Die Erfindung betrifft eine Projektiltreibladung. Der Ausdruck Projektiltreibladung bezieht sich auf Treibladungen für das Treiben von Projektilen. Projektiltreibladungen werden als schwache Explosivstoffe bezeichnet, um sie von detonierenden hochexplosiven Sprengstoffen zu unterscheiden.
Sie unterscheiden sich von hochexplosiven Sprengstoffen dadurch, dass die Geschwindigkeit der Energiefreisetzung bei der Eigenverbrennung innerhalb bestimmter Grenzen geregelt ist. Die erste echte Projektiltreibladung wurde aus Kaliumnitrat, Schwefel und Holzkohle hergestellt. Sie wurde als Schwarzpulver bezeichnet. Nitrocellulose bildet die Basis für alle modernen Schiesspulver und sie wird typischerweise heutzutage mit Nitroglyzerin kombiniert, wobei das sogenannte rauchlose Pulver entsteht. Der Ausdruck rauchloses Pulver bezieht sich auf kolloidierte Nitrocellulose, und nvar entweder allein oder in Mischung mit Nitroglyzerin oder anderen Materialien. Rauchloses Pulver ist kein wirkliches Pulver in der allgemeinen Bedeutung des Wortes, noch ist es wirklich rauchlos, es sei denn, man vergleicht es mit Schwarzpulver.
Moderne Pulver können beliebige Formen haben, wie z. B. Flocken, Streifen, Kinkeln und zylindrische Körner.
Die zylindrischen Körner werden meistens für militärische Zwecke venvandt. Der Ausdruck einbasiges Pulver bezieht sich im allgemeinen auf kolloidierte Nitrocellulose in Abwesenheit von Nitroglyzerin oder anderen Weichmachern. Der Ausdruck zweibasiges Pulver bezieht sich im allgemeinen auf Pulver, welche Nitrocellulose und Nitroglyzerin oder andere Weichmacher enthalten. Diese zweibasigen Pulver enthalten gewöhnlich 15 bis 40cit Nitroglyzerin. Obwohl zweibasige Pulver viele erwünschte Eigenschaften haben, so ist ihre Wirkungsweise doch mit einigen unenvünschten Merkmalen behaftet. Die auftretende hohe Brenntemperatur verursacht z. B. im Vergleich zu einbasigen Pulvern eine übermässige Erosion im Rohr oder im Lauf. Darüber hinaus ist die Handhabung von Nitroglyzerin sehr gefährlich.
Seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts hat sich der Grundaufbau der festen Treibladungsmischungen für Schusswaffen Munition oder dergleichen im wesentlichen nicht verändert.
Während einerseits bestimmte Verbesserungen vorgenommen wurden, wie z. B. die Einführung des Kugelpulvers, der kühl-brennenden extrudierten Mischungen, die Anwendung von oberflächenbehandelnden Mitteln und bestimmter Geometrien zur Verbesserung der Regelung der Gasentwicklung, so basieren die Mischungen doch anderseits immer noch in erster Linie auf Nitrocellulose mit oder ohne Nitroglyzerin, wie oben erwähnt.
Die frühen einbasigen Treibladungen aus Nitrocellulose mit einem Stickstoffgehalt von 13,15cd hatten eine spezifische Energie von 109 kg-m/g und eine isochore Flammentemperatur von 3292" K. Die Einverleibung von 20 Gewichtsprozent Nitroglyzerin ergibt die zweib asige Standardtreibladung mit einer spezifischen Energie von 115 kg-m/g und mit einer isochoren Flammentemperatur von 3592" K. Wie zuvor erwähnt, ist die hohe Flammentemperatur des zweibasigen Systems sehr unerwünscht, da die Lebensdauer des Rohrs aufgrund von Erosion stark eingeschränkt wird. Zur Überwindung dieses schwierigen Problems wurden dreibasige Treibladungen entwickelt, in welchen Nitroguanidin als Kühlmittel dem Nitrocellulose-Nitroglyzerin-System einverleibt wurde. Herkömmliche dreibasige Treibladungen sind z. B.
