DE102020006890A1

DE102020006890A1 - Wirkmasse für ein bei hoher Windgeschwindigkeit brennendes pyrotechnisches Scheinziel

Info

Publication number: DE102020006890A1
Application number: DE102020006890.1A
Authority: DE
Inventors: Arno Hahma
Original assignee: Diehl Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-05-12
Also published as: AU2021266255A1; EP3995473A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wirkmasse für ein bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s brennendes und dabei spektrale Infrarotstrahlung emittierendes pyrotechnisches Scheinziel, ein diese Wirkmasse enthaltendes pyrotechnisches Scheinziel und eine Verwendung der Wirkmasse, wobei die Wirkmasse einen organischen ersten Brennstoff und ein Oxidationsmittel umfasst, wobei der erste Brennstoff eine aliphatische oder heterocyclische Verbindung oder ein aliphatisches oder heterocyclisches Polymer ist, wobei bei der aliphatischen Verbindung oder dem aliphatischen Polymer höchstens 5 Kohlenstoffatome in einer Reihe und bei der heterocyclischen Verbindung oder dem heterocyclischen Polymer höchstens 5 Kohlenstoffatome direkt benachbart im Heterocyclus oder in den Heterocyclen vorliegen und die Wirkmasse weiterhin ein Salz einer aliphatischen Carbonsäure als zweiten Brennstoff umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirkmasse für ein bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s brennendes und dabei spektrale Infrarotstrahlung emittierendes pyrotechnisches Scheinziel sowie ein diese Wirkmasse enthaltendes pyrotechnisches Scheinziel und eine Verwendung der Wirkmasse.
Spektrale Infrarotstrahlung beim Abbrand emittierende Wirkmassen für pyrotechnische Scheinziele emittieren beim Abbrand deutlich mehr Energie im mittelwelligen Wellenlängenbereich von 3,7 bis 5,1 µm als im kurzwelligen Wellenlängenbereich von 1,9 bis 2,3 µm. Das Verhältnis der Energie der Strahlung im mittelwelligen Bereich zur Energie der Strahlung im kurzwelligen Bereich wird auch als Spektralverhältnis bezeichnet.
Derartige Wirkmassen sind beispielsweise aus der EP 2 698 362 A2 bekannt. Die darin offenbarte Wirkmasse umfasst Ammoniumperchlorat als Oxidationsmittel und mindestens einen Nitratester und/oder ein Nitrosamin als Brennstoff. Bei dem Nitratester kann es sich beispielsweise um Nitrocellulose handeln. Weiterhin können Diethylenglykoldinitrat und eine ionische Flüssigkeit als weiterer Brennstoff enthalten sein.
Ein Problem bekannter Scheinzielwirkmassen besteht darin, dass deren Leistung bei hoher Windgeschwindigkeit oft stark abnimmt. Dies kann durch den Einsatz einer größeren Menge der Wirkmasse ausgeglichen werden. Dies führt jedoch dazu, dass verhältnismäßig große Kaliber des Scheinziels erforderlich sind und in einem begrenzten Laderaum eines Flugzeugs nur verhältnismäßig wenig Scheinziele transportiert werden können. Außerdem steigt durch den zum Ausgleich der geringen Leistung erforderlichen höheren Umsatz einer solchen Wirkmasse pro Zeiteinheit auch die Leistung der im Kurzwellenbereich emittierten Strahlung. Da es inzwischen Suchköpfe gibt, welche auf das Überschreiten einer vordefinierten Schwelle der emittierten Strahlungsleistung im Kurzwellenbereich ansprechen, sind derartige Wirkmassen für das Täuschen solcher Suchköpfe nicht mehr geeignet.
Aus Shidlovskiy, A. A., Principles of Pyrotechnis, Maschinostroyeniye Press, 1964, Seite 184 ist ein Kaliumchlorat, Strontiumoxalat und Kolophonium enthaltender Leuchtsatz bekannt. Ein solcher Leuchtsatz ist als Wirkmasse für ein pyrotechnisches Scheinziel zur Emission spektraler Infrarotstrahlung ungeeignet, weil die beim Abbrand emittierte Strahlung einen hohen Anteil an Schwarzkörperstrahlung enthält.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wirkmasse für ein bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s zuverlässig brennendes und dabei spektrale Infrarotstrahlung emittierendes pyrotechnisches Scheinziel anzugeben, die ein verhältnismäßig hohes Spektralverhältnis aufweist. Weiterhin sollen ein pyrotechnisches Scheinziel und eine Verwendung angegeben werden.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 14 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 13.
