A simulation of the propellant storage for a ice-propelled microresistojet engine : Development, verification and validation of a numerical model for the characteristics of a sublimation tank to be used as the propellant storage subsystem for a ice-propelled microresistojet engine

• Main Author: Bergström, Rasmus
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för elektro- och systemteknik (EES) 2016
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-196694

An innovative design for a new type of propulsion sys-tem using sublimating water in solid form as reaction mass, accelerated via a Micro Electric Mechanical System (MEMS) Heater Chip, is currently being developed at the Space Sys-tems Engineering Department at Technische Universiteit Delft in the Netherlands. The aim of the thesis is to char-acterise the propellant storage and gain insight into the physics present in the engine.Two methods of study were used, one theoretical and one experimental. The theoretical part consisted of a one dimensional time-stepping numerical model, the experimen-tal part of a empirical test where the environment and op-erating conditions of the engine are duplicated in a vacuum chamber and data collected on the pressure and tempera-ture inside the test vial.Due to several di˙erent issues with both the model and the tests the accuracy of the obtained results were severely reduced, which made it more diÿcult to compare the ob-tained results from the tests and the model. There was some similarity between the model results and the test re-sults, but the model needs to be refined before it can be used as a input for future models or investigations. The test rig should also be refined to give more accurate refer-ence results.The study did not reveal any critical problems with the engine concept, and the engine still shows promise. The system was shown to be highly interdependent and compli-cated to simulate. Furthermore it was concluded that cre-ating a numerical model from scratch was very challenging. Furthermore the empirical testing requires a very specific environment and needs proper equipment in order to yield accurate results. Conclusions that could be made regard-ing possible future problems with the engine implementa-tion was among others the problem of creating a stable heat balance in the tank. Other issues shown was the problem of the limited power available on a typical CubeSat and that the power requirements of the engine might be larger than what the CubeSat can provide.The engine is however currently in a extremely early development stage, and needs to be further studied before any definite conclusions can be made. === En innovativ design av en ny typ av framdrivningssy-stem vilket använder sublimerande is som reaktionsmassa, accelererat av ett s.k. Micro Electric Mechanical System (MEMS) värmechip (eng. Heater Chip), utvecklas för nu-varande vid avdelningen för rymdsystemsteknik (eng. Space Systems Engineering Department) vid Technische Univer-siteit Delft i Nederländerna. Målet med denna uppsats är att karakterisera drivmedelsförvaringen och få en insikt i de fysiska fenomenen i motorn.Två former av studie gjordes, en teoretisk och en expe-rimentell. Den teoretiska delen bestod av en endimensionell tidsiterativ numerisk modell och den experimentala delen bestod av ett empiriskt test där motorns miljö och ope-rationsförhållanden replikerades i en vakuumkammare och temperatur samt tryckdata inuti testbehållaren inhämta-des.På grund av flera olika problem med både modellen samt testerna reducerades noggrannheten på resultaten starkt, vilket försvårade arbetet att jämföra resultaten mellan tes-terna och modellen. Det fanns dock en viss likhet mellan de resultat hämtade från modellen och de hämtade från testen, men modellen måste förfinas innan den kan användas som indata för framtida modeller eller studier. Testriggen kan också förbättras för att ge noggrannare resultat.Studien visade inte på några kritiska problem i motorns koncept och motorkonceptet verkar fortfarande lovande. Systemets variabler visade sig vara mycket beroende av varandra samt komplicerade att simulera. Det visade sig även mycket utmanande att utveckla en numerisk modell för systemet från grunden. Dessutom så krävde de empiriska testerna en mycket specifik miljö och behöver ordentlig utrustning för att ge noggranna resultat. Slutsatser som kan dras angående motorns framtida integrering är bland annat problemet att skapa en stabil värmebalans i tanken. Vidare problem är den begränsade e˙ekten tillgänglig på en CubeSat och att motorns e˙ektkrav kan vara högre än vad satelliten kan ge.Motorn är dock på en mycket tidig utvecklingsnivå och ytterligare studier krävs innan några säkra slutsatser kan dras.