DE1270459B - Semi-solid and solid rocket propellant - Google Patents

Semi-solid and solid rocket propellant

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DE1270459B
DE1270459B DEP1270A DE1270459A DE1270459B DE 1270459 B DE1270459 B DE 1270459B DE P1270 A DEP1270 A DE P1270A DE 1270459 A DE1270459 A DE 1270459A DE 1270459 B DE1270459 B DE 1270459B
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Millard Lee Rice
Keith Ellis Rumbel
Arch Chilton Scurlock
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Atlantic Research Corp
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Atlantic Research Corp
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Description

BUNDESREPUBLIK I) L ΪΠ SCHLANDFEDERAL REPUBLIC I) L ΪΠ SCHLAND

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

C 06 dC 06 d

Deutsche Kl.: 78 d-1/01German class: 78 d-1/01

Nummer: 1270 459Number: 1270 459

Aktenzeichen: P 12 70 459.5-45File number: P 12 70 459.5-45

Anmeldetag: 22. Oktober 1963Filing date: October 22, 1963

Auslegetag: 12. Juni 1968Opening day: June 12, 1968

Die Erfindung betrifft Halbfeslstoff- und Feststoff-Raketentreibsätze, bestehend aus einer homogenen Dispersion eines feinteiligen anorganischen Oxydationsmittels, besonders Ammoniumperchlorat, und fcinieiligem Aluminium in einem wenigstens 20"„ s und besondi'ts wenigstens 30" „ des Gesamtvolumens ausmachenden organischen Brennsioffbindemittel auf der Basis von organischen Flüssigkeiten oder PoIyi'iieien. wie Nitioccllulose. Nitrocellulo: e-Nitroglycen'n. Polyurethan, Pol}vinylchlorid (mil oder ohne m Weichmacherzusat/l.The invention relates to semi-solid and solid rocket propellants, consisting of a homogeneous dispersion of a finely divided inorganic oxidizing agent, especially ammonium perchlorate, and solid aluminum in at least 20 "s and especially at least 30 "" of the total volume constituting organic fuel binders based on organic liquids or polyols. like nitrocellulose. Nitrocellulo: e-nitroglycene. Polyurethane, pol} vinyl chloride (with or without m Plasticizer additive / l.

Derartige RaI etentreibsätze erzeugen nach Eini iiii;;ung in die Brennkammer eines Raketenmotors und Zündung Gase hoher Temperatur, die zur ;'Hn'rberzeugun£ mit hoher Geschwindigkeit durch die Sdiubdiise des Raketeiimolors austreten.Such fuel propellants produce after installation in the combustion chamber of a rocket engine and ignition of high temperature gases, which are used to produce the heart at high speed through the Exit the nozzle of the rocket gun.

Der Parameter, der im allgemeinen als kennzeichnend für die Vorlriebsleistung eines Raketentreibsatzes angesehen wird, ist der spezifische Impuls, der iil:; Gewichtseinheil des Schubes definiert ist, der pro Gewichtseinheit des Treibsatzes pro Sekunde erzeugt wird. Obwohl dieser Kennwert des Treibsatzes als ein Kriterium für die Bewertung seiner Leistung sehr wichtig ist. ist der spezifische Impuls jedoch nicht der alleinige Faktor, der bei einer speziellen Anwendung. bei der das Raketensystem als Ganzes einschließlich seiner inerten Teile wie des Gewichtes seines Motorgehäuses und seiner Nutzlast zu berücksidiligen sind, die optimale Leistung bestimmt.The parameter that is generally characteristic of the propulsive power of a rocket propellant is considered is the specific impulse that iil :; Weight unit of the thrust is defined, which per Weight unit of the propellant charge per second is generated. Although this characteristic of the propellant charge as a Criterion for evaluating its performance is very important. however, the specific impulse is not that sole factor that applies to a specific application. when including the missile system as a whole its inert parts such as the weight of its motor housing and its payload must be taken into account, determines optimal performance.

