DE102004004529B4

DE102004004529B4 - Weichmacher für einen Treibsatz mit umgebungstemperaturunabhängigem Abbrand

Info

Publication number: DE102004004529B4
Application number: DE200410004529
Authority: DE
Inventors: Denis Dr. Spitzer; Michael Schäfer
Original assignee: Deutsch-Franzosisches Forschungsinstitut Saint-Louis Saint-Louis; Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Deutsch-Franzosisches Forschungsinstitut Saint-Louis Saint-Louis; Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: FR2850376B1; DE102004004529A1; FR2850376A1

Abstract

Treibsatz mit mindestens einem energetischen Stoff bzw. einer Mischung von energetischen Stoffen und einer Weichmacherzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichmacherzusammensetzung mindestens 55 Masse-% 2,4-Dinitro-2,4-diazahexan (DNDA6) enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Treibsatz. Ein solcher Treibsatz findet insbesondere im Bereich der Geschosse oder Feststofftriebwerke Anwendung.
Die Treibsätze – insbesondere Pulver oder Festtreibstoffe – enthalten im allgemeinen mindestens einen energetischen Stoff bzw. eine Mischung von energetischen Stoffen und eine Weichmacherzusammensetzung.
Die Abbrandgeschwindigkeit eines konventionellen Treibladungspulvers oder Festtreibstoffes ist durch die Umgebungstemperatur bedingt. Somit erfolgt der Abbrand eines Treibladungspulvers oder eines Festtreibstoffes im allgemeinen bei niedrigen Temperaturen langsamer und bei höheren Temperaturen schneller.
Dies führt zu bestimmten Nachteilen.
Einerseits hat dies eine Änderung der Treffsicherheit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zur Folge.
Andererseits kommt es bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ebenfalls zu einer derartigen Versteifung und Versprödung der Treibsatzmatrix, dass sie bricht und dass die Bildung von Sprüngen oder sogar Rissen verursacht wird, die somit eine Unkontrollierbarkeit der Abbrandfläche verursachen, was schwerwiegende Folgen bis zur Verpuffung und Zerstörung der Waffen und Flugkörper haben kann.
Methoden zur Herstellung eines Treibsatzes mit temperaturunabhängiger Abbrandgeschwindigkeit sind bereits bekannt.
Eine erste Möglichkeit ist die Oberflächenbehandlung der Treibladungspulver- oder Treibstoffkörner. Diese Technik ist jedoch kostspielig, langwierig in der Umsetzung und führt nicht zu sehr zufriedenstellenden Ergebnissen.
Eine zweite Möglichkeit ist der Zusatz einer geeigneten Weichmacherzusammensetzung zum energetischen Stoff oder zur Mischung der energetischen Stoffe.
Eine solche Weichmacherzusammensetzung wird beispielweise im Dokument WO 98/34891 A1 beschrieben. Hierbei handelt es sich um eine sogenannte DNDA57-Zusammensetzung, die folgende drei Dinitramine in einem bestimmten Mengenverhältnis enthält:

– 2,4-Dinitro-2,4-diazapentan (DNDA5) mit der Formel:
– 2,4-Dinitro-2,4-diazahexan (DNDA6) mit der Formel:
– 3,5-Dinitro-3,5-diazaheptan (DNDA7) mit der Formel:

