Theoretical analysis of the use of glycidyl polyazide and polynitratomethylmethyloxetane in high-performance reduced-smoke rocket propellants

• Autorzy: Gołofit Tomasz , Cieślak Katarzyna , Chmielarek Michał

Identyfikatory

DOI

10.22211/matwys/0237

Warianty tytułu

PL

Poliazydek glicydylu i poliazotanometylometyloksyetan w wysokowydajnych paliwach rakietowych o zmniejszonym dymieniu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Conducting preliminary calculations of the ballistic effectiveness and smoke generation of new rocket propellant compositions is beneficial due to the high cost of tests. In this work, the combustion temperature (Tcomb.) and specific impulse (Isp) for rocket propellants were determined using the Air Force Specific Impulse Program. The effect of replacing the non-energetic binder hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB) with binders containing explosophoric groups with glycidyl polyazide (GAP) or polynitratomethylmethyloxetane (polyNIMMO), and replacing ammonium perchlorate (AP) with ammonium dinitramide (ADN) are discussed. The highest Tcomb. and the highest Isp were obtained for a system containing 20% GAP, 60% ADN and 20% Al. Another important aspect of modern rocket propellants is smoke intensity, so smoke classifications were determined for the proposed compositions in accordance to the classification given in a report by the Advisory Group for Aerospace Research & Development (AGARD). The use of the new components – GAP, polyNIMMO and ADN – is beneficial because it enables a higher Isp and reduced smoke. The maximum Isp of these propellants is obtained for compositions containing higher amounts of binder, which facilitates the manufacturing process. The use of computer calculations in the first phase of research into new rocket propellants makes it possible to estimate the improvement in performance of the new propellant and to learn about the impact of composition changes on performance.

PL

Przeprowadzenie wstępnych obliczeń efektywności balistycznej oraz dymności nowych składów paliw rakietowych jest korzystne ze względu na wysokie koszty badań gotowych wyrobów. W pracy, przy wykorzystaniu programu Air Force Specific Impulse Program wyznaczono temperaturę palenia (Tcomb.) i impuls właściwy (Isp) układów trójskładnikowych zawierających jako utleniacz: chloran(VII) amonu (AP), sól amonową dinitroaminy (ADN), jak lepiszcze: polibutadien zakończony grupami hydroksylowymi (HTPB), poliazydek glicydylu (GAP), poliazotanometylometyloksyetan (NIMMO) oraz glin (Al). Omówiono wpływ zastąpienia nieenergetycznego lepiszcza HTPB, lepiszczami zawierającymi grupy eksplozoforowe oraz zastąpienie AP ADN. Opisano również wpływ Al na temperaturę i Isp omawianych paliw. Najwyższą Tcomb. oraz najwyższy Isp uzyskano dla układu GAP-ADN-Al. Kolejnym istotnym aspektem nowoczesnych paliw rakietowych jest intensywność dymienia. Określono klasy dymienia według klasyfikacji AGARD zaproponowanych składów. Zastosowanie nowych składników GAP, NIMMO i ADN jest korzystne, ponieważ: pozwala na uzyskanie większego Isp oraz zmniejszonego dymienia. Maksimum Isp tych paliw jest uzyskiwane dla składów zawierających większe ilości lepiszcza, co ułatwia proces wytwarzania. Wykorzystanie obliczeń komputerowych w pierwszym etapie badań nad nowymi paliwami rakietowymi pozwala na oszacowanie poprawy parametrów użytkowych nowego paliwa oraz poznanie wpływu zmian składu na parametry użytkowe.

Słowa kluczowe

EN

solid rocket propellants; specific impulse; combustion temperature; HTPB; GAP; polyNIMMO; ammonium dinitramide; ammonium perchlorate

PL

stałe paliwa rakietowe; impuls właściwy; temperatura palenia; HTPB; GAP; NIMMO; sól amonowa dinitroaminy; chloran(VII) amonu

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Przemysłu Organicznego
• Czasopismo: Materiały Wysokoenergetyczne
• Rocznik: 2023
• Tom: T. 15
• Strony: 36--47
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Gołofit Tomasz

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, The Division of High Energetic Materials, 3 Noakowskiego St., 00-664 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7594-1145

autor

Cieślak Katarzyna

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, The Division of High Energetic Materials, 3 Noakowskiego St., 00-664 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5418-5763

autor

Chmielarek Michał

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, The Division of High Energetic Materials, 3 Noakowskiego St., 00-664 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2091-4120

