Российские химики синтезировали гибридные вещества для ракетного топлива с необычными параметрами горения

Москва, 21 окт - ИА Neftegaz.RU. Ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИОХ РАН и ИНЭОС РАН синтезировали гибридные энергонасыщенные вещества с высокой термической стабильностью и скоростями горения больше, чем у широко применяемых в промышленности взрывчатых веществ гексогена и октогена. Использование новых соединений в составе твердого ракетного топлива может значительно повысить его эффективность.
Об этом сообщила пресс-служба РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Работа была выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований №16-29-01026.
Результаты работы опубликованы в научном журнале Combustion and Flame.

Демонстрация горения модельных веществ на кафедре химии и технологии органических соединений азота РХТУ им. Д.И. Менделеева

Одна из ключевых характеристик твердого ракетного топлива — это скорость его горения, для повышения которой есть несколько способов.
Часто используют различные катализаторы горения, но они одновременно снижают энергетические характеристики топлива и поэтому есть другой путь: применение в качестве высокоэнергетических компонентов топлив быстрогорящих веществ.

Такие соединения сейчас активно разрабатывают во всем мире, и одними из самых перспективных среди них считаются гибридные азотсодержащие вещества - соединения с несколькими гетероциклами в составе.
Предполагается, что объединение в одной молекуле различных гетероядер может привести к получению новых свойств.

Однако, на этом пути тоже есть свои сложности.
Обычно скорость горения повышается за счет увеличения реакционной способности вещества: оно быстрее вступает в реакцию и быстрее разлагается с выделением энергии, что одновременно снижает его стабильность.

Тезисы завкафедрой химии и технологии органических соединений азота РХТУ им. Д.И. Менделеева и одного из авторов нового исследования, В. Синдицкого:

• энергия азотсодержащих взрывчатых веществ высвобождается при их разложении в волне горения;
• но при увеличении скорости горения вещества может значительно увеличиться их чувствительность к механическим воздействиям (удару или трению), т.е. оно станет небезопасным для применения;
• в этой работе мы преследовали комплексную цель - повысить скорость горения и сохранить безопасность обращения с веществами.

Чтобы обойти эту сложность ученые из РХТУ вместе с коллегами синтезировали серию гибридных веществ, в молекулах которых соединены 2 энергонасыщенных, т.е. выделяющих большое количество энергии при разложении, группы — фуразановая и триазолотетразиновая.
Обе они малочувствительны к внешним воздействиям и малореакционны.

В результате исследователи неожиданно получили новые соединения с высокой скоростью горения и одновременно хорошей термической стабильностью.

Как горят гибриды?
Ученые исследовали процесс горения новых веществ с помощью классической техники изучения взрывчатых веществ: навеска вещества, называемая зарядом, запрессовывается в небольшие прозрачные трубки из оргстекла, а те в свою очередь, помещаются в толстостенный прибор, заполненный азотом.
Далее заряд поджигается, а процесс его горения записывается на скоростную видеокамеру через прозрачное окно в приборе.

Эти кадры потом анализируются и дополняются другими источниками информации.
Так, в новой работе ключевой техникой стало измерение температуры с помощью тонких термопар - сплавов металлических проволок толщиной в 10 раз меньше человеческого волоса.

Тезисы В. Синдицкого:

• с помощью тонких термопар у нас есть возможность определять распределение температуры в волне горения, то есть видеть, как меняется температура от начальной до максимальной температуры пламени в очень узком (несколько мм) слое заряда;
• такой методикой владеют немногие научные группы в мире.

Оказалось, что объединение в одной молекуле двух гетероциклов приводит к повышению температуры кипения нового соединения, что опосредованно увеличивает скорость его горения, но при этом никак не влияет на реакционную способность и, как следствие, стабильность.

Реакция горения этого вещества, равно как и многих других — это совокупность большого числа составляющих реакций, среди которых есть ведущая — та, которая контролирует скорость горения вещества.

Термопарные исследования показали, что для нового гибрида ведущая реакция протекает в расплаве вещества, где поддерживается температура равная температуре кипения.
Поэтому ее повышение привело к росту скорости горения вещества и никак не повлияло на стабильность.

Перспективы нового соединения
Скорость горения синтезированных гибридов достигала 40-49 мм/с при давлении 10 МПа, что более чем в 2 раза превышает скорость горения распространенных аналогов: например, скорость горения взрывчатого вещества октогена составляет около 20 мм/с.

Тезисы В. Синдицкого:

• благодаря высоким скоростям горения новые вещества могут найти применение как добавки, регулирующие горение твердых ракетных топлив;
• как и другие полиазотистые соединения новые вещества позволяют, не изменяя температуры горения, увеличивать энергетические характеристики порохов, однако высокая скорость горения делает их более конкурентоспособными;
• другой возможный путь применения - газогенераторы, устройства, в которых за счет быстрого выделения газа осуществляется какая-то работа, например, происходит управление движущимся объектом в космосе.

Таким образом, исследование российских ученых не только расширяет современные представления о свойствах высокоэнергетических азотсодержащих соединений, но и открывает путь к их применению в составе твердых ракетных топлив нового поколения, обладающих большей эффективностью и стабильностью.



Автор: А. Игнатьева