بررسی تاثیر قطر دانه‎های کاتالیست بر عملکرد محفظه تجزیه رانشگر کاتالیستی هیدرازینی

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 3، دوره 35، شماره 4 - شماره پیاپی 34، دی 1402، صفحه 33-46   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2023.76821.1121

نویسندگان

محمد رضا سلیمی¹؛ حدیثه کریمایی^{* 1}؛ مصطفی غلامپور یزدی²

¹گروه علوم فضایی، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوری

²پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوری

چکیده

رانشگرهای تک‎پیشرانه‏ای هیدرازینی، بطور گسترده در سامانه‌های کنترل وضعیت، انتقال مداری و اصلاح موقعیت ماهواره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این رانشگرها، تک‎پیشرانه هیدرازین، با عبور از بستر کاتالیستی و طی یک واکنش به شدت گرمازا به محصولات داغ گازی تجزیه می‌شود. در این مقاله، محفظه تجزیه یک رانشگر تک‎پیشرانه‏ای هیدرازینی، در مقیـاس دانه‌های تشکیل دهنده بستر کاتالیستی، بصورت عددی شبیه‌سازی شده است سپس اثر پارامتر قطر دانه‎های کاتالیست روی عملکرد محفظه تجزیه با بستر کاتالیستی مورد مطالعه به طول 48/2 سانتی‌متر، مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه‌سازی‌ها برای دانه‎های کاتالیست با قطرهای 88/0، 1، 15/1 میلی‌متر در ضریب تخلخل 4/0 و فشار ورودی محفظه 15 بار انجام گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که اندازه دانه‎های کاتالیست بر عملکرد محفظه موثر بوده و با افزایش آن، تجزیه هیدرازین حدود 8% و دمای بستر حدود 5% افزایش یافته و دبی جرمی حدود 25% کاهش می‌یابد که بارگذاری بستر نیز به تبع آن حدود 5% کاهش می‏یابد. در نهایت، افزایش بیشتر دمای محفظه تجزیه، سبب افزایش دمای دیواره بیرونی می‏گردد.

کلیدواژه‌ها

رانشگرهای تک&lrm؛ پیشرانه&rlm؛ ای؛ بستر کاتالیستی؛ محفظه تجزیه؛ قطر دانه&lrm؛ های کاتالیست؛ هیدرازین

مراجع

[1] N. S. Davis, and J. H. Keefe ,“Concentrated Hydrogen Peroxide as a Propellant”, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol.48, no. 4, pp.745-748, 1956.  

[2] B. W. Schmitz, ; W.W. Smith, D.A. Williams, and D. Maybee, Design and Scaling Criteria for Monopropellant Hydrazine Rocket Engines and Gas Generators Employing Shell 405 Catalyst; in: AIAA Second Propulsion Joint Specialist Conference, Colorado Springs, Colorado, 1966.

[3] A. S. Kersten, Analytical Study of Catalystic Reactors for Hydrazine Decomposition; Technical Report, NASA UARL G. pp. 7-458. 1969,

[4] A.S. Kersten, Analytical and Experimental Studies of the Transient Behaviour of Catalytic Reactor for Hydrazine Decomposition; Technical Report, NASA UARL C., 459-960, 1967.

[5] V. Shankar, A.K Anantha Ram and K. A. Bhaskaran, “Prediction of the Concentration of Hydrazine Decomposition Products Along a Granular Catalystic Bed”; Acta Astronautica. vol.11, no. 6, pp. 287–299. 1984.

 [6] A. E. Makled, H. Belal, Modeling of Hydrazine Decomposition for Monopropellant Thrusters; 13^th International Conference on Aerospace Sciences & Aviation Technology. 2009.

 [7] CH. Hwang, S.N. Lee, S.W. Baek, C.Y. Han, S.K. Kim and M.J. Yu, “Effects of Catalyst Bed Failure on Thermo Chemical Phenomena for a Hydrazine Monopropellant Thruster Using Ir/Al2O3 Catalysts”, Industrial & Engineering Chemistry Research, no. 51, pp. 5382–5393, 2012.

 [8] Z.G. Gao, G.x. Li, T. Zhang, X. Liu, Z. Wang and X. Liu, “Numerical Simulation for the Decomposition of DT-3 in a Monopropellant Thruster”, Aerospace Science and Technology , vol. 74, no. 1, pp. 132-144, 2018.

 [9] M.R. Salimi, H. Karimaei, “Making Catalyst and Preparing Catalyst Bed for Hydrazine Decomposition in Low-Thrust Monopropellant Thrusters”, Technology in Aerospace Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 17-25, 2019. (In Persian)

 [10] Sh. Pakdehi, F. Shirvani, R. Zolfaghari, “A Thermodynamic Study on Catalytic Decomposition of Hydrazine in a Space Thruster”, Archives of Thermodynamics, vol.40, no. 4, pp. 10-20. 2019.

 [11] M. Namazi, M. Nayebi, A. Isazadeh, , A. Modarresi, I.G. Marzbali, and S.M. Hosseinalipour, “Experimental and numerical study of catalytic combustion and pore-scale numerical study of mass diffusion in high porosity fibrous porous media”, Energy. vol. 238, no. 1, 121831-9. 2022.

 [12] S.A. Solovev, O.V. Soloveva, I.G. Akhmetova, Y.V. Vankov, and D.L. Paluku , “Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer in an Open-Cell Foam Catalyst on Example of the Acetylene Hydrogenation Reaction”, Chemical Engineering. vol. 6, no.1, pp. 11-19, 2022.

 [13] L. Chen, R. Zhang, Q. Kang, and W.Q. Tao, “Pore-scale study of pore-ionomer interfacial reactive transport processes in proton exchange membrane fuel cell catalyst layer”, Chemical Engineering Journal., vol. 391, no. 1, pp.123590-9. 2020.

[14] M. Farzaneh, H. Ström, F. Zanini, S. Carmignato, S. Sasic and D. Maggiolo, “Pore-scale transport and two-phase fluid structures in fibrous porous layers: Application to fuel cells and beyond”, Transport in Porous Media., vol.136, no.1, pp. 245-270. 2021.

 [15] C.H. Hwang, S.W. Baek, S.J. Cho, “Experimental Investigation of Decomposition and Evaporation Characteristics of HAN-Based Monopropellants”, Combustion and Flame, vol. 161, no. 4, pp. 1109–1116. 2014.

 [16] Z.G. Gao, G.X. Li, T. Zhang, X.H. Liu, Z.H. Wang, X. Liu, “Numerical simulation for the decomposition of DT-3 in a monopropellant thruster”, Aerospace Science and Technology., vol. 74, no.1, pp. 132-144, 2018.