Modeling and simulation of propellant transfer phenomena in self-pressurizing propulsion systems

Nitrous oxide has gained popularity as propellant in the space field during the last decade because it is storable at room temperature, easy to handle and non-toxic. Due to its high vapour pressure, it can be exploited in Vapour Pressurization, VaPak, systems. Self-pressurizing propulsion systems are interesting since they do not require any pump and external pressurization system, reducing complexity, cost and weight of propulsion system. Phenomena such as phase transition and heat transfer between liquid and vapour occur during a discharge process of nitrous oxide from a tank. Modeling of these aspects influences how accurately the pressure history in the tank and the mass flow rate out of the tank can be predicted. In this thesis, two models of a self-pressurizing oxidizer tank dynamics have been implemented, described and compared, considering also the heating of the tank due to an external heat source. One model is based on the phase equilibrium assumption between liquid and vapour and the second model utilizes the non-ideal Peng-Robinson equation of state. Moreover, a conceptual design of nitrous oxide transfer exploiting the vapour pressure difference between the donor and the receiving tanks has been studied. Due to strong dependence of vapour pressure on temperature, an external heat source can be used to maintain a self-pressurized propellant at the working pressure without the use of additional equipment. In this way, the propellant management is implemented with important simplification of the system and saving mass. The work also includes the proposal of a test in order to validate the predictions of the model implemented for the propellant transfer analysis.

Durante l'ultimo decennio il successo dell'ossido di azoto è cresciuto nel campo spaziale poiché permette lo stoccaggio a temperatura ambiente, è facile da gestire, non è tossico e ha un'alta pressione di vapore. Quest'ultima caratteristica lo rende ideale per i sistemi Vapour Pressurization, VaPak. I sistemi auto-pressurizzati sono interessanti in quanto non richiedono pompe e sistemi di pressurizzazione esterni, riducendo così la complessità, il costo e il peso del sistema propulsivo. Durante lo svuotamento di un serbatoio contenente ossido di azoto si verificano fenomeni come la transizione di fase e la trasmissione di calore tra il liquido e il vapore. Da questi aspetti è influenzata la modellazione che descrive l'evoluzione nel tempo della pressione nel serbatoio e la portata massica uscente dal serbatoio. In questa tesi, sono stati implementati e comparati due modelli per descrivere la dinamica del serbatoio di un propellente auto-pressurizzante, considerando anche il riscaldamento del serbatoio dovuto ad una sorgente esterna. Il primo modello si basa sull'assunzione dell'equilibrio di fase tra liquido e vapore, mentre il secondo utilizza l'equazione di stato di Peng-Robinson. Inoltre, è stato studiato un design concettuale del trasferimento di ossido di azoto che sfrutta la differenza di pressione tra due serbatoi. La pressione di vapore è fortemente influenzata dalla temperatura, per questo motivo una fonte di calore esterna può essere usata per mantenere un propellente auto-pressurizzante alla pressione operativa senza l'uso di dispositivi aggiuntivi, permettendo così la gestione del propellente con importanti semplificazioni del sistema e riduzione della massa. Il lavoro include inoltre la proposta di un test per la verifica sperimentale del modello implementato per l'analisi di trasferimento del propellente.