CZ2010370A3 - Trasovací slože emitující IR zárení - Google Patents

Abstract

Trasovací slož se zvýšenou úrovní emise IR zárení, tvorená binární smesí oxidovadla a paliva, kde oxidovadlo je vybráno ze skupiny dusicnanu alkalických kovu nebo dusicnanu kovu alkalických zemin a palivo ze skupiny solí alkalických kovu nebo kovu alkalických zemin aromatických mono- a dikarboxylových kyselin a jejich hydroxy- a nitroderivátu, pricemž v prípade derivátu s vysokým obsahem využitelného kyslíku jako jsou nitroderiváty a trihydroxyderiváty, je možno použít techto sloucenin i ve forme volných kyselin. Trasovací slož je urcena pro použití do IR traseru malorážové pechotní munice a je použitelná i do propulzních systému.

Description

Oblast techniky

Infračervené záření IR je definováno vlnovými délkami zářeni, jehož monochromatické složky mají vlnu delší než viditelné záření a kratší než Innn (l ΟΟΟμ). Rozeznáváme 3 oblasti : blízkou (0.78 až l ,4μ), střední (l,4 až 3μ) a vzdálenou (3μ až limu). Tra.scry, emitující IR záření, se používají při nočních bojových operacích prováděných jednotkami vybavenými přístroji pro noční vidění (NVD). Účelem je optimální lokalizace terče, jejímž důsledkem je zpřesnění zásahů, úspora munice a maximální utajení vlastních pozic před nepřítelem, který není vybaven NVD.

IR trasery musí emitovat záření v blízké a případně i střední oblasti spektra. Trasa střely by měla být neviditelná prostým okem a bez použití NVD. Dle požadavků NATO. např. pro střelivo ráže 0.50, by pro dva ze tří pozorovatelů, z nichž první je lokalizován v místě výstřelů a další dva podél dráhy střely ve vzdálenostech 200 m a 400 m, měla být trasa střely neviditelná, s výjimkou prvního pozorovatele. Traser by se měl zažehovat na krátké vzdálenosti, ale nesmí dojít k oslnění střelce a zvýšení úsťového plamene. Za účelem maximálního potlačení viditelného záření musí traser hořet při podstatně nižších teplotách ve srovnání s normálními trasovacími složemi a zplodiny hoření by neměly obsahovat Lepelně nevodivé částice s vysokým koeficientem sálání a tzv.stupněm černosti tělesa (dle StefanBolzmannova zákona je množství vyzářené světelné energie přímo úměrné čtvrté mocnině absolutní teploty, dále koeficientu sálání a stupni černosti tělesa, odvozeného z teorie záření absolutně černého tělesa).Vysokou vyzařovací schopností se vyznačují právě oxidy kovů, používaných jako palivo v běžných trasovacích slozích (MgO). Slože musí být chemicky i termicky stabilní, nesmí podléhat degradaci při běžných skladovacích podmínkách a musí být manipulačně bezpečné. Moderní slože musí navíc splňovat ekologické požadavky.

Dosavadní stav techniky

Autoři patentové literatury, která byla k této problematice doposud vydána zhruba za posledních 30 let, nabízejí různá řešení, která ovšem vedou ke stejnému cíli - maximálnímu snížení teploty traseru a dosažení co nejvyšší spektrální čistoty, to znamená potlačení emise v oblasti viditelného záření.

Při výběru oxidovadel preferují méně energetické sloučeniny s nízkým obsahem aktivního kyslíku (peroxidy baria, stroncia a nověji zinku). Při výběru paliv podstatně omezují nebo zcela vylučují použití práškových kovů (Mg, Al, Zr), které hoří při extrémně vysokých teplotách a nahrazují je palivy organickými, která většinou plní i funkci pojiv (rezinát vápenatý, deriváty celulózy, polymery). V některých patentech sc jako paliva používá male množství práškového křemíku o vysoké čistotě, který rovněž emituje v IR oblasti. Používají se rovněž speciální ochlazovače plamene jako například karbonáty Fc a Mg. Dále je navrženo speciální použití emitorú IR záření, např. Rb, které emituje v hraniční oblasti (0.77 až Ο.Κμ) a C's (0,85 až l ,2μ). Nitráty nebo perchloráty těchto sloučenin mají zároveň funkci oxidovadel.

