Design and Simulation of Single Capillary Injector and Circular Injector Plate for a Monopropellant Thruster

Davari, Sajad; Karimaei, Hadiseh

doi:10.30699/jsst.2021.1314

Design and Simulation of Single Capillary Injector and Circular Injector Plate for a Monopropellant Thruster

Document Type : Original Research Paper

Authors

Sajad Davari ¹

Hadiseh Karimaei ²

¹ PhD Candidate, Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology, Tehran, Iran

² Assistant professor, Aerospace research institute, Ministry of Science, Research and Technology, Tehran, Iran

10.30699/jsst.2021.1314

Abstract

In this research, design and simulation of a single capillary injector and three-hole circular injector plate of a 10N Hydrazine monopropellant thruster were performed. Ansys Fluent software was used to simulate the injector and injector plate . Volume of fluid (VOF) method was used to simulate such a flow and turbulence was simulated by k-e model. The characteristics of the injector and injector plate including mass flow rate and average velocity in the injector nozzle were calculated by changing the inlet pressure. The results showed that the injector and the injector plate have the ability to supply the desired mass flow rate of the monopropellant thruster at a known design pressure. In fact the capillary injector has replaced swirl injector with hollow cone spray used in the previous version of this thruster. The dimension of the chamber was significantly reduced by using the capillary injector, which reduces both the volume of the expensive iridium catalyst and weight of the thruster.

Keywords

Capillary injector

Injector plate

Monopropellant thruster

Hydrazine thrusters

Low thrust

Subjects

System Design, Space Propulsion and Space System Simulation

Article Title Persian

طراحی و شبیه‌سازی تک‎انژکتور کاپیلاری و صفحه انژکتور دایروی برای میکرورانشگر تک مؤلفه‌ای کم‎پیشران

Authors Persian

سجاد داوری ¹

حدیثه کریمایی ²

¹ دانشجوی دکتری، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری،تهران، ایران

² استادیار، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران

Abstract Persian

در این پژوهش ابتدا طراحی و شبیه‏سازی انژکتور کاپیلاری تک و سپس طراحی و شبیه‎سازی صفحه انژکتور دایروی سه سوراخه یک میکرورانشگر تک‎مؤلفه‌ای هیدرازینی 10 نیوتنی انجام گرفت. به منظور شبیه‏سازی انژکتور و صفحه انژکتور روش حجم سیال (VOF) بکار گرفته شد و آشفتگی جریان هم با استفاده از مدل k-ε شبیه‏سازی شد. با بررسی نتایج، مشخص گردید انژکتور و صفحه انژکتور طراحی شده توانایی تامین دبی جرمی مورد نظر میکرورانشگر را در اختلاف فشار معین طراحی دارند. از این رو ابعاد نهایی برای ساخت و استفاده در رانشگر تک مؤلفه‌ای هیدرازینی 10 نیوتنی انتخاب شدند. در نسخه قبلی این تراستر 10 نیوتنی، از انژکتور جریان پیچشی با پاشش چتری توخالی استفاده شده بود. اما در طرح جدید با انژکتور کاپیلاری به دلیل چتر کوچک و توپر انژکتور، طراح محفظه کاتالیستی قادر است تا ابعاد محفظه را به اندازه چشمگیری کاهش دهد که هم حجم کاتالیست مصرفی گران‎قیمت ایریدیوم کاهش می‏‎یابد و هم بالتبع ابعاد و وزن تراستر کاهش می‎یابد.

Keywords Persian

انژکتور کاپیلاری

صفحه انژکتور

رانشگر تک مولفه‌ای

رانشگر هیدرازینی

کم پیشران

[1] Shankar V, Ram KA, Bhaskaran KA. Prediction of the concentration of hydrazine decomposition products along a granular catalytic bed. Acta Astronaut 1984;11:287–99. https://doi.org/ 10.1016/ 0094-5765(84)90038-9.

[2] Shankar V, Anantha Ram K, Bhaskaran KA. Experimental investigations of the 10 N catalytic hydrazine thruster. Acta Astronaut 1985;12:237–49. https://doi.org/10.1016/0094-5765(85)90038-4.

[3] Hinckel JN, Jorge JAR, Neto TGS, Zacharias MA, Palandi JAL. Low cost catalysts for hydrazine monopropellant thrusters. 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Jt Propuls Conf Exhib 2009. https://doi.org/10.2514/6.2009-5232.

[4] Nada TR, Hashem AA. Geometrical characterization and performance optimization of monopropellant thruster injector. Egypt J Remote Sens Sp Sci 2012;15:161–9. https://doi.org/10.1016/j.ejrs.2012.09.001.

[5] Franken T, Valencia-Bel F, Jyoti BVS, Zandbergen B. Design of a 1-N monopropellant thruster for testing of new hydrogen peroxide decomposition technologies. Aerosp Eur Conf 2020; Fr 25-28 Febr 2020 2020.

[6] Hosseinalipour SM, Karimaei H, Movahednejad E, Ommi F. Application of maximum entropy principle for estimation of droplet-size distribution using internal flow analysis of a swirl injector. Int J Spray Combust Dyn 2016;8:205–16. https://doi.org/ 10.1177/1756827716654647.

[7] Hosseinalipour SM, Karimaei H. A new model based on coupling of MEP/CFD/ILIA for prediction of primary atomization. Can J Chem Eng 2016;94:792–802. https://doi.org/10.1002/cjce.22447.

[8] H. Karimaei, "Design and Simulation of Fuel Injector of a 10N Monopropellant Hydrazine Thruster"Space Science and Technology, vol. 13, no. 3, pp.9-19, 2018 (in Persian).

[9] H. Karimaei, M. R. Salimi, H. Naseh, E. Jokari,Design of Physical Configuratin of 10N Monopropellant Hydrazine Thruster, Space Science and Technology, vol. 12. no. 1, pp. 13-22, 2019 (in Persian).

[10] F. Ommi, Principles of Engine Design and Advaces Space Propulsion, Publications of Tarbiat Modares University, Tehran: Iran, 2017 (in Persian).

[11] Ansys-Fluent Software Version 19, Fluent’s User’s Guide 2019.