Gewöhnlich werden bei dem Raketenvortrieb folgende Ziele verfolgt:Commonly used in rocket propulsion are the following Aims pursued:

1. Erzielung eines Maximums an Höhe und Entfernung, 1. Achieving a maximum in height and distance,

2. Erzielung eines Minimums der bis zum Ziel 3-s benötigten Zeit und2. Achieving a minimum of the time needed to reach the goal 3 s and

Halbfestsloff- und Feststoff-RaketentreibsatzSemi-solid and solid rocket propellant

3. Erzielung eines Maximums an Schub.3. Achieving maximum thrust.

Jedes dieser Ziele wird durch die Herbeiführung eines Maximums der Startschubgeschwindigkeit erreicht, die der Rakete durch die Verbrennung des Treibsatzes erteilt wird. Die Start:clnibge:;chwindigkeit ist dabei die Geschwindigkeit der Rakete beim Ausbrennen derselben abzüglich ihrer Geschwindigkeit beim Abschuß.Each of these goals is achieved by maximizing the takeoff thrust speed, which is given to the rocket by the combustion of the propellant. The start: clnibge:; speed is the speed of the rocket as it burns out minus its speed at launch.

Es wurde gefunden, daß die Beziehung zwischen der Starlschubgeschwindigkeit und dt η Kennwerten des Treibsatzes, die sich bei Anwendung des zweiten Newtonsehen Bewegiingsge::elzes ;h'!" Raketen ergibt, für eine idealisierte Rakete, die frei '.on Schwerkraftwirkung. Luftdruck ν ir! smg und !»uicksiöüen isi.It was found that the relationship between the starting thrust rate and dt η characteristics of the propellant charge that results from the application of the second Newtonian motion law :: elzes; h '! "rockets, for an idealized rocket that is free '.on the effect of gravity. Air pressure ν ir! smg and! »uicksiöüen isi.

Anmelder:Applicant:

Atlantic Pi - ea'cli Corporation,Atlantic Pi - ea'cli Corporation,

Alexandria. Va. (V. Sl. A.JAlexandria. Va. (V. Sl. A.J

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. B. Sehntet?., Patentanwalt,Dipl.-Ing. B. Longs?., Patent Attorney,

5100 Aachen, Augustastr. 14-165100 Aachen, Augustastr. 14-16

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Arch Chilton ScmlocK, Arlington. Va.;Arch Chilton ScmlocK, Arlington. Va .;

Keith Ellis Rurnbel. Oakton, Va.;Keith Ellis Rurnbel. Oakton, Va .;

Millard Lee Rice, Annandale, Va. (V. St. A.Millard Lee Rice, Annandale, Va. (V. St. A.

durch die folgende Gleichung definiert ist:is defined by the following equation:

In dieser Formel bedeuletIn this formula means

1 U = Startschubgeschwindigkeit, d. Ii.1 U = starting thrust speed, i.e. Ii.

Geschwindigkeit beim Ausbrennen
abzüglich der Abschußgeschwindigkeit.
Burnout speed
minus the launch speed.

M1 = Masse der inerten Teile einschließlich der Nutzlast, d. h. Masse der Rakete abzüglich Masse des Treibsatzes, M 1 = mass of the inert parts including the payload, i.e. mass of the rocket minus mass of the propellant,

V1, = von dem Treibsatz eingenommenes
Volumen,
V 1 , = taken up by the propellant charge
Volume,

Isp = spezifischer Impuls des Treibsatzes, I sp = specific momentum of the propellant charge,

L], = Dimensionsumwandlungsfaktor L], = dimension conversion factor

9,65 kg Masse · m/kg Kraft · Sek.".
ο = Dichte des Treibsatzes,
WjFp = Verhältnis der inerten Teile dei Rakete zu dem Volumen des Treibsatzes
9.65 kg mass · m / kg force · sec. ".
ο = density of the propellant,
WjFp = ratio of the rocket's inert parts to the volume of the propellant

