Файл: Современные и перспективные компоненты порохов и твердых ракетных топлив..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 29.02.2024

Просмотров: 92

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

В.М. Зиновьев, С.А. Котельников

СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПОРОХОВ И ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2022

УДК 662.3+621.454.3-66]: 678.049 (075.8) ББК 35.63я73

З-63

Рецензенты:

д-р техн. наук, доцент Л.Л. Хименко (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук, старший научный сотрудник А.Н. Ильин (ООО «Силур»)

Зиновьев, В.М.

З-63 Современные и перспективные компоненты порохов и твердых ракетных топлив : учеб. пособие / В.М. Зиновьев, С.А. Котельников. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2022. – 65 с.

ISBN 978-5-398-02795-2

По материалам открытой печати систематизированы методы получения, физико-химические свойства, применение и дальнейшие перспективы исследования в качестве высокоэнергетических полимерных горючих-связующих, пластификаторов, наполнителей порохов и твердых ракетных топлив соединений с групами –NO2, –N–NO2, –N3, –ONO2, –NF2, фуроксановыми, фу-

разановыми, полиазотистыми кольцами и другими высокоэнергетическими активными группировками.

Предназначено для студентов старших курсов, аспирантов, молодых специалистов, преподавателей, специализирующихся в области технической химии и боеприпасов.

УДК 662.3+621.454.3-66]: 678.049 (075.8) ББК 35.63я73

ISBN 978-5-398-02795-2

©ПНИПУ,2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.........................

5

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................

6

1. ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ

 

ГОРЮЧИЕ-СВЯЗУЮЩИЕ. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ,

 

СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ..............................................................

8

1.1. Полимеры и сополимеры глицидилазида

 

и азидооксетанов ....................................................................................

8

1.2. Активные связующие с нитратными группами......................

12

2. СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ

 

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОКИСЛИТЕЛИ

 

И НАПОЛНИТЕЛИ ПОРОХОВ И РТТ. СИНТЕЗ,

 

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ.........................................................

14

2.1. Энергетические материалы с группами –C–NO2 и –N–NO2.

Современные и перспективные линейные, циклические

 

и каркасные структуры.........................................................................

14

2.1.1. FOX-7..............................................................................

15

2.1.2. HNF.................................................................................

17

2.1.3. TNAZ ..............................................................................

17

2.1.4. Высоконитрованные каркасные соединения..............

18

2.1.5. Гексанитрогексаазаизовюрцитан (CL-20)...................

23

2.1.6. Аммонийдинитрамид (ADN, АДНА) и соли

 

динитразовой кислоты............................................................

26

2.2. Энергетические углерод-, азот-, кислородсодержащие

 

гетероциклы............................................................................................

27

2.2.1. Высокоазотистые кислородсодержащие

 

пятичленные гетероциклические соединения ......................

28

2.2.2. Нитротриазолы ..............................................................

29

 

3


2.2.3. Высокоазотистые тетразины и тетразолы.....................

34

2.2.4. Сверхмощные азотные структуры..................................

35

3. ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПЛАСТИФИКАТОРЫ............

37

3.1. Нитроксиалканы.............................................................................

38

3.2. Нитроксиалкилнитроамины ........................................................

39

3.3. Азидосоединения...........................................................................

40

3.4. Азидоалкилнитроамины...............................................................

47

3.5. Алкилнитроамины.........................................................................

51

3.6. Нитро- и фторнитроалканы.........................................................

54

3.7. N-Фтораминные соединения.......................................................

59

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................

62

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................

63

4

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

РТТ – ракетное твердое топливо СРТТ – смесевое ракетное твердое топливо

БРТТ – баллиститное ракетное твердое топливо ВВ – взрывчатое вещество ПГС – полимерное горючее-связующее КБ – кислородный баланс ММ – молекулярная масса

Mn – среднечисловая молекулярная масса

Твоспл – температура воспламенения ТНИР – температура начала интенсивного разложения Тпл – температура плавления

Тg температура стеклования ρ плотность

D – скорость детонации

DMF – диметилформамид

N – содержание азота (%)

I – единичный импульс Isp – удельный импульс Qсг – теплота сгорания

H 0f стандартная энтальпия образования U – скорость горения

5


ВВЕДЕНИЕ

В современных поколениях ракетных твердых топлив и порохов должны сочетаться такие характеристики, как высокие удельный импульс, плотность, термостабильность, малая уязвимость от средств ПРО потенциального противника, максимально возможная экологическая безопасность.

Решение этих вопросов достигается за счет использования в составах РТТ полимерных горючих-связующих, пластифика-

торов, наполнителей и окислителей, содержащих в молекулах

NO2

обогащенные кислородом группировки, например: –N

NO

,

 

 

2

–NО2, –ONО2, –N–NО2, и высокоэнтальпийные группировки, например –N3, триазольную, тетразольную, фуроксановую, фуразановую, кубановую, и другие.