Erfindungsgemäß ist eine Wirkmasse für ein bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s, insbesondere mehr als 150 m/s, insbesondere mehr als 200 m/s, insbesondere mehr als 250 m/s, insbesondere mehr als 300 m/s, zuverlässig brennendes und dabei spektrale Infrarotstrahlung emittierendes pyrotechnisches Scheinziel vorgesehen. Ein Abbrand bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 150 m/s ist notwendig um ein schnell fliegendes Flugzeug, beispielsweise ein Kampfflugzeug, durch das Scheinziel vorzutäuschen. Der Abbrand soll auch dann zuverlässig erfolgen, wenn keine Mittel zum Schutz der Wirkmasse vor hoher Windgeschwindigkeit vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Wirkmasse umfasst einen ersten Brennstoff und ein Oxidationsmittel. Der erste Brennstoff ist eine aliphatische oder heterocyclische Verbindung oder ein aliphatisches oder heterocyclisches Polymer. Dabei liegen bei der aliphatischen Verbindung oder dem aliphatischen Polymer höchstens 5 Kohlenstoffatome in einer Reihe, d. h. direkt durch eine kovalente Bindung miteinander verbunden, vor. Bei der heterocyclischen Verbindung oder dem heterocyclischen Polymer liegen höchstens 5 Kohlenstoffatome direkt benachbart im Heterocyclus bzw. in den Heterocyclen der Verbindung oder des Polymers vor. Insbesondere umfasst das heterocyclische Polymer bzw. die heterocyclische Verbindung keine Aromaten, welche ausschließlich C-Atome in einem Ring aufweisen. Unter einem heterocyclischen Polymer wird ein Polymer verstanden, in welchem sich eine heterocyclische Einheit wiederholt. Unter einem aliphatischen Polymer wird ein Polymer verstanden, in welchem sich eine aliphatische Einheit wiederholt.
Erfindungsgemäß umfasst die Wirkmasse weiterhin ein Salz einer aliphatischen Carbonsäure als zweiten Brennstoff. Das Salz liegt dabei üblicherweise als Feststoff vor. Eine ionische Flüssigkeit ist davon nicht umfasst. Das in der Wirkmasse enthaltene Oxidationsmittel kann auch als Oxidationsmittel für den zweiten Brennstoff dienen.
Die erfindungsgemäße Wirkmasse ist verhältnismäßig leicht entzündlich, benötigt zum zuverlässigen Abbrand keinen Windschutz und weist ein verhältnismäßig hohes Spektralverhältnis auf. Das Salz der aliphatischen Carbonsäure erzeugt beim Abbrand eine feste oder flüssige Schlacke, die Wärme auf die brennende Oberfläche der Wirkmasse überträgt und dadurch den Abbrand auch bei hoher Windgeschwindigkeit so stabilisiert, dass kein Windschutz erforderlich ist. Das Vermeiden von mehr als 5 Kohlenstoffatomen in einer Reihe und der direkten Nachbarschaft von mehr als 5 Kohlenstoffatomen im Heterocyclus oder in den Heterocyclen verhindert oder vermindert zumindest die Bildung von nur aus Kohlenstoffatomen bestehenden Aromaten und damit von Ruß beim Abbrand. Eine Rußbildung würde beim Abbrand eine Emission von unerwünschter Schwarzkörperstrahlung bewirken. Zur Vermeidung von Rußbildung und damit Schwarzkörperstrahlung ist es auch vorteilhaft, wenn die aliphatische Carbonsäure pro Molekül höchstens 5 Kohlenstoffatome in einer Reihe, d. h. durch eine kovalente Bindung miteinander verbundene Kohlenstoffatome, umfasst. Eine Rußbildung kann auch dadurch, zumindest weitgehend, verhindert werden, dass in der aliphatischen Verbindung oder dem aliphatischen Polymer, insbesondere zwischen Kohlenstoffatomen, nur Einfachbindungen und/oder in der aliphatischen Carbonsäure nur Einfachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen vorliegen. Das Vorhandensein von Doppel- oder Dreifachbindungen erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Rußbildung beim Abbrand der Wirkmasse.
Grundsätzlich weist die erfindungsgemäße Wirkmasse durch die höhere Dichte des Salzes im Vergleich zu einer nur die sonstigen Bestandteile der erfindungsgemäßen Wirkmasse enthaltenden Wirkmasse eine höhere Dichte auf. Je höher die Dichte einer Wirkmasse ist, desto geringer ist das von ihr in einem Scheinziel beanspruchte Volumen. Dadurch werden kleinere Kaliber und beim Transport mehrerer Scheinziele in einem Flugzeug eine bessere Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Laderaums ermöglicht.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Wirkmasse besteht darin, dass zur Aufrechterhaltung der Verbrennung bei hoher Windgeschwindigkeit keine hohe Temperatur erforderlich ist. Der erste Brennstoff und das Oxidationsmittel können daher so gewählt werden, dass der Abbrand bei verhältnismäßig niedriger Temperatur erfolgt, beispielsweise so, dass die Temperatur in der festen Phase der Wirkmasse unterhalb von 700 °C bleibt. Dadurch hat die von der festen Phase emittierte Schwarzkörper-Strahlung ihr Maximum innerhalb des Mittelwellenbereichs und strahlt nur wenig im Kurzwellenbereich. Der erste Brennstoff, das Oxidationsmittel und deren jeweilige Mengen können so gewählt werden, dass die Oberflächentemperatur der Wirkmasse beim Abbrand im Bereich von 200 bis 700 °C liegt. Entsprechende Mengenverhältnisse bei einem gegebenen ersten Brennstoff und einem gegebenen Oxidationsmittel können durch Routineexperimente und Wärmemessungen auf der Oberfläche, beispielsweise mittels einer kalibrierten Wärmebildkamera bzw. Thermoelementen, ermittelt werden.
Außerdem haben die Erfinder festgestellt, dass die Schlackenbildung durch das Salz auf der brennenden Oberfläche der Wirkmasse eine kältere Flamme erlaubt und dadurch ein höheres Spektralverhältnis bewirkt. Eine kältere Flamme hat üblicherweise die Wirkung, dass die Wirkmasse weniger durch die Rückstrahlung aus der Flamme erhitzt wird und dadurch langsamer und unzuverlässiger brennt und insbesondere leichter durch Wind ausgeblasen werden kann. Die Erfinder haben erkannt, dass durch die sich aus dem Salz bildende Schlacke die Wärmezufuhr auf die Oberfläche der Wirkmasse auch bei verhältnismäßig kalter Flamme verhältnismäßig hoch ist. Dadurch wird auch die Abbrandrate und die Zuverlässigkeit des Abbrands auch bei höherer Windgeschwindigkeit trotz verhältnismäßig kühler Flamme und damit einhergehendem hohen Spektralverhältnis erhöht.
Durch die Stabilisierung der Flamme ist es auch möglich, die Wirkmasse stark Sauerstoff-unterbilanziert auszubilden, so dass mehr Luftsauerstoff als zusätzliches Oxidationsmittel beim Abbrand dient. Dadurch wird die Flamme vergrößert und die Leistung gesteigert, ohne dass die negative Sauerstoffbilanz zu einer rußenden und damit Schwarzkörperstrahlung emittierenden Flamme führt. Dadurch, dass durch die Einbeziehung von Luftsauerstoff als zusätzlichem Oxidationsmittel die Menge des Oxidationsmittels in der Wirkmasse reduziert werden kann, kann pro Masseneinheit der Wirkmasse mehr Gas und mehr Energie zur Erzeugung einer Flamme erzeugt werden.
Die Erfinder haben außerdem festgestellt, dass das von der erfindungsgemäßen Wirkmasse beim Abbrand erzeugte Strahlungsspektrum genauer als bei bisherigen Wirkmassen dem Strahlungsspektrum eines Flugzeugtriebwerks beim Betrieb ähnelt.
Das Salz kann in der Wirkmasse mit einem Anteil von mindestens 1 Gew.-%, insbesondere mindestens 5 Gew.-%, insbesondere mindestens 10 Gew.-%, insbesondere mindestens 15 Gew.-%, enthalten sein. Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wirkmasse ist das Salz darin mit einem Anteil von höchstens 30 Gew.-%, insbesondere höchstens 25 Gew.-%, enthalten. So kann das Salz beispielsweise mit einem Anteil von 1 bis 30 Gew.-%, insbesondere 5 bis 30 Gew.-%, insbesondere 10 bis 25 Gew.-%, insbesondere 15 bis 25 Gew.-%, enthalten sein.
Das Salz der aliphatischen Carbonsäure kann insbesondere ein Alkalimetallsalz, ein Erdalkalimetallsalz, ein Salz einer Stickstoff enthaltenden Base oder ein Salz einer anorganischen Säure sein. Alkalimetallsalze weisen den Vorteil auf, dass die Abbrandprodukte daraus Wasser binden und dadurch die Strahlung im Kurzwellenbereich reduzieren. Dadurch erhöht sich das Spektralverhältnis.
Bei dem Kation des Salzes der Stickstoff enthaltenden Base kann es sich um Ammonium, Guanidinium oder Hydrazinium handeln. Das Anion des Salzes der anorganischen Säure kann Chlorid, Sulfat, Nitrat oder Perchlorat sein.
Im Falle eines Alkalimetallsalzes als zweiten Brennstoff und Ammoniumperchlorat als Oxidationsmittel kann der Alkalimetallrest in der Flamme mit der aus dem Ammoniumperchlorat freigesetzten Salzsäure zum Alkalimetallchlorid reagieren. Dadurch wird weitere Wärme in der Nähe der brennenden Oberfläche freigesetzt und die Flamme dadurch weiter stabilisiert ohne Strahlung im Kurzwellenbereich zu erzeugen. Außerdem wird dadurch die Konzentration von Chlorwasserstoff in der Flamme und damit eine vom Chlorwasserstoff ausgehende Emission im Kurzwellenbereich reduziert. Dadurch erhöht sich das Spektralverhältnis. Die vom Chlorwasserstoff außerdem ausgehende Strahlung im Mittelwellenbereich ist verhältnismäßig schwach. Ein Verlust dieser Strahlung wirkt sich nur vernachlässigbar auf die Leistung der Wirkmasse beim Abbrand im Mittelwellenbereich aus. Alle beim Abbrand ggf. entstehende Alkalimetall- und Ammoniumchloride und auch Erdalkalimetallchloride weisen im Infrarotbereich allenfalls eine geringe Emissivität auf.
Sie erzeugen in der Flamme keine Schwarzkörperstrahlung und stören das Spektralverhältnis und die spektrale Infrarotstrahlung nicht oder allenfalls vernachlässigbar.
Im Falle eines Salzes einer Stickstoff enthaltenden Base ist die aus dem Salz beim Abbrand entstehende Schlacke üblicherweise flüssig. Die dadurch entstehende Flamme ist völlig gasförmig und weist ein hohes Spektralverhältnis auf. Flüssige Schlacken haben üblicherweise eine geringe Emissivität. Auch sie stören die beim Abbrand emittierte spektrale Infrarotstrahlung daher nicht oder allenfalls vernachlässigbar.
Das Salz der aliphatischen Carbonsäure kann ein Acetat, insbesondere Natriumacetat oder Lithiumacetat, ein Propionat, insbesondere Natriumpropionat, ein Tartrat, insbesondere Kaliumhydrogentartrat oder Diammoniumtartrat, ein Citrat, insbesondere Trinatriumcitrat oder Triammoniumcitrat, oder ein Oxalat, insbesondere Natrium-, Calcium- oder Strontiumoxalat, sein. Bei einer besonderen Ausgestaltung der Wirkmasse ist das Salz der aliphatischen Carbonsäure ein Acetat, ein Propionat, ein Tartrat oder ein Citrat.
Bei dem ersten Brennstoff kann es sich um Nitrocellulose handeln. Das Oxidationsmittel kann ein Perchlorat, insbesondere Ammoniumperchlorat, sein. Beim Abbrand dadurch entstehender Chlorwasserstoff kann bei der Reaktion mit Basen in der Flamme weitere Wärme erzeugen und dadurch die Strahlungsausbeute im Mittelwellenbereich erhöhen. Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wirkmasse ist der erste Brennstoff Nitrocellulose und das Oxidationsmittel Ammoniumperchlorat. Eine solche Wirkmasse hat sich als besonders rußarm beim Abbrand erwiesen. Das resultierende Spektralverhältnis ist daher hoch.
Die Wirkmasse kann außerdem, insbesondere wenn keiner der sonstigen Bestandteile eine bindende Wirkung aufweist, ein Bindemittel umfassen. Von den sonstigen Bestandteilen der Wirkmasse kann beispielsweise Nitrocellulose eine bindende Wirkung aufweisen. Bei dem Bindemittel kann es sich beispielsweise um Polyvinylpyrrolidon, ein Polyacetal, Polytetrahydrofuran, Polyethylenglykol oder Polypropylenglykol handeln. Diese Bindemittel weisen den Vorteil auf, beim Abbrand sehr wenig Ruß und damit auch sehr wenig Schwarzkörperstrahlung zu erzeugen.
Als weiteren Brennstoff kann die Wirkmasse Dicyandiamid und/oder Paracyan umfassen. Beide dieser weiteren Brennstoffe erhöhen die Leistung der Wirkmasse beim Abbrand ohne dabei Ruß zu erzeugen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein pyrotechnisches Scheinziel für eine Emission spektraler Infrarotstrahlung bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s, insbesondere mehr als 150 m/s, insbesondere mehr als 200 m/s, insbesondere mehr als 250 m/s, insbesondere mehr als 300 m/s, wobei das Scheinziel eine erfindungsgemäße Wirkmasse umfasst.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer erfindungsgemäßen Wirkmasse als Wirkmasse für ein bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s, insbesondere mehr als 150 m/s, insbesondere mehr als 200 m/s, insbesondere mehr als 250 m/s, insbesondere mehr als 300 m/s, brennendes pyrotechnisches Scheinziel zur Erzeugung spektraler Infrarotstrahlung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Von jeder der nachfolgenden Wirkmassen wurden jeweils 5 Tabletten ä 10 g Wirkmasse gepresst. Die Tabletten wurden abgebrannt und deren Strahlungsleistung mit einem Zweikanalradiometer bestimmt. Die als Beispiel 1 aufgeführte Wirkmasse MTV diente dabei als Standard. Die Strahlungsleistung beim Abbrand der sonstigen Tabletten wird als Prozentsatz der Strahlungsleistung von MTV angegeben. MTV ist ein Schwarzkörperstrahler, der beim Standardversuch ohne Wind eine spezifische Energie von 166 J/(g sr) im Kurzwellenbereich (= KW-Band, entspricht etwa Wellenlängen von 2 bis 3 µm) und 82 J/(g sr) im Mittelwellenbereich (= MW-Band, entspricht circa Wellenlängen von 3 bis 5 µm) aufwies.
Die in den Wirkmassen teilweise eingesetzte ionische Flüssigkeit 1-Butyl-3-methylimidazoliumperchlorat (BMIM-CIO₄) wurde wie in der EP 2 698 362 A2 beschrieben hergestellt.
In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ist die Bedeutung der verwendeten Abkürzungen wie folgt:

TMD = theoretische maximale Dichte (in kg/m³)
E_KW = spezifische Leistung im Kurzwellen-Band (d. h. bei einer Wellenlänge von etwa 2 bis 3 µm) in J/(g sr)
E_MW = spezifische Leistung im Mittelwellen-Band (d. h. bei einer Wellenlänge von circa 3 bis 5 µm) in J/(g sr)
Q = E_MW/E_KW
r = lineare Abbrandrate bei Normaldruck
T = theoretische adiabatische Reaktionstemperatur ohne Luftzufuhr

Beispiel 1:
Referenz MTV (Magnesium-Teflon-Viton). E_KW = 166; E_MW = 82; Q = 0,49; r = 2,4 mm/s.

Stoff Typ Gew.-% Sonstiges

Magnesiumpulver LNR 61 60,0

Teflonpulver Hoechst TF 9202 23,0

Viton 3M Fluorel FC-2175 12,0 TMD = 1893

Graphit Merck 5,0 Gleitmittel
Beispiel 2:

Bekannte Spektralwirkmasse als weitere Referenz. E_KW = 2,8; E_MW = 23,5; Q = 8,5; r = 2,4 mm/s.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	63,8
HTPB	Sartomer R-45M-HT	12,0
Melamin	Alfa Aesar, Typ A 11295 L07464	14,0
Eisenoxid	d₅₀ = 1 µm	0,10
Ceriumoxid	Schuchardt, fein gemörsert	0,1	T = 2280 K

Beispiel 3:
Bekannte poröse Nitrocellulose als weitere Referenz. Gepresst zur Tablette mit 1000 kg/m³ Dichte (entspricht einer Porosität von circa 40%). E_KW = 4,8; E_MW = 116,0; Q = 25,1; r = 1,2 mm/s.

Stoff Typ Gew.-% Sonstiges

Nitrocellulose Synthesia E37 100,00 TMD = 1600
Beispiel 4:

Spektralwirkmasse basierend auf reinem Paracyan und wasserfreiem Natriumacetat. E_KW = 4,5; E_MW = 105; Q = 23,5; r = 1,0 mm/s.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	20,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	43,20
Ceriumoxid	fein	0,1	T = 2010 K
DEGDN	selbst synthetisiert	12,40	TMD = 1660
BMlM-ClO₄	selbst synthetisiert	6,20
Paracyan	pulverisiert, rein	10,20
Natriumacetat	gemahlen, wasserfrei	6,8
Eisen(III)oxid	d₅₀ = 1 µm	0,10
Akardit II		0,10

Beispiel 5:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat mit Lithiumacetat. Reines Paracyan wurde mit reinem Lithiumacetat im Verhältnis 60/40 gemischt. E_KW = 4,7; E_MW = 99; Q = 21,3; r = 1,1 mm/s.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	24,80
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	33,70
Ceriumoxid	fein	0,1	T = 2000 K
DEGDN	selbst synthetisiert	9,60	TMD = 1633
BMlM-ClO₄	selbst synthetisiert	4,80
Paracyan	pulverisiert, rein	16,00
Lithiumacetat	gemahlen, wasserfrei	10,8
Eisen(III)oxid	dso = 1 µm	0,10
Akardit II		0,10

Beispiel 6:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat mit Natriumacetat. Langsamer Abbrand. E_KW = 2,6; E_MW = 82; Q = 31,2; r = 0,3 mm/s.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	22,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	42,60
Ceriumoxid	fein	0,1	T = 1830 K
DEGDN	selbst synthetisiert	12,20	TMD = 1586
BMIM-CIO₄	selbst synthetisiert	6,10
Dicyandiamid	kristallin	10,60
Natriumacetat	wasserfrei, gemahlen	5,30
Eisen(III)oxid	Riedel-de-Haen	0,10
Akardit II		0,10

Beispiel 7:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat. E_KW = 3,4; E_MW = 87,8; Q = 25,6; r = 0,6 mm/s.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen dso = 25 µm	21,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	45,50
DEGDN	selbst synthetisiert	12,90	TMD = 1594
BMlM-ClO₄	selbst synthetisiert	6,5	T = 2010 K
Natriumacetat	wasserfrei, gemahlen	13,00
Eisen(III)oxid	fein	0,10
Ceroxid	Schuchardt	0,10
Akardit II		0,10	im DEGDN

Beispiel 8:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat. Etwa gleiche Stöchiometrie wie im Beispiel 7. E_KW = 4,8; E_MW = 107; Q = 22,2; r = 1,8 mm/s. Die längere Kohlenstoffkette im Natriumpropionat erhöht die Energie im Mittelwellenbereich. Auch die Abbrandrate ist deutlich höher.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen dso = 25 µm	24,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	45,50
DEGDN	selbst synthetisiert	12,90	TMD = 1582
BMIM-CIO₄	selbst synthetisiert	6,5	T = 1830 K
Natriumpropionat	wasserfrei, gemahlen	10,00
Eisen(III)oxid	fein	0,10
Ceroxid	Schuchardt	0,10
Akardit II		0,10	im DEGDN

Beispiel 9:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat. E_KW = 4,5; E_MW = 106,2; Q = 25,4; r = 1,7 mm/s.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	24,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	45,50
DEGDN	selbst synthetisiert	12,80	TMD = 1582
BMlM-ClO₄	selbst synthetisiert	6,50	T = 1830 K
Natriumpropionat	wasserfrei, gemahlen	10,00
Wassergaskataly sator	Typ HTS	0,20
Ceroxid	Schuchardt	0,10
Akardit II		0,10	im DEGDN

HTS = Fe₃O₄

Beispiel 10:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat mit Kaliumhydrogentartrat. E_KW = 3,0; E_MW= 72,7; Q = 24,1; r = 1,11 mm/s. Sehr stabiler Abbrand. Die Abbrandrate und das Spektralverhältnis sind höher als mit einer Acetat enthaltenden Wirkmasse.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen dso = 25 µm	21,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	39,10
DEGDN	selbst synthetisiert	11,20	TMD = 1679
BMIM-CIO₄	selbst synthetisiert	5,60	T = 1830 K
Kaliumhydrogent artrat	wasserfrei, gemahlen	22,00
Eisen(III)oxid	fein	0,10
Ceroxid	Schuchardt	0,10
Akardit II		0,10	im DEGDN

Beispiel 11:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat mit Trinatriumcitrat. E_KW = 3,9; E_MW = 61; Q = 15; r = 1,19 mm/s. Sehr stabiler Abbrand.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	23,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	39,10
DEGDN	selbst synthetisiert	11,20	TMD = 1649
BMIM-CIO₄	selbst synthetisiert	5,60	T = 1840 K
Trinatriumcitrat	wasserfrei	20,00
Eisen(III)oxid	fein	0,10
Ceroxid	Schuchardt	0,10
Akardit II		0,10	im DEGDN

Beispiel 12:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat mit Triammoniumcitrat. E_KW = 2,6; E_MW = 65; Q = 25; r = 0,46 mm/s. Sehr stabiler Abbrand.

Stoff^.	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	27,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	39,10
DEGDN	selbst synthetisiert	11,20	TMD = 1609
BMIM-CIO₄	selbst synthetisiert	5,60	T = 1800 K
Triammoniumcitrat	wasserfrei	16,00
Eisen(III)oxid	fein	0,10
Ceroxid	Schuchardt	0,10
Akardit II		0,10	im DEGDN

Beispiel 13:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat mit Strontiumoxalat. E_KW = 3,0; E_MW = 70,6; Q = 23,5; r = 1,60 bis 1,79 mm/s. Sehr stabiler Abbrand. Die Energie ist geringer und das Spektralverhältnis ist höher als mit Salzen, die eine Kohlenwasserstoffkette enthalten. Es ist keine Rußbildung aus dem ersten und zweiten Brennstoff möglich.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	22,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	42,60
DEGDN	selbst synthetisiert	12,20	TMD = 1673
BMlM-ClO₄	selbst synthetisiert	6,10	T = 1830 K
Strontiumoxalat	0,5 H₂O	16,00
Eisen(III)oxid	fein	0,10
Ceroxid	Schuchardt	0,10
Akardit II		0,10	im DEGDN

Beispiel 14:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat mit Strontiumoxalat als Salzbrennstoff. E_KW = 2,7; E_MW = 62,3; Q = 23,3; r = 1,6 bis 2,4 mm/s, p = 1549 bis 1572, 92,6 bis 94,0% TMD. Hohe Abbrandrate.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	23,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	45,30
Polyvinylnitrat	Dynitec	9,75	TMD = 1672
BMIM-CIO₄	selbst synthetisiert	9,75	T = 1970 K
Strontiumoxalat	0,5 H₂O	11,00
Eisen(III)oxid	fein	0,10
Ceroxid	Schuchardt	0,10
Akardit II		+0,40	im BMIM-ClO₄

Beispiel 15:

Spektralwirkmasse basierend auf Ammoniumperchlorat mit Diammoniumtartrat. E_MW = 64; E_KW = 3,1; Q = 21; r = 2,57 mm/s. Sehr schnell brennend für einen Ammoniumperchlorat enthaltenden Satz, sehr stabiler Abbrand.

Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
Ammoniumperchlorat	gemahlen d₅₀ = 25 µm	21,90
Nitrocellulose	Hagedorn H24 12% N <1% H₂O	45,50
DEGDN	selbst synthetisiert	12,90	TMD = 1605
BMIM-CIO₄	selbst synthetisiert	6,50	T = 1800 K
Diammoniumtartr at	wasserfrei	13,00
Eisen(III)oxid	fein	0,10
Ceroxid	Schuchardt	0,10
Akardit II		0,10	im DEGDN

Die spezifischen Leistungsdaten sind in der Tabelle 1 angegeben. E_KW = spezifische Leistung in KW-Band (circa 2 bis 3 µm) in J/(g sr), E_MW = spezifische Leistung in MW-Band (circa 3 bis 5 µm) in J/(g sr), (E_KW + E_MW) [J/(g sr)] = die Summe der jeweiligen Leistungen im KW- und MW-Band, E_MW/E_KW = das Verhältnis der Leistung im MW-Band zur Leistung im KW-Band, % MTV = Leistung als Prozent vom Standard-MTV.
Tabelle 1:

Messergebnisse von Strahlungsmessungen im Labor ohne Wind. Alle Ergebnisse sind Durchschnittswerte aus 5 Parallelversuchen. Pressdruck zur Herstellung der Tabletten bei allen Sätzen 1500 bar, 21 mm Werkzeugdurchmesser, Ansatz 10,0 g.

Satz	E_KW[J/(g sr)]	E_MW[J/(g sr)]	(E_KW + E_MW) [J/(g sr)]	E_MW/E_Kw	% MTV (MW-Kanal)
Beispiel 1	166	82	248	0,496	100
Beispiel 2	2,8	23,5	26,3	8,5	29
Beispiel 3	4,8	116,0	120,8	25,1	141
Beispiel 4	4,5	105,0	109,5	23,5	128
Beispiel 5	4,7	99,0	103,7	21,3	121
Beispiel 6	2,6	82	84,6	31,2	100
Beispiel 7	3,4	87,8	91,2	25,6	111
Beispiel 8	4,8	107,0	111,8	22,2	130
Beispiel 9	4,5	106,2	110,7	25,4	135
Beispiel 10	3,0	72,7	75,7	24,1	89
Beispiel 11	3,9	61,0	64,9	15,0	74
Beispiel 12	2,6	65,0	67,6	25,0	79
Beispiel 13	3,0	70,6	73,6	23,5	86
Beispiel 14	2,7	62,3	65,0	23,3	76
Beispiel 15	3,1	64,0	67,1	21,0	78

Tabelle 2:

Messergebnisse von Strahlungsmessungen unter dynamischen Bedingungen im Windkanal bei 65 m/s Luftgeschwindigkeit. Alle Ergebnisse sind Durchschnittswerte aus 2 bis 3 Parallelversuchen aus 1x1x8" Scheinzielen.

Satz	E_KW[J/(g sr)]	E_MW[J/(g sr)]	(E_KW + E_MW) [J/(g sr)]	E_MW/E_KW	% MTV (MW-Kanal)
Beispiel 1	134	62,1	196	0,463	100
Beispiel 2	1,1	9,4	10,5	8,6	15
Beispiel 3	1,4	13,5	14,8	10,1	22
Beispiel 14	3,2	28,9	32,1	9,1	47

Tabelle 3:

Messergebnisse von Strahlungsmessungen unter dynamischen Bedingungen im Windkanal bei 110 m/s Luftgeschwindigkeit. Alle Ergebnisse sind Durchschnittswerte aus 2 bis 3 Parallelversuchen aus 1×1×8" Scheinzielen.

Satz	E_Kw[J/(g sr)]	EMw[J/(g sr)]	(E_KW + E_MW) [J/(g sr)]	E_MW/E_KW	% MTV (MW-Kanal)
Beispiel 1	124	51,7	175,7	0,416	100
Beispiel 2	1,05	8,32	9,37	7,9	16
Beispiel 3	0,94	10,8	11,7	11,4	21
Beispiel 14	2,0	23,5	25,5	11,8	45

Tabelle 4:

Messergebnisse von Strahlungsmessungen unter dynamischen Bedingungen im Windkanal bei 180 m/s Luftgeschwindigkeit. Alle Ergebnisse sind Durchschnittswerte aus 2 bis 3 Parallelversuchen aus 1x1x8" Scheinzielen. Die Nitrocellulose des Beispiels 3 erlischt bei dieser Windgeschwindigkeit, weswegen im KW-Band keine Messwerte registriert wurden und auch im MW-Band nur die Anfeuerung ein Signal lieferte.