Die Zusammensetzung eines DNDA57-Treibladungspulvers oder -Treibstoffes weist jedoch nur in einem bestimmten Zusammensetzungsbereich der DNDA57-Mischung eine geringe Temperaturabhängigkeit auf.
Zudem hat die Anmelderin eine starke Änderung der Abbrandgeschwindigkeit eines solchen Treibladungspulvers bei bestimmten Temperaturen festgestellt.
Außerdem ist der auf diese Weise erhaltene Treibsatz zeitlich unstabil, was nicht wünschenswert ist.
Die Erfindung soll eine Lösung für diese Probleme liefern.
Die Anmelderin hat das thermische Verhalten von DNDA57 genau untersucht, wobei das Mengenverhältnis aller drei oben genannten Dinitramine von 0 bis 100% variiert wurde, und konnte somit die entscheidende Wirkung von DNDA6 auf die Temperaturunabhängigkeit der Abbrandgeschwindigkeit des Treibsatzes nachweisen. Zudem wurde der nachteilige Einfluss von DNDA5 und DNDA7 in einigen Zusammensetzungsbereichen von DNDA57 auf diesen Kennwert festgestellt.
Somit betrifft die Erfindung einen Treibsatz mit mindestens einem energetischen Stoff bzw. einer Mischung von energetischen Stoffen und einer Weichmacherzusammensetzung, wobei die Weichmacherzusammensetzung mindestens 55 Masse-% 2,4-Dinitro-2,4-diazahexan (DNDA6) enthält.
Gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform enthält die Weichmacherzusammensetzung mindestens 97 Masse-% DNDA6.
Gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsform enthält die Weichmacherzusammensetzung mindestens noch ein weiteres Dinitramin.
Die Weichmacherzusammensetzung enthält zum Beispiel zusätzlich 2,4-Dinitro-2,4-diazapentan (DNDA5).
Der Treibsatz kann aus einem energetischen Polymer und einer Weichmacherzusammensetzung bestehen oder mindestens ein energetisches Polymer, eine Weichmacherzusammensetzung und mindestens eine energetische Verbindung aus der Gruppe der Hexogene, Oktogene, Nitramine, CL-20 (Hexanitrohexaazaisowurtzitan) und deren Mischungen enthalten.
Das energetische Polymer wird beispielweise aus der Gruppe der Nitrozellulosen, PolyNIMMO, GAP, PolyGlynn und deren Mischungen ausgewählt. Andere energetische Polymere können ebenfalls verwendet werden.
Die Weichmacherzusammensetzung kann zudem Folgendes enthalten:

– mindestens ein Weichmachermittel aus der Gruppe der Nitroglyzerine, Salpetersäure-Ester, Diethylenglycoldinitrate, Nitratoethylnitramine (NENA) und deren Mischungen,
– und/oder mindestens einen Stabilisator, wie zum Beispiel Centralit oder Diphenylamin.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform umfasst der Treibsatz:

– 25 bis 35 Masse-% der Weichmacherzusammensetzung, die wie folgt zusammengesetzt ist: – 55 bis 65 Masse-% DNDA6; – 35 bis 45 Masse-% Methyl-NENA;
– 65 bis 75 Masse-% einer Mischung von energetischen Stoffen, die wie folgt zusammengesetzt ist: – 45 bis 55 Masse-% Hexogen; – 35 bis 45 Masse-% Nitrozellulose;
– 0 bis 1 Masse-% einer oder mehrerer anderer Verbindungen.

Die weiteren Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren hervor, wobei:
in 1 die Abbrandgeschwindigkeit r des Treibsatzes in Abhängigkeit vom Druck P der erzeugten Gase bei unterschiedlichen Temperaturen graphisch dargestellt wird;
in 2 die dynamische Lebhaftigkeit L des Treibsatzes in Abhängigkeit vom Verhältnis P/Pmax bei unterschiedlichen Temperaturen graphisch dargestellt wird;
in 3 die charakteristische dynamische Lebhaftigkeit L_k des Treibsatzes in Abhängigkeit von der Temperatur graphisch dargestellt wird.
Der Treibsatz enthält mindestens einen energetischen Stoff bzw. eine Mischung von energetischen Stoffen sowie eine Weichmacherzusammensetzung.
Der energetische Stoff bzw. die Mischung von energetischen Stoffen kann:

– entweder aus einem einzigen energetischen Polymer bestehen, wobei der Treibsatz in diesem Fall „zweibasiges Treibladungspulver” genannt wird,
– oder mehrere Verbindungen mit mindestens einem energetischen Polymer enthalten, wobei der Treibsatz in diesem Fall „mehrbasiges Treibladungspulver” genannt wird.