Aus dieser Gleichung der Beziehungen, die die Startschubgeschwindigkeil bestimmen, ist zu ei seilen, daß zwei zusätzliche Faktoren, und zwar die Dichte des Treibsatzes und das Verhältnis der M.isst- der inerten Teile zu dem in dem RaketenmoUi \01 haudenen Treibsatz^ olunien außerordentlich w idüif. mir! insbesondere bei höht η Werten von Ai1 I Γ ν ic ]\n Fi>lk· von Start- oder Zusatzraketen. So kann ein Treihsai/ mit hohemspezifiseheni Impuls.jedoch mii!;;ei i *iehie für die Benul/unj'. bei Vorliegen von holi'.'i; WcrienFrom this equation of the relationships which determine the take-off thrust rate it can be concluded that two additional factors, namely the density of the propellant charge and the ratio of the inert parts to the propellant charge in the rocket module, are extraordinary w idüif. me! especially with high η values of Ai 1 I Γ ν ic ] \ n Fi> lk · of launch or auxiliary rockets. So a Treihsai / with a high specific impulse, but mii! ;; ei i * iehie for the Benul / unj '. in the presence of holi '.'i; Wcrien

so von Mjj\'v wegen eine:·; auffallenden Ai (;>!;.- a.i Si.n!- seluibgesclfv/mdh'l rilsvi irksamkei! au·-, e: s ^relte·! uii erwünscht :.,iii.so from Mjj \ ' v because of a: ·; striking Ai (;>!; .- ai Si.n! - seluibgesclfv / mdh'l rilsvi irksamkei! au · -, e: s ^ relte ·! uii desired:., iii.

Der spezifische Impuls des Treibsatzes ist trotzdem bei jedem MJVp-Verhältnis ein außerordentlich wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Startschubgeschwindigkeit einer Rakete. Ein Treibsatz, der einen hohen spezifischen Impuls aufweist und gleichzeitig mit dem Vorliegen eines optimalen spezifischen Impulses eine optimale Startschubgeschwindigkeit erzeugt, ist von großem Wert für die Raketentechnik, und zwar insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Vortriebsleistung erfordern.The specific momentum of the propellant charge is nevertheless an extremely important factor in determining the launch thrust of a rocket for any MJV p ratio. A propellant charge which has a high specific impulse and at the same time generates an optimal take-off thrust speed with the presence of an optimal specific impulse is of great value for rocket technology, in particular in applications that require high propulsive power.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Treibsätze zu schaffen, die einen hohen spezifischen Impuls aufweisen und maximale Startschubgeschwindigkeiten über einen weiten Bereich der Verhältnisse von MJ Vp erzeugen.The invention has set itself the task of creating propellant charges which have a high specific impulse and generate maximum take-off thrust speeds over a wide range of the ratios of MJ V p.

Gegenstand der Erfindung ist ein Halbfeststoff- und Feststoff-Raketentreibsatz, bestehend aus einer homogenen Dispersion eines feinteiligen anorganischen Oxydationsmittels, besonders Ammoniumperchlorat, und feinteiligem Aluminium in einem wenigstens 20% und besonders wenigstens 30% des Gesamtvolumens ausmachenden organischen Brennstoffbindemittel auf der Basis von organischen Flüssigbeispielsweise der aktive Sauerstoff des anorganischen Oxydationsmittels oder einer organischen Verbindung, wie ein Nitrat- oder Nitritderivat, bewirkt eine Oxydation des molekular gebundenen Kohlen-Stoffs in CO und der metallischen Brennstoffkomponente in deren Oxyd. Sauerstoff, der in einer organischen Brennstoffverbindung molekular an ein Kohlenstoffatom gebunden ist, wie beispielsweise im Falle eines Äthers, Alkohols, Aldehyds, Ketons, Esters, Amids usw., führt, obwohl er nicht für die Verbrennung zur Verfügung steht, infolge einer Zersetzungsreaktion doch zur Bildung von CO, dem gewünschten Vortriebsgasprodukt. In Fällen wie bei organischen Säuren, bei denen die Zersetzung normalerweise zur Bildung von CO2 führen würde, verbindet sich bei den für die gewünschte Oxydationsverhältniszahl angegebenen Bedingungen eines der Sauerstoffatome bevorzugt mit der metallischen Brennstoffkomponente. The subject of the invention is a semi-solid and solid rocket propellant consisting of a homogeneous dispersion of a finely divided inorganic oxidizing agent, especially ammonium perchlorate, and finely divided aluminum in an organic fuel binder which makes up at least 20% and especially at least 30% of the total volume based on organic liquids, for example the active oxygen of the inorganic oxidizing agent or an organic compound, such as a nitrate or nitrite derivative, causes an oxidation of the molecularly bound carbon in CO and the metallic fuel component in its oxide. Oxygen that is molecularly bonded to a carbon atom in an organic fuel compound, such as in the case of an ether, alcohol, aldehyde, ketone, ester, amide, etc., although it is not available for combustion, leads to a decomposition reaction as a result of a decomposition reaction Formation of CO, the desired propulsion gas product. In cases such as organic acids, in which the decomposition would normally lead to the formation of CO 2 , one of the oxygen atoms combines preferentially with the metallic fuel component under the conditions specified for the desired oxidation ratio.

