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.