Storable green oxidizers for hybrid rocket propulsion

Liquid oxygen is the most used oxidizer in actual hybrid rocket engines thanks to its high specific impulse, availability and heritage. The cryogenic nature of liquid oxygen (LOX) complicates the plumbing and feed systems of the implemented HRE and makes it non suitable for long term in-space missions. Despite its high performances, LOX is not suitable for many military and space applications when storability or simplicity are required. Storable oxidizers as nitrogen tetroxide have raised concerns during last decades for their pollutant impact on the environment and their high toxicity. Due to these reasons, there are increasing motivations in studying and developing these storable green oxidizers for hybrid rocket applications. The most promising storable green oxidizers are hydrogen peroxide (H2O2), nitrous oxide (N2O), and hydroxyl ammonium nitrate (HAN). As an additional advantage, the exothermic decomposition of these storable oxidizers makes them suitable for monopropellant applications and simplifies the engine ignition hardware. Open literature studies and publications about the three storable green oxidizers H2O2, N2O, and HAN are wide and have been reviewed in this work. Oxidizers’ physical properties, decomposition and catalysis, availability, storability, advantages and constraints in monopropellant devices are discussed. Then their applications and performances in hybrid rocket engines are studied. Finally, a thermochemical analysis of storable green oxidizers in combustion with paraffin fuel is conducted using NASA CEA code. Especially, their performances in terms of chamber flame temperature and vacuum specific impulse in a hybrid paraffin-fueled rocket engine are studied. In combustion with paraffin fuel and with a nozzle expansion ratio of 40, hydrogen peroxide provides a vacuum specific impulse up to 330 s. In the same conditions, nitrous oxide and HAN reach respectively a maximum performance of 315 s and 302 s.

L'ossigeno liquido è l'ossidante più usato negli attuali motori a razzo ibridi grazie al suo alto impulso specifico, alla sua disponibilità e al suo patrimonio. La natura criogenica dell'ossigeno liquido (LOX) complica l'impianto idraulico e i sistemi di alimentazione degli HRE implementati e lo rende non adatto a missioni spaziali a lungo termine. Nonostante le sue alte prestazioni, il LOX non è adatto a molte applicazioni militari e spaziali quando sono richieste la conservabilità o la semplicità. Gli ossidanti stoccabili come il tetrossido di azoto hanno sollevato preoccupazioni negli ultimi decenni per il loro impatto inquinante sull'ambiente e la loro alta tossicità. A causa di queste ragioni, ci sono sempre più motivazioni nello studio e nello sviluppo di questi ossidanti verdi stoccabili per applicazioni ibride a razzo. Gli ossidanti verdi più promettenti sono il perossido di idrogeno (H2O2), il protossido di azoto (N2O) e il nitrato di ammonio idrossilato (HAN). Come ulteriore vantaggio, la decomposizione esotermica di questi ossidanti stoccabili li rende adatti ad applicazioni monopropellenti e semplifica l'hardware di accensione del motore. Gli studi e le pubblicazioni della letteratura aperta sui tre ossidanti verdi immagazzinabili H2O2, N2O e HAN sono numerosi e sono stati rivisti in questo lavoro. Vengono discusse le proprietà fisiche degli ossidanti, la decomposizione e la catalisi, la disponibilità, la conservabilità, i vantaggi e i vincoli nei dispositivi monopropellenti. Poi vengono studiate le loro applicazioni e prestazioni nei motori a razzo ibridi. Infine, un'analisi termochimica degli ossidanti verdi immagazzinabili nella combustione con combustibile paraffinico è condotta utilizzando il codice NASA CEA. In particolare, vengono studiate le loro prestazioni in termini di temperatura della fiamma della camera e di impulso specifico a vuoto in un motore a razzo ibrido alimentato a paraffina. Nella combustione con combustibile paraffinico e con un rapporto di espansione dell'ugello di 40, il perossido di idrogeno fornisce un impulso specifico a vuoto fino a 330 s. Nelle stesse condizioni, il protossido di azoto e HAN raggiungono rispettivamente una prestazione massima di 315 s e 302 s.