Development and test of a low-cost decomposition chamber for hydrogen peroxide

A large number of companies in the aerospace field are developing new launch systems using innovative green and storable liquid propellant able to grant low environmental impact along with reduced costs for handling, storing, and transportation. The work presented in this thesis is part of an innovative program aimed at the development of a new light launcher upper stage able to use non toxic and storable propellants for their entire life cycle. As part of a larger development effort, this work aims at the realization of a system capable to decompose the high concentrated Hydrogen Peroxide to use the decomposition products as oxidizer inside a generic combustion chamber, providing reliable multiple re-ignitions. After a brief description of the green propellants currently studied, an extensive presentation of the modern decomposition chambers together with their catalytic bed is outlined. Before developing the catalytic chamber, the pure thermal decomposition at different temperature conditions is investigated through a CFD simulation using OpenFOAM software. The results of this simulation underlines the need of a catalyst to improve the decomposition efficiency. An accurate material analysis is, then, carried out selecting all the proper materials for the entire system. The choice is based on a dedicated experimental campaign. Consequently, the thermoelectric system aimed to pre-heat the catalytic bed at the desired temperature exploiting the Joule heating effect is designed. The design phase ends with the sizing of the feeding line and the implementation of a control system. Finally, the system is tested with water in order to verify the correct behaviour during the injection.

Molte aziende nel campo aerospaziale puntano allo sviluppo di nuovi sistemi di lancio utilizzando innovativi propellenti liquidi cosidetti 'verdi' e con caratteristiche di stoccabilita' per garantire il minor impatto ambientale possibile, insieme ad una drastica riduzione dei costi di trattamento, stoccaggio e trasporto. La presente ricerca fa parte di un programma innovativo volto allo sviluppo di uno stadio alto di un lanciatore leggero in grado di utilizzare propellenti a basso impatto ambientale nel loro intero ciclo di vita. Come parte di un piu' ampio sviluppo, l'obbiettivo di questo lavoro e' quello di realizzare un sistema in grado di decomporre il Perossido di Idrogeno ad alta concentrazione per poterlo poi utilizzare come ossidante all'interno di una generica camera di combustione fornendo anche delle riaccensioni affidabili. A seguito di una breve descrizione dei propellenti verdi attualmente studiati, all'interno dello stato dell'arte, sono approfondite le moderne camere di decomposizione, e i rispettivi catalizzatori. Viene quindi investigata la decomposizione termica pura a varie temperature attraverso una simulazione CFD utilizzando il software OpenFOAM. I risultati di questa simulazione sottolineano come sia necessario implementare un sistema catalitico per aumentare l'efficienza di decomposizione. Viene effettuata un'accurata analisi dei materiali, selezionando quelli da utilizzare per le varie parti del sistema. La scelta e' basata su una dedicata valutazione sperimentale. In seguito, viene studiato e progettato il sistema termoelettrico che, per effetto Joule, ha il compito di riscaldare la camera alla temperatura stabilita. La fase di design viene conclusa con il dimensionamento del sistema di alimentazione ed il relativo sistema di controllo. Infine, il sistema viene testato iniettando acqua, per verificare il corretto funzionamento di tutte le sue parti.