V US patentu č. 3 667 842 z roku 1972 je oxidačním činidlem směs stejných hmotnostních dílů peroxidů Ba a Sr .palivem a současně pojivém je resinát vápenatý a funkci ochlazovače plamene plní uhličitan hořečnatý. Použití směsi obou peroxidu zdůvodňují autoři jejich rozdílným termickým rozkladem Peroxid barya vytváří minimum zbytku, zatímco u peroxidu stroncia je tomu naopak.Tím se dá optimalizovat množství tuhých zbytku.důležité z hlediska

4 ·

• 4 · změny těžiště střely. Barnaté sole jsou však nevyhovující z hlediska ekologického a rcsinát vápenatý je druh paliva který jc v moderních slozích nahrazován pojivý na bázi polymeru (vyrábí sc reakcí kalafuny s vápnem vtaveninč a takto vzniklé produkty mohou mít velmi rozdílnou kvalitu a proměnný obsah základní látky - abietanu vápenatého).

V US patentu č. 3 733 223 z rokul973 je oxidačním činidlem dusičnan draselný, rubidný nebo česný v závislosti na tom, v jaké oblasti spektra má slož emitovat. Palivem jc křemík a modifikátorem hoření (zpomalovačem) je hexamethylentelramin. Slož jc pojena kapalnou epoxidovou pryskyřicí typu Bisphenol A/epichlorhydrin.vytvrzovanou tvrdidlem l).I’,H. 14. Slož se formuje do tvaru válcovitých tělísek a hoří velmi dlouho Slož muže sloužit jako statický emitor IR záření, pro odstínění vlastní bojové techniky před tepelně naváděnými bojovými prostředky nepřítele.

V US patentu č. 3 770 525 z roku 1973 je oxidačním činidlem Pli li (teflon), polytrifluorochloroethylen, polyvinyliden.fluorid nebo kopolymery teflonu nebo vinyliden fluoridu s hexafluoropropylenem. Zářičem, emitujícím v IR oblasti jc oxid železnato železitý. Jako palivo slouží hořčík a modifikátorem hoření je stearan barnatý. Pojivém muže být polyesterová pryskyřice (v případě použití výše jmenovaných kopolymeru, rozpustných v organických rozpouštědlech, mohou tyto sloužit rovněž jako pojivo). Je známo, že reakce fluoroelastomerů nebo jejich kopolymerů s hořčíkem jsou vysoce exothermní a přestože obsah hořčíku dle patentu nepřesahuje 15 %, je zřejmé, že slož bude emitovat značné množství světla ve viditelné oblasti. Kromě toho, jak bylo zjištěno praktickými zkouškami, se tyto slože velmi obtížně zažehují v malých průřezech v lisovaném stavu.

V US patentu č. 4 719 856 z roku 1988 jc základem bezdýmný střelný prach, do kterého jsou zapracovány částice některých kovů, jejich slitin nebo sloučenin, které emituji ve vzdálenějších oblastech IR záření. Jedná sc hlavně o titan, křemík a zirkon a jejich sloučeniny - silicidy, boridy dále zirkonidy niklu a kalcium silicid. Zvláště preferovanou je slitina titanu s křemíkem. Slož dále obsahuje uhlík ve formě dřevného uhlí, které chrání částice emitorů před předčasnou oxidací a umožňují jim vylétnout z reakční zóny do dostatečné vzdálenosti. Tyto slože jsou vhodné pro odstínění zdrojů tepelných vln při použití zařízení vyhledávající nebo detekující tepelné záření.

V US patentu č. 5 587 552 z roku1996 se původci vynálezu soustředili na maximální spektrální čistotu plamene a proto jako hlavní oxidační činidlo použili dusičnan amonný, jehož rozkladné produkty neemitují ani v krátkovlnné ani v dlouhovlnné oblasti spektra. Emitorem IR záření je zde dusičnan rubidia nebo cesia. Jako palivo byl navržen křemík a bor. který může být nahrazen hydridem zirkonu. Modifikátorem hořeni je hexamin nebo melamin (kyanurtriamin). Slož je pojena směsí polyesterové ( Witco Formrez 17 - 80) a epoxidové (ERL - 0510) pryskyřice nebo vinyl alkohol - acetátovou pryskyřicí. Slož není navržena pro použiti do traserů střel. Hlavním problémem zde bude použití extrémně hygroskopického dusičnanu amonného.

