Перспективы использования наноэнергетических материалов в твердых ракетных топливах

В. Е. Зарко

Известно, что значения плотности энергии традиционных энергетических материалов ограничены энтальпиями образующихся продуктов, что приводит к относительно низким объемным и гравиметрическим плотностям энергии. Наноэнергетические материалы стали доступны в течение последних 3 десятилетий, и они обещают достичь гораздо более высоких величин плотности энергии и более высокой скорости выделения энергии. Исследование превращений в наноэнергетических материалах является довольно молодой областью науки, которая активно развивается, и ожидаемые результаты могут привести к прорыву в разработке новых микроэнергетических устройств. Плотности энергии в наноэнергетических устройствах могут достигать 50 МДж/кг, что на порядок выше этих значений в случае сжигания классических ракетных топлив. Чрезвычайно высокие скорости горения, превышающие 3 км/с, могут быть реализованы при сжигании пористых кремниевых наноэнергетических композитов.

Наноструктурированные энергетические материалы имеют наноразмерные структуры, по крайней мере, в одном измерении. Малый критический диаметр, высокая скорость реакции и большое выделение тепла позволяют использовать эти материалы во взрывных микрочипах. Особый интерес представляют примеры исследования особенностей механизмов зажигания и горения индивидуальных металлических частиц и композитных наносистем, а также некоторые способы получения композиций с уникальными свойствами. Известно, что точный физический механизм воспламенения частиц нано-Al в настоящее время не определен. Основной причиной этого является отсутствие доступных экспериментальных методик, поскольку технически трудно проводить эксперименты с регистрацией физических превращений, происходящих с наноразмерными частицами при скоростях нагрева, достигающих 10⁶ ÷ 10⁸ К/с. Наряду с детальными исследованиями реакционных наноматериалов на основе алюминия достигнут существенный прогресс в создании мощных взрывчатых материалов повышенного качества. Недавно было показано, что чувствительность классических взрывчатых веществ к внешним воздействиям снижается с уменьшением размера кристаллов. Это дало начало работам по синтезу нанокристаллов различных взрывчатых веществ (таких как RDX, HMX, Cl-20, TATB) с использованием методов испарения и золь-гель. Можно утверждать, что физическое и математическое моделирование в области исследования наноразмерных композитных энергетических материалов постоянно совершенствуется. Ситуация постоянно улучшается, а методы приготовления и определения характеристик энергетических наноматериалов становятся все более изощренными и эффективными. В данном обзоре обсуждаются последние достижения в этой области и формулируются предложения для будущих исследований.

Глава 1 в книге «Наноматериалы в ракетных системах», 2019, Эльзевир

V. E. Zarko. Ch. 1. The Prospects of Using Nanoenergetic Materials in Solid Rocket Propulsion. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813908-0.00001-0

In: Nanomaterials in Rocket Propulsion Systems. Pages 3-30. Elsevier, 2019.