Wenn die Komponenten in einem solchen Gewichtsverhältnis vorliegen, daß die angegebene Oxydationsverhältniszahl 0,5 beträgt, was nachstehend als die »OMOx-Formel« bezeichnet wird, ist der für die Verbrennung des Brennstoffes verfügbare SauerWhen the components are present in such a weight ratio that the specified number of oxidation ratios 0.5, what is hereinafter referred to as the "OMOx Formula" is that for the combustion of the fuel available sour

keiten oder Polymeren wie Nitrocellulose, Nitrocellulose - Nitroglycerin - Gemischen, Polyurethan, 25 stoff stöchiometrisch ausreichend, um den noch nicht Polyvinylchlorid (mit oder ohne Weichmacherzusatz), an Sauerstoff gebundenen Kohlenstoff in dem organider dadurch gekennzeichnet ist, daß das Mengenverhältnis von anorganischem Oxydationsmittel, Aluminium und organischem Brennstoffbindemittel der
Formel
or polymers such as nitrocellulose, nitrocellulose - nitroglycerin - mixtures, polyurethane, 25 material stoichiometrically sufficient to remove the not yet polyvinyl chloride (with or without the addition of plasticizers), oxygen-bound carbon in the organider is characterized in that the quantitative ratio of inorganic oxidizing agent, aluminum and organic fuel binder of
formula

Molekulargewicht machen das Wasserstoffgas zu einer sehr wirksamen Schuberzeugungskomponente des Verbrennungsreaktionsproduktes.Molecular weights make the hydrogen gas a very effective thrust generating component of the combustion reaction product.

Es wurde gefunden, daß Treibsätze, die feinzerteiltes Aluminium als hochgradig exotherme Brennstoffkomponente enthalten, einen maximalen spezifischen Impuls aufweisen und dem Raketensystem eine optimale Startschubgeschwindigkeit erteilen, wenn dasIt has been found that propellants contain finely divided aluminum as a highly exothermic fuel component contain a maximum specific impulse and the missile system an optimal Grant take-off speed if that

sehen Brennstoff zu CO und das Metall zu seinem Oxyd zu oxydieren. Bei derartigen Bedingungen bildet der molekular gebundene Wasserstoff der organischen 30 Brennstoffverbindung nach der Zündung des Treibsatzes freies Wasserstoffgas, da der molekular gebundene Kohlenstoff und das Aluminium gegenüber O + C + M(—) Wasserstoff bevorzugt mit Sauerstoff reagieren. Dassee fuel to CO and the metal to oxidize to its oxide. Under such conditions, the molecularly bound hydrogen of the organic fuel compound forms free hydrogen gas after the ignition of the propellant, since the molecularly bound carbon and aluminum react preferentially with oxygen over O + C + M (-) hydrogen. That

\~/ entwickelte Wasserstoffgas wird infolge der hohen \ ~ / evolved hydrogen gas is due to the high

