CZ304867B6

CZ304867B6 - Trasovací slože emitující IR záření

Info

Publication number: CZ304867B6
Application number: CZ2010-370A
Authority: CZ
Inventors: Jiří Nesveda
Original assignee: Sellier & Bellot A. S.
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2014-12-17
Also published as: CZ2010370A3

Abstract

Trasovací slož emitující IR záření, neviditelné prostým okem, tvořená binární směsí oxidovadla a paliva, kde oxidovadlo je vybráno ze skupiny dusičnanů alkalických kovů, nebo dusičnanů kovů alkalických zemin a palivo ze skupiny solí alkalických kovů nebo solí kovů alkalických zemin aromatických mono- a dikarboxylových kyselin a jejich hydroxy- a nitroderivátů, přičemž v případě derivátů jako jsou nitroderiváty a trihydroxyderiváty, je možno použít těchto sloučenin i ve formě volných kyselin. Trasovací slož je určena pro použití do IR traserů malorážové pěchotní munice a je použitelná i do propulzních systémů.

Description

Trasovací sloze emitující IR záření

Oblast techniky

Infračervené záření IR je definováno vlnovými délkami záření, jehož monochromatické složky mají vlnu delší než viditelné záření a kratší než lmm (1000 pm). Rozeznáváme 3 oblasti: blízkou (0,78 až 1,4 pm), střední (1,4 až 3 pm) a vzdálenou (3 pm až 1 mm). Trasery, 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 tepelně nevodivé částice s vysokým koeficientem sálání a tzv. stupněm černosti tělesa (dle Stefan-Bolzmannova 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 složích (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 se jako paliva používá malé množství práškového křemíku o vysoké čistotě, který rovněž emituje v IR oblasti. Používají se rovněž speciální ochlazovače plamene jako například karbonáty Fe a Mg. Dále je navrženo speciální použití emitorů IR záření, např. Rb, které emituje v hraniční oblasti (0,77 až 0,8pm) a Cs (0,85 až l,2pm). Nitráty nebo perchloráty těchto sloučenin mají zároveň funkci oxidovadel.

V patentu US 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 peroxidů zdůvodňují autoři jejich rozdílným termickým rozkladem. Peroxid barya vytváří minimum zbytků, zatímco u peroxidu stroncia je tomu naopak. Tím se dá optimalizovat množství tuhých zbytků, důležité z hlediska změny těžiště střely. Bamaté sole jsou však nevyhovující z hlediska ekologického a resinát vápenatý je druh paliva, který je v moderních složích nahrazován pojivý na bázi polymerů (vyrábí se reakcí kalafuny s vápnem v tavenině a takto vzniklé produkty mohou mít velmi rozdílnou kvalitu a proměnný obsah základní látky - abietanu vápenatého).

-1 CZ 304867 B6

V patentu US 3 733 223 z roku 1973 je oxidačním činidlem dusičnan draselný, rubidný nebo česný v závislosti na tom, v jaké oblasti spektra má slož eliminovat. Palivem je křemík a modifikátorem hoření (zpomalovačem) je hexamethylentetramin. Slož je pojena kapalnou epoxidovou pryskyřicí typu Bisphenol A/epichlorhydrin, vytvrzovanou tvrdidlem D.E.H. 14. Slož se formuje do tvaru válcovitých tělísek a hoří velmi dlouho. Slož, může sloužit jako statický emitor IR záření, pro odstínění vlastní bojové techniky před tepelně naváděnými bojovými prostředky nepřítele.

