Development of a hydrogen peroxide monopropellant micro-thruster

Spacecrafts are becoming more and more compact for economical reasons; thus, the demand for small-scale monopropellant thrusters are increasing in parallel. Environmental concerns and following governmental restrictions necessitate to replace current (hydrazine-based) toxic propellants with green ones, with a minimum loss in performance. Its comparable performance, cheapness, easy accessibility and relative safety makes hydrogen peroxide a suitable candidate for space applications of our age. Consequently, this thesis is devoted for the development of a hydrogen peroxide monopropellant thruster in order to be used for small satellites and CubeSats. The activity performed concerns the study of properties and behaviour of hydrogen peroxide and the heterogeneous catalyst used for the decomposition. This background is used in order to design a monopropellant system according to the specific design inputs. Theoretical performance based on inputs is computed and components and subsystems of the thruster are sized accordingly. The design algorithm presented in the thesis is applicable for various design conditions and different types of ceramic pellet catalysts. Furthermore, the experimental activities performed for the thesis involve important aspects for the validation of the project, and contain some important aspects of hydrogen peroxide decomposition processes, the behaviour of the heterogeneous catalyst and the measured temperature of decomposition products. For this purpose, activity of the chosen catalytic material, highly pure manganese dioxide powder, is tested via drop tests with hydrogen peroxide, and temperature of catalyst and decomposition gases are measured. The catalyst is placed into cylindrical vessels made of ceramic and quartz vessel with different heights, considerably affecting the test results. As soon as the propellant contact the catalyst, it starts to decompose in an explosive way and disperses the catalyst powder on the side wall and outside of the vessels like a “volcano”. For the ceramic vessels having a porous structure, the powder particles filling the pores cause further decomposition, even after the powder on the bottom is no more effective. It is observed that more powder is put at the bottom of the vessel, the temperature of the decomposition gases is higher, due to the increased surface area for the reaction with an enhanced powder amount. The experimental activity, even if preliminary to a full characterization of hydrogen peroxide decomposition produced by a heterogeneous catalyst, point out remarkable effects useful for the future development of this research activity.

Ragioni economiche spingono verso la progressiva miniaturizzazione dei satelliti e dei veicoli spaziali. Conseguentemente, la domanda di propulsori di piccola scala sta contestualmente aumentando. Ragioni di ridotto impatto ambientale e le relative restrizioni governative impongono di sostituire gli attuali propellenti ad elevata tossicità (a base di idrazina) con propellenti “verdi”, con la perdita di prestazioni minima possibile. Prestazioni, economicità, facile disponibilità e relativa sicurezza rendono il perossido di idrogeno un candidato adatto per applicazioni spaziali di bassa spinta oggi richieste. Questa tesi, in coerenza con queste premesse, è dedicata allo sviluppo di un propulsore monopropellente a perossido di idrogeno da utilizzare per piccoli satelliti e CubeSats. L'attività svolta riguarda lo studio delle proprietà e del comportamento del perossido di idrogeno e del catalizzatore eterogeneo utilizzato per la sua decomposizione. Questo background teorico-concettuale viene utilizzato per progettare un sistema monopropellente sulla base delle specifiche di progetto, che portano al calcolo delle prestazioni teoriche e al dimensionamento dei componenti e dei sottosistemi del propulsore. L'algoritmo presentato nella tesi è applicabile per diverse condizioni di progetto e diversi tipi di catalizzatori a pellet ceramici. La tesi include pure una sezione dedicata ad una attività sperimentale, che riguarda aspetti importanti per la validazione del progetto e contiene alcuni importanti aspetti dei processi di decomposizione del perossido di idrogeno, del comportamento del catalizzatore eterogeneo e della temperatura misurata dei prodotti di decomposizione. Il catalizzatore selezionato, costituito da polvere di biossido di manganese di elevata purezza, viene provato mediante prove di caduta di gocce di perossido di idrogeno rilasciate da un iniettore, a cui segue la misura della temperatura del catalizzatore e dei prodotti di decomposizione. Il catalizzatore viene posizionato in recipienti cilindrici di ceramica e quarzo di diversa altezza, influenzando significativamente i risultati del test. Non appena il perossido di idrogeno entra in contatto con il catalizzatore inizia a decomporsi in modo esplosivo disperdendo la polvere di catalizzatore sulla parete laterale e all'esterno dei recipienti cilindrici, producendo un effetto “vulcano”. I contenitori cilindrici di prova, in ceramica a struttura porosa, a causa della presenza di particelle di polvere che riempiono i pori, provocano un'ulteriore decomposizione, anche dopo che la polvere depositata sul fondo del crogiuolo ha esaurito il suo effetto catalitico. Maggiori quantitativi di polvere portano a temperatura dei prodotti di decomposizione più alta, a causa della maggiore superficie di catalisi. L'attività sperimentale, anche se preliminare a una completa caratterizzazione della decomposizione del perossido di idrogeno prodotta da un catalizzatore eterogeneo, evidenzia importanti effetti utili per lo sviluppo futuro di questa attività di ricerca.