Catalyst bed for hydrogen peroxide decomposition

This master’s thesis delves into the optimization and design of monopropellant thrusters employing hydrogen peroxide as a propellant, coupled with a catalyst bed for hot gas generation. This propulsion technology presents a promising alternative for small spacecraft and satellites, addressing the toxicity concerns associated with the widely used hydrazine monopropellant. The focus of this study revolves around refining the chemical properties of the catalyst bed, encompassing considerations such as the selection of catalyst material, the choice of catalyst support, and the configuration of the catalyst bed in terms of type and size. Additionally, the report delves into chamber sizing and conducts preliminary simulations of the packed bed. The 2D CFD simulation with Simflow enabled to verify the theoretical thrust of the sized monopropellant engine, leading to a cumulative error of 10%. The experimental results are analyzed to elucidate the influence of the design parameters on crucial aspects such as hydrogen peroxide decomposition efficiency, gas generation rate, and decomposition characteristics within the monopropelled thruster. Following a thorough exploration of available options, the investigation predominantly concentrates on grids and pellets as catalyst supports, and platinum and manganese oxides as catalyst materials. Pellets emerged as a superior support overall due to their user-friendly nature, despite observed deterioration when employed within the engine. Regarding catalyst material, a platinum precursor exhibited enhanced results when deposited through photodeposition, and a rapid method for coating alumina pellets with manganese oxide was successfully developed, showcasing robust decomposition capabilities. Encouragingly, the preliminary CFD study featured a straightforward modeling approach capturing the complex surface reactions within the packed bed channels, resulting in an acceptable error on the thrust. Moreover, the feasibility of 3D modeling the complete catalyst bed was demonstrated using Discrete Element Method, opening avenues for investigations into exotic pellet shapes. The anticipated outcomes of this research aim to advance the comprehension of catalyst bed design principles and their profound effects on thruster performance. Furthermore, these findings hold potential implications for the development of next-generation propulsion systems tailored for small satellites and spacecraft.

Questa tesi di laurea magistrale approfondisce l’ottimizzazione e la progettazione di propulsori monopropellenti che impiegano il perossido di idrogeno come propellente, abbinato a un letto di catalizzatori per la generazione di gas caldo. Questa tecnologia di propulsione rappresenta una promettente alternativa per piccoli veicoli spaziali e satelliti, risolvendo i problemi di tossicità associati al monopropellente idrazina, ampiamente utilizzato. L’attenzione di questo studio si concentra sull’affinamento delle proprietà chimiche del letto catalitico, comprendendo considerazioni quali la selezione del materiale catalitico, la scelta del supporto del catalizzatore e la configurazione del letto catalitico in termini di tipo e dimensioni. Inoltre, il rapporto approfondisce il dimensionamento della camera e conduce simulazioni preliminari del letto impaccato. La simulazione CFD 2D con Simflow ha permesso di verificare la spinta teorica del motore monopropellente dimensionato, con un errore cumulativo del 10%. I risultati sperimentali sono analizzati per chiarire l’influenza dei parametri di progettazione su aspetti cruciali come l’efficienza di decomposizione del perossido di idrogeno, il tasso di generazione del gas e le caratteristiche di decomposizione all’interno del propulsore monopropulsore.Dopo un’approfondita esplorazione delle opzioni disponibili, l’indagine si è concentrata prevalentemente su griglie e pellet come supporti per catalizzatori e su ossidi di platino e manganese come materiali catalizzatori.I pellet sono risultati complessivamente un supporto superiore per la loro facilità d’uso, nonostante il eterioramento osservato durante l’impiego nel motore.Per quanto riguarda i materiali catalitici, un precursore di platino ha mostrato risultati migliori quando è stato depositato tramite fotodeposizione, mentre è stato sviluppato con successo un metodo rapido per rivestire i pellet di allumina con l’ossido di manganese, mostrando robuste capacità di decomposizione. È incoraggiante notare che lo studio preliminare della CFD è stato caratterizzato da un approccio di modellazione semplice che cattura le complesse reazioni superficiali all’interno dei canali del letto impaccato, ottenendo un errore accettabile sulla spinta. Inoltre, è stata dimostrata la fattibilità della modellazione 3D dell’intero letto di catalizzatore utilizzando il metodo degli elementi discreti, aprendo così la strada a indagini su forme esotiche di pellet. I risultati attesi di questa ricerca mirano a far progredire la comprensione dei principi di progettazione del letto catalitico e dei loro profondi effetti sulle prestazioni dei propulsori. Inoltre, questi risultati hanno potenziali implicazioni per lo sviluppo di sistemi di propulsione di prossima generazione, adatti a piccoli satelliti e veicoli spaziali.