= etwa 0,47 bis 0,60 (Oxydationsverhältniszahl) und 35 Wärmeabgabe des oxydierten Metalls auf eine hohe vorzugsweise etwa 0,47 bis 0,55 entspricht, wobei O Temperatur erhitzt. Dieser Umstand und sein geringes der Gesamtmenge des gebundenen Sauerstoffs, C der
Gesamtmenge des Kohlenstoffs und M der Menge
des Aluminiums entspricht, O, C und M durch die
Zahl von Atomäquivalenten ausgedrückt sind und υ
der Wertigkeit des Aluminiums entspricht.
= about 0.47 to 0.60 (oxidation ratio) and 35 corresponds to heat emission of the oxidized metal to a high, preferably about 0.47 to 0.55, with O heating temperature. This circumstance and its small amount of the total amount of bound oxygen, C the
Total amount of carbon and M the amount
of aluminum corresponds to O, C and M by the
Number of atomic equivalents are expressed and υ 4 °
corresponds to the value of aluminum.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden näheren Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigenFurther features and advantages according to the invention emerge from the following detailed description and the drawings. Show in the drawings

F i g. 1 bis 3 Diagramme mit einem durch die 45 Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff (organischem Startschubgeschwindigkeit und den spezifischen Schub und metallischem Brennstoff) der Formel OMOx ausgedrückten Vergleich der Leistung von Treib- entspricht oder sehr nahe kommt, d. h., wenn die sätzen, die Aluminium in verschiedenen organischen Oxydationsverhältniszahl etwa 0,47 bis 0,60 und bei Bindemitteln enthalten und vielen Anwendungen vorzugsweise etwa 0,47 bisF i g. 1 to 3 diagrams with a through the 45 ratio of oxygen to fuel (organic Starting thrust and the specific thrust and metallic fuel) of the formula OMOx the expressed comparison of the performance of driving equals or comes very close, d. i.e. if the Set that aluminum in various organic oxidation ratios about 0.47 to 0.60 and at Binders contain and many applications preferably about 0.47 to

F i g. 4 ein Diagramm mit einem Vergleich der 5° 0,55 beträgt. Bei derartigen Treibsätzen hat der Leistung von mehreren Treibsätzen verschiedenen Aluminiumbrennstoff die zusätzliche äußerst vorteilhafte Eigenschaft, daß er ein sehr stabiles Oxyd bildet, das sich nach seiner Bildung nicht in irgendeinem wesentlichen Maße zersetzt oder verdampft, und zwar 55 weder bei den Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen, die in der Brennkammer vorliegen, noch während des Ausströmens der Verbrennungsgase aus der Raketendüse. Eine Zersetzung und/oder Verdampfung des Metalloxyds sind nämlich insofern 60 unerwünscht, als sie wesentliche Mengen an Wärmeenergie aufzehren, wodurch die Temperatur und der Druck der Schub erzeugenden Verbrennungsgase mit geringem Molekulargewicht verringert wird. Diese Erkenntnisse sind in den Diagrammen derF i g. 4 is a diagram with a comparison of 5 ° is 0.55. With such propellants he has Performance of several propellants different aluminum fuel the additional extremely beneficial Property that it forms a very stable oxide which, after its formation, does not appear in any decomposes or evaporates to a substantial degree, either under the high-temperature and high-pressure conditions, which are present in the combustion chamber while the combustion gases are still flowing out of the rocket nozzle. A decomposition and / or Evaporation of the metal oxide is undesirable in that it consumes substantial amounts of thermal energy Consume it, reducing the temperature and pressure of the thrust-generating combustion gases with low molecular weight is reduced. These findings are in the diagrams of the

spezifischen Impulses und verschiedener Dichte bei unterschiedlichen Verhältnissen der Masse der inerten Teile der Rakete zu dem Volumen des Treibsatzes. Im Falle der Reaktionspecific impulse and different density at different ratios of the mass of the inert Parts of the rocket to the volume of the propellant. In the case of the reaction

C+ 2Al+ 4O = CO+Al2O3 ist die OxydationsverhältniszahlC + 2Al + 4O = CO + Al 2 O 3 is the oxidation ratio number

4 =0,5. 4 = 0.5.

