• catalizzatore a sfere
• differenze finite
• endoreattore
• perossido d'idrogeno
• propulsore
• transitorio

Il perossido di idrogeno ad alte concentrazioni è una sostanza che decompone spontaneamente secondo una reazione fortemente esotermica che libera ossigeno gassoso e vapor d’acqua. L’estrema lentezza della reazione rende necessaria la presenza di un catalizzatore in grado di incrementare la velocità di reazione senza consumarsi. È dunque intuitivo come lo studio dei letti catalitici, dei materiali catalizzatori e delle possibili configurazioni del catalizzatore siano alla base del disegno e del progetto dei propulsori monopropellenti a perossido di idrogeno. Gli esperimenti condotti da ALTA su prototipi di propulsori monopropellente da 5N a perossido di idrogeno con letti catalitici a sfere hanno mostrato transitori di avviamento relativamente lunghi (20-25s). I requisiti tipici sul ritardo di accensione non dovrebbero superare 1s. Elevati ritardi di accensione possono infatti essere la causa di errori di traiettoria, instabilità del veicolo spaziale, ampio consumo di propellente. Nel presente lavoro di tesi sono stati elaborati dei modelli predittivi e dei codici numerici in ambiente Matlab per l’analisi del transitorio di avviamento di propulsori monopropellente a perossido di idrogeno con letti catalitici a sfere. L’obiettivo era quello di individuare quali parametri fossero la causa del lungo transitorio osservato sperimentalmente. L’estrema complessità nel dover trattare un problema PDE non lineare che coinvolge un flusso bifase liquido+gas+vapore e l’assenza di lavori simili in letteratura ha portato a dover semplificare il problema elaborando un codice numerico quasi-stazionario in cui si trascura la caduta di pressione all’interno del letto catalitico. Da questa analisi si è dedotto che il lungo transitorio di avviamento osservato sperimentalmente è causato da effetti di non adiabaticità. Il riscaldamento delle sfere catalitiche gioca infatti un ruolo fondamentale nella catalizzazione del perossido di idrogeno liquido iniettato nella camera di spinta. Sono così stati individuati i parametri su cui poter operare per ridurre il transitorio di accensione.

High concentration hydrogen peroxide decomposes spontaneously with an exothermal reaction that release gaseous oxygen and steam. Catalysts is necessary in order to accelerate the reaction rate because the extremely slow reaction velocity. It is of very importance to investigate catalytic bed configurations and catalytic materials for the design of hydrogen peroxide monopropellant rockets. The experimental activity carried out in ALTA’s laboratories on 5N hydrogen peroxide monopropellant thrusters with sphere’s catalytic beds has shown relatively long start-up transient (20-25s). Typical requirements on ignition delay are under 1s. High ignition delay causes trajectory errors, spacecraft instabilities and wide propellant consumption. In the present work mathematical 1-D models and numerical codes in Matlab for the ignition transient analysis of hydrogen peroxide monopropellant thrusters have been elaborated with the aim of individuate the causes of long experimental transient. The extremely complex non-linear PDEs multiphase liquid+gas+vapour flux-conservative problem forced to simplify the model with a quasi-steady approximation in which catalytic bed pressure drop is neglected. Simulations have shown that non-adiabatic effects are the causes of relatively long ignition transient observed in experiments. Catalytic spheres heating have a fundamental role in hydrogen peroxide catalysis through the bed and key parameters able to reduce ignition delay have been individuated.