V US patentu č. 5 639 984 z rokul997 jc oxidačním činidlem opci osvědčená směs peroxidů barya a stroncia. Paliva mohou být organická (laktoza) i anorganická (bor,křemík), ale mohou současně plnit i úlohu emitorů IR záření. Za tímto účelem bylo navrženo použiti celé řady draselných, rubidných a cesných solí organických kyselin, rhodanidu. kyanidu, ale i solí vysoce energetických sloučenin - azidů. tetrazolů (bis - lelrazolaminu - BTA) a triazolů (nitrotriazolonu - NTO). Některé z těchto sloučenin.plní současně funkci katalyzátorů hoření didraselná sůl BTA a draselná sůl kyseliny diliturové. Slože jsou pojeny vinyl alkohol acetátovou pryskyřicí. Autoři doporučují použití těchto směsí do málo- i velkokaliberni munice - 5,56, 7,62, 0.50, 20 mm,30 mm.

V US patentu č. 5 811 724 z. roku 1998 je řešení založeno na dokonalém vyvážení procentického obsahu a zrnitosti všech složek, ale principiálně jc návratem k patentům ze 70tých let. Hlavním oxidovadlem je opět směs obou peroxidů, pomocným oxidovadlem je o

* · « · • · · · · · · · · » • · φ · φ · ♦ φ · · φφφ · ♦ * φ · · • φ · φ« · · · · * φφφ · φ dusičnan barnatý. Palivem a pojivém je resinát vápenatý a křemík, Jako chladivo slouží uhličitan horečnatý. V patentových nárocích jsou však uvedeny snad všechny známé druhy oxidovadel včetně chloristanu amonného a guanidinnitiátu a jako chladivá jsou dále doporučovány hlavně oxaláty alkalických kovů a kovů alkalických zemin.Autoři uvádějí výsledky zkoušek v munici ráže 30 mm.

US patent č. 2006/0219339 A 1 jc ncjrcvolučnčjší řešení z. hlediska ekologie. Autoři nekompromisně vylučují použití barnatých, strontnatých, ale i rubidných a cesných solí (dle posledních výzkumů jsou tylo prvky podezřelé z karcinogenity). Základním oxidačním činidlem je peroxid zinku, bud’ samotný nebo ve směsi s dusičnanem draselným, palivem je salicylan sodný a funkci pojivá i paliva plní buď resinát vápenatý nebo modernější acetobutyrát celulosy a fluoroelastomer V1TON A. Funkci ochlazovače plamene plní uhličitan železitý a horečnatý. Praktické zkoušky byly prováděny převážně v ráži 050.

Podstata vynálezu

Řešení dle tohoto vynálezu spočívá v aplikaci nového poznatku v oblasti specielních pyrotechnických složí, založených na exothermní reakci některých organických kyselin, jejich solí a derivátů s anorganickými oxidovadly. Tyto směsi nejsou zcela neznámé - např.směsi alkalických solí aromatických mono- a dikarboxylových kyselin a kyseliny gallové s chloristanem draselným vykazují specielní typ hoření, které je v lisovaném stavu doprovázeno silným zvukovým efektem tzv. „hvízdavé směsi“ a mají použití v zábavné pyrotechnice. Jedná se o směsi citlivé k tření a nárazu, které při výstřelu např.efektového náboje z hlavně zbraně, vybuchují. Od 80tých let se objevují směsi určené pro náhradu černého prachu, tzv.“ bílý prach“, založené výlučně na kyselině askorbovc. erythorbové a jejich karbonylderivátech ve směsi s dusičnany a chloristany převážně alkalických kovů. Velkou nevýhodou je značná navlhavost těchto směsí a komerční nedostupnost těchto kyselin (vyjma kyseliny askorbové). Na základě výše uvedených poznatků byl zahájen výzkum s cílem najít pyrotechnickou směs, necitlivou k mechanickým podnětům, spolehlivě se zažehující při výstřelu z palné zbraně (aniž by došlo k výbuchu), spolehlivě hořící i v silně lisovaném stavu v malém průměru, dále nenavlhavou a chemicky stabilní, neprodukující korozivní a toxické splodiny.