4+1+2(^-4 + 1 + 2 (^ -

Aller molekular gebundener Sauerstoff und damit
sowohl derjenige in dem anorganischen Oxydationsmittel als auch derjenige in dem organischen Brenn- 65 F i g. 1, 2 und 3 der Zeichnung durch die dort zustoffbindemittel wird bei der Bestimmung der Gesamt- sammengefaßten Werte veranschaulicht. F i g. 1 zeigt sauerstoffmenge berücksichtigt. Sauerstoff, der für die Kurven für den spezifischen Impuls und die Startdie Oxydationsreaktion zur Verfugung steht, wie Schubgeschwindigkeit von Raketentreibsätzen mit Alu-
All molecularly bound oxygen and with it
both that in the inorganic oxidizer and that in the organic fuel 6 5 F i g. 1, 2 and 3 of the drawing by the material binding agent there is illustrated in the determination of the total summarized values. F i g. 1 shows the amount of oxygen taken into account. Oxygen, which is available for the curves for the specific impulse and the start of the oxidation reaction, such as the thrust speed of rocket propellants with aluminum

minium und Ammoniumperchlorat in einem Polyurethanbrennstoff-Bindemittel. Dieses Bindemittel umfaßt eine Mischung von 56,6% Vorpolymerisat (PoIypropylenglycol, vorpolymerisiert mit einem Überschuß von Tolylendiisocyanat, Molekulargewicht 2025), 13,7% Rizinusöl, 28,1% Dioctylacelat, 0,15% Eisenacetylacetonat, 1% Lecithin und 0,7% Phenyl-/i-naphthylamin. Die F i g. 2 und 3 zeigen ähnliche Werte von Treibsätzen, von denen eine ein Bindemittel mit doppelter Basis, bestehend aus Nitrocellulose, die mit einer Mischung von Nitroglycerin und Dibutylphthalat geliert ist, verwendet und die andere ein Bindemittel, das mit Dioctyladipat weichgemachtes Polyvinylchlorid aufweist, benutzt. Alle Werte wurden in der Annahme einer Verschiebung des chemischen Gleichgewichtes bestimmt. Die Startschubgeschwindigkeit wurde bei einem M,, Fp-Verhältnis von 960 kg/m-' bestimmt mit Ausnahme von F i g. 3, wo dieses Verhältnis 400 kg'm3 betrug. Es ist festzustellen, daß bei allen Arten von Zusammensetzungen der höchste spezifische Impuls und die höchste Startschubgeschwindigkeit innerhalb des Oxydationsverhältniszahlbereiches von 0,47 bis 0,60 erreicht wurde, wobei eine Spitze bei oder in der Nähe einer der Formel OMOx entsprechenden Oxydationsverhältniszahl lag. Sowohl der spezifische Impuls als auch die Startschubgeschwindigkeit sind hoch. So liegt bei der Zusammensetzung mit Polyurethan das Maximum für den spezifischen Impuls bei 260,2 kg Sek./kg und für die Startschubgeschwindigkeit bei 2589 m/Sek. Bei der Zusammensetzung mit doppelter Basis betragen die entsprechenden Werte 262,4 kg Sek./kg und 2655 m/Sek., und bei der Zusammensetzung mit dem weichgemachten Polyvinylchlorid sind die Werte 258,4 kg Sek./kg und 4230 m/Sek.minium and ammonium perchlorate in a polyurethane fuel binder. This binder comprises a mixture of 56.6% prepolymer (polypropylene glycol, prepolymerized with an excess of tolylene diisocyanate, molecular weight 2025), 13.7% castor oil, 28.1% dioctyl acetate, 0.15% iron acetylacetonate, 1% lecithin and 0.7 % Phenyl- / i-naphthylamine. The F i g. Figures 2 and 3 show similar values of propellants, one using a double base binder consisting of nitrocellulose gelled with a mixture of nitroglycerin and dibutyl phthalate and the other using a binder comprising polyvinyl chloride plasticized with dioctyl adipate. All values were determined assuming a shift in the chemical equilibrium. The take-off thrust was determined at an M ,, F p ratio of 960 kg / m- 'with the exception of Fig. 3, where this ratio was 400 kg'm 3 . It is noted that for all types of compositions the highest specific impulse and the highest take-off thrust rate were achieved within the oxidation ratio number range of 0.47 to 0.60, with a peak at or near an oxidation ratio number corresponding to the formula OMOx. Both the specific impulse and the take-off thrust speed are high. In the case of the composition with polyurethane, the maximum for the specific impulse is 260.2 kg sec./kg and for the starting thrust speed is 2589 m / sec. For the double base composition, the corresponding values are 262.4 kg sec / kg and 2655 m / sec, and for the composition with the plasticized polyvinyl chloride, the values are 258.4 kg sec / kg and 4230 m / sec.

