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.
The invention relates to a projectile propellant. The term projectile propellant refers to propellant charges for propelling projectiles. Projectile propellants are known as weak explosives to distinguish them from detonating high explosives.
They differ from highly explosive explosives in that the speed at which energy is released during self-combustion is regulated within certain limits. The first real projectile propellant was made from potassium nitrate, sulfur and charcoal. It was known as black powder. Nitrocellulose forms the basis for all modern gunpowder and it is typically combined with nitroglycerin these days to create the so-called smokeless powder. The term smokeless powder refers to colloidized nitrocellulose, and nvar either alone or in admixture with nitroglycerin or other materials. Smokeless powder is not actually powder in the general meaning of the word, nor is it actually smokeless unless compared to black powder.
Modern powders can take any shape, such as: B. flakes, strips, kinks and cylindrical grains.
The cylindrical grains are mostly used for military purposes. The term monobasic powder generally refers to colloidized nitrocellulose in the absence of nitroglycerin or other plasticizers. The term dibasic powder generally refers to powders containing nitrocellulose and nitroglycerin or other plasticizers. These dibasic powders usually contain 15 to 40% nitroglycerin. Although dibasic powders have many desirable properties, they have some undesirable characteristics in their operation. The high firing temperature that occurs causes z. B. Compared to single-base powders, excessive erosion in the pipe or in the barrel. In addition, handling nitroglycerin is very dangerous.
The basic structure of the solid propellant charge mixtures for firearms, ammunition or the like has essentially not changed since the beginning of the 20th century.
While on the one hand certain improvements have been made, such as: B. the introduction of the ball powder, the cool-burning extruded mixtures, the use of surface-treating agents and certain geometries to improve the regulation of gas development, on the other hand, the mixtures are still based primarily on nitrocellulose with or without nitroglycerin, as mentioned above .
The early single-base propellant charges made of nitrocellulose with a nitrogen content of 13.15 cd had a specific energy of 109 kg-m / g and an isochoric flame temperature of 3292 "K. The incorporation of 20 percent by weight nitroglycerine results in the two-core standard propellant charge with a specific energy of 115 kg-m / g and with an isochoric flame temperature of 3592 "K. As previously mentioned, the high flame temperature of the two-base system is very undesirable, since the service life of the pipe is severely restricted due to erosion. To overcome this difficult problem, tri-base propellant charges were developed in which nitroguanidine was incorporated as a coolant in the nitrocellulose-nitroglycerin system. Conventional three-base propellant charges are e.g. B.
M30 with a specific energy of 111 kg-m / g and with Tv = 30400K and M31 with a specific energy of 102 kg-m / g and with Tv = 2597 "K. It is readily apparent that the required reduction in the flame temperature It is therefore desirable to create a propellant charge which combines the high specific energy of the two-base system with the low flame temperature of the three-base system.
It is therefore the object of the present invention to create a solid propellant charge, especially for projectiles, which is characterized by a low flame temperature to avoid excessive pipe erosion and by a wide range of specific energy values and which can be non-perforated with standard machines , mono-perforated or multi-perforated grains can be processed and does not lead to corrosive combustion products in the event of an explosion.
According to the invention, this object is achieved by a solid propellant projecting charge which is characterized by a content of triaminoguanidine nitrate.
The triaminoguanidine nitrate can be present as the sole oxidizing agent or it can be present in combination with other oxidizing agents such as cyclotrimethylene trinitramine or cyclotetramethylene tetranitramine. Furthermore, a binder system based on nitrocellulose can be present.
This is typically a highly nitroplasticized nitrocellulose. Furthermore, a non-energetic plasticizer, such as. B. polyethylene glycol be present. The propellant charge according to the invention is very flexible. It allows propellant charge mixtures with a wide range of specific energy values and relatively low flame temperatures, which are typically below 30000K when measurements are taken at constant volume. The projectile propellant charge according to the invention does not contain any metal propellant, since metal particles in the combustion gas lead to undesired pipe erosion. The propellant projectile charges preferably contain only carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen, so that during the combustion only gases are formed which are non-corrosive combustion products.