V patentu US 3 770 525 z roku 1973 je oxidačním činidlem PTFE (teflon), polytrifluorochloroethylen, polyvinylidenfluorid nebo kopolymery teflonu nebo vinylidenfluoridu s hexafluoropropylenem. Zářičem, emitujícím v IR oblasti je oxid železnato - železitý. Jako palivo slouží hořčík a modifikátorem hoření je stearan bamatý. Pojivém může být polyesterová pryskyřice (v případě použití výše jmenovaných kopolymerů, 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 patentu US 4 719 856 z roku 1988 je základem bezdýmný střelný prach, do kterého jsou zapracovány částice některých kovů, jejich slitin nebo sloučenin, které emitují ve vzdálenějších oblastech IR záření. Jedná se 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 patentu US 5 587 552 z roku 1996 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 hoření je hexamin nebo melamin (kyanurtriamin). Slož je pojena směsí polyesterové (Witco Formrez 17 - 80) a epoxidové (ERL - 0510) pryskyřice nebo vinylalkohol - acetátovou pryskyřici. Slož, není navržena pro použití do traserů střel. Hlavním problémem zde bude použití extrémně hygroskopického dusičnanu amonného.

V patentu US 5 639 984 z roku 1997 je oxidačním činidlem opět osvědčená směs peroxidů barya a stroncia. Paliva mohou být organická (laktóza) i anorganická (bor, křemík), ale mohou současně plnit i úlohu emitorů IR záření. Za tímto účelem bylo navrženo použití celé řady draselných, rubidných a cesných solí organických kyselin, rhodanidů, kyanidů, ale i solí vysoce energetických sloučenin - azidů, tetrazolů (bis - tetrazolaminu - 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 vinylalkohol-acetátovou pryskyřicí. Autoři doporučují použití těchto směsí do málo- i velkokalibemí munice - 5,56, 7,62, 0,50, 20 mm, 30 mm.

V patentu US 5 811 724 z roku 1998 je řešení založeno na dokonalém vyvážení procentického obsahu a zrnitosti všech složek, ale principiálně je návratem k patentům ze 70tých let. Hlavním oxidovadlem je opět směs obou peroxidů, pomocným oxidovadlem je dusičnan bamatý. Palivem a pojivém je resinát vápenatý a křemík. Jako chladivo slouží uhličitan hořečnatý. V patentových nárocích jsou však uvedeny snad všechny známé druhy oxidovadel včetně chloristanu amonného a guanidinnitrátu a jako chladivá jsou dále doporučovány hlavně oxaláty alkalických kovů a kovů alkalických zemin. Autoři uvádějí výsledky zkoušek v munici ráže 30 mm.

Patent US 2006/0219339 A 1 je nejrevolučnější řešení z hlediska ekologie. Autoři nekompromisně vylučují použití bamatých, strontnatých, ale i rubidných a cesných solí (dle posledních výzku-2CZ 304867 B6 mů jsou tyto prvky podezřelé z karcinogenity). Základním oxidačním činidlem je peroxid zinku, buď samotný nebo ve směsi s dusičnanem draselným, palivem je salicylan sodný a funkci pojivá i paliva plní buď resinát vápenatý nebo modernější acetobutyrát celulózy a fluoroelastomer VITON A. Funkci ochlazovače plamene plní uhličitan železitý a hořečnatý. Praktické zkoušky byly prováděny převážně v ráži 050.

Podstata vynálezu

Řešení dle tohoto vynálezu spočívá v aplikaci nového poznatku v oblasti speciálních 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 speciální 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 askorbové, erythrobové ajejich 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 zplodiny.

Bylo objeveno, že aromatické mono- a dikarboxylové kyseliny - kyselina benzoová, ftalová a salycilová, (ovšem pouze ve formě svých solí) ajejich mono- a dinitroderiváty a dále pak kyselina gallová (3,4,5-trihydroxybenzoová), jsou schopny velmi stabilního a dostatečně 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, ftalovou a salycilovou (tedy bez obsahu kovu), dále i s některými solemi nearomatických 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 je vysoce specifický.

