Design and simulation of a 1N hydrogen peroxide monopropellant thruster

The use of hydrogen peroxide as a monopropellant for low-thrust applications had a renewed interest in the last years. The main goal is to find a substitute for hydrazine, highly toxic and cancerogenic, and hydrogen peroxide represents a valid alternative for its low environmental impact. This thesis work concerned about design, sizing and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation of a hydrogen peroxide monopropellant thruster capable to produce 1 Newton of thrust in vacuum. The design and the sizing have been carried with the aid of Chemical Equilibrium with Applications (CEA), a software developed by NASA used for thermochemical applications. The CFD simulation, carried by means of ANSYS® Fluent software, concerned the analysis of the nozzle and the exhaust plume at different altitudes. It has been then possible to evaluate the nozzle efficiency, comparing ideal parameters with the one obtained with the simulations, showing how the engine results to be more efficient in adapted or underexpanded regime. Moreover, it has been possible to observe how the external pressure influences the structure of the exhaust plume, composed of a series of oblique shocks and Prandtl-Meyer expansions.

L'utilizzo del perossido di idrogeno come monopropellente per applicazioni che richiedono bassi livelli di spinta è tornato ad essere di grande interesse negli ultimi anni. L'obiettivo principale è quello di trovare un sostituto dell'idrazina, altamente tossica e cancerogena, e il perossido di idrogeno ne rappresenta una valida alternativa per via del suo basso impatto ambientale. Questo lavoro di tesi si è occupato del design, del dimensionamento e della simulazione di Fluidodinamica Computazionale (CFD) di un monopropellente, alimentato ad acqua ossigenata, capace di produrre 1 Newton di spinta nel vuoto. Il design e il dimensionamento sono stati effettuati con l'ausilio di Chemical Equilibrium with Applications (CEA), un software sviluppato della NASA utilizzato per applicazioni termochimiche. La simulazione CFD, effettuata con il software ANSYS® Fluent, ha riguardato l'analisi dell'ugello e della scia di scarico a diverse altitudini. Ciò ha permesso di valutare l'efficienza dell'ugello confrontando i parametri ideali con quelli ottenuti attraverso le simulazioni, mostrando come il propulsore risulti più efficiente quando opera in regime adattato oppure sottoespanso. Inoltre, è stato possibile apprezzare come la pressione esterna influenzi la struttura delle scia di scarico dell'ugello, composta da una serie di onde d'urto e di espansioni di Prandtl-Meyer.