Es ist ferner festzustellen, daß die Kurven für die maximale Startschubgeschwindigkeit sehr stark derjenigen für den maximalen spezifischen Impuls entsprechen. Dabei handelt es sich um ein Merkmal, das äußerst vorteilhaft ist, da derartige Treibsätze eine unveränderlich hohe Leistung über einen weiten Bereich der MJVp-Verhältnisse bewirken.It should also be noted that the curves for the maximum take-off thrust correspond very closely to those for the maximum specific impulse. This is a feature that is extremely beneficial because such propellants provide invariably high output over a wide range of MJV p ratios.

In F i g. 4 wird die Leistung einer Anzahl von Treibsätzen gegenüber einem Vergleichstreibsatz verglichen, und zwar bezüglich des Vortriebes einer idealisierten Rakete, d. h. einer solchen, bei der die Wirkungen von Abtrieb, Schwerkraft und Druckstößen vernachlässigt sind und bei der eine Entspannung eines in der Brennkammer herrschenden Druckes von 70 kg'cm2 auf 1,03 kg/cm2 erfolgt. Es ist festzustellen, daß der Aluminium enthaltende Treibsatz eine beständig hohe Leistung bezüglich der Startschubgeschwindigkeit gegenüber derjenigen des Vergleichstreibsatzes aufweist, während der sehr dichte, Zirkon enthaltende Treibsatz, obwohl er bei hohen M1 -Vp-Verhältnissen außerordentlich wirksam ist, hinsichtlich seiner Leistung bei geringen ΜέΤρ-Verhältnissen sehr stark abfällt und der Treibsatz geringer Dichte, der eine Mischung von flüssigem Sauerstoff und Hydrazin enthält, obwohl er bei niedrigen Mj Kp-Verhältnissen gute Leistungen ergibt, hinsichtlich seiner Startschubgeschwindigkeitsleistung stark abfällt, wenn dieses Verhältnis hohe Werte aufweist. Da die Dichte (2,7) von Aluminium bedeutend höher liegt als die Dichte der üblicherweise verwendeten Oxydationssalze, wie NH4ClO4 (1,95) und NH4NO3 (1,73), wirkt das Aluminium innerhalb der Treibsatzzusammensetzung als Verdichtungskomponente, was sich, wie in F i g. 4 gezeigt, bei hohen Mj 1V1,-Verhältnissen in erhöhten Startschubgeschwindigkeiten wiederspiegelt.In Fig. 4, the performance of a number of propellant charges is compared with a comparative propellant charge, specifically with regard to the propulsion of an idealized rocket, ie one in which the effects of downforce, gravity and pressure surges are neglected and in which a pressure prevailing in the combustion chamber is released by 70 kg'cm 2 to 1.03 kg / cm 2 takes place. It is noted that the aluminum-containing propellant has consistently high performance in terms of take-off thrust rate compared to that of the comparative propellant, while the very dense zirconium-containing propellant, although extremely effective at high M 1 -V p ratios, contributes to its performance low Μ έ Τ ρ ratios drops sharply and the low density propellant, which contains a mixture of liquid oxygen and hydrazine, although it performs well at low Mj Kp ratios, drops sharply in its take-off thrust performance when this ratio is high . Since the density (2.7) of aluminum is significantly higher than the density of the commonly used oxidation salts, such as NH 4 ClO 4 (1.95) and NH 4 NO 3 (1.73), the aluminum acts as a compression component within the propellant composition what, as in Fig. 4, is reflected in increased take-off thrust speeds at high Mj 1 V 1 , - ratios.