The components of the projectile propellant are preferably materials with a high content of nitrogen and hydrogen and with a low content of carbon and oxygen in order to avoid a high average molecular weight of the combustion products. A low molecular weight of the combustion products is desirable because it increases the drive value.
Triaminoguanidine nitrate (TAGN) is a dense, non-hygroscopic, thermally stable solid. TAGN can be easily prepared in high yields from guanidine nitrate and hydrazine (Diamond, L.H., Derivatives of Hydrazine, Publication No. 10,466, University Microfilms, Ann Arbor, Michigan, 1954). It can also be prepared by aqueous fusing of calcium cyanamide and hydrazine nitrate, and by reacting a mixture of hydrazine nitrate and hydrazine hydrate with dicyandiamide (US Pat. No. 3,285,958). The TAGN acts as an oxidizing agent and as a coolant in the propellant charge according to the invention. TAGN achieves a higher specific energy and lower flame temperatures than conventional coolants such as nitroguanidine and oxamide.
TAGN can be used alone or in conjunction with other oxidizing agents such as B. Cyclotrimethylene-trinitramine or cyclotetramethylene-tetranitramine can be used. Various energetic or non-energetic binders can be added depending on the specific energy level required and depending on the flame temperature desired and the physical properties of the propellant grains. Conventional stabilizers can also be added to the binder system, as explained further below.
TAGN preferably makes up 25 to 80 percent by weight of the propellant charge. It is generally preferred that the solid propellant contain about 50 to 80 percent by weight TAGN, with the remainder comprising plasticized nitrocellulose as binder. As previously mentioned, the TAGN oxidizer can be present either alone or in combination with other oxidizers. It is generally preferred to decrease the amount of TAGN depending on the amount of secondary oxidants. Cyclotrimethylene trinitramine (RDX) and cyclotetramethylene tetranitramine (HMX) are preferred secondary oxidants because they are relatively high in nitrogen and hydrogen and relatively low in carbon and oxygen.
Furthermore, these secondary oxidants have a relatively high positive heat of formation, a high density, a satisfactory thermal stability and an acceptable impact sensitivity. In addition, they are not hygroscopic. RDX is the preferred oxidizer, preferably because of cost and accessibility. Usually, the propellant charges according to the invention comprise about 0 to 30 percent by weight RDX or HMX and preferably about 0 to 25 percent by weight RDX or HMX.
Plasticized nitrocellulose is used as a binder for the projectile propellant. The nitrocellulose content of the propellant charge varies normally in the range from in particular 5 to 30 percent by weight and preferably in the range from 5 to 10 percent by weight if a highly nitro-plasticized nitrocellulose binder is used and especially in the range from 15 to 25 percent by weight if a non-energy plasticizer is used . The nitrocellulose preferably contains 12.5 to 13.5 percent by weight nitrogen. Such nitrocellulose is e.g. B. used for conventional smokeless powders.
The particular plasticizer used for the nitrocellulose binder depends on the required value of the specific energy of the solid propellant charge, as well as on the desired flame temperature and the other physical properties of the propellant charge grains.
In high-energy systems, the plasticizer is preferably a known high-energy plasticizer, in particular a mixture of trimethylolethane trinitrate (TMETN) and triethylene glycol dinitrate (TEGDN). The weight ratio of the components of the high-energy plasticizer mixture varies depending on the desired effect. The plasticizer for the nitrocellulose is preferably present in amounts of about 5 to 30 percent by weight, based on the propellant charge.
It was found by J. E. Flanagan and V. E. Haury.
that useful projectile propellants containing TAGN can also be produced using non-energy-rich plasticizers, in particular if propellant charges with a specific energy below that of the dibasic standard propellant charge are desired or suitable for the particular application. Preferred non-energy plasticizers are polyalkylene glycols, such as. B. polyethylene glycol and polypropylene glycol and their alkyl ether derivatives, such as. B. Diethylene glycol monobutyl ether.
