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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine pyrotechnische Wirkmasse zur
Erzeugung von Infrarot-Strahlung.
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Im
militärischen
Bereich werden zur Bekämpfung
von Luftzielen, wie beispielsweise Strahlflugzeugen, Hubschraubern
und Transportmaschinen, Flugkörper
wie Luft-Luft- und Boden-Luft-Lenkflugkörper eingesetzt, welche die
vom Triebwerk des Flugziels ausgehende Infrarot(IR)-Strahlung, vornehmlich
im Bereich zwischen 0,8 und 5 μm,
mit Hilfe eines auf IR-Strahlung empfindlichen Suchkopfes anpeilen
und verfolgen. Zur Abwehr dieser Flugkörper werden daher Täuschkörper (auch
Flares genannt) eingesetzt, welche die IR-Signale des Flugziels
imitieren, um anfliegende Lenkflugkörper abzulenken. Solche IR-Täuschkörper können auch
präventiv
eingesetzt werden, um die Erfassung von Flugzielen durch die Herabsetzung
des Kontrasts der Szene zu erschweren oder sogar zu verhindern.
Eine ähnliche
Problematik existiert grundsätzlich
auch bei anderen Arten von Zielen wie beispielsweise Schiffen.
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Die
obigen Tauschkörper
emittieren je nach Zusammensetzung ihrer Wirkmasse entweder eine
temperaturabhängige
Schwarzkörperstrahlung
oder ein durch selektive Emitter bestimmtes Spektrum. Um die IR-Strahlung
von Täuschkörpern und
Zielen unterscheiden zu können,
werden zunehmend so genannte Zweifarbensuchköpfe eingesetzt. Diese werten
die IR-Strahlung sowohl im kurzwelligen Bereich (ca. 0,9 bis 3 μm) als auch
im mittleren Bereich (ca. 3 bis 5 μm) aus. Das spektrale Bandenverhältnis B/A
von mittelwelliger zu kurzwelliger IR-Strahlung ist ein charakteristischer
Parameter, mit dem ein Zweifarbensuchkopf einen IR-Täuschkörper von
einem möglichen
Ziel, das in der Regel kaum Strahlung im kurzwelligen IR-Bereich
aufweist, unterscheiden kann.
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Die
Abwehr moderner Flugkörper
mit Zweifarbensuchköpfen
erfordert daher den Einsatz spektral angepasster Tauschkörper mit
einem geeigneten Strahlstärkeverhältnis im
mittleren Infrarotbereich. Solche Täuschkörper mit spektral angepasster
IR-Signatur nutzen zum Beispiel einen selektiven Emitter mit hoher Bandstärke im 4–5 μm Bereich.
Geeignete Verbrennungsprodukte sind daher Kohlendioxid (CO2) und auch Fluorboroxid (F-B=0).
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Typische
Wirkmassen zur Erzeugung von CO2 enthalten
Kaliumperchlorat als bevorzugtes Oxidationsmittel und einen organischen
Brennstoff aus der Gruppe der aromatischen Carbonsäuresalze
wie z. B. Kaliumbenzoat bzw. Carbonsäureanhydride wie z. B. Benzoltetracarbonsäuredianhydrid.
Auch sind energiereiche Stoffe wie z. B. Acetylendicarbonsäuresalze
vorgeschlagen worden. Der Nachteil dieser herkömmlichen Wirkmassen besteht
in einer nur geringen spezifischen Energie von maximal etwa 25 J·g·sr–1 im
interessierenden Wellenlängenbereich
zwischen ca. 4–5 μm und deren
niedriger Abbrandgeschwindigkeit von maximal 2 mm·s–1.
