Hydrogen peroxide catalytic decomposition : numerical and experimental analysis

In recent decades, the reduction of toxic emissions is the goal in many areas, including space propulsion. The search for green or less toxic alternatives to propellants such as hydrazine, whose excellent performance has always trumped all management and storage problems related to its toxicity, has therefore increased significantly. In this context, hydrogen peroxide is a good candidate for the future of liquid propulsion, either as a monopropellant or in combination with a fuel. Thanks to its exothermic decomposition, typically through catalytic beds, hydrogen peroxide generates low-emission products such as water vapour and oxygen. The purpose of this thesis is therefore to analyze the catalytic decomposition of hydrogen peroxide at high concentrations. In particular, a reduced-order, one-dimensional, steady and adiabatic model has been implemented and various parameters inherent to the process and their influence on the model itself have been investigated. In addition, to find a better approximation to the pressure drop within the catalytic bed, several correlations found in the literature have been introduced and compared. The model also made it possible to cross-reference numerical predictions with experimental results obtained through work conducted at the Space Propulsion Laboratory of Politecnico di Milano. Two different bed configurations and two different types of catalysts have been tested. Efficiencies above 95% have been achieved in great part of the campaign.

Negli ultimi decenni, la riduzione delle emissioni tossiche è l'obiettivo in molti ambiti, inclusa la propulsione spaziale. La ricerca di soluzioni alternative "green" o meno tossiche a propellenti come l'idrazina, le cui eccellenti performance hanno sempre messo in secondo piano tutti i problemi relativi alla sua tossicità, è quindi notevolmente aumentata. In questo contesto, l'acqua ossigenata rappresenta un buon candidato per il futuro della propulsione liquida, sia come monopropellente che in coppia con un combustibile. Grazie ad una decomposizione esotermica, tipicamente attraverso letti catalitici, l'acqua ossigenata genera dei prodotti a basse emissioni come vapore acqueo e ossigeno. Lo scopo di questa tesi è dunque di analizzare la decomposizione catalitica dell'acqua ossigenata ad alte concentrazioni. In particolare, un modello ad ordine ridotto, monodimensionale, stazionario e adiabatico è stato implementato e sono stati investigati vari parametri inerenti il processo e la loro influenza sul modello stesso. In aggiunta, per migliorare l'approssimazione relativa alla perdita di pressione all'interno del letto catalitico, diverse correlazioni presenti in letteratura sono state introdotte e comparate. Il modello ha permesso inoltre di incrociare le previsioni numeriche con i risultati sperimentali ottenuti attraverso l'attività condotta presso lo Space Propulsion Laboratory del Politecnico di Milano. Due tipi di catalizzatori e due configurazioni del letto catalitico sono state testate, raggiungendo efficienze al di sopra del 95% per gran parte della campagna sperimentale.