Hydrogen peroxide as a hybrid rocket propellant

Currently, considerable efforts have been made in aerospace field in order to replace toxic propellants such as hydrazine and its derivatives. Their carcinogenic nature requires special measures in handling, transportation and storage, resulting in significant high cost both for the industry and the environment. A realistic green substitute is hydrogen peroxide, ensuring comparable performance, and the possibility of building simple and cost- effective thrusters. This work of thesis provides a comprehensive investigation about hydrogen peroxide in propulsive systems and its use for hybrid rockets. For this purpose, physicochemical properties of the material has been studied as well as stability and safety issues. Hydrogen Peroxide catalytic decomposition and suitable heterogeneous catalysts are discussed. Then, existing applications of H2O2 in propulsive systems are introduced, such as in monopropellant and hybrid engines. Finally, an accurate material analysis is carried out, in order to compare different fuels to be combined with hydrogen peroxide, for the further development of efficient and reliable hybrid propulsion systems. Thus, ballistic properties and environmental impact of paraffin wax, HTPB and PE have been discussed.

Negli ultimi anni è cresciuto l’interesse in ambito aerospaziale per la sostituzione di propellenti tossici, come l’idrazina e i suoi derivati. La natura cancerogena di questi materiali richiede misure specifiche per la loro gestione, trasporto e stoccaggio, comportando costi elevati sia per l’industria che per l’ambiente. Una valida alternativa “verde” è rappresentata dal perossido di idrogeno, che garantisce prestazioni comparabili e la possibilità di costruire propulsori semplici e convenienti. Questo lavoro di tesi fornisce un'indagine sul perossido di idrogeno nei sistemi propulsivi e il suo uso negli endoreattori ibridi. A tal proposito sono state studiate le proprietà fisico-chimiche del materiale, nonché i problemi di stabilità e sicurezza. Sono, inoltre, affrontate questioni quali la decomposizione catalitica del perossido di idrogeno e i catalizzatori eterogenei più adatti. Successivamente, vengono introdotte applicazioni di H2O2 nei sistemi propulsivi, esistenti in letteratura, come per motori monopropellenti e ibridi. Infine, viene effettuata un'accurata analisi dei materiali, al fine di confrontare diversi combustibili da combinare con il perossido di idrogeno, per lo sviluppo futuro di sistemi ibridi efficienti e affidabili. Vengono quindi discusse le proprietà balistiche e l'impatto ambientale di Paraffina, HTPB e PE.