Das energetische Polymer wird aus der Gruppe der Nitrozellulosen, PolyNIMMO, GAP, PolyGlynn und deren Mischungen ausgewählt. Andere energetische Polymere können ebenfalls verwendet werden.
Die „mehrbasigen” Treibsätze können zudem andere energetische Verbindungen, z. B. Nitramine wie Hexogen (Trimethylentrinitramin, C₃H₆O₆N₆) oder Oktogen, CL-20 (Hexanitrohexa-aza-iso-wurtzitan) usw., enthalten.
Die Treibsätze können außerdem mindestens ein Weichmachermittel, wie Salpetersäure-Ester, z. B. Nitroglycerin, Diethylenglycoldinitrat, Nitratoethylnitramine (NENA), z. B. Methyl-Nena, Ethyl-Nena, Butyl-Nena, Propyl-Nena, sowie andere Stickstoffverbindungen usw., aufweisen.
Stabilisatoren, wie z. B. Centralit, Diphenylamin (oder andere Stabilisatoren), sowie übliche Verbindungen, wie z. B. Mittel zur Begünstigung des Herstellungs- und Umsetzungsprozesses, können ebenfalls im Treibsatz enthalten sein.
Die Weichmacherzusammensetzung enthält hauptsächlich DNDA6, wodurch die Temperaturunabhängigkeit der Abbrandgeschwindigkeit des Treibsatzes sichergestellt wird.
Somit enthält die Weichmacherzusammensetzung:

– entweder reines DNDA6 (Reinheitsgrad über 97 Masse-% in der Weichmacherzusammensetzung)
– oder eine Mischung von Weichmachern, die DNDA6 in einem Anteil von über 55 Masse-% der Weichmacherzusammensetzung enthält. In diesem Fall enthält die Weichmacherzusammensetzung mindestens noch ein weiteres Dinitramin, wie z. B. DNDA5.

In Tabelle 1 werden einige Beispiele von erfindungsgemäßen Treibsätzen mit einer temperaturunabhängigen Abbrandgeschwindigkeit zumindest im Temperaturbereich zwischen –40°C und +50°C angegeben.

TREIBSATZ
Weichmacherzusammensetzung Anteil (%)	Energetischer Stoff (oder Mischung von energetischen Stoffen)
Weichmacherzusammensetzung Anteil (%)	Energetisches Polymer Anteil (%)	Energetische Verbindung Anteil (%)
reines DNDA6 10 bis 40	10 bis 40	20 bis 60
reines DNDA6 20 bis 40	80 bis 60	0
DNDA6 (über 55%) + andere Verbindung (zum Beispiel DNDA5) 10 bis 40	10 bis 40	20 bis 60
DNDA6 (über 55%) + andere Verbindung (zum Beispiel DNDA5) 20 bis 40	80 bis 60	0

Tabelle 1

In Tabelle 1:

– sind die Anteile der Weichmacherzusammensetzung, des energetischen Polymers und der energetischen Verbindung in Masseprozent des Treibsatzes angegeben;
– sind die Anteile von DNDA6 in der Weichmacherzusammensetzung in Masseprozent der Weichmacherzusammensetzung angegeben.

Nachstehend werden einige genaue Beispiele von Treibsätzen aufgeführt:
Beispiel 1:
• Weichmacherzusammensetzung (32 Masse-% des Treibsatzes):

– DNDA6: 100%

• energetische Stoffe (67 Masse-% des Treibsatzes):

– Hexogen: 53 Masse-%

– Nitrozellulose: 47 Masse-%
• andere Verbindungen (1 Masse-% des Treibsatzes):

– Stabilisatoren, Mittel zur Begünstigung des Herstellungs- und Umsetzungsprozesses.

Beispiel 2:
• Weichmacherzusammensetzung (30 Masse-% des Treibsatzes):

– DNDA6: 60 Masse-% (der Weichmacherzusammensetzung)

– Methyl-NENA: 40 Masse-%

• energetische Stoffe (69 Masse-% des Treibsatzes):

– Hexogen: 50 Masse-% (aller energetischen Stoffe)

– Nitrozellulose: 50%
• andere Verbindungen (1 Masse-% des Treibsatzes):

Im Folgenden wird auf die 1 bis 3 Bezug genommen, in denen die Effizienz von DNDA6 als thermisches Desensibilisierungsmittel eines Treibsatzes aufgezeigt wird.
In 1 bis 3 werden verschiedene Variablen, die für eine 50 cm³-Hochdruckbombe bei unterschiedlichen Temperaturen aufgezeichnet wurden, für folgenden Treibsatz graphisch dargestellt:

– 32 Masse-% Nitrozellulose;
– 32 Masse-% reines DNDA6 (zu 97%);
– 36 Masse-% Hexogen.