Conventional stabilizers can be added to give the propellant charge satisfactory stability or, in other words, to give the propellant charge sufficient stability to chemical decomposition. As stabilizers, for. B. nitrodiphenylamine (NDPA) and ethyl centralite (N, N'-diethylcarbanilid). Ethyl centralite (EC) is preferably used in combination with resorcinol (Res). The amount of the stabilizer in the propellant charge is preferably 0.5 to 1.5 percent by weight.
The propellant charges of the invention can be manufactured using conventional smokeless powder manufacturing equipment. The individual grains have conventional dimensions. They can be non-perforated, mono-perforated or multi-perforated. For example, the grains can have seven perforations.
The grains can be cylindrical or have a rosette configuration.
Table I shows the compositions for four preferred projectile propellant charges according to the invention.
The flame temperature and the specific energy are also given. The table shows that the propellant projectile charges according to the invention are very flexible and allow the specific energy to be set within a wide range at relatively low flame temperatures. In fact, all of the projectile propellant charges listed have theoretical isochoric flame temperatures below 3000 K.
Table I.
Propellant charge weight percent
No. 1 2 3 4
Oxidizing agent:
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
Plasticizer:
TMETN 23.0 23.0 4.0 4.0
TEGDN 2.5 2.5 15.0 8.0
Stabilizers:
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 (calculated) 2973 2729 2566 2581
According to the invention, those propellants are preferred which contain highly nitro-plasticized nitrocellulose as a binder.
The following example shows the production of such propellant charges:
example
Component weight percent
RDX 12.0 TAGN 55.0 TMETN 23.0 TEGDN 2.5 NC (12.6% N) 6.0
EC 1.3
Res 0.2
The individual ingredients are carefully mixed at ambient temperature. A 450 g charge of the propellant charge is obtained. A 473 ml Baker-Perkins vertical mixer is used. The mass was then pressed into strands. The strands were cured at 55 ° C. for 48 hours. The impact sensitivity, the thermal stability (differential thermal analysis (DTA) and Taliani) and the burning rate (r) of the propellant charge were measured. The physical properties and the thermodynamic properties of the Propellant charges are summarized in Table II.
Table II
Thermodynamic properties Specific energy (calculated) 122 kg-m / g Tv, 0K (calculated) 2892
Physical Properties
Impact Sensitivity 65 in-lbs (0.75 kg m) (RDX = 125) (1.44 kg m)
Thermal stability
Taliani temperature C ml / gas / g / h
75 0.001
90 0.003 100 0.020 110 0.060 DTA: onset / exothermic maximum 145/183 C
Burning speed overpressure (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
To further illustrate the present invention, a propellant charge was made with 78 weight percent TAGN, 7 weight percent nitrocellulose (12.6% N), 10 weight percent TEGDN, 4 weight percent TMETN and 1 weight percent NDPA.
The propellant charge (8 g in the form of 0.076 cm thick disks of 0.076 cm diameter) was fired from a 20 mm Mann tube. A maximum pressure of 25.2 kpsi (1710 atmospheres) was reached.
A second test fired 10 g of a 7-fold perforated front sight. The length of the propellant grains was 0.43 cm and the diameter was 0.48 cm and the perforation was 0.066 cm. A maximum pressure of 44.8 kpsi (3040 atmospheres) was obtained upon firing. The tests show that even though the weight and dimensions of the propellant charge are not optimized, smooth combustion and ignition occurs.
It is clear to the person skilled in the art that other plasticizers and other stabilizers and secondary oxidizing agents can also be used instead of the compounds used in the examples.
For example, diethylene glycol dinitrate or bis (dinitropropyl) acetal-formal can be used as a plasticizer and methylene or ethylenedinitramine can be used as a secondary oxidizing agent. Preferred non-energy-rich plasticizers are polyalkylene glycols such as polyethylene glycol (PEG) and polypropylene glycol or their alkyl ether derivatives such as diethylene glycol butyl ether. It is preferred to add liquid plasticizers so that the propellant charges can be processed more easily. For example, it is generally preferred to select a polyethylene glycol whose molecular weight does not exceed about 600 or a polypropylene glycol whose molecular weight does not exceed about 4,000. The plasticizer is usually present in amounts of from about 5 to 20 percent by weight based on the propellant charge.
