Визначення енергетичних характеристик та вибір екологічно безпечних компонентів твердих ракетних палив на ранніх етапах проектування

Автор(и)

  • Олена Сергіївна Косіцина Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара, Україна https://orcid.org/0000-0003-0857-831X
  • Костянтин Єлисейович Варлан Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара, Україна https://orcid.org/0000-0001-7888-2777
  • Микола Михайлович Дронь Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара, Україна https://orcid.org/0000-0003-0682-8004
  • Олексій Володимирович Кулик Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара, Україна https://orcid.org/0000-0002-2913-4462

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.247233

Ключові слова:

енергонасичені композиції, екологічно безпечні окисники, полімерне зв’язувальне, питомий імпульс тяги

Анотація

Перевірена можливість теоретичного розрахунку величини питомого імпульсу тяги для енергонасичених композицій з використанням лише двох параметрів – теплоти реакції та кількості молів газоподібних продуктів реакції розкладу. Питомий імпульс тяги є однією з найважливіших енергетичних характеристик ракетного палива. Він демонструє рівень можливості в досягненні величини тяги двигуна та ефективності застосування палива. Експериментальне визначення питомого імпульсу тяги є складним завданням, що потребує виконання спеціальних умов. На стадії синтезу нових перспективних компонентів, порівняльного аналізу енергетичних характеристик, прогнозування величини питомого імпульсу тяги особливо актуальними є розрахункові методи. Більшість подібних методів вперше були розроблені для визначення енергетичних характеристик вибухових речовин. Так як вибухові речовини та ракетні палива в багатьох випадках мають аналогічний енергетичний вміст та подібний хімічний склад, деякі розрахункові методи можуть бути використані і для оцінки питомого імпульсу тяги твердих ракетних палив.

Було розраховано питомий імпульс тяги для 45 композицій на основі екологічно безпечних окисників (динітраміду амонію, нітроформіату гідразину, гексанітрогексаазоізовюрцитану) та полімерних зв’язувальних (полібутадієну з кінцевими гідроксильними групами, гліцидилазидного полімеру, полі-3-нітратометил-3-метилоксетану). Встановлено, що одержані розрахункові дані добре співвідносяться з літературними даними. Відхилення одержаних значень питомого імпульсу тяги від літературних становить від 0,4 % до 1,8 %. Результати розрахунків можуть бути використані для попереднього прогнозування енергетичних характеристик енергонасичених композицій, вибору найбільш перспективних компонентів та їх співвідношення

Біографії авторів

Олена Сергіївна Косіцина, Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра хімії та хімічної технології високомолекулярних сполук

Костянтин Єлисейович Варлан, Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара

Кандидат хімічних наук, доцент, завідувач кафедри

Кафедра хімії та хімічної технології високомолекулярних сполук

Микола Михайлович Дронь, Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара

Доктор технічних наук, професор

Кафедра проектування та конструкцій

Олексій Володимирович Кулик, Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра технології виробництва

