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

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Luciano Hennemann
Data de Publicação: 2015
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
Texto Completo: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/01.21.13.17
Resumo: 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.
id INPE_c74e64d44edf66f264d874153125d3b0
oai_identifier_str oai:urlib.net:sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/01.21.13.17.27-0
network_acronym_str INPE
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
spelling info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisEstudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportadoTheoretical and experimental study of a monopropellant thruster with nitrous oxide using rhodium catalyst supported2015-02-20Fernando de Souza CostaRoman Ivanovitch SavonovTuríbio Gomes Soares NetoCarlos Henrique MarchiCarlos Alberto Gurgel VerasLuciano HennemannInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)Programa de Pós-Graduação do INPE em Combustão e PropulsãoINPEBRcatalíticoóxido de ródiocatalisadorcatalyticrhodium oxidecatalystO 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.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.http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/01.21.13.17info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEinstname:Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)instacron:INPE2021-07-31T06:54:42Zoai:urlib.net:sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/01.21.13.17.27-0Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://bibdigital.sid.inpe.br/PUBhttp://bibdigital.sid.inpe.br/col/iconet.com.br/banon/2003/11.21.21.08/doc/oai.cgiopendoar:32772021-07-31 06:54:43.041Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)false
dc.title.pt.fl_str_mv Estudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportado
dc.title.alternative.en.fl_str_mv Theoretical and experimental study of a monopropellant thruster with nitrous oxide using rhodium catalyst supported
title Estudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportado
spellingShingle Estudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportado
Luciano Hennemann
title_short Estudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportado
title_full Estudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportado
title_fullStr Estudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportado
title_full_unstemmed Estudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportado
title_sort Estudo teórico-experimental de um propulsor monopropelente a óxido nitroso usando catalisador de ródio suportado
author Luciano Hennemann
author_facet Luciano Hennemann
author_role author
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Fernando de Souza Costa
dc.contributor.referee1.fl_str_mv Roman Ivanovitch Savonov
dc.contributor.referee2.fl_str_mv Turíbio Gomes Soares Neto
dc.contributor.referee3.fl_str_mv Carlos Henrique Marchi
dc.contributor.referee4.fl_str_mv Carlos Alberto Gurgel Veras
dc.contributor.author.fl_str_mv Luciano Hennemann
contributor_str_mv Fernando de Souza Costa
Roman Ivanovitch Savonov
Turíbio Gomes Soares Neto
Carlos Henrique Marchi
Carlos Alberto Gurgel Veras
dc.description.abstract.por.fl_txt_mv 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.
dc.description.abstract.eng.fl_txt_mv 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.
description 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.
publishDate 2015
dc.date.issued.fl_str_mv 2015-02-20
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
status_str publishedVersion
format doctoralThesis
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/01.21.13.17
url http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/01.21.13.17
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação do INPE em Combustão e Propulsão
dc.publisher.initials.fl_str_mv INPE
dc.publisher.country.fl_str_mv BR
publisher.none.fl_str_mv Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
instname:Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
instacron:INPE
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
instname_str Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
instacron_str INPE
institution INPE
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
repository.mail.fl_str_mv
publisher_program_txtF_mv Programa de Pós-Graduação do INPE em Combustão e Propulsão
contributor_advisor1_txtF_mv Fernando de Souza Costa
_version_ 1706809357000245248

Registros relacionados