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Typische
Wirkmassen zur Erzeugung von B=O-haltigen Verbrennungsprodukten
enthalten Bor und ein Oxidationsmittel wie z. B. Kaliumnitrat zusammen
mit einem organischen Binder, der zum Beispiel fluorhaltige Gruppen
(z. B. Viton A) aber gegebenenfalls auch energetische Gruppen wie
z. B. Nitro (NO2) (z. B. Polynitropolyphenylen)
oder Azid (N3) (z. B. Glycidylazidpolymer,
GAP) enthalten kann. Der Nachteil borhaltiger Wirkmassen besteht
darin, dass diese Wirkmassen ebenfalls eine nur geringe spezifische
Energie liefern (etwa 15 J·g·sr–1)
und sich das spektrale Verhältnis
B/A unter dynamischen Bedingungen erheblich verschlechtert, da sich
der Anteil gasförmiger
Metaborate MBO2, die bevorzugt zur Ausstrahlung
im B-Band beitragen, aufgrund der raschen Abkühlung in der Plume durch Präzipitation
verringert. Des Weiteren dismutiert das spektral vorteilhafte gasförmige F-B=O
bei der Abkühlung
zu BF3 und B2O3.
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Die
Probleme herkömmlicher
spektraler Täuschkörperwirkmassen
sind somit eine niedrige spezifische Energie, eine niedrige Abbrandgeschwindigkeit
und ein schlechtes Bandenverhältnis
B/A unter dynamischen Bedingungen.
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Ausgehend
von den oben im Stand der Technik geschilderten Problemen liegt
daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine pyrotechnische
Wirkmasse bereitzustellen, die eine spektral angepasste IR-Strahlung
mit einem verbesserten spektralen Bandenverhältnis unter dynamischen Bedingungen
erzeugt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine pyrotechnische Wirkmasse zur Erzeugung von IR-Strahlung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
pyrotechnische Wirkmasse der vorliegenden Erfindung enthält ein sehr
energiereiches Oxidationsmittel, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend
aus Fluoronitroformaten und Fluoronitramiden der Alkali- und Erdalkalimetalle
und ihren Derivaten.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält die pyrotechnische Wirkmasse
außerdem
einen Brennstoff, der ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus Kohlensäure- und Oxalsäurediestern
(vorzugsweise nitrierter) aromatischer und olefinischer Alkohole
und Polyole zur weiteren Steigerung des Energiegehalts.
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In
noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung besitzt die Zusammensetzung
ein molekulares C/O-Verhältnis
von maximal 2,0, bevorzugter von maximal 1,5, besonders bevorzugt
von maximal 1,25. Derartige Wirkmassen liefern erheblich höhere CO2-Anteile
und fördern
damit das spektral angepasste Bandenverhältnis.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung besser verständlich.
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Pyrotechnische
Wirkmassen zum Erzeugen einer IR-Strahlung enthalten allgemein ein
Oxidationsmittel, einen Brennstoff und ein Bindemittel.
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Als
Oxidationsmittel werden hier die Fluoronitroformate und Fluoronitramide
der Alkali- und Erdalkalimetalle vorgeschlagen. Die Fluoronitroformate
der allgemeinen Zusammensetzung [Mw][CF(NO2)2]w zersetzen sich
bei thermischer Belastung exotherm nach [Mw][CF(NO2)2]w → MFw + wCO2 + wN2 + wO2.
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Geeignete
Derivate der Fluoronitroformate enthalten anstelle einer Nitrogruppe
eine Trinitromethylgruppe (-C(NO
2)
3), eine Fluorodinitromethylgruppe (-C(F)(NO
2)
2) oder eine Azidodinitromethylgruppe (-C(N
3)(NO
2)
2)
als Substituent:
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Die
Fluoronitramide der allgemeinen Zusammensetzung [M
w][NF(NO
2)
2]
w und
mit der Strukturformel
zersetzen sich bei thermischer
Belastung exotherm nach
[Mw][NF(NO2)2]w → MFw + wN2 + wO2, mit
w der maximalen Oxidationsstufe des verwendeten Metalls.