M30 mit einer spezifischen Energie von 111 kg-m/g und mit Tv = 30400K sowie M31 mit einer spezifischen Energie von 102 kg-m/g und mit Tv = 2597" K. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die erforderliche Verminderung der Flammentemperatur durch einen starken Abbau der spezifischen Energie bewirkt wird. Daher ist es erwünscht, eine Treibladung zu schaffen, welche die hohe spezifische Energie des zweibasigen Systems mit der niedrigen Flammentemperatur des dreibasigen Systems in sich vereinigt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Feststoff-Treibladung, ins besondere für Projektile, zu schaffen, welche durch eine niedrige Flammentemperatur zur Vermeidung übermässiger Rohrerosion und durch einen weiten Bereich des Wertes der spezifischen Energie gekennzeichnet ist und welche mit Standardmaschinen zu nicht-perforierten, mono-perforierten oder multi-perforierten Körnern verarbeitet werden kann und bei der Explosion nicht zu korrosiven Verbrennungsprodukten führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Feststoff Projektiitreibladung gelöst, welche durch einen Gehalt an Triaminoguanidinnitrat gekennzeichnet ist.
Das Triaminoguanidinnitrat kann als einziges Oxydationsmittel zugegen sein oder es kann in Kombination mit anderen Oxydationsmitteln wie Cyclotrimethylentrinitramin oder Cyclotetramethylentetranitramin vorliegen. Ferner kann ein Bindersystem auf der Basis von Nitrocellulose zugegen sein.
Dieses ist typischerweise eine hoch-nitroplastifizierte Nitrocellulose. Ferner kann ein nicht-energetischer Weichmacher, wie z. B. Polyäthylenglycol zugegen sein. Die erfindungsgemässe Treibladung ist sehr flexibel. Sie erlaubt Treibladungsgemische mit einem weiten Bereich der spezifischen Energiewerte und relativ niedrigen Flammentemperaturen, welche typischerweise unterhalb 30000K liegen, wenn bei konstantem Volumen gemessen wird. Die erfindungsgemäss Projektiltreibladung enthält keinen Metalltreibstoff, da Metallpartikeln in dem Verbrennungsgas zu unerwünschter Rohrerosion führen. Vorzugsweise enthalten die Projektiltreibladungen lediglich Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, damit bei der Verbrennung ausschliesslich Gase gebildet werden, welche nichtkorrodierende Verbrennungsprodukte sind.
Die Komponenten der Projektiltreibladung sind vorzugsweise Materialien mit einem hohen Gehalt an Stickstoff und Wasserstoff und mit einem niedrigen Gehalt an Kohlenstoff und Sauerstoff, um ein hohes mittleres Molekulargewicht der Verbrennungsprodukte zu vermeiden. Ein niedriges Molekulargewicht der Verbrennungsprodukte ist erwünscht, da hierdurch der Antriebswert erhöht wird.
Triaminoguanidinnitrat (TAGN) ist ein dichter, nichthygroskopischer, thermisch stabiler Festkörper. TAGN kann leicht in hohen Ausbeuten aus Guanidinnitrat und Hydrazin hergestellt werden (Diamond, L. H., Derivatives of Hydrazine, Veröffentlichung Nr. 10,466, Universitäts-Mikrofilme, Ann Arbor, Michigan, 1954). Es kann ferner durch wässrige Verschmelzung von Kalziumcyanamid und Hydrazinnitrat hergestellt werden, sowie durch Umsetzung einer Mischung von Hydrazinnitrat und Hydrazinhydrat mit Dicyandiamid (US-Patent 3 285 958). Das TAGN wirkt als Oxydationsmittel und als Kühlmittel in der erfindungsgemässen Treibladung. Man erreicht durch TAGN eine grössere spezifische Energie und geringere Flammentemperaturen als bei herkömmlichen Kühlmitteln wie Nitroguanidin und Oxamid.
