Performance, Stability and Erosivity of Nitrogen-Rich Gun Propellants

Plusieurs chercheurs considèrent que les approches actuelles au contenu énergétique de propulsifs ont atteint leur maturité et leurs limites. L'oxydation de molécules à base de carbone est l'approche utilisée depuis plusieurs décennies et a atteint son plein potentiel. Des structures sous forme de cage ont un contenu énergétique très élevé, mais restent dispendieuses. De plus, des défis supplémentaires en termes de vulnérabilité réduite, d'impact environnementaux et de réduction d'usure de systèmes d'armes. Il attendu des composés riches en azote qu'ils remédient à ces défis. Cependant, les efforts des scientifiques se sont principalement concentrés sur la synthèse de nouveaux composés riches en azote avec peu d'attention sur les effets de ces composés lorsqu'incorporés dans des poudres propulsives. Cette thèse vise à caractériser les effets de composés riches en azote dans des poudres propulsives en termes de performance, de stabilité et d'érosivité. Quatre composés riches en azote, soit le 5,5'-hydrazinebistétrazole (HBT), le 5,5'-bis-(1H-tetrazolyl)-amine (BTA), le nitrate de 5-aminotétrazolium (HAT-NO3) et le 3,6-dihydrazino-s-tétrazine (DHT) ont été incorporés en concentrations massiques de 5%, 15% et 25% dans un propulsif pour canon de type base triple. La triple base était composée de nitrocellulose, trimethylol éthane trinitrate et triéthylène glycol dinitrate. L'ajout de composés riches en azote a résulté en une augmentation de la vitesse de combustion dans tous les cas, cette augmentation atteignant jusqu'à 93% pour le BTA comparativement au propulsif de référence. Les exposants de pression et coefficients linéaires étaient hautement variés, certains exposants atteignant des valeurs indésirables de 1.4. La stabilité thermique à court terme et à long terme des propulsifs a aussi été évaluée. Le HBT et le BTA se sont avéré thermiquement stables à court terme et compatibles à long terme avec les esters nitrés. Le DHT et le HAT-NO3 se sont avérés peu compatibles avec les esters nitrés à long terme. Le DHT en particulier s'est avéré incompatible avec une décomposition autocatalytique. La baisse de stabilité due au HAT-NO3 est attribué à la dissociation partielle de ce dernier en l'acide et la base qui en sont les précurseurs, ce qui favorise la décomposition des esters nitrés dû à la présence d'acide nitrique. La décomposition autocatalytique des propulsifs incorporant du DHT est attribués aux effets oxydants des autres constituants et des produits de décomposition des autres constituants du propulsif. Les effets du HBT et BTA sur l'érosivité de poudres propulsives aussi été quantifié, une première dans la littérature scientifique des composés riches en azote. L'ajout de matériaux riches en azote a résulté en une diminution significative de l'érosivité des propulsifs comparativement à la formulation de référence. Cette diminution a aussi démontré que la modélisation semi-empirique de l'érosion de canons actuelle est potentiellement inadaptée aux propulsifs riches en azote étant donné que les modèles sont basés sur des propulsifs conventionnels et à faible vulnérabilité. Les effets des réactions entre l'acier de canon et l'azote sont un autre aspect qui est absent des modèles. De plus, les vitesses de combustion des propulsifs incorporant 35% de HBT et BTA ont été mesurés. Ces mesures ont mené à la découverte d'un changement significatif dans la cinétique de combustion des propulsifs qui est reflété par une augmentation des coefficients linéaires et une baisse des exposants. Finalement, une série d'heuristiques a été proposé pour guider les formulateurs dans la sélection de composés riches en azote. Ces heuristiques sont proposés au lieu de modèles puisqu'il a été déterminé que la création de modèles adéquats sera une entreprise importante et complexe.

Abstract

It is believed that the current approaches to energetic content in gun propellants have reached their limits. Oxidation of molecules with a carbon backbone is the approach that has been in use for decades and has reached its full potential. Strain cage structures like CL-20 provide good energetic content but remain very expensive. Additional challenges in gun propellant design include reduced sensitivity, improved thermal stability, lowered environmental impact and reducing wear of gun systems due to propellants. Nitrogen-rich materials are anticipated to be a solution to these challenges without having to sacrifice performance. However, efforts have mostly been centered on the synthesis of new molecules with little attention paid to their effects in gun propellants. This thesis aims to fill this gap in energetic materials research by measuring the effects of nitrogen-rich materials in gun propellants. More specifically, the properties investigated were the performance, stability and erosivity of nitrogen-rich propellants. A total of four nitrogen-rich materials, 5,5'-hydrazinebistetrazole (HBT), 5,5'-bis-(1H-tetrazolyl)-amine (BTA), 5-aminotetrazolium nitrate (HAT-NO3) and 3,6-dihydrazino-s-tetrazine (DHT) were incorporated at concentrations of 5%, 15%, 25% and 35% (HBT and BTA only) in a modified triple base gun propellant. The triple base was composed of nitrocellulose, trimethylolethane trinitrate and diethylene glycol dinitrate. All nitrogen-rich materials resulted in a burning rate increase regardless of concentration with the burning increase reaching as high as 93% for 5,5'-bis-(1H-tetrazolyl)-amine. Significant changes in burning rate laws also indicated changes in the combustion kinetics of the propellants which were due to the nitrogen-rich materials. The thermal stability, both short-term and long-term, was evaluated for all propellants. BTA and HBT proved to have no significant effect on the long-term stability of the propellants and the short-term thermal stability of the propellants incorporating these materials remained within acceptable levels. Both DHT and HAT-NO3 proved to have poor long-term stability. The decrease of the stability of the propellant incorporating HAT-NO3 is attributed to the salt dissociating into its acid-base precursors which leads to accelerated decomposition of nitrocellulose due to nitric acid. Propellants incorporating DHT exhibited a catastrophic autocatalytic decomposition behavior. This behavior is attributed to the decomposition products of the other materials in the propellant oxidizing DHT which leads to its decomposition and further decomposition of the propellant. The effects of HBT and BTA on the erosivity of gun propellants were characterized, a first for nitrogen-rich materials in propellants. The addition of nitrogen-rich materials significantly lowered the erosivity of the propellants. It also demonstrated that current modeling of erosion may not be adequate for nitrogen-rich materials given their semi-empirical nature and the effects of nitrogen gas diffusing and reacting with the gun steel Finally, a set of heuristics based on the results obtained is proposed to help formulators with the initial screening of nitrogen-rich materials in gun propellant applications. These heuristics are proposed in lieu of models as it was discovered that such models could only be the result of a complex and important series of experimental works outside of the scope of a single PhD thesis.