Посилання

  1. Kositsyna, O. S., Dron’, M. M., Yemets, V. V. (2020). The environmental impact assessment of emission from space launches: the promising propellants components selection. Journal of Chemistry and Technologies, 28 (2), 186–193. doi: https://doi.org/10.15421/082020
  2. Yemets, V., Dron’, M., Yemets, T., Kostritsyn, O. (2015). The Infinite Staging Rocket – A Progress to Realization. IAC-15. Available at: https://iafastro.directory/iac/archive/browse/IAC-15/D2/7/28649/
  3. Yemets, V., Harkness, P., Dron’, M., Pashkov, A., Worrall, K., Middleton, M. (2018). Autophage Engines: Toward a Throttleable Solid Motor. Journal of Spacecraft and Rockets, 55 (4), 984–992. doi: https://doi.org/10.2514/1.a34153
  4. Yemets, M., Yemets, V., Dron’, M., Harkness, P., Worrall, K. (2018). Caseless throttleable solid motor for small spacecraft. IAC-18. Available at: https://iafastro.directory/iac/archive/browse/IAC-18/C4/8-B4.5A/48017/
  5. Yemets, V., Dron’, M., Pashkov, A. (2020). Autophage Engines: Method to Preset Gravity Load of Solid Rockets. Journal of Spacecraft and Rockets, 57 (2), 309–318. doi: https://doi.org/10.2514/1.a34597
  6. Yemets, V. V., Dron’, M. M., Kositsyna, O. S. (2019). Estimation of the possibilities for using the solid hydrocarbon fuels in autophage launch vehicle. Journal of Chemistry and Technologies, 27 (1), 58–64. doi: https://doi.org/10.15421/081906
  7. Yemets, V., Dron, M., Pashkov, A., Dreus, A., Kositsyna, Y., Yemets, M. et. al. (2020). Method to Preset G-load Profile of Launch Vehicles. 71st International Astronautical Congress, IAC 2020. Available at: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85100948613&origin=inward&txGid=45e75f972f792a0effbe94b9a76e7aeb
  8. Gadiot, G. M. H. J. L., Mul, J. M., Meulenbrugge, J. J., Korting, P. A. O. G., Schnorkh, A. J., Schöyer, H. F. R. (1993). New solid propellants based on energetic binders and HNF. Acta Astronautica, 29 (10-11), 771–779. doi: https://doi.org/10.1016/0094-5765(93)90158-s
  9. Trache, D., Klapötke, T. M., Maiz, L., Abd-Elghany, M., DeLuca, L. T. (2017). Recent advances in new oxidizers for solid rocket propulsion. Green Chemistry, 19 (20), 4711–4736. doi: https://doi.org/10.1039/c7gc01928a
  10. Abd-Elghany, M., Klapötke, T. M., Elbeih, A. (2018). Environmentally safe (chlorine-free): new green propellant formulation based on 2,2,2-trinitroethyl-formate and HTPB. RSC Advances, 8 (21), 11771–11777. doi: https://doi.org/10.1039/c8ra01515e
  11. Vellaisamy, U., Biswas, S. (2020). Effect of metal additives on neutralization and characteristics of AP/HTPB solid propellants. Combustion and Flame, 221, 326–337. doi: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2020.08.006
  12. Muthurajan, H., Sivabalan, R., Pon Saravanan, N., Talawar, M. B. (2009). Computer code to predict the heat of explosion of high energy materials. Journal of Hazardous Materials, 161 (2-3), 714–717. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.04.032
  13. Jafari, M., Keshavarz, M. H., Ebadpour, R. (2020). A Simple Approach to Assess the Performance of Non‐ideal Aluminum/Ammonium Perchlorate Composite Explosives as Compared to the Best Available Methods. Zeitschrift Für Anorganische Und Allgemeine Chemie, 646 (17), 1419–1425. doi: https://doi.org/10.1002/zaac.202000269
  14. Muthurajan, H., Sivabalan, R., Talawar, M., Anniyappan, M., Venugopalan, S. (2006). Prediction of heat of formation and related parameters of high energy materials. Journal of Hazardous Materials, 133 (1-3), 30–45. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.10.009
  15. Talawar, M. B., Sivabalan, R., Anniyappan, M., Gore, G. M., Asthana, S. N., Gandhe, B. R. (2007). Emerging trends in advanced high energy materials. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 43 (1), 62–72. doi: https://doi.org/10.1007/s10573-007-0010-9
  16. Kumar, P. (2018). An overview on properties, thermal decomposition, and combustion behavior of ADN and ADN based solid propellants. Defence Technology, 14 (6), 661–673. doi: https://doi.org/10.1016/j.dt.2018.03.009
  17. De Flon, J., Andreasson, S., Liljedahl, M., Oscarson, C., Wanhatalo, M., Wingborg, N. (2011). Solid Propellants based on ADN and HTPB. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. doi: https://doi.org/10.2514/6.2011-6136