In 1 wird die Abbrandgeschwindigkeit r (in mm/s) des Treibsatzes in Abhängigkeit vom Druck P (in MPa) der erzeugten Gase bei einer Temperatur von –40°, –10°, +20° und +50°C dargestellt.
In 2 wird die dynamische Lebhaftigkeit L des Treibsatzes in Abhängigkeit vom Verhältnis P/Pmax bei einer Temperatur von –40°, –10°, +20° und +50°C dargestellt.
Die dynamische Lebhaftigkeit ist wie folgt definiert:
wobei P und Pmax jeweils dem Druck bzw. Maximaldruck der erzeugten Gase und t der Zeit entspricht.
L wird in MPa^–1·s^–1 ausgedrückt und hängt somit von der Druckänderung der erzeugten Gase in Abhängigkeit von der Zeit, vom Kehrwert des Drucks der erzeugten Gase und vom Kehrwert des Maximaldrucks der erzeugten Gase ab.
P/Pmax = z wird dem Massengehalt des bereits verbrannten Pulvers gleichgestellt.
In 3 wird schließlich die (in MPa^–1·s^–1 ausgedrückte) charakteristische dynamische Lebhaftigkeit L_k des Treibsatzes in Abhängigkeit von der Temperatur T (°C) dargestellt.
Die charakteristische dynamische Lebhaftigkeit L_k entspricht dem Mittelwert der Werte der dynamischen Lebhaftigkeit L, und zwar von z = 0,3, z = 0,4, z = 0,5, z = 0,6 und z = 0,7.
In 1 bis 3 wird die Wirkung der Unabhängigkeit des Abbrandes von einer Temperatur zwischen –40° und +50°C deutlich aufgezeigt.
Mit dieser Erfindung können folglich Treibsätze guter Qualität, d. h. mit einer temperaturunabhängigen Abbrandgeschwindigkeit, mindestens in einem Bereich von –40° bis +50°C erhalten werden. Die Treffsicherheit wird dadurch erheblich verbessert.
Zudem können die erfindungsgemäßen Treibsätze, zumindest über einen Zeitraum von 20 oder 30 Jahren, zeitlich stabil sein, was besonders vorteilhaft ist.

Claims

Treibsatz mit mindestens einem energetischen Stoff bzw. einer Mischung von energetischen Stoffen und einer Weichmacherzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichmacherzusammensetzung mindestens 55 Masse-% 2,4-Dinitro-2,4-diazahexan (DNDA6) enthält.
Treibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichmacherzusammensetzung mindestens 97 Masse-% DNDA6 enthält.
Treibsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichmacherzusammensetzung mindestens noch ein anderes Dinitramin enthält.
Treibsatz nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichmacherzusammensetzung zusätzlich 2,4-Dinitro-2,4-diazapentan (DNDA5) enthält.
Treibsatz nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich dieser Treibsatz aus einem energetischen Polymer und einer Weichmacherzusammensetzung zusammensetzt.
Treibsatz nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich dieser Treibsatz mindestens aus einem energetischen Polymer, einer Weichmacherzusammensetzung und mindestens einer energetischen Verbindung aus der Gruppe der Hexogene, Oktogene, Nitramine, CL-20 (Hexanitrohexaazaisowurtzitan) und deren Mischungen zusammensetzt.
Treibsatz nach einem beliebigen der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das energetische Polymer aus der Gruppe der Nitrocellulosen, PolyNIMMO, GAP, Poly-Glynn und deren Mischungen ausgewählt wird.
Treibsatz nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Treibsatz mindestens noch ein Weichmachermittel aus der Gruppe der Nitroglycerine, Salpetersäure-Ester, Diethylenglycoldinitrate, Nitratoethylnitramine (NENA) und deren Mischungen enthält.
Treibsatz nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Treibsatz mindestens noch einen Stabilisator, wie z. B. Centralit oder Diphenylamin, enthält.
Treibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Treibsatz folgende Zusammensetzung aufweist: – 25 bis 35 Masse-% Weichmacherzusammensetzung, die wie folgt zusammengesetzt ist: – 55 bis 65 Masse-% DNDA6; – 35 bis 45 Masse-% Methyl-NENA; – 65 bis 75 Masse-% einer Mischung von energetischen Stoffen, die wie folgt zusammengesetzt ist: – 45 bis 55 Masse-% Hexogen; – 35 bis 45 Masse-% Nitrocellulose; – 0 bis 1 Masse-% einer oder mehrerer anderer Verbindungen.