TAGN kann alleine oder in Verbindung mit anderen Oxydationsmitteln, wie z. B. Cyclotrimethylen-trinitramin oder Cyclotetramethylen-tetranitramin eingesetzt werden. Verschiedene energiereiche oder nichtenergiereiche Binder können je nach dem erforderlichen Wert der spezifischen Energie und je nach der erwünschten Flammentemperatur und den physikalischen Eigenschaften der Treibladungskörner zugesetzt werden. Herkömmliche Stabilisatoren können dem Bindersystem ebenfalls zugesetzt werden, wie weiter unten erläutert wird.
TAGN macht vorzugsweise 25 bis 80 Gewichtsprozent der Treibladung aus. Es ist im allgemeinen bevorzugt, dass die Feststofftreibladung etwa 50 bis 80 Gewichtsprozent TAGN enthält, wobei der Rest plastifizierte Nitrocellulose als Bin der umfassen kann. Wie bereits vorher erwähnt, kann das TAGN-Oxydationsmittel entweder alleine oder in Kombination mit anderen Oxydationsmitteln vorliegen. Es ist im allgemeinen bevorzugt, die Menge an TAGN je nach der Menge der sekundären Oxydationsmittel zu verringern. Cyclotrimethylen-trinitramin (RDX) und Cyclotetramethylentetranitramin (HMX) sind bevorzugte sekundäre Oxydationsmittel, da sie einen relativ hohen Stickstoff- und Wasserstoff-Gehalt und einen relativ niedrigen Kohlenstoff- und Sauerstoff-Gehalt aufweisen.
Ferner haben diese sekundären Oxydationsmittel eine relativ hohe positive Bildungswärme, eine grosse Dichte, eine befriedigende thermische Stabilität und eine annehmbare Schlagempfindlichkeit. Darüber hinaus sind sie nichthygroskopisch. RDX ist das bevorzugte Oxydationsmittel, vorzugsweise wegen der Kosten und der Zugänglichkeit. Gewöhnlich umfassen die erfindungsgemässen Treibladungen etwa 0 bis 30 Gewichtsprozent RDX oder HMX und vorzugsweise etwa 0 bis 25 Gewichtsprozent RDX oder HMX.
Als Binder für die Projektiltreibladung wird plastifizierte Nitrocellulose verwendet. Der Nitrocellulose-Gehalt der Treibladung variiert normalerweise im Bereich von insbesondere 5 bis 30 Gewichtsprozent und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 Gewichtsprozent, wenn ein hochnitroplastifizierter Nitrocellulose-Binder verwendet wird und insbesondere im Bereich von 15 bis 25 Gewichtsprozent, wenn ein nichtenergiereicher Weichmacher eingesetzt ist. Die Nitrocellulose enthält vorzugsweise 12,5 bis 13,5 Gewichtsprozent Stickstoff. Eine derartige Nitrocellulose wird z. B. für herkömmliche rauchlose Pulver verwendet.
Der jeweilige für den Nitrocellulose-Binder verwendete Weichmacher hängt von dem erforderlichen Wert der spezifischen Energie der Feststofftreibladung ab, sowie von der erwünschten Flammentemperatur und den übrigen physikalischen Eigenschaften der Treibladungskörner.
Bei energiereichen Systemen ist der Weichmacher vorzugsweise ein bekannter energiereicher Weichmacher, insbesondere ein Gemisch von Trimethyloläthan-trinitrat (TMETN) und Triäthylenglycol-dinitrat (TEGDN). Das Gewichtsverhältnis der Bestandteile des energiereichen Weichmacher Gemisches variiert je nach der erwünschten Wirkung. Der Weichmacher für die Nitrocellulose liegt vorzugsweise in Mengen von etwa 5 bis 30 Gewichtsprozent, bezogen auf die Treibladung, vor.
Es wurde durch J. E. Flanagan und V. E. Haury gefunden.
dass brauchbare, TAGN enthaltende Projektiltreibladungen auch unter Verwendung von nichtenergiereichen Weichmachern hergestellt werden können, insbesondere, wenn Treibladungen mit einer spezifischen Energie unterhalb derjenigen der zweibasigen Standard-Treibladung erwünscht oder bei dem jeweiligen Verwendungszweck geeignet sind. Bevorzugte nichtenergiereiche Weichmacher sind Polyalkylenglycole, wie z. B. Polyäthylenglycol und Polypropylenglycol und ihre Alkyläther-Derivate, wie z. B. Diäthylenglycol-monobutyläther.
