تحلیل انتقال حرارت یک رانشگر تک‎مولفه‎ کاتالیستی تحت تاثیر ضخامت دیواره

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه علوم فضایی، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوری، تهران، ایران

چکیده

کنترل ‌حرارتی یک سامانه فضائی برای عملکرد بهینه و موفقیت در مأموریت ضروری است. در این مقاله، محفظه تجزیه یک رانشگر تک ‎پیشرانه‏ هیدرازینی، در مقیـاس دانه‌‌های تشکیل دهنده بستر کاتالیستی، بصورت عددی شبیه‌سازی شده است و تاثیر ضخامت پوسته، از 1 تا 5 میلی‎متر، بر روی انتقال حرارت تشعشع، هدایت و توزیع دمای رانشگر و دیگر پارامترهای عملکردی رانشگر بررسی شده است. اهمیت بیشینه دما در ملاحظات سازه‏ای رانشگر از یک سو و افزایش وزن رانشگر در پی افزایش ضخامت پوسته با هدف کاهش بیشینه دما از سوی دیگر، ارزیابی همزمان این پارامترها را اجتناب ناپذیر می‏ کند. نتایج نشان داد با افزایش ضخامت پوسته، افت چشمگیر شار حرارتی تشعشع تا حدود سه برابر اتفاق افتاده است. جنس انتقال حرارت غالب در مسئله فعلی، از نوع هدایتی می باشد. میزان حرارت نشت کرده هدایتی به بالادست، نسبت به شدت انتقال حرارت تشعشعی از مرتبه تا 1000 برابر بزرگتر است. در نتیجه از این منظر، افزایش ضخامت پوسته سبب افزایش بار مزاحم حرارتی بر روی سامانه کنترل حرارت به دلیل نشت حرارت می‏ گردد. نوآوری تحقیق حاضر بررسی شکل هندسی و ضخامت دیواره رانشگر تک مولفه هیدرازینی شامل محفظه تجزیه و نازل، روی میزان انتقال حرارت تشعشع و هدایت به قطعات بالادست محفظه می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Heat Transfer Analysis of a Catalytic Monopropellant Thruster Under the Influence of Wall Thickness

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Salimi
  • Hadiseh Karimaei
Space Science R.G., Astronautic Department, Aerospace Research Institute. Tehran, Iran
چکیده [English]

Thermal control of a space system is essential for optimal performance and mission success. In this paper, the decomposition chamber of a catalytic monopropellant thruster has been numerically simulated at the pore scale. The effect of this wall thickness, 1-5 mm, on radiation heat transfer and conduction has been investigated. The importance of the maximum temperature in the structural considerations of the thruster, on the one hand, and the increase in the weight of the thruster due to the increase in the thickness of the wall to reduce the maximum temperature on the other hand, make the simultaneous evaluation of these parameters inevitable. The results showed that as the thickness of the wall increases, a significant drop up to about three times in the radiation heat flux has occurred. The dominant type of heat transfer in the current problem is conduction. The heat soak back upstream is up to 1000 times greater than the intensity of radiative heat transfer. Increasing the thickness of the wall causes an increase in the heat soak back on the thermal control system. The novelty is to investigate the geometric shape and wall thickness of a catalytic monopropellant thruster on the rate of radiation and conduction heat transfer to the upstream parts.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Monopropellant Thruster
  • Catalyst Bed
  • Conduction
  • Radiation
  • Thermal Control System (TCS)