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Diese
oben genannten energiereichen Oxidationsmittel gestatten die Erzielung
höherer
Flammentemperaturen als beispielsweise KClO4 oder
KNO3, was zu einer Erhöhung der spezifischen Energie
Eλ führt. Die folgende
Tabelle zeigt den Unterschied der Wärmetönung der Zersetzungsreaktion
für die
hier verwendeten Oxidationsmittel KNF(NO2)
und KCF(NO2)2 gegenüber den
herkömmlichen
Oxidationsmitteln KNO3, KN3O4 und KClO4: KNO3 → 0,5 K2O
+ 0,5N2 + 1,25O2 ΔRH
= +313 kJ mol–1 KN3O4 → 0,5 K2O + 1,5N2 + 1,75O2 ΔRH
= +90 kJ mol–1 KClO4 → KCl + 2O2 ΔRH
= – 2
kJ mol–1 KNF(NO2) → KF + N2 + O2 ΔRH
= – 279
kJ mol–1 KCF(NO2)2 → KF + N2 + CO2 + O2 ΔRH
= –460
kJ mol–1
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Während die
Zersetzung von KNO3 noch endotherm ist,
erfolgt der Zerfall von KClO4 bereits mit
einer geringen negativen Wärmetönung. Die
erfindungsgemäßen Oxidatoren
schließlich
zerfallen mit großer
negativer Wärmetönung.
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Während die
adiabatischen Flammentemperaturen nur geringfügig durch die Verwendung der
neuartigen Oxidatoren steigen, beschleunigt deren exothermer Zerfall
den Massendurchsatz ṁ und damit die Strahlstärke Iλ über die
Beziehung Iλ =
Eλ·ṁ.
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Die
nachfolgende Tabelle zeigt die Flammentemperaturen stöchiometrischer
Gemische der obigen Oxidatoren mit dem herkömmlichen Brennstoff Benzoltetracarbonsäuredianhydrid,
BTCA, C
10H
2O
6, mit Δ
fH° = –950 kJ
mol
–1,
berechnet mit dem Thermochemischen Code NASA CEA.
| Wirkmasse | Temperatur
[K] |
| BTCA
+ 5 KNO3 | 2972 |
| BTCA
+ 3,75 KN3O4 | 2929 |
| BTCA
+ 3,75 KClO4 | 3195 |
| BTCA
+ 7,5 KNF(NO2) | 3237 |
| BTCA
+ 7,5 KCF(NO2) | 3237 |
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Im
Rahmen der Erfindung geeignete Brennstoffe für die pyrotechnische Wirkmasse
sind Kohlensäure- und
Oxalsäurediester
aromatischer und olefinischer Alkohole und Polyalkohole. Zur Steigerung
des Energiegehalts können
die Alkohole und Polyole noch nitriert sein, zum Beispiel Nitro-,
Nitratester- und Azidgruppen tragen:
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Beispielhafte
Verbindungen sind das Bis-2,4,6-trinitrophenyloxalat
und das Bis-2,4-dinitrophenyloxalat
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Des
Weiteren werden für
die pyrotechnische Wirkmasse vorzugsweise Zusammensetzungen verwendet
mit einem gesamten molekularen C/O-Verhältnis von kleiner 2,0. In einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt das gesamte molekulare C/O-Verhältnis kleiner
1,5. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
beträgt
das gesamte molekulare C/O-Verhältnis
kleiner 1,25.
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Stoffe
mit diesem C/O-Verhältnis
liefern erheblich höhere
CO2-Anteile als spektrale Wirkmassen des Stands
der Technik und fördern
damit das spektrale Bandenverhältnis.
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Die
Vorteile der oben erläuterten
pyrotechnischen Wirkmasse zum Erzeugen einer IR-Strahlung mit den oben genannten Oxidationsmitteln
und Brennstoffen sind insbesondere
- – die hohe
Exothermizität
bei der Zersetzung und daher ein hoher Massendurchsatz; und
- – der
hohe CO2-Anteil des entstehenden Abgases
und daher ein hohes B/A-Bandenverhältnis.
