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Title
Structural design of a miniaturised bi-propellant thruster for the attitude control of satellites / von Georg Decker
AuthorDecker, Georg
CensorRammerstorfer, Franz
Published2011
DescriptionV, 80 Bl. : graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2011
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)Zweistofftriebwerk / Wärmeübergang Lavaldüse / Wärmespannungsanalyse / FEM
Keywords (EN)bi-propellant thruster / heat transfer De Laval nozzle / thermo-mechanical stress analysis / FEA
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-58381 Persistent Identifier (URN)
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Structural design of a miniaturised bi-propellant thruster for the attitude control of satellites [5.23 mb]
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Abstract (German)

Diese Arbeit entstand im Zuge des GRASP (Green Advanced Space Propulsion) Projekts der Europäischen Union zur Erforschung alternativer, umweltfreundlicher Treibstoffe, sogenannter "Green Propellants" für Raumfahrzeuge. Dafür wurde eine Entwurfstudie eines miniaturisierten Zweistofftriebwerks, welches mit den Treibstoffen Kerosin oder Ethanol unter Verwendung von Wasserstoffperoxid als Oxidator betrieben werden kann, erstellt. Das Triebwerk wird durch Wärmeabstrahlung in den Raum gekühlt. Dieser Entwurf wurde als exemplarisches Modell für die weitere thermomechanische Untersuchung der Struktur mittels der Finite Elemente Methode (FEM) herangezogen. Die Physikalischen Methoden zur Erfassung der Strömungsverhältnisse und zur Modellierung des Wärmeübergangs der Verbrennungsgase beim Durchströmen der Brennkammer und der Expansionsdüse wurden als APDL-Routinen programmiert und in die FEM-Analyse implementiert. Parallel dazu wurde eine Recherche zur Auswahl geeigneter Materialien durchgeführt, wobei die Entscheidung letztlich auf die beiden Materialkombinationen einer Platin-Rhodium Legierung sowie Iridium für die Brennkammer und Düse und einer Nickelbasis Legierung für den Einsatz in thermisch geringer belasteten Triebwerkskomponenten fiel. Die physikalischen und mechanischen Materialeigenschaften wurden der Analyse als temperaturabhängige Größen zugeführt. Das mechanische Verhalten der Werkstoffe wurde als elastisch-ideal plastisch angenommen. Ein dreidimensionales Modell wurde zur thermomechanischen Spannungsanalyse der stationären Betriebszustände, als auch während des transienten Anfahrverhaltens des Triebwerks verwendet. Dies rechtfertigte die Verwendung eines rotationssymmetrischen 2-D Modells zur Untersuchung der Auswirkungen von thermisch zyklischen Belastungen. In diesem Lastfall wurden speziell im Bereich der Fügestelle beider Materialen in großem Ausmaß auftretendes Ratcheting festgestellt.

Abstract (English)

This work originated as part of GRASP (Green Advanced Space Propulsion) project, founded by the European Union to research and develope environmentally friendly and sustainable Green Propellants for spacecraft. A preliminary design study of a miniaturised liquid bi-propellant thruster, to be operated with the fuels ethanol or kerosene and hydrogen peroxide as oxidizer was created. The thruster is being cooled by radiative heat transfer into space. An exemplaric model was derived from this study for the coming thermo-mechanical inquiry of the structure by utilizing the Finite elements analysis (FEA). The physics to describe the fluid flow, as well as the heat transfer from the fluid into the wall of the thrust chamber are progammed in the APDL language and implemented during the FEA. A concurrent enquiry to find suitable materials finally resulted in a combination of either a platinum-rhodium alloy or iridium as a material for the thrust chamber and a nickel base alloy used for parts with moderate thermal loads. The physical and mechanical material properties were implemented as temperature dependent quantities. The materials were mechanically idealised for the analysis to be of perfect plasticity post yield type. The thermo-mechanical stress analyses with regard to the stationary operating conditions in addition to transient heating were conducted with a three dimensional thruster model. The results showed that an inquiry of the structural effects, in response to thermal cyclic loading, by using a 2-D axially symmetric thruster model was justified.

It was found that both materials undergo strong ratcheting in the proximity of the bi-material joint in this case.