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.New-Science

mmsh. писал(а):

...быстрее разлагается с выделением энергии...

Очевидно, имелось ввиду окисляется?

Это грандиозное открытие - "Скорость горения синтезированных гибридов достигала 40-49 мм/с"!

И это в то время как уже более 50 лет разработки по водороду всячески не поддерживаются и закрываются по приказу сверху.

Это к тому, что скорость сгорания водорода 320 см/с.

Jacobe писал(а):

Это грандиозное открытие - "Скорость горения синтезированных гибридов достигала 40-49 мм/с"!
И это в то время как уже более 50 лет разработки по водороду всячески не поддерживаются и закрываются по приказу сверху.
Это к тому, что скорость сгорания водорода 320 см/с.

Жидкий водород невозможно использовать для ракет военного назначения (а ведь с твердым и гибридным топливом используют именно их). Во-первых, водород очень сложно хранить, ведь это криогенное топливо (ёмкости для хранения перед заправкой сжиженным водородом надо предварительно захолаживать до температуры, близкой к точки кипения водорода - а это −252,87 °C). То же самое обстоит и с заправкой ракет (а их нужно именно заправлять перед пуском, держать в состоянии боевой готовности не получится).
Во-вторых, жидким водородом очень сложно заправлять ракеты, ведь водород крайне взрывоопасное вещество в очень высоких пределах концентраций газа. Нужны очень высокие требования ТБ к заправочным трубопроводам и высококвалифицированный персонал.
Но вы ведь и так это знаете, иначе не писали бы про "приказы сверху", верно? :подмигивание:

Jacobe писал(а):

Это грандиозное открытие - "Скорость горения синтезированных гибридов достигала 40-49 мм/с"!

И это в то время как уже более 50 лет разработки по водороду всячески не поддерживаются и закрываются по приказу сверху.

Это к тому, что скорость сгорания водорода 320 см/с.

а теперь сравни . ракету которую раз сделал и она десятки лет на боевом посту
и водородную которую надо заправлять перед пременением.

где то хранить свертекучий водород.
как то прятать все это от школоты призывников.
и держать команду которая должна за минуту произвести заправку.

С заголовка угорел. Текст - так себе)))

А где у нас используются твердотопливные ускорители?

О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель…(с)Александр Сергеевич Пушкин
---------------------------------------------------------------------------------------------------
На скорость горения и перемещения...

fibi768 писал(а):

Отличная новость для тех кто плакал что они до сих пор летают на керосине. Или опять что-то не так?

А вообще "всепропальщик" - это диагноз. Когда картина мира подгоняется под представление о том как все плохо. Сидит такой всепропальщик дома, в соственной квартире, с полным холодильником, 100 мегабитным интернетом за 400 рублей, с восьмиядерным телефоном, получивший бесплатное высшее или специальное образование. И пишет как все у него плохо. И летаем мы только на керосине... ик-ик и запил пивным смузи икоту.

эта публика будет плакать по любому поводу! а точнее это называется-лить крокодиловы слёзы :смех:

ибо всё что делается в России это априори неправильно, плохо и не идёт ни в какое сравнение с "несравненным" западным :смех:

эта публика сродни африканским и индейским вождикам которые преклонялись перед красотой бус из крашенного стекла "цивилизованных" англосаксов :смех:

и готовы были отдать всё за них включая маму родную! :злость:

boba88 писал(а):

имелось ввиду окисляется?

вероятно так
если топливо и окислитель как обычно в разных емкостях а не вместе,

Цитата:

4. ГИБРИДНЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА
Гибридным ракетным топливом (ГРТ) или смешанным (СРТ)
называется такое, компоненты которого находятся в разных агрегатных состояниях, причем один из компонентов является обязательно твердым, а другой - жидким или газообразным. Двигатели,
работающие на таком топливе, называются гибридными ракетными
двигателями (ГРД) или ракетными двигателями смешанного топлива (РДСТ).
Характерными отличительными особенностями ГРД являются:
- размещение заряда твердого компонента, необходимого для
выполнения программы полета, в камере сгорания двигателя;
- горение заряда твердого компонента горючего или окислителя происходит при омывании его поверхности вторым жидким или
газообразным компонентом.
Существенным достоинством ГРТ является возможность сочетания в них таких компонентов, которые не могут применяться в
жидких и твердых ракетных топливах. Связано это с тем, что максимальная величина произведения , а следовательно и максимальная скорость полета ракеты в конце активного участка траектории, т.е. её эффективность, может быть достигнута при использовании компонентов топлива, находящихся в различном агрегатном состоянии. В то же время ряд твердых компонентов топлива,
обладающих хорошими энергетическими характеристиками и высокой плотностью, по условиям совместимости не могут быть использованы в качестве топлива РДТТ.
В ГРТ представляется возможным обеспечить оптимальное соотношение горючего и окислителя, что практически не может быть
достигнуто в РДТТ.
Итак, по уровню удельного импульса ГРД приближаются к
лучшим ЖРД, но при этом плотность смешанных топлив значительно превосходит плотность топлив, состоящих только из жидких компонентов.
ГРД обладают хорошими эксплуатационными характеристиками, несколько уступая в этом отношении РДТТ, но превосходя
ЖРД.
62
По конструктивному исполнению ГРД отличаются большим
разнообразием. Принципиально все ГРД выполняются по двум основным схемам:
- прямой, когда в камере сгорания размещается заряд твердого
горючего, а окислитель подается туда в жидком или газообразном
виде;
- обратной, когда в камере сгорания размещается заряд твердого окислителя, а подается в камеру жидкое или газообразное горючее.
К настоящему времени большее распространение получили
двигатели прямой схемы. Они лучше разработаны и позволяют получить более высокий удельный импульс тяги. Кроме того, потребный объем горючего обычно меньше потребного объема окислителя, что позволяет в случае прямой схемы иметь более компактную
и меньшей массы камеру сгорания, находящуюся под высоким давлением.

ТОПЛИВА ХИМИЧЕСКИХ РАКЕТНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ

Всё для войны, попугать америкосов и весь мир. Пока остальные на благо человечества изобретают, покоряют космос.

cbelkin писал(а):

С питерского военмеха, давно на грантах живут, от BAE Systems, например. Ничего прорывного, у них тоже на сардельку пилят.

Все учёные в России пишут диссертации, решая учебные задачи.
То есть никто не пытается сделать что то прорывное и полезное для общества, главное сделать правильную структуру диссертации и быть в хороших отношениях со всеми членами комиссии при защите диссертации.
По крайней мере 99% диссертаций такие.
Цель диссертации по новому решить задачу, которая не имеет никакой практической ценности.

Jacobe писал(а):

Это грандиозное открытие - "Скорость горения синтезированных гибридов достигала 40-49 мм/с"!

И это в то время как уже более 50 лет разработки по водороду всячески не поддерживаются и закрываются по приказу сверху.

Это к тому, что скорость сгорания водорода 320 см/с.

А вам одного "Гинденбурга" мало? Поэтому и не смотрят в его сторону. Двигатель на водороде слишком опасен. По крайней мере, он опаснее двигателей на твердом топливе.

О чём спор то?
Наши "пилят" топливо для ТРД, кто не знает - мы в этом плане всегда отставали от США, вплоть до того, что основные МБР у нас были жидкостные, а в США - твёрдотопливные.
И никто никогда не спорил, что твёрдотопливные МБР - лучше жидкостных в плане скорости их приведения в боевую готовность. Просто у нас не было надёжных и мощных ТРД, в том числе - топлива для них.
Однако, ТРД это двигатель старта и на этом всё. А ЖРД это двигатель полёта. А потому что ТРД, это, по-факту, большая пороховая шашка - раз поджёг и не остановишь, пока сама не догорит. А отсюда крайне ограниченные возможности управления таким двигателем, высокая вероятность катастрофы, в результате сбоя в нём (подачу топлива то остановить нельзя, как в ЖРД), ну, и естественно - одноразовость использования.

fibi768 писал(а):

Отличная новость для тех кто плакал что они до сих пор летают на керосине.

На "керосине" именно летать - будут и дальше, а стартовать, вот возможно будут на ТРД - с новым топливом.
Так что - каждый двигатель полезен в своей сфере применения.
И молодцы - что разрабатывают.

vovka036 писал(а):

Всё для войны, попугать америкосов и весь мир. Пока остальные на благо человечества изобретают, покоряют космос.

Чукча не читатель, чукча - писатель.

Null_Daemon писал(а):

Все учёные в России пишут диссертации, решая учебные задачи.

по-разному бывает
основная цель - это просто квалификационная работа и всё.
Докторская должна уже быть иной.
Ученики последователи своя тема-темы - направление и проч аттрибуты независимости.

скажу Вам что и дипломы бывают разные по которым и пишутся статьи и входят в американские учебники для специалистов..
или на дипломной делается половина кандидатской а на кандидатской половина докторской - общих понятий нет
всё решается в конкретном случае

кроме того есть и прочие нюансы - а именно на каком совете защита происходит
в некоторых заведениях допускают к кандидатской когда на других Ученых Советах это куда как меньше по научной ценности значимости практической пользы апробации и проч что пишется в автореферате

поэтому огулом сказать что это фуфло - не скажешь