Satz	E_Kw[J/(g sr)]	E_MW[J/(g sr)]	(E_KW + E_MW) [J/(g sr)]	E_MW/E_KW	% MTV (MW-Kanal)
Beispiel 1	62,6	23,6	86,2	0,378	100
Beispiel 2	0,31	3,18	3,49	10,3	13
Beispiel 3	-	0,52	-	-	2
Beispiel 14	1,5	13,2	14,7	11,2	56

In den Ausführungsbeispielen sind neben dem ersten Brennstoff, dem Oxidationsmittel und dem Salz weitere Stoffe enthalten, von denen jedoch keiner grundsätzlich zur Funktion der Wirkmasse zwingend erforderlich ist. Diethylenglykoldinitrat (DEGDN) ist ein flüssiger flüchtiger Weichmacher, um Nitrocellulose besser verarbeiten zu können. Statt DEGDN kann auch Polyvinylnitrat als fester nicht flüchtiger Weichmacher verwendet werden. Dieser weist zwar mehr als 6 C-Atome in einer Reihe auf, ist jedoch beim Abbrand wegen der enthaltenen Nitratgruppen dennoch nicht rußend. Die ionische Flüssigkeit BMIM-CIO₄ dient als Flammenverbreiterungsmittel, ist jedoch nicht erforderlich. Akardit II ist ein Stabilisator für Nitrocellulose, welcher die Haltbarkeit der Nitrocellulose erhöht und deren Selbstentzündbarkeit verringert. Ceroxid fördert die Wassergas-Shift-Reaktion ebenso wie HTS (Fe₃O₄) und stabilisiert dadurch die Flamme im Wind, ist jedoch ebenfalls nicht erforderlich. Eisen(III)oxid dient als Abbrandkatalysator für Ammoniumperchlorat lediglich der Beschleunigung von dessen Abbrand.
Sämtliche der Wirkmasse-Tabletten wurden mit einem Nitrocelluloselack rundum lackiert, um einen Abbrand an der Seite der Zylinderfläche der Tablette zu vermeiden und dadurch die lineare Abbrandrate bestimmen zu können. Die Messergebnisse wurden dadurch allenfalls minimal und kaum messbar beeinflusst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2698362 A2 [0003, 0029]

Claims

Wirkmasse für ein bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s brennendes und dabei spektrale Infrarotstrahlung emittierendes pyrotechnisches Scheinziel, wobei die Wirkmasse einen organischen ersten Brennstoff und ein Oxidationsmittel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoff eine aliphatische oder heterocyclische Verbindung oder ein aliphatisches oder heterocyclisches Polymer ist, wobei bei der aliphatischen Verbindung oder dem aliphatischen Polymer höchstens 5 Kohlenstoffatome in einer Reihe und bei der heterocyclischen Verbindung oder dem heterocyclischen Polymer höchstens 5 Kohlenstoffatome direkt benachbart im Heterocyclus oder in den Heterocyclen vorliegen und die Wirkmasse weiterhin ein Salz einer aliphatischen Carbonsäure als zweiten Brennstoff umfasst.
Wirkmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aliphatische Carbonsäure pro Molekül höchstens 5 Kohlenstoffatome in einer Reihe umfasst.
Wirkmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der aliphatischen Verbindung oder dem aliphatischen Polymer, insbesondere zwischen Kohlenstoffatomen, nur Einfachbindungen und/oder in der aliphatischen Carbonsäure nur Einfachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen vorliegen.
Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz in der Wirkmasse mit einem Anteil von mindestens 1 Gew.-%, insbesondere mindestens 5 Gew.-%, enthalten ist.
Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz in der Wirkmasse mit einem Anteil von höchstens 30 Gew.-%, insbesondere höchstens 25 Gew.-%, enthalten ist.
Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz ein Alkalimetallsalz, ein Erdalkalimetallsalz, ein Salz einer Stickstoff enthaltenden Base oder ein Salz einer anorganischen Säure ist.
Wirkmasse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kation des Salzes der Stickstoff enthaltenden Base Ammonium, Guanidinium oder Hydrazinium ist und dass ein Anion des Salzes der anorganischen Säure Chlorid, Sulfat, Nitrat oder Perchlorat ist.
Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz der aliphatischen Carbonsäure ein Acetat, insbesondere Natriumacetat oder Lithiumacetat, ein Propionat, insbesondere Natriumpropionat, ein Tartrat, insbesondere Kaliumhydrogentartrat oder Diammoniumtartrat, ein Citrat, insbesondere Trinatriumcitrat oder Triammoniumcitrat, oder ein Oxalat, insbesondere Natrium-, Calcium- oder Strontiumoxalat, ist.
Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoff Nitrocellulose ist.
Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel ein Perchlorat, insbesondere Ammoniumperchlorat, ist.
Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoff Nitrocellulose und das Oxidationsmittel Ammoniumperchlorat ist.
Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkmasse ein Bindemittel, insbesondere Polyvinylpyrrolidon, ein Polyacetal, Polytetrahydrofuran, Polyethylenglykol oder Polypropylenglykol, umfasst.
Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkmasse als weiteren Brennstoff Dicyandiamid und/oder Paracyan umfasst.
Pyrotechnisches Scheinziel für eine Emission spektraler Infrarotstrahlung bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheinziel eine Wirkmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Verwendung der Wirkmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Wirkmasse für ein bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 100 m/s brennendes pyrotechnisches Scheinziel zur Erzeugung spektraler Infrarotstrahlung.