Resistojet valve geometry characterization by numerical methods
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2021-06-14
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
68
Series
Abstract
Small satellites have become more and more common, with the satellite market exploding in the last few years. Smaller satellites have the same requirements as larger ones when it comes to propulsion and attitude control. Aurora Propulsion Technologies' Resistojet Module is the world's smallest Attitude Control System, answering the ever growing need for smaller and more efficient solutions. Aurora Resistojet Module uses heat to boil its propellant and expels it through a nozzle to create thrust and torque. The aim of this thesis is to study the boiling of propellant inside the valve mechanism and verify the operating parameters that have been determined in previous studies. A computational fluid dynamics model was created to simulate the fluid flow, heat transfer and phase change inside the mechanism. The heating element temperature is changed along with the flow inlet pressure in single phase and two phase simulations. The objective is to also find the most efficient performance parameters and to give suggestions for improving the resistojet design. The analysis showed how changing the operating parameters affects the volume fractions of vapor and liquid, the temperature distribution of the flow and the velocity at which the fluid travels through the mechanism. It was observed that a higher temperature than was initially expected was required to fully boil the liquid. Initial estimates for the Aurora Resistojet determined that 600 K would be enough to boil the liquid fully. The results from this study showed that a higher temperature of up to 900 K could be needed. It was also determined that increasing the propellant feed pressure would increase the temperature requirement as the flow has more velocity from the pressure. The results need validation from vacuum testing. Improvement suggestions were made for future designs and operating the resistojet.Pienistä satelliiteista on tullut yhä yleisempiä, ja satelliittimarkkinat ovat kasvaneet suuresti viime vuosina. Pienemmillä satelliiteilla on samat vaatimukset työntövoiman ja asennon hallinnan suhteen kuin suuremmilla vastaavilla. Aurora Propulsion Technologiesin Resistojet-moduuli on maailman pienin asennonhallintajärjestelmä, joka vastaa yhä kasvavaan pienempien ja tehokkaampien ratkaisujen tarpeeseen. Aurora Resistojet -moduuli käyttää lämpöä ponneaineen kiehumiseksi ja työntää sen suuttimen läpi työntövoiman ja vääntömomentin aikaansaamiseksi. Tämän tutkielman tarkoituksena on tutkia ponneaineen kiehumista venttiilimekanismin sisällä ja tarkistaa aikaisemmissa tutkimuksissa määritetyt toimintaparametrit. Laskennallinen nestedynamiikkamalli luotiin simuloimaan nestevirtausta, lämmönsiirtoa ja vaihemuutosta mekanismin sisällä. Lämmityselementin lämpötilaa muutetaan yhdessä virtauksen tulopaineen kanssa yksifaasi- ja monifaasisimulaatioissa. Tavoitteena on myös löytää tehokkaimmat suorituskykyparametrit ja antaa ehdotuksia laitteiston parantamiseksi. Analyysi osoitti, kuinka toimintaparametrien muuttaminen vaikuttaa höyryn ja nesteen tilavuusosiin, virtauksen lämpötilajakaumaan ja nopeuteen, jolla neste kulkee mekanismin läpi. Havaittiin, että nesteen täydelliseen kiehumiseen tarvitaan korkeampi lämpötila kuin alun perin odotettiin. Edeltävissä tutkimuksissa oli päätelty, että 600 K lämpötila riittäisi nesteen täydelliseen kiehuttamiseen, mutta tämän tutkimuksen perusteella vaadittava lämpötila on mahdollisesti 900 K. Tulosten perustella voitiin myös todeta, että ponneaineen sisääntulopaineen kasvattaminen lisää myös lämpötilavaatimuksia ponneaineen suuremman virtausnopeuden johdosta. Tulokset vaativat validointia tyhjiökammiostesteissä. Tulosten perusteella kyettiin tekemään parannusehdotuksia resistojet-moduulin suunnitteluun ja laitteiston käyttämiselle.Description
Supervisor
Vuorinen, VilleThesis advisor
Chandran, SwatiKeywords
CFD, fluid dynamics, small satellites, boiling, ADCS, resistojet