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

-3 CZ 304867 B6

Základní příklady provedení vynálezu

	negativní kyslíková bilance	pozitivní kyslíková bilance
	oxid	palivo	oxid	palivo
KN0₃ / benzoan sodný	67	33	79	21
KNO₃ / benzoan draselný	68	32	80	20
KNO₃/ kys.gallová monohydrát	52	48	72	28
KN0₃ / salycilan sodný	64	36	78	22
KNO₃ / hydrogenfltalan draselný	58	42	67	i n JJ
KN0₃ / kys.4 - nitrobenzoová	57	43	75	25
KNO₃/kys.3 - nitroftalová	47	53	70	30
KNO₃ / kys.3 - nitrosalicylová	50	50	71	29
KNO₃/kys. 3,5dinitrobenzoová	40	60	66	34

Z výše uvedené tabulky vyplývá doporučený rozsah procentuálního obsahu obou komponentů směsi, oxidovadla a paliva, vzhledem k optimalizaci parametrů 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 nitroderivátů kyselin. Sloučeniny uvedené v tabulce jako základní paliva jsou vybrány s ohledem na jejich dostupnost a cenu. Mimo uvedené je možno jako použít další soli kovů 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 podél plynných a pevných produktů hoření a tím eliminovat vliv změny těžiště za letu (u větších ráží) a příznivě ovlivnit 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 zažehovatelné plamenem a nevyžadují použití speciálních 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. Nejkratšího plamene bylo dosaženo ve stechiometrických směsích s kyselinou gallovou, krystalová voda má chladicí účinek. V případě tohoto paliva se parametry hoření jednoznačně zlepšily přiblížením se k nulové kyslíkové bilanci.

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

Průmyslové využití

Trasovací slože se zvýšenou úrovní emise IR záření, tvořená binární směsí 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 motorů.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Trasovací slož emitující IR záření, neviditelné prostým okem, tvořená binární směsí oxidovadla a paliva, vyznačující se tím, že sestává ze 40 až 80 % hmotnostních oxidovadla vybraného ze skupiny dusičnanů alkalických kovů a/nebo dusičnanů kovů alkalických zemin a 20 až 60 % hmotnostních paliva vybraného ze skupiny solí alkalických kovů nebo solí kovů alkalických zemin aromatických mono- a dikarboxylových kyselin a jejich hydroxy- a nitroderivátů, přičemž v případě derivátů jako jsou nitroderiváty a trihydroxyderiváty, je možno použít těchto sloučenin i ve formě volných kyselin.
2. Trasovací slož podle nároku 1, vyznačující se tím, že oxidovadlem je dusičnan draselný.
3. Trasovací slož podle nároku 1, vyznačující se tím, že palivem jsou volné kyseliny, s výhodou monohydrát kyseliny gallové.
4. Trasovací slož podle nároku 1, vyznačující se tím salicylové, s výhodou salycilan sodný.
5. Trasovací slož podle nároku 1, vyznačující se tím kyseliny salicylové, s výhodou kyselina 3-nitrosalicylová.
6. Trasovací slož podle nároku 1, vyznačující se tím benzoové s výhodou benzoan sodný a/nebo draselný.

že palivem jsou soli kyseliny že palivem jsou nitroderiváty že palivem jsou soli kyseliny
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. Trasovací slož podle nároku 1, vyznačující se tím, že palivem jsou soli kyselin fialových, s výhodou hydrogenftalan draselný.
9. Trasovací slož podle nároku 1, vyznačující se tím, že palivem jsou nitroderiváty kyselin fialových, s výhodou kyselina 3-nitroftalová a/nebo kyselina 5-nitro-izoftalová.
10. Trasovací slož podle nároku 1, vyznačující se tím, že palivem jsou soli alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin kyseliny gallové.
11. Trasovací slož podle nároku 1 a nároků 7a 9, vyznačující se tím, že palivem jsou soli alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin nitroderivátů aromatických kyselin.
12. Použití trasovací slože emitující IR záření podle některého z nároků 1 až 11 do IR traserů malorážové pěchotní munice a/nebo do propulzních systémů.