Заглянуть в сердце пламени: российские химики синтезировали гибридные вещества для ракетного топлива с необычными параметрами горения

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. Результаты работы опубликованы в научном журнале Combustion and Flame.

 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 всём 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.

«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), то есть оно станет небезопасным для применения», — комментирует заведующий кафедрой химии и технологии органических соединений азота РХТУ им. Д.И. Менделеева и один из авторов нового исследования, Валерий Синдицкий.

Чтобы обойти эту сложность ученые из РХТУ вместе с коллегами синтезировали серию гибридных веществ, в молекулах которых соединены две энергонасыщенных, то есть выделяющих большое количество энергии при разложении, группы – фуразановая и триазолотетразиновая. Обе они малочувствительны к внешним воздействиям и малореакционны и в результате исследователи неожиданно получили новые соединения с высокой скоростью горения и одновременно хорошей термической стабильностью.

«В этой работе мы преследовали комплексную цель — повысить скорость горения и сохранить безопасность обращения с веществами», — подытоживает Синдицкий.

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.

«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, — рассказывает Валерий Синдицкий. — 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 два раза превышает скорость горения распространённых аналогов: например, скорость горения взрывчатого вещества октогена составляет около 20 мм/с.

«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 — отмечает Синдицкий. — 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.

Работа была выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований №16-29-01026.

Текст: РХТУ

На фото — демонстрация горения модельных веществ на кафедре химии и технологии органических соединений азота РХТУ им. Д.И. Менделеева. Credit: Пресс-служба РХТУ им. Д.И. Менделеева

Sinditskii V. P. et al. Increasing the burning rate through energetic compound tuning: Hybrids of the furazan and [1,2,4]triazolo[4,3-b][1,2,4,5]tetrazine ring systems //Combustion and Flame. – 2020. – V. 213. – P. 343-356. DOI: 10.1016/j.combustflame.2019.12.006

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218019305589?via%3Dihub