К высокоэнергетическим компонентам РТТ и порохов предъявляются следующие требования:

1.Энергетические характеристики. Компоненты должны превосходить современные по следующим показателям: плотность, энтальпия образования, энтальпия сгорания; иметь благоприятный кислородный баланс; сохранять энергетические характеристики в течение гарантийного срока хранения.

2.Стабильность. Компоненты должны быть малогигроскопичными или способными к защите от гигроскопичности путем химической обработки; не претерпевать фазовых изменений в пределах температурной переработки; химически не взаимодействовать с другими компонентами топлив и материалами конструкции СРТТ.

3.Эксплуатационные характеристики. Пороха и СРТТ на базе высокоэнергетических компонентов не должны детонировать при горении, при падении, простреле, воздействии детона-

6

ционной волны и т.д.; должны иметь уровень чувствительности к удару и трению, обеспечивающий технологическую и эксплуатационную безопасность; ПГС и пластификаторы должны иметь минимальную температуру стеклования Тg, а СРТТ на их основе иметь Tg ниже уровня отрицательной температуры их применения не менее чем на –15 °С. Окислители и наполнители должны не растворяться в ингредиентах связующего или иметь минимальную растворимость.

4. Технико-экономические характеристики. Для произ-

водства компонентов должны быть доступная сырьевая база и производственные мощности. Технология должна иметь небольшое количество стадий их синтеза; обеспечивать хорошие выходы, способы ассимиляции производств и минимальное количество опасных отходов.

7


1. ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ГОРЮЧИЕ-СВЯЗУЮЩИЕ. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

1.1.Полимеры и сополимеры глицидилазида

иазидооксетанов

При разработке рецептур РТТ и порохов важнейшее значение имеет выбор наиболее эффективного ПГС, так как оно определяет структуру состава и его основные характеристики, в том числе чувствительность к внешним воздействиям. Из-за высокого вклада в энтальпию образования азидной группировки (90 ккал/моль) в качестве перспективных ПГС рассматриваются термо- и реактопласты на основе полимеров глицидилазида (ПГА, GAP).

Существует несколько основных направлений получения ПГА:

1.Полимеризация глицидилазида:

2.Азидирование полиглицидилнитрата:

3.Полимеризация эпихлоргидрина с последующей обработкой полиэпихлоргидрина в растворителе DMF азидом натрия:

8

4. Полимеризация эпихлоргидрина с мономерными полиспиртами, с другими α-окисями и оксетанами с последующим азидированием в растворителе:

Получение энергетических термопластов ведется взаимодействием линейного олигомерного полиэфиразида с диизоцианатами (2,4-ТДИ, ГМДИ, изофорондиизоцианат), взятых в соотношении 1:1.

Получение энергетических реактопластов сводится к сшиванию полиоксиглицидилазидов полиизоцианатами с образованием сшитых структур.

GАР имеет высокую плотность ( = 1300 кг/м3), энтальпию образования H 0f = 42 ккал/моль, скорость горения U = 19,5 мм/с

при давлении 6,85 МПа, температуру стеклования Tg = –45 °С, термостабилен и безопасен. Используется при средней молеку-

9

лярной массе Mn = 3000…3300 как связующее высокоэнергетических РТТ для повышения импульса. При Mn < 500 применяет-

ся в качестве высокоэнергетического пластификатора.

Фирма SNPE (Франция) создала пилотную установку получения GAP производительностью до 3 т/год.

Наиболее распространенным способом получения GAP является азидирование полиэпихлоргидрина азидом натрия в DMF.

GAP и его сополимеры используют для изготовления быстрогорящих и малодымных СРТТ, высокоэнергетических артиллерийских порохов, а также в производстве газогенераторов, стартеров авиадвигателей, многократно останавливаемых и запускаемых в полете твердотопливных ракетных двигателей.

Известны энергетические термопластичные полимеры на основе линейных GAP, представляющих собой физически сшитые каучуки типа АВ. В США три различных типа таких каучуков рекомендованы к использованию в составах мощных орудийных порохов для низкоуязвимого оружия (HELOVA).

Разветвленные сополимеры GAP с концевыми OH-группа- ми используют для получения полиуретановых связующих СРТТ. Такие GAP получают с различными полиолами (глицерин, триметилолпропан, пентаэритрит), в качестве отвердителей используют изофорондиизоцианат, Десмодур N-100. Температура стеклования разветвленных сополимеров GAP с окисью этилена составляет –60 … –70 °С.

Путем обработки GAP карбомоилхлоридом и далее глицидолом получены азидополиэфирэпоксиды (GAPЕ), на основе которых созданы топлива со следующими характеристиками:

I = 250 кгс/кг, ρ = 1740…1840 кг/м3, Тg = –28 °C, U = 20 мм/с.

Имеются сведения о создании РТТ на базе оксетановых форполимеров с высокими энергетическими характеристиками и низкой чувствительностью. Разработаны новые артиллерийские пороха с использованием термопластичных эластомеров поли-3,3-бис(азидометил)оксетана (poly-BAMO), поли-3-азидо-

10