Estudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportado

• Ano de defesa: 2015
• Autor(a) principal: Luciano Hennemann
• Orientador(a): Fernando de Souza Costa
• Banca de defesa: Roman Ivanovitch Savonov, Turíbio Gomes Soares Neto, Carlos Henrique Marchi, Carlos Alberto Gurgel Veras
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Combustão e Propulsão
• País: BR
• Resumo em Inglês: Nitrous oxide is a monopropellant with potential for use in propulsion systems of satellites. This work presents a theoretical and experimental investigation of a 2N thruster prototype using gaseous nitrous oxide such as the monopropellant. The nitrous oxide is decomposed by a supported catalyst with pre-heating of the gaseous propellant and the catalyst by a glow plug. Initially a theoretical study of the propulsive parameters and the design of the engine for operation in ambient condition were performed. A modular design was adopted allowing the use of catalytic beds with different lengths and diameters. Due to its high decomposition efficiency, a rhodium oxide catalyst supported in alumina was prepared at LCP/INPE laboratories and used for nitrous oxide decomposition. Catalyst pellets had about 2 mm diameter and 3 mm length. Prototype thrusters with different chambers were manufactured and performance tests were made. An existing test bench was improved for testing and evaluation of the thrusters. The measured parameters included thrust level, mass flow of oxidizer, pressures and temperatures in the supply line and in the propellant chamber. From the experimental data the propulsive parameters such as specific impulse, thrust coefficients, characteristic speeds and efficiencies were determined. Two computational models were developed in order to reproduce the thruster behavior. A steady one-dimensional model using the Ergun equation for porous media flow, with homogeneous and heterogeneous reaction rates, was used to simulate the decomposition and to predict the final temperature and composition along the catalytic chamber. A lumped parameter thermal model, also considering homogeneous and heterogeneous reaction rates, described the transient behavior of the flow and temperature distribution during pulsed operation of the thruster. The theoretical curves of temperature and other properties from both models were compared with the curves obtained experimentally indicating reasonable agreement.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/01.21.13.17

O óxido nitroso é um monopropelente com uso potencial em sistemas de propulsão de satélites. Este trabalho apresenta uma investigação teórico-experimental de um propulsor com empuxo de 2 N empregando óxido nitroso gasoso como monopropelente, decomposto por um catalisador suportado e com pré-aquecimento do propelente e do catalisador por um sistema \emph{glow-plug}. Inicialmente foi realizado um estudo teórico dos parâmetros propulsivos e o dimensionamento do propulsor para operação em condição ambiente. Adotou-se um projeto modular permitindo o uso de leitos catalíticos de diferentes comprimentos e diâmetros. Devido à sua eficiência de decomposição, um catalisador com óxido de ródio suportado em alumina foi preparado nos laboratórios do INPE/LCP e usado para decomposição do óxido nitroso. Os grãos de catalisador eram extrudados cilíndricos com cerca de 2 mm de diâmetro e 3 mm de comprimento. Foi realizada a construção de protótipos com diferentes câmaras e foram executados testes de desempenho do propulsor. Uma bancada experimental existente foi adaptada para a realização dos testes e avaliação dos propulsores. Foram medidos o empuxo, vazão mássica de oxidante, além das pressões e temperaturas na linha de alimentação e na câmara do propulsor. A partir dos dados experimentais foram determinados os parâmetros propulsivos como impulsos específicos, coeficientes de empuxo, velocidades características e eficiências. Dois modelos computacionais foram desenvolvidos para descrever o funcionamento do propulsor. Um modelo unidimensional em regime permanente utilizando a Equação de Ergun para meios porosos, com taxas de reação homogênea e heterogênea, foi utilizado para simular a decomposição do propelente e determinar a distribuição de temperaturas e a composição final ao longo do leito catalítico. Um modelo térmico de parâmetros concentrados, também considerando taxas de reação homogênea e heterogênea, avaliou o comportamento transiente do escoamento e da distribuição de temperaturas no propulsor, permitindo simular o funcionamento pulsado do propulsor. As curvas de temperatura e demais dados dos modelos teóricos foram comparadas às curvas experimentais, obtendo-se razoável concordância.