Hydrogen peroxide based green propellants for future space propulsion applications

Recent space developments are implementing several simpler and less expensive rocket technologies. Environmental concerns and following governmental restrictions necessitate to replace current (hydrazine-based) toxic propellants with green ones, with a minimum loss of performance. Hydrogen peroxide is a promising candidate for the future of green propellants due to its flexibility and its benign nature allows the advancement of simple, cost-effective, and environmentally friendly propulsion with sufficient performance to replace hydrazine or other high-performing toxic propellants. Consequently, this thesis is devoted for the study of hydrogen peroxide-based propellants for future space propulsion applications. The main objective of this work is to study the combustion properties of green propellants. Foremost we discussed the hydrogen peroxide use, properties, and management of in-space propulsion, and later, various combinations and compositions with hydrogen peroxide have been studied using NASA CEA code. The activity performed concerns the study of hydrogen peroxide as the mono propellant, bi propellant and hybrid propellant. The main purpose is to find combustion temperature and specific impulse values at different O/F ratios of 2,4,6,8,10 and various pressure chamber values of 20, 25, and 30 bar. For this purpose, two cases have been considered to study the bi propellant of ethanol, RP-1 and liquid methane and mass fraction variation is obtained at different O/F ratio and at chamber, throat and exit. Four cases have been studied in the hybrid propellant condition with various paraffin waxes (SASOL 0907, SASOL 6003, SASOL 6805) as fuel and addition of aluminum effects have been studied efficiently. Analysis has done considering all the compositions and comparison of combustion products in the case of bi propellant in order to achieve the best efficiency at proper O/F ratio and fixed chamber pressure. It is observed that concentration of hydrogen peroxide has the significant effect on combustion performances and the chemical composition effects due to weight concentration. It is concluded that hydrogen peroxide is useful for the future development of the research activity.

I recenti sviluppi spaziali stanno implementando diverse tecnologie missilistiche più semplici e meno costose. Le preoccupazioni ambientali e le seguenti restrizioni governative richiedono la sostituzione degli attuali propellenti tossici (a base di idrazina) con quelli verdi, con una minima perdita di prestazioni. Il perossido di idrogeno è un candidato promettente per il futuro dei propellenti verdi grazie alla sua flessibilità e la sua natura benigna consente il progresso di una propulsione semplice, economica ed ecologica con prestazioni sufficienti per sostituire l'idrazina o altri propellenti tossici ad alte prestazioni. Di conseguenza, questa tesi è dedicata allo studio di propellenti a base di perossido di idrogeno per future applicazioni di propulsione spaziale. L'obiettivo principale di questo lavoro è studiare le proprietà di combustione dei propellenti verdi. Innanzitutto abbiamo discusso l'uso, le proprietà e la gestione del perossido di idrogeno della propulsione nello spazio e, successivamente, sono state studiate varie combinazioni e composizioni con il perossido di idrogeno utilizzando il codice CEA della NASA. L'attività svolta riguarda lo studio del perossido di idrogeno come propellente mono propellente, bi propellente e ibrido. Lo scopo principale è quello di trovare la temperatura di combustione e i valori specifici degli impulsi a diversi rapporti O / F di 2,4,6,8,10 e vari valori della camera di pressione di 20, 25 e 30 bar. A tal fine, sono stati considerati due casi per studiare il bi propellente di etanolo, RP-1 e metano liquido e la variazione della frazione di massa è ottenuta a diversi rapporti O / F e in camera, gola e uscita. Quattro casi sono stati studiati nella condizione propellente ibrido con varie cere di paraffina (SASOL 0907, SASOL 6003, SASOL 6805) come carburante e l'aggiunta di effetti di alluminio sono stati studiati in modo efficiente. L'analisi è stata fatta considerando tutte le composizioni e il confronto dei prodotti della combustione nel caso di bi propellente al fine di ottenere la migliore efficienza con un corretto rapporto O / F e una pressione della camera fissa. Si osserva che la concentrazione di perossido di idrogeno ha un effetto significativo sulle prestazioni di combustione e sugli effetti della composizione chimica dovuti alla concentrazione in peso. Si è concluso che il perossido di idrogeno è utile per il futuro sviluppo dell'attività di ricerca.