Titelaufnahme

Titel
Evaluation of ignition conditions for a hydrogen peroxide based micro propulsion system / Markus Schiebl
VerfasserSchiebl, Markus
Begutachter / BegutachterinWinter, Franz
Erschienen2011
Umfang211 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2012
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Zündbedingung / Raketenantrieb / Wasserstoffperoxid / Brennkammer / Verbrennung / Weltraum / chemisch / reagierende / Strömung / Zündung
Schlagwörter (EN)ignition / propulsion / hydrogen / peroxide / combustion / Space / reacting / flow / condition / reaction
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-59525 Persistent Identifier (URN)
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Evaluation of ignition conditions for a hydrogen peroxide based micro propulsion system [7.3 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Derzeit verwendete Treibstoffe für Mono- und Zweikomponententreibstoffsysteme wie Hydrazin, Distickstofftetroxid, und Monomethylhydrazin sind hochgiftig und daher teuer zu realisieren.

Sogenannte grüne Treibstoffe haben zunehmendes Interesse in Zeiten mit abnehmendem Budget für Weltraummissionen geweckt. Sie versprechen eine signifikante Verringerung der gesamten Entwicklungs-und Betriebskosten bei gleicher oder besserer Leistung. Im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation ESA wurde ein 1 Newton Flüssigkeits-Raketenantriebssystem welches ausschließlich mit grünen Treibstoffen betrieben wird entwickelt. Eine der wichtigsten Eigenschaften welche untersucht wurde betraf die Zündfähigkeit und Zündbedingungen dieser neuen Treibstoffe. Für das untersuchte System wurde Wasserstoffperoxid (87 Gew.%) als Oxidationsmittel verwendet.

Kerosin wurde als Brennstoff ausgewählt und auf seine Eignung für ein solches Antriebssystem untersucht. Die Selbstzündfähigkeit in Gegenwart von zersetztdem Wasserstoffperoxid, d.h Wasserdampf und Sauerstoff, wurde experimentell untersucht. Selbstzündung ist abhängig von verschiedenen physikalisch-chemischen Parametern wie der Art der Reaktanten, Reaktionskinetik, Vordruck, anfängliche Temperatur und Wärmeübertragungsprozess. Zusätzlich ist für Mikro-Propulsion Systeme die Selbstentzündfähigkeit stark vom Brennkammeroberflächen-zu Brennkammervolumenverhältnis abhängig. Ein analytisches nichtadiabatisches Selbstentzündungsmodell für einen geblockten und nichtgeblockten Durchflussreaktor wurde entwickelt mit der Annahme einer chemischen Ein-Schritt- Reaktion und unter Berücksichtigung einer Verweilzeitverteilung der Treibstoffe. Besonderes Augenmerk liegt auf dem Druck-Temperatur-Zündverhalten in Korrelation zu der Brennraumgeometrie wie Brennraumvolumen und Brennraumdurchmesser. Für die Modellvalidierung, wurde eine Versuchsaufbau und eine segmentierte Brennkammer entwickelt, die es erlaubt, systematisch die Selbstzündbedingungen zu untersuchen, wobei der Brennkammervordruck, Einspritztemperatur und Massenfluss des Treibstoffgemisches unabhängig voneinander variirt werden konnte.

Zusammenfassung (Englisch)

Currently used propellants for mono- and bipropellant systems such as hydrazine, NTO, and MMH are highly toxic and therefore expensive to be implemented. So-called green propellants have drawn increasing interest in times with decreasing budgets for space missions and development tasks. They are promising a significant reduction of the overall development and operational costs at similar or better performance. A one Newton bipropellant thruster system was developed operating exclusively with green propellants under contract of the European Space Agency. One of the main properties to be investigated is the ignition capability and ignition conditions of such new propellants.

For the investigated system hydrogen peroxide (87 wt%) is used as oxidizer. Kerosene is selected as fuel and their suitability is investigated for such a propulsion system. Their auto- ignition capability (quasi-hypergolicity) in the presence of decomposed hydrogen peroxide (i.e. steam and oxygen) shall be investigated experimentally.

An analytical non-adiabatic auto-ignition model of the ignition conditions for a choked and non-choked flow reactor has been developed assuming a one-step single forward chemical reaction and with consideration of a residence time distribution of the propellants.

Special focus is laid on the pressure temperature ignition behavior in correlation to the combustion chamber geometry. For the model validation, an experimental setup and a segmented combustion chamber was developed which allows to systematically investigate the auto-ignition conditions whereas the initial pressure, initial temperature and mass flow can be varied independently and with easy variation of the combustion chamber geometry