Herkömmliche Stabilisatoren können zugesetzt werden, um der Treibladung eine befriedigende Stabilität zu verleihen oder in anderen Worten, um der Treibladung eine ausreichende Stabilität gegenüber chemischer Zersetzung zu geben. Als Stabilisatoren können z. B. Nitrodiphenylamin (NDPA) und Äthyl-centralit (N,N'-diäthylcarbanilid) sein. Äthyl centralit (EC) wird bevorzugt in Kombination mit Resorcin (Res) eingesetzt. Die Menge des Stabilisators in der Treib ladung liegt vorzugsweise bei 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent.
Die erfindungsgemässen Treibladungen können unter Verwendung herkömmlicher Einrichtungen zur Herstellung von rauchlosem Pulver hergestellt werden. Die einzelnen Körner haben herkömmliche Abmessungen. Sie können nichtperforiert, mono-perforiert oder multi-perforiert sein. Zum Beispiel können die Körner sieben Perforationen aufweisen.
Die Körner können zylindrisch sein oder eine Rosettenkonfiguration haben.
In Tabelle I sind die Zusammensetzungen für vier bevorzugte erfindungsgemässe Projektiltreibladungen angegeben.
Ferner ist die Flammentemperatur und die spezifische Energie angegeben. Die Tabelle zeigt, dass die erfindungsgemässen Projektiltreibladungen sehr flexibel sind und die Einstellung der spezifischen Energie innerhalb eines weiten Bereiches bei relativ niedrigen Flammentemperaturen gestatten. In der Tat haben alle angeführten Projektiltreibladungen theoretische isochore Flammentemperaturen unterhalb 3000 K.
Tabelle I
Treibladung Gewichtsprozent
Nr. 1 2 3 4
Oxydationsmittel:
TAGN 50,0 67,0 72,0 80,0
RDX 17,0 - 2,0 -
Binder:
NC (12,6% N) 6,0 6,0 6,0 7,0
Weichmacher:
TMETN 23,0 23,0 4,0 4,0
TEGDN 2,5 2,5 15,0 8,0
Stabilisatoren:
NPDA - - 1,0 1,0
EC 1,3 1,3 - -
Res 0,2 0,2 -
Im (kg-m/g) 123,3 118,0 114,5 115,5 T,"K(berechnet) 2973 2729 2566 2581
Erfindungsgemäss sind solche Treibsätze bevorzugt, welche hochnitroplastifizierte Nitrocellulose als Binder enthalten.
Das folgende Beispiel zeigt die Herstellung derartiger Treib ladungen:
Beispiel
Bestandteil Gewichtsprozent
RDX 12,0 TAGN 55,0 TMETN 23,0 TEGDN 2,5 NC (12,6% N) 6,0
EC 1,3
Res 0,2
Die einzelnen Bestandteile werden sorgfältig bei Umgebungstemperatur durchmischt. Man erhält dabei eine 450-g Charge der Treibladung. Es wird ein vertikaler Baker-Perkins-Mischer von 473 ml verwendet. Sodann wurde die Masse zu Strängen gepresst. Die Stränge wurden bei 55" C während 48 h gehärtet. Die Schlagempfindlichkeit, die thermische Stabilität (Differential-Thermo-Analyse (DTA) und Taliani) und die Brenngeschwindigkeit (r) der Treibladung wurden gemessen. Die physikalischen Eigenschaften sowie die thermo dynamischen Eigenschaften der Treibladung sind in Tabelle II zusammengestellt.
Tabelle II
Thermodynamische Eigenschaften Spezifische Energie (berechnet) 122 kg-m/g Tv, 0K (berechnet) 2892
Physikalische Eigenschaften
Schlagempfindlichkeit 65 in-lbs (0,75 kg m) (RDX = 125) (1,44 kg m)
Thermische Stabilität
Taliani Temperatur C ml/Gas/g/h
75 0,001
90 0,003 100 0,020 110 0,060 DTA: Beginn/exothermes Maximum 145/183 C
Brenngeschwindigkeit Überdruck (Atm) r (cm/sec) 27,2 0,693 40,8 0,956 54,4 1,201 68,0 1,405 81,6 1,645 102,0 1,895 Exponent (n) = 0,78
Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung wurde eine Treibladung mit 78 Gewichtsprozent TAGN, 7 Gewichtsprozent Nitrocellulose (12,6% N), 10 Gewichtsprozent TEGDN, 4 Gewichtsprozent TMETN und 1 Gewichtsprozent NDPA hergestellt.