  18. Cerri, S., Bohn, M. A., Menke, K., Galfetti, L. (2013). Characterization of ADN/GAP-Based and ADN/Desmophen®-Based Propellant Formulations and Comparison with AP Analogues. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 39 (2), 192–204. doi: https://doi.org/10.1002/prep.201300065
  19. Nagamachi, M. Y., Oliveira, J. I. S., Kawamoto, A. M., Dutra, R. de C. L. (2009). ADN - The new oxidizer around the corner for an environmentally friendly smokeless propellant. Journal of Aerospace Technology and Management, 1 (2), 153–160. doi: https://doi.org/10.5028/jatm.2009.0102153160
  20. Zhang, J., Feng, Y., Staples, R. J., Zhang, J., Shreeve, J. M. (2021). Taming nitroformate through encapsulation with nitrogen-rich hydrogen-bonded organic frameworks. Nature Communications, 12 (1). doi: https://doi.org/10.1038/s41467-021-22475-8
  21. Deppert, T. M., Smith, D. R, Shanholtz, C. (2015). Pat. No. 9505666 US. Methods to desensitize hydrazinium nitroformate (HNF). No. 14/268,470; declareted: 05.11.2015; published: 29.011.2016. Available at: https://patentimages.storage.googleapis.com/86/e5/fa/d0a6e54e76337a/US9505666.pdf
  22. De Luca, L. T., Shimada, T., Sinditskii, V. P., Calabro, M. (Eds.) (2017). Chemical Rocket Propulsion. A Comprehensive Survey of Energetic Materials. Springer, 1084. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-27748-6
  23. Badgujar, D. M., Talawar, M. B., Zarko, V. E., Mahulikar, P. P. (2019). Recent Advances in Safe Synthesis of Energetic Materials: An Overview. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 55 (3), 245–257. doi: https://doi.org/10.1134/s0010508219030018
  24. Keshavarz, M. H., Ghani, K., Asgari, A. (2015). A New Method for Predicting Heats of Decomposition of Nitroaromatics. Zeitschrift Für Anorganische Und Allgemeine Chemie, 641 (10), 1818–1823. doi: https://doi.org/10.1002/zaac.201500273
  25. Jafari, M., Keshavarz, M. H., Noorbala, M. R., Kamalvand, M. (2016). A Reliable Method for Prediction of the Condensed Phase Enthalpy of Formation of High Nitrogen Content Materials through their Gas Phase Information. ChemistrySelect, 1 (16), 5286–5296. doi: https://doi.org/10.1002/slct.201601184
  26. Keshavarz, M. H., Abadi, Y. H., Esmaeilpour, K., Damiri, S., Oftadeh, M. (2017). Introducing Novel Tetrazole Derivatives as High Performance Energetic Compounds for Confined Explosion and as Oxidizer in Solid Propellants. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 42 (5), 492–498. doi: https://doi.org/10.1002/prep.201600249
  27. Keshavarz, M. H., Jafari, M., Ebadpour, R. (2019). Simple method to calculate explosion temperature of ideal and non-ideal energetic compounds. Journal of Energetic Materials, 38 (2), 206–213. doi: https://doi.org/10.1080/07370652.2019.1679284
  28. Kamlet, M. J., Jacobs, S. J. (1968). Chemistry of Detonations. I. A Simple Method for Calculating Detonation Properties of C–H–N–O Explosives. The Journal of Chemical Physics, 48 (1), 23–35. doi: https://doi.org/10.1063/1.1667908
  29. Frem, D. (2018). A Reliable Method for Predicting the Specific Impulse of Chemical Propellants. Journal of Aerospace Technology and Management, 10. doi: https://doi.org/10.5028/jatm.v10.945
  30. Politzer, P., Murray, J. S. (2014). The role of product composition in determining detonation velocity and detonation pressure. Central European Journal of Energetic Materials, 11 (4), 459–474. Available at: https://ipo.lukasiewicz.gov.pl/wydawnictwa/wp-content/uploads/2021/03/Politzer-5.pdf
  31. Talin, D. D. (2007). Fiziko-himicheskie svoystva vzryvchatyh veschestv, porohov i tverdyh raketnyh topliv. Perm': Izdatel'stvo permskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 274. Available at: https://ua1lib.org/book/2083510/59c149?id=2083510&secret=59c149&dsource=recommend

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-12-21

Як цитувати

Косіцина, О. С., Варлан, К. Є., Дронь, М. М., & Кулик, О. В. (2021). Визначення енергетичних характеристик та вибір екологічно безпечних компонентів твердих ракетних палив на ранніх етапах проектування. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(6 (114), 6–14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.247233

Номер

Том 6 № 6 (114) (2021): Технології органічних та неорганічних речовин

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Olena Kositsyna, Kostiantyn Varlan, Mykola Dron, Oleksii Kulyk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.