مراجع

  1. W. Schmitz, W.W. Smith, D.A. Williams, 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).
  2. S. Kersten, Analytical Study of Catalystic Reactors for Hydrazine Decomposition, Technical Rep., NASA UARL G., (1969), 7-458.
  3. S. Kersten, Analytical and Experimental Studies of the Transient Behaviour of Catalytic Reactor for Hydrazine Decomposition, Technical Rep., UARL Contract NAS., (1967), 459-960.
  4. Shankar, A.K. Anantha Ram, K. A. Bhaskaran, Prediction of the Concentration of Hydrazine Decomposition Products Along a Granular Catalystic Bed, Acta Astronautica, 11(6), (1984), 287–299.
  5. Hwang, S.N. Lee, S.W. Baek, C.Y. Han, S.K. Kim, M.J. Yu, Effects of Catalyst Bed Failure on Thermo Chemical Phenomena for a Hydrazine Monopropellant Thruster Using Ir/Al2O3 Catalysts, Ind. Eng. Chem. Res., 51(15), (2012), 5382–5393.
  6.  M.R. Salimi, H. Karimaei, Making Catalyst and Preparing Catalyst Bed for Hydrazine Decomposition in Low-Thrust Monopropellant Thrusters, J. Technol. Aerospace Eng., 2(1), (2019), 17-25 (In Persian).
  7.  Sh. Pakdehi, F. Shirvani, R. Zolfaghari, A Thermodynamic Study on Catalytic Decomposition of Hydrazine in a Space Thruster, Arch. Thermodyn., 40(4), (2019), 151-166.
  8.  L. Chen, R. Zhang, Q. Kang, W.Q. Tao, Pore-scale study of pore-ionomer interfacial reactive transport processes in proton exchange membrane fuel cell catalyst layer, Chemical Engineering Journal, 39(1), (2020), 123590-9.
  9.  M. Farzaneh, H. Ström, F. Zanini, S. Carmignato, S. Sasic, D. Maggiolo, Pore-scale transport and two-phase fluid structures in fibrous porous layers: Application to fuel cells and beyond, Transport in Porous Media, 136(1), (2021), 245-270.
  10.  B.L. Rhodes, E.R. Ulrich, P.D. Ronney, Small-Scale Hydrogen Peroxide Vapor Propulsion System: Catalyst Performance and Heat Transfer, In AIAA Propulsion and Energy Conference, (2019 Forum), 4029-4038.
  11.  J.R. Asencio, R.I. Savonov, and R.I. Marques, An Open-source Solver to Model the Catalytic Decomposition of Monopropellants for Space Thrusters, Journal of Aerospace Technology and Management, 12(1), (2020), 11-20.
  12.  D.C. Sun, J. Liu, and W.B. Xiang, Numerical simulation of the transient process of monopropellant rocket engines, Aerospace Science and Technology, 10(3), (2020), 105921-9.
  13.  S. Jung, S. Choi, S. Heo, S. Kwon, Scaling of catalyst bed for hydrogen peroxide monopropellant thrusters using catalytic decomposition modeling, Acta Astronautica, 187(1), (2021), 167-180.
  14.  A. Pasini, L. Torre, L. Romeo, A. Cervone, L. d'Agostino, Reduced-order model for H2O2 catalytic reactor performance analysis, Journal of Propulsion and Power, 26(3), (2010), 446-453.
  15.  M.R. Salimi, H. Karimaei, M. Gholampour Yazdi, Numerical Study of Catalyst Bed Performance of a Monopropellant Thruster Under Influence of Porosity Coefficient, Amir Kabir Journal of Mechanical Engineering, 54 (7), (2022), 1607-1622.
  16.  M.R. Salimi, H. Karimaei, M. Gholampour Yazdi, Investigation of the Effect of Catalyst Granule Diameter on the Performance of Decomposition Chamber of a Hydrazine Catalytic Thruster, Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, 34(4), (2023), 33-46.
  17.  M.R. Salimi, H. Karimaei, M. Gholampour Yazdi, Numerical Modeling and Parametric Analysis of Performance of a Monopropellant Thruster Using a Single-Part Catalyst Bed Model, Combustion Theory and Modelling, 28(1), (2024), 36-64.
  18.  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, 74(1), (2018), 132-144.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 56، شماره 10
1403
صفحه 1355-1376

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار