Dezvoltarea unui pat catalitic pentru propulsorul 1N HTP

Proiectul este realizat în cooperare cu Agenția Spațială Europeană (ESA). Împreună cu Universitatea de Tehnologie din Varșovia și Institutul de Aviație - Rețeaua de Cercetare Łukasiewicz, proiectul acoperă dezvoltarea unei structuri de propulsor 1N alimentată cu peroxid de hidrogen concentrat (HTP).

Paturile catalizatoare sunt elemente cheie ale fiecărui propulsor chimic monopropelent. Patul de catalizator este umplut cu un catalizator adecvat sau amestecul acestuia. De obicei, se referă la suma suportului (suport) cu acoperire (dacă este utilizat) și a suprafeței active (fază). În unele cazuri suprafața activă (faza) și suportul sunt aceleași materiale. Unul dintre cei mai cunoscuți catalizatori utilizați în sistemele de propulsie monopropelente sunt cei care descompun hidrazina (N2H4). Catalizatorii pentru propulsoarele spațiale hidrazinice (de exemplu, Cnesro sau Shell 405) sunt preparate din alumină gamma care este utilizată ca suport (100-200 m2 / g) cu acid hexaclororidic în soluție apoasă ca precursor, prin metoda de impregnare a umezelii. Catalizatorul este apoi activat prin reducerea fluxului de hidrogen gazos. Această etapă permite formarea de mici cristalite de iridiu pe suprafața peletelor de alumină (suport). Procedura se repetă de multe ori - pentru a obține cantitatea așteptată a fazei active și pentru a garanta o durată de viață suficientă a unui catalizator.

Tehnologia (catalizatorul) descrisă mai sus este piatra de temelie pentru propulsoarele de hidrazină care sunt utilizate de zeci de ani încoace (începând cu anii 1960). Pe de altă parte, catalizatorul tradițional de argint (unul metalic, precum tifoanele de argint, ecranele etc.), a fost utilizat cu succes cu peroxidul de hidrogen al HTP (High Test Peroxide) încă din anii 1950, deoarece argintul are cea mai bună performanță de descompunere pentru HTP. Cu toate acestea, concentrațiile de peroxid de hidrogen mai mari de 90-92% nu pot fi utilizate în practică cu un astfel de catalizator datorită temperaturii de descompunere adiabatică a peroxidului care este aproape de punctul de topire al argintului. La rândul său, acest lucru determină, în special în operațiile de lungă durată, că catalizatorul de argint (sau acoperit cu argint) își pierde performanța datorită formării oxidului de argint și / sau efectului de sinterizare. Efectul este mult mai puternic în cazul peroxidului de hidrogen 98% a cărui descompunere este extrem de exotermă și astfel patul catalizator atinge temperatura în intervalul 950 - 960 ° C în câteva secunde, în timp ce punctul de topire al argintului este de 962 ° C .

Soluția (pentru a înlocui catalizatorul tradițional de argint) poate fi utilizarea altor materiale decât argintul (metale, aliaje, compuși) ca activ catalitic pentru descompunerea peroxidului de hidrogen. Una dintre abordările actuale este utilizarea oxizilor de mangan - MnOx / Al2O3 (uneori amestecați cu oxizi de cobalt) susținuți pe un suport ceramic adecvat (de exemplu, alumină). Sunt posibile și alte tipuri de acest tip de catalizator, de exemplu, cum ar fi fagurele monolit de cordierită (MnOx / 2MgO * 2Al2O3 * 5SiO2). Procedura de impregnare este foarte importantă pentru o ancorare suficientă a fazei active pe suportul de utilizare a oxizilor de mangan, în special în cazul catalizatorului de pelete MnOx / Al2O3.

Prin urmare, analiza literaturii deschise și actuale arată în mod clar că oxizii amestecați, care conțin cationi de metale de tranziție, pot fi considerați ca una dintre opțiunile potențiale. Cu toate acestea, astfel de catalizatori prezintă multe probleme care trebuie rezolvate. Unele dintre ele sunt probleme de activitate și supraviețuire legate de modificările de oxidare din faza activă (de exemplu, transformatoarele MnO2 active în Mn2O3 care sunt active mai mici față de peroxid). Această problemă, împreună cu rezistența mecanică scăzută a unora dintre suporturile ceramice sau / și sarcinile de fază active relativ scăzute, determină o durată de viață (cicluri) de funcționare destul de limitată.

Peroxidul de hidrogen cu concentrația 98% în greutate este cel mai de dorit în aplicațiile monopropelente datorită performanței sale propulsive. Prin urmare, dezvoltarea catalizatorului pentru 98% HTP care nu ar suferi de probleme de activitate sau durate de viață, pare a fi cea mai importantă problemă în acest domeniu. Obiectivul principal al proiectului este de a efectua cercetări care să răspundă la întrebarea despre ce tehnologie ne permite să obținem cel mai promițător catalizator pentru descompunerea eficientă a peroxidului de hidrogen 98% de calitate pentru rachete. Un astfel de catalizator ar fi o componentă esențială pentru patul de catalizator al propulsoarelor monopropelente din viitorul apropiat care funcționează pe peroxid de hidrogen 98% ca propulsor verde. Mai mult, credem că dezvoltarea noastră tehnologică (dar și din punct de vedere european) în domeniul propulsiei spațiale verzi (bazate pe peroxid de hidrogen) a demonstrat deja necesitatea unui astfel de catalizator.

Scopul final al acestui proiect va fi un pat de catalizator operațional (care funcționează în condiții de laborator) pentru propulsorul monopropelent 1 N 98% HTP. Cu condiția ca această soluție să îndeplinească cerințele definite în prezent și să promită că va îndeplini cerințele de nivel superior, dezvoltarea unui propulsor monopropelent 1 N va fi continuat.

foto: ESA