Bylo objeveno, že aromatické mono- a dikarboxylové kyseliny - kyselina benzoová, Italova a salycilová, (ovšem pouze ve formě svých solí) a jejich mono- a dinitroderiváty a dále pak kyselina gallová ( 3,4,5 - trihydroxybenzoová), jsou schopny velmi stabilního a dostatečné rychlého lineárního hoření ve směsi s dusičnany alkalických kovů případně kovů alkalických zemin a to bez přítomnosti jiných oxidovadel nebo dalších pomocných látek. Jako nejvhodnější oxidovadlo se ukázal dusičnan draselný. V rámci dalšího výzkumu byly zkoušeny i stechiometrické směsi dusičnanu draselného s ostatními nearomatickými organickými kyselinami - kyselinou barbiturovou, glutamovou. glutarovou. adipovou a fumarovou, ale i s výše uvedenými aromatickými kyselinami - benzoovou, fialovou a salycilovou (tedy bez obsahu kovu), dále i s některými solemi ncaromatických kyselin (fumaran draselný). Se žádnou z těchto sloučenin se však nepodařilo vytvořit směsi podobných vlastností, většinu z těchto směsí nebylo možno ani.zažehnout a pokud ano. po oddálení tepelného zdroje směs okamžitě uhasla.Tyto pokusy dokazují, že mechanizmus hoření solí a nitroderivátů aromatických karboxylových kyselin a kyseliny gallové s dusičnany jc vysoce specifický.

Směsi byly připravovány společným rozemletím přesně navážených surovin v kulovém mlýnu po dobu 4 hodin a následnou granulací alkoholem, přičemž paliv o zde působí i jako pojivo.Granulát byl po vysušení laborován obvyklým způsobem do plášťů střel.

»·♦·

Základní příklady provedení vynálezu

	negativní kyslíková bilance	pozitivní kysli	ková bilance
	oxid	palivo	oxid	palivo
K.NO3/ bcnzoan sodný	67	.).)	79	21
KNO3/ benzoan draselný	68	32	80	20
KNO3/ kys.gallová monohydrát	52	48	72	28
KNO3/ salycilan sodný	64	36	78	22
KNO3/ hydrogcnftalan draselný	58	42	67	π n
KNO3/ kys.4 - nitrobenzoová	57	43	75	25
KNO3/ kys.3 - nitro fialová	47	53	70	30
KNO3/ kys.3 - nitrosalicylová	50	50	71	29
KNO3/ kys. 3,5 d i nitrobenzoová	40	60	66	34

Z výše uvedené tabulky vyplývá doporučený rozsah procentuálního obsahu obou komponentu směsi, oxidovadla a paliva, vzhledem k optimalizaci parametru hoření a zažehovatelnosti. Směsi s negativní kyslíkovou bilancí se vyznačují s horší zažehovatelnosti a nižší svítivostí a naopak, u některých paliv se tento rozdíl význačně neprojevuje jako například u nitroderivátú kyselin. Sloučeniny uvedené v tabulce jako základní paliva jsou vybrány s ohledem na jejich dostupnost a cenu. Mimo uvedené jc možno jako použít další soli kovu ze skupiny alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin aromatických mono- a dikarboxylových kyselin a jejich kyslíkatých derivátů s výhodou jejich hydroxy- a nitroderiváty. přičemž v případě derivátů s vysokým obsahem využitelného kyslíku - nitroderiváty a trihydroxyderiváty (kyselina gallová) je možno použít těchto jmenovaných sloučenin ve formě volných kyselin (viz tabulka). Pro různé ráže střeliva lze výběrem vhodného paliva a stanovení vhodného poměru s oxidovadlem, částečně ovlivnit podíl plynných a pevných produktů hoření a tím eliminovat vliv změny těžiště za letu (u větších ráží) a příznivě ovlivnil negativní vliv „dnového sacího efektu“, který vzniká v důsledku vzdušných vírů za zádí střely a působí jako brzdící síla proti jejímu dopřednému pohybu.

