Design of a green-propellant based micro-thruster

As the aerospace industries grow, the need to move towards ecologically cleaner alternatives is increasing. The lawmakers around the world are also promoting green alternatives as government bill as a means to encourage. Green propellants like hydrogen peroxide are providing similar performance with minimum loss in performance as compared to its toxic counterparts like hydrazine and other oxides of nitrogen. Hydrogen peroxide is a cheaper and stable alternative which produces environmentally safer by-products. The aim of this thesis is to explore hydrogen peroxide as a propellant and consequently, propose a mathematical design of a green propellant based microthruster. This work focuses on discussing hydrogen peroxide as a propellant and its physical and chemical properties. These features are then used to propose a sizing of a microthruster based. Thus, the performance is computed in a logical manner starting from the nozzle to the pressurization system. The numerical approach considered in this thesis can be implemented for other off-design conditions as well.

La necessità di muoversi verso alternative ecologicamente più pulite nell’ambito di tutte le attività spaziali sta progressivamente aumentando. I legislatori di tutto il mondo stanno promuovendo alternative verdi per favorire la transizione verso soluzioni più attente all’impatto ambientale. I propellenti verdi come il perossido di idrogeno stanno fornendo buone prestazioni con una perdita minima di prestazioni rispetto alle controparti tossiche quali l'idrazina e altri ossidi di azoto. Il perossido di idrogeno costituisce infatti un'alternativa più economica, garantendo buone proprietà di stabilità, e produce sottoprodotti più sicuri per l'ambiente. Lo scopo di questa tesi è quello di esplorare il perossido di idrogeno come propellente e, di conseguenza, proporre il progetto di un micro-propulsore basato su un propellente verde. Questo lavoro si concentra sulla discussione del perossido di idrogeno come propellente e sulle sue proprietà fisiche e chimiche. Queste caratteristiche sono poi utilizzate per proporre un dimensionamento di un micro-propulsore. Le prestazioni del micro-propulsore sono calcolate in riferimento ad ogni suo componente, a partire dal sistema di pressurizzazione fino all’ugello. L'approccio numerico considerato in questa tesi può essere implementato anche per lo studio di altre condizioni off-design.