Die Treibladung (8 g in Form von 0,076 cm dicken Scheiben von 0,076 cm Durchmesser) wurde in einem 20-mm-Mann-Rohr abgefeuert. Ein maximaler Druck von 25,2 kpsi (1710 Atmosphären) wurde erreicht.
Bei einem zweiten Test wurden 10 g eines 7fach perforierten Korns abgefeuert. Die Länge der Treibladungskörner betrug 0,43 cm und der Durchmesser betrug 0,48 cm und die Perforation war 0,066 cm. Ein maximaler Druck von 44,8 kpsi (3040 Atmosphären) wurde beim Abfeuern erhalten. Die Tests zeigen, dass eine glatte Verbrennung und Zündung eintritt, obwohl das Gewicht und die Abmessungen der Treibladung nicht optimiert sind.
Für den Durchschnittsfachmann liegt es klar auf der Hand, dass auch andere Weichmacher sowie andere Stabilisatoren und sekundäre Oxydationsmittel anstelle der in den Beispielen verwendeten Verbindungen eingesetzt werden können.
Zum Beispiel kann als Weichmacher Diäthylenglycol-dinitrat oder Bis(dinitropropyl)acetal-formal eingesetzt werden und als sekundäres Oxydationsmittel kann Methylen- oder Äthylendinitramin eingesetzt werden. Bevorzugte nichtenergiereiche Weichmacher sind Polyalkylenglycole wie Polyäthylenglycol (PEG) und Polypropylenglycol oder deren Alkyläther-Derivate wie Diäthylenglycol-butyläther. Es ist bevorzugt, flüssige Weichmacher zuzusetzen, so dass die Treibladungen leichter verarbeitet werden können. Zum Beispiel ist es im allgemeinen bevorzugt, ein Polyäthylenglycol zu wählen, dessen Molekulargewicht einen Wert von etwa 600 nicht übersteigt oder ein Polypropylenglycol, dessen Molekulargewicht den Wert von etwa 4000 nicht übersteigt. Der Weichmacher liegt gewöhnlich in Mengen von etwa 5 bis 20 Gewichtsprozent, bezogen auf die Treibladung, vor.
Herkömmliche Stabilisatoren werden der Treibladung zugesetzt, um eine genügende Stabilität zu gewährleisten oder in anderen Worten, um eine genügende Widerstandsfähigkeit gegen chemische Zersetzung zu gewährleisten. Als Stabilisatoren können z. B. Nitrodiphenylamin (NCPA) und Äthylcentralit (EC) (N,N'-Diäthylcabanilid) gewählt werden. Die Menge des der Treibladung zugesetzten Stabilisators beträgt typischerweise 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent.
Die erfindungsgemässen Treibladungen können auf herkömmlichen Einrichtungen zur Erzeugung von rauchlosem Pulver hergestellt werden. Die einzelnen Körner haben herkömmliche Abmessungen. Sie können nichtperforiert, monoperforiert oder multiperforiert sein. Die Körner können z. B.
sieben Perforationen aufweisen. Ferner können die Körner zylindrische oder Rosetten-Gestalt haben.
Tabelle III zeigt acht bevorzugte erfindungsgemässe Treibladungen zusammen mit deren spezifischer Energie und Flammentemperatur. Die Tabelle zeigt, dass die erfindungsgemässen Treibladungen hochflexibel sind und die Realisierung von spezifischen Energien innerhalb eines weiten Bereichs bei niedrigen Flammentemperaturen gestatten. Tatsächlich haben alle erwähnten Treibladungen theoretische isochore Flammentemperaturen unterhalb 3000 K.
