Специалисты Российского химико-технологического университета имени 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.

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.

Статья:

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

На иллюстрации - демонстрация горения модельных веществ на кафедре химии и технологии органических соединений азота РХТУ им. Д.И. Менделеева