Overall analysis of hydrogen, kerosene and methane in LRE technology

The current mantra in the field of rocket propulsion is “THE FUTURE IS GREEN”. Liquid oxygen and methane are often regarded as new promising green propellant components. This thesis aims to do a comparative analysis of methane, kerosene, and hydrogen as rocket fuel combined with liquid oxygen using NASA CEA code. The propulsive parameters examined were vacuum specific impulse, combustion temperature, molar mass, combustion products, coefficient of thrust and characteristic velocity at different O/F ratios, chamber pressures and expansion ratios. In addition to this, propellant mass and tank volume estimation are done for each propellant pair based on Ariane 5 model case. Initially, the optimum O/F ratio for each propellant pair was found. Then, from comparing performance parameters, LOX/LH2 showed the highest efficiency from vacuum specific impulse and characteristic velocity point of view. LOX/Rp-1 showed the highest values at optimum O/F ratios and various chamber pressures from a combustion temperature perspective. Compared to kerosene, methane showed higher vacuum specific impulse and more environmentally friendly combustion products. At last, mass and volume comparison for core and booster stages showed a huge advantage in tank volume size for methane over hydrogen. Overall, the study showed promising results for LOX/LCH4 propellant pair.

L’attuale mantra nel campo della propulsione a razzo è "IL FUTURO È VERDE". L’ossigeno liquido e il metano sono spesso considerati nuovi promettenti componenti di propellente verde. Questa tesi mira a fare un’analisi comparativa di metano, cherosene e idrogeno come combustibile per endoreattori combinato con ossigeno liquido utilizzando il codice CEA della NASA. I parametri propulsivi esaminati sono impulso specifico nel vuoto, temperatura di combustione, massa molare, prodotti di combustione, coefficiente di spinta e velocità caratteristica a diversi rapporti O/F, pressioni della camera e rapporti di espansione. Oltre a ciò, la stima della massa del propellente e del volume del serbatoio viene eseguita per ciascuna coppia di propellente basata sul caso del modello Ariane 5. Inizialmente, è stato trovato il rapporto O/F ottimale per ciascuna coppia di propellenti. Quindi, dal confronto dei parametri di prestazione, LOX/LH2 ha mostrato la massima efficienza dal punto di vista dell’impulso specifico nel vuoto e della velocità caratteristica. LOX/Rp-1 ha mostrato valori più alti con rapporti O/F ottimali e varie pressioni della camera e temperatura di combustione. Rispetto al cherosene, il metano ha mostrato un impulso specifico nel vuoto più elevato e prodotti di combustione più rispettosi dell’ambiente. Infine, il confronto di massa e volume per gli stadi del nucleo e del booster ha mostrato un enorme vantaggio nella dimensione del volume del serbatoio per il metano rispetto all’idrogeno. Nel complesso, lo studio ha mostrato risultati promettenti per la coppia di propellenti LOX/LCH4.