azoto viene valutata per mezzo di uno studio della cinetica di reazione. Un meccanismo dettagliato per la decomposizione termica è stato sviluppato e risolto attraverso un algoritmo scritto in linguaggio MatLab. Data la natura delle reazioni chimiche, le cui trasformazioni hanno tempi caratteristici molto differenti, è stato necessario implementare un metodo stabile anche in condizioni di rigidità del problema numerico. I risultati ottenuti sono stati validati sulla base di un'indagine sugli esperimenti pubblicati e reperibili in letteratura. Un apparato sperimentale versatile, dedicato allo studio della decomposizione termica e catalitica, è stato progettato e sviluppato. La fase di progetto è stata assistita da un algoritmo creato ad hoc in MatLab. Quest'ultimo permette una caratterizzazione delle principali proprità fisiche del gas fluente nel reattore, sia in forma inerte che in forma reagente. Un sistema di controllo della temperatura dedicato al reattore è stato altresì sviluppato con il coinvolgimento di tecniche di prototipizzazione rapida, quali la stampa 3D.