Розробка каталітичного шару для 1Н рушія HTP

Проект реалізується у співпраці з Європейським космічним агентством (ESA). Спільно з Варшавським технологічним університетом та Інститутом авіації - Науково -дослідницькою мережею Лукасевичів, проект охоплює розробку конструкції 1N двигуна, що працює на основі концентрованої перекису водню (HTP).

Каталізаторні ліжка є ключовими елементами кожного монодвигательного хімічного двигуна. Слой каталізатора заповнюється відповідним каталізатором або його сумішшю. Зазвичай це відноситься до суми носія (опори) з покриттям (якщо використовується) та активної поверхні (фази). У деяких випадках активна поверхня (фаза) та опора з одного матеріалу. Одним з найвідоміших каталізаторів, які використовуються в монопропеляційних системах двигунів, є ті, що розкладають гідразин (N2H4). Каталізатори для космічних двигунів з гідразином (наприклад, Cnesro або Shell 405) готують з гамма-оксиду алюмінію, який використовується як опора (100-200 м2/г) з гексахлорироводородною кислотою у водному розчині як попередник методом просочення вологою. Потім каталізатор активується зменшенням потоку газоподібного водню. Цей крок дає можливість утворення дрібних кристалітів іридію на поверхні гранул глинозему (опора). Процедуру повторюють багато разів - для того, щоб отримати очікувану кількість активної фази та гарантувати достатній термін служби каталізатора.

Описана вище технологія (каталізатор) є ключовим моментом для гідразинових двигунів, які використовуються вже десятиліття (з 1960 -х років). З іншого боку, традиційний срібний каталізатор (металевий, наприклад, сріблясті марлі, екрани тощо), успішно використовується з перекисом водню HTP (високий рівень пероксиду випробування) з 1950 -х років, оскільки срібло має найкращі показники розкладання для HTP. Однак концентрації перекису водню, вищі за 90-92%, не можна використовувати на практиці з таким каталізатором через температуру адіабатичного розкладання перекису, близьку до температури плавлення срібла. Це, у свою чергу, спричиняє, особливо при тривалих операціях, що каталізатор срібла (або покритий сріблом) втрачає свої характеристики через утворення оксиду срібла та/або ефект спікання. Ефект набагато сильніший у випадку перекису водню 98%, розпад якого є надзвичайно екзотермічним, і таким чином шар каталізатора досягає температури в діапазоні 950 - 960 ° C протягом кількох секунд, тоді як температура плавлення срібла становить 962 ° C .

Рішенням (для заміни традиційного срібного каталізатора) може бути використання інших, крім срібних матеріалів (металів, сплавів, сполук) каталітично активних речовин для розкладання перекису водню. Одним із сучасних підходів є використання оксидів марганцю - MnOx/Al2O3 (іноді змішаних з оксидами кобальту), нанесених на відповідну керамічну основу (наприклад, оксид алюмінію). Можливі й інші типи такого типу каталізаторів, наприклад, такі як сотовий сот кордієриту (MnOx/2MgO*2Al2O3*5SiO2). Процедура просочення дуже важлива для достатнього закріплення активної фази на опорі для використання оксидів марганцю, особливо у випадку каталізатора на гранулах MnOx/Al2O3.

Тому аналіз відкритої та поточної літератури чітко показує, що змішані оксиди, що містять катіони перехідних металів, можна розглядати як один із потенційних варіантів. Тим не менш, такі каталізатори мають багато проблем, які необхідно вирішити. Деякі з них - це проблеми активності та життєздатності, пов'язані зі змінами окислення в активній фазі (наприклад, активні трансформатори MnO2 в Mn2O3, які є нижчими активними щодо перекису). Ця проблема, разом із низькою механічною міцністю деяких керамічних опор та/та відносно низькими навантаженнями активної фази, спричиняють, що тривалість експлуатаційного циклу (циклів) досить обмежена.

Перекис водню з концентрацією 98% за вагою є найбільш бажаною в монопаливних застосуваннях через її рухові характеристики. Тому розробка каталізатора для ПВТ 98%, який не постраждав би від проблем із діяльністю чи тривалістю життя, здається найважливішим питанням у цій галузі. Основною метою проекту є проведення досліджень, які б дали відповідь на питання, яка технологія дозволяє отримати найбільш перспективний каталізатор ефективного розкладання перекису водню 98% марки ракети. Такий каталізатор був би найважливішим компонентом для шару каталізатора найближчих майданчиків одномоторного двигуна, який працює на перекисі водню 98% як зелене паливо. Більше того, ми вважаємо, що наш (але також і з точки зору Європи) розвиток технологій у галузі екологічного руху (на основі перекису водню) космічного двигуна вже продемонстрував необхідність такого каталізатора.

Кінцевою метою цього проекту стане експлуатаційний (працює в лабораторних умовах) каталізаторний шар для монодвигального двигуна 1 N 98% HTP. За умови, що це рішення відповідає вимогам, визначеним на даний момент, та обіцяє задовольнити вимоги більш високого рівня, розробка монопропелерного двигуна 1 N буде продовжена.

фото: ESA