Všechny tyto směsi jsou snadno zažehovatelnc plamenem a nevyžadují použití specielních pyrotechnických zažehovačů.Nejlepší zažehovatelnost a nejrychlejší hoření vykazovaly směsi s kyselinou gallovou a s kyselinou dinitrobenzoovou. Při zkouškách DTA vykazovaly v případě směsí s nitroderiváty kyselin vyšší reaktivitu směsi s vyšším obsahem paliva. Směs s kyselinou dinitrobenzoovou při obsahu paliva 60% explodovala. U ostatních směsí vykazovaly vyšší reaktivitu směsi s nulovou kyslíkovou bilancí. Sodné sole vykazují vyšší nežádoucí haloefekt, zřejmě vlivem atomárního záření sodíku. Ncjkratšího plamene bylo dosaženo ve stechiometrických směsích s kyselinou gallovou. krystalová voda má chladící účinek. V případě tohoto paliva se parametry hoření jednoznačně zlepšily přiblížením sc k nulové kyslíkové bilanci.

Složc byly podrobeny řadě statických testů, spolehlivost hoření v lisovaném stavu, viditelnost v tmavé místnosti za pomoci NVD a vybrané složc s benzoanem sodným a kyselinou gallovou) i dynamickým testům při střelbách v terénu, které provedla CsA.

• · · · * ♦

Průmyslové využiti

Trasovací slož se zvýšenou úrovní emise IR zářeni, tvořená binární směsi oxidovadla a paliva, je určena pro použití do IR traserů malorážové pěchotní munice nebo může být použita do propulzních systémů např. jako hnací náplně do raketových motoru.

Claims (12)

1. Patentové nároky

   1. Trasovací slož se zvýšenou úrovní emise IR záření tvořená binární směsí oxidovadla a paliva vyznačující se tím, že sestává ze 40 až 80 hmotnostních oxidovadla vybraného zc skupiny dusičnanů alkalických kovu a/nebo dusičnanu kovu alkalických zemin a 20 až 60% hmotnostních paliva vybraného zc skupiny solí alkalických kovu nebo kovů alkalických zemin aromatických mono- a dikarboxylových kyselin a jejich hydroxya nitroderivátů, přičemž v případě derivátů s vysokým obsahem využitelného kyslíku jako jsou nitroderiváty a trihydroxyderiváty, je možno použít těchto sloučenin i ve formě volných kyselin.
2. 2. Trasovací slož podle nároku 1 vyznačující se tím, že oxidovadlem je s výhodou dusičnan draselný.
3. 3. Trasovací slož podle nároku 1 vyznačující se tím, že palivem jsou volné kyseliny, s výhodou monohydrát kyseliny gallové.
4. 4. Trasovací slož podle nároku 1 vyznačující se tím, že palivem jsou soli kyseliny salicylové , s výhodou salycilan sodný.
5. 5. Trasovací slož podle nároku 1 vyznačující se tím, že palivem jsou nitroderiváty kyseliny salicylové, s výhodou kyselina 3 - nitrosalicylová.
6. 6. Trasovací slož podle nároku 1 vyznačující se tím, že palivem jsou soli kyseliny benzoové s výhodou benzoan sodný a/nebo draselný.
7. 7. Trasovací slož podle nároku 1 vyznačující se tím, že palivem jsou nitroderiváty kyseliny benzoové, s výhodou kyselina 4 - nitrobenzoová a/nebo kyselina 3,5 dinitrobenzoová.
8. 8. Trasovací slož podle nároku 1 vyznačující se tím, že palivem jsou soli kyselin fialových, s výhodou hydrogenftalan draselný.
9. 9. Trasovací slož podle nároku 1 vyznačující se tím, že palivem jsou nitroderiváty kyselin fialových, s výhodou kyselina 3 - nitroftalová a/nebo kyselina 5 - nilro-izoflalová
10. 10. Trasovací slož podle nároku lvyznačující sc tím, že palivem jsou soli alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin kyseliny gallové.
11. 11. Trasovací slož podle nároku 1 a nároků 7 a 9 vyznačující se tím, že palivem jsou soli alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin nitrodcriválu aromatických kyselin.
12. 12. Trasovací slož podle nároku 1 vyznačující se tím, že je určena pro použití do IR traserú malorážové pěchotní munice a/nebo do propulzních systému.