Conventional stabilizers are added to the propellant charge in order to ensure sufficient stability or, in other words, to ensure sufficient resistance to chemical decomposition. As stabilizers, for. B. Nitrodiphenylamin (NCPA) and Äthylcentralit (EC) (N, N'-Diethylcabanilid) can be selected. The amount of stabilizer added to the propellant charge is typically 0.5 to 1.5 percent by weight.
The propellant charges according to the invention can be produced on conventional equipment for producing smokeless powder. The individual grains have conventional dimensions. They can be non-perforated, mono-perforated or multi-perforated. The grains can e.g. B.
have seven perforations. Furthermore, the grains can have a cylindrical or rosette shape.
Table III shows eight preferred propellant charges according to the invention together with their specific energy and flame temperature. The table shows that the propellant charges according to the invention are highly flexible and allow specific energies to be realized within a wide range at low flame temperatures. In fact, all of the propellant charges mentioned have theoretical isochoric flame temperatures below 3000 K.
Table III
Propellant charge weight percent
No. 1 2 3 4 5 6 7 8
Oxidizing agent:
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
Plasticizer:
PEG (400 MW) 5.0 7.5 10.0 5.0 7.0 5.0 10.0 15.0
Stabilizer:
NPDA 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
Im (kg-m / g) (calculated) 114 113.5 113.5 108.5 107 103 103 96
Tv, 0K (calculated) 2623 2587 2580 2439 2325 2459 2219 2049 The following example shows the production of a preferred propellant charge according to the invention.
Example Ingredient Percentage by weight TAGN 75.5 HMX 7.5 NC (12.6% N) 13.0 PEG (MW 400) 4.0 NDPA 0.5
The ingredients are thoroughly mixed in a 50 cc horizontal mixer at ambient temperature to form a 50 g propellant charge. This is pressed into strips. The strips are cured at 30 ° C. for 48 hours. The impact sensitivity, the thermal stability (Taliani) and the self-ignition properties of the propellant charge were measured. These properties are summarized in Table IV along with the thermodynamic properties of the propellant charge.
Table IV
Thermodynamic properties Specific energy (calculated) 114.3 kg m / g Tv, 0K (calculated) 2552
Physical Properties Impact Sensitivity 33 in./lbs. (0.38 cm kg) Thermal stability RDX = 125 (1.44 cm kg) Taliani temperature C ml / gas / g / h 65 0.002 Self-ignition (5 sec) 190 "C
To further demonstrate the effectiveness of the propellant charge according to the invention, it was fired in a propellant bomb with a small volume (32 cm3). For this purpose, the propellant charge no. 5 according to Table III was cut into thin strips (about 0.8 mm). These were cut into small slices (about 8 mm in diameter) and then placed in the bomb.
The ignition was carried out with a hot wire, so that no correction regarding an ignition agent was necessary. The maximum pressure increase of the ignited propellant charge was 92% above the theoretical pressure increase.
In comparison, a standard M-10 propellant charge (97 percent by weight nitrocellulose (13.15% N), 1% diphenyl amine, 0.1% graphite, 1.5% ethyl alcohol and 0.5% water) only delivers about 85% Pressure increase above the expected pressure increase.
To further demonstrate the effect of the propellant charge according to the invention, the propellant charge according to No. 7 of Table III was transformed into grains with seven perforations (10 g) and fired in a 20 mm man barrel. The length of the propellant grain was 0.43 cm and the diameter was 0.48 cm. There were 0.066 cm perforations.
The tests show that there is smooth ignition and combustion, although the weight and dimensions of the propellant charge are not optimized.
It will be apparent to one of ordinary skill in the art that other non-energetic plasticizers, as well as other stabilizers and other secondary oxidizing agents, can be used in place of the compounds selected in the examples. For example, methylene or ethylenedinitramine can be used as secondary oxidants instead of RDX or HMX.