Tabelle III
Treibladung Gewichtsprozent
Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8
Oxydationsmittel:
TAGN 60,0 54,0 46,0 70,0 76,0 65,0 70,0 60,0
HMX 14,0 20,0 28,0 - - - - -
Binder:
NC (12,6% N) 20,0 17,5 15,0 24,0 16,0 29,0 19,0 19,0
Weichmacher:
PEG (MG 400) 5,0 7,5 10,0 5,0 7,0 5,0 10,0 15,0
Stabilisator:
NPDA 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
Im (kg-m/g) (berechnet) 114 113,5 113,5 108,5 107 103 103 96
Tv, 0K (berechnet) 2623 2587 2580 2439 2325 2459 2219 2049 Das folgende Beispiel zeigt die Herstellung einer bevorzugten erfindungsgemässen Treibladung.
Beispiel Bestandteil Gewichtsprozent TAGN 75,5 HMX 7,5 NC (12,6% N) 13,0 PEG (MG 400) 4,0 NDPA 0,5
Die Bestandteile werden sorgfältig in einem 50 cm3 horizontalen Mischer bei Umgebungstemperatur gemischt, wobei eine 50-g-Treibladung gebildet wird. Diese wird in Streifen gepresst. Die Streifen werden 48 h bei 30 C gehärtet. Die Schlagempfindlichkeit, die thermische Stabilität (Taliani) und die Selbstentzündungseigenschaften der Treibladung wurden gemessen. Diese Eigenschaften sind zusammen mit den thermodynamischen Eigenschaften der Treibladung in Tabelle IV zusammengestellt.
Tabelle IV
Thermodynamische Eigenschaften Spezifische Energie (berechnet) 114,3 kg m/g Tv, 0K (berechnet) 2552
Physikalische Eigenschaften Schlagempfindlichkeit 33 in./lbs. (0,38 cm kg) Thermische Stabilität RDX = 125 (1,44 cm kg) Taliani Temperatur C ml/Gas/g/h 65 0,002 Selbstentzündung (5 sec) 190"C
Zur weiteren Belegung der Wirksamkeit der erfindungsgemässen Treibladung wurde diese in einer Treibbombe geringen Volumens (32 cm3) abgefeuert. Hierzu wurde die Treibladung Nr. 5 gemäss Tabelle III in dünne Streifen geschnitten (etwa 0,8 mm). Diese wurden in kleine Scheiben geschnitten (etwa 8 mm Durchmesser) und dann in die Bombe gegeben.
Die Zündung wurde mit einem heissen Draht vorgenommen, so dass keine Korrektur hinsichtlich eines Zündmittels erforderlich war. Der maximale Druckanstieg der gezündeten Treibladung betrug 92 % über den theoretischen Druckanstieg.
Im Vergleich hierzu liefert eine Standard-Treibladung M-10 (97 Gewichtsprozent Nitrocellulose (13,15% N), 1% Diphenyl amin,0,1 % Graphit, 1,5% Äthylalkohol und 0,5 % Wasser) nur etwa 85% Druckanstieg über den erwarteten Druckanstieg.
Zur weiteren Belegung der Wirkung der erfindungsgemässen Treibladung wurde die Treibladung gemäss Nr. 7 der Tabelle III in Körner mit sieben Perforationen (10 g) umgeformt und in einem 20-mm-Mann-Rohr abgefeuert. Die Länge des Treibladungskornes betrug 0,43 cm und der Durchmesser betrug 0,48 cm. Es waren 0,066 cm Perforationen vorgesehen.
Die Tests zeigen, dass eine glatte Zündung und Verbrennung vorliegen, obwohl das Gewicht und die Abmessungen der Treibladung nicht optimiert sind.
Für den Durchschnittsfachmann ist es ersichtlich, dass andere nichtenergetische Weichmacher sowie andere Stabilisatoren und andere sekundäre Oxydationsmittel anstelle der in den Beispielen gewählten Verbindungen eingesetzt werden können. Zum Beispiel können als sekundäre Oxydationsmittel Methylen- oder Äthylendinitramin anstelle von RDX oder HMX eingesetzt werden.