Bibliografia

• [1] Sutton G.P., Biblarz O. Rocket Propulsion Elements. 9th Ed., Wiley, 2017.
• [2] Lempert D.B., Nechiporenko G,N., Manelis G.B. Energetic Characteristics of Solid Composite Propellants and Ways for Energy Increasing. Proc. 9th Semin. New Trends Res. Energ, Mater., Pardubice, April 19-21, 2006, Part I, pp. 169-180.
• [3] Lempert D.B., Nechiporenko G.N., Manelis G.B. Energetic Capabilities of High-Density Composite Solid Propellants Containing Zirconium or Its Hydride. Combust. Explos. Shock Waves 2011, 47(1): 45-54.
• [4] Książczak A., Maksimowski P., Gołofit T. Low-streak and Ecological Rocket Fuels. (in Polish) Problemy Techniki Uzbrojenia 2005, 95(2): 133-141.
• [5] Gołofit T., Maksimowski P., Biernacki A. Optimization of Potassium Dinitramide Preparation. Propellants Explos. Pyrotech. 2013, 38(2): 261-265; https://doi.org/10.1002/prep.201100165.
• [6] Lade R., Wasewar K., Sangtyani R., Kumar A., Shende D., Peshwe D. Effect of Aluminum Nanoparticles on Rheological Behavior of HTPB-based Composite Rocket Propellant. J. Energ. Mater. 2019, 37(2): 125-140; https://doi.org/10.1080/ 07370 652.2018.1543737.
• [7] Miszczak M. POLISH DISCLOSED SECRET PATENTS ON TECHNOLOGY OF SOLID, HETEROGENEOUS ROCKET PROPELLANTS. (in Polish) Problemy Techniki Uzbrojenia 2022, 160(2): 119-135; https://doi.org/10.5604/01.3001.0015.9901.
• [8] Kubota N. Propellants and Explosives, Thermochemical Aspects of Combustion. Wiley-VCH, Germany, 2002.
• [9] Varghese T.L., Krishnamurthy V.N. The Chemistry and Technology of Solid Rocket Propellants (A treatise on solid propellants). Allied Publishers Pvt. Ltd., 2017.
• [10] Colclough M.E, Desai H., Millar R.W., Paul N.C., Stewart M.J., Golding P. Energetic Polymers as Binders in Composite Propellants and Explosives. Polym. Adv. Technol. 1994, 5(9): 554-560; https://doi.org/10.1002/pat.1994.220050914.
• [11] Nguyen C., Morin F., Hiernard F., Guengant Y. High Performance Aluminized GAP-based Propellants- IM Results. Proc. 2000 IMEMTS, Munich, October 11-14, 2010.
• [12] Gettwert V., Bohn M.A, Fischer S., Weiser V. Performance of ADN/GAP Propellants Compared to Al/AP/HTPB. Proc. 2015 IMEMTS, Roma, May 18-21, 2015.
• [13] Pang W,Q., de Luca L.T., Xu H.X., Fan X.Z., Li Y.H., Xie W.X., Li Y. Effects of CL-20 on the Properties of Glicydyl Azide Polymer (GAP) Solid Rocket Propellant. Int. J. Energ. Mater. Chem. Propuls. 2016, 15(1): 49-64; https://doi.org/10.1615/IntJEnergeticMaterialsChemProp.2015012094.
• [14] Menke K., Böhnlein-Mauß J., Schubert H. Characteristic Properties of AN/GAP-Propellants. Propellants, Explos. Pyrotech. 1996, 21(3): 139-145; https://doi.org/10.1002/ PREP.19960210306.
• [15] Menke K., Eisele S. Rocket Propellants with Reduced Smoke and High Burning Rates. Propellants Explos. Pyrotech. 1997, 22(3): 112-119; https://doi.org/10.1002/PREP.19970220304.
• [16] Terminology and Assessment Methods of Solid Propellant Rocket Exhaust Signatures. Advisory Group For Aerospace Research And Development. 1993.
• [17] http://www.dunnspace.com/isp.htm [retrevied 20.07.2023].
• [18] Davenas A. Solid rocket propulsion technology. Pergamon Press, 1993.