Wie bereits ausgeführt, kann das organische Brenn-Stoffbindemittel aus irgendeiner geeigneten organischen Verbindung oder einer Mischung von organischen Verbindungen bestehen, die molekular gebundenen Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, so daß sie bei Vorliegen einer der Formel OMOx entsprechenden Stöchiometrie unter Bildung von CO und freiem Wasserstoffgas brennt und/oder sich zersetzt. Das organische Brennstoffbindemittel kann inert sein. Der Ausdruck »inert« soll dabei bedeuten, daß es sich um eine Verbindung handelt, die eine äußere Sauerstoffquelle, und zwar das feste anorganische Oxydationsmittel, zur Verbrennung benötigt. Beispiele für geeignete organische Bindemittel sind die verschiedenen festen polymeren Bindemittel wie beispielsweise Polyäther, Polysulfide, Polyurethane, Butadien-Acrylsäure- und Butadien -Acrylmethacrylsäure- Mischpolymere, die mit einer Epoxyverbindung vernetzt sind, Alkyd-Polyester, Polyamide, Celluloseester, wie z. B. Celluloseacetat, Celluloseäther, wie z. B. Äthylcellulose, Polyvinylchlorid, Asphalt u. dgl. In einer Reihe von derartigen inerten Brennstoffbindemitteln erzeugt der an den Kohlenstoff gebundene Sauerstoff CO durch eine Zersetzungsreaktion.As already stated, the organic fuel binder can from any suitable organic compound or mixture of organic compounds exist that contain molecularly bound carbon and hydrogen, so that they are present a stoichiometry corresponding to the formula OMOx with formation of CO and free hydrogen gas burns and / or decomposes. The organic fuel binder can be inert. The expression "Inert" should mean that it is a compound that contains an external source of oxygen, namely the solid inorganic oxidizing agent, required for combustion. Examples of suitable organic binders are the various solid polymeric binders such as polyether, Polysulfides, polyurethanes, butadiene-acrylic acid and butadiene-acrylic methacrylic acid copolymers, the are crosslinked with an epoxy compound, alkyd polyesters, polyamides, cellulose esters, such as. B. cellulose acetate, Cellulose ethers, such as B. ethyl cellulose, polyvinyl chloride, asphalt and the like Such inert fuel binders are generated by the carbon-bound oxygen CO a decomposition reaction.

Viele der festen, polymeren Bindemittel enthalten vorzugsweise hochsiedende,organische,flüssige Weichmacher, um die physikalischen Eigenschaften und die Verarbeitung des Treibsatzes zu verbessern. Dabei kann irgendeiner der zahlreichen bekannten Weichmacher verwendet werden, der mit der Treibsatzzusammensetzung verträglich ist. Beispiele für geeignete organische Weichmacher sind Sebacate, wie Dibutylsebacat und Dioctylsebacat; Phthalate, wie Dibutylphthalat und Dioctylphthalat; Adipate, wie Dioctyladipate; Glycolester von höheren Fettsäuren u. dgl.Many of the solid, polymeric binders preferably contain high-boiling, organic, liquid plasticizers, to improve the physical properties and processing of the propellant. Included Any of the numerous known plasticizers can be used with the propellant composition is compatible. Examples of suitable organic plasticizers are sebacates, such as Dibutyl sebacate and dioctyl sebacate; Phthalates such as dibutyl phthalate and dioctyl phthalate; Adipates, like Dioctyl adipates; Glycol esters of higher fatty acids and the like.

Das organische Brennstoffbindemittel kann auch eine aktive organische Verbindung, eine Mischung derartiger Verbindungen oder eine Mischung einer solchen Verbindung mit einer inerten organischen Verbindung wie einem inerten organischen Weichmacher enthalten. Unter dem Ausdruck »aktive« Verbindung ist dabei eine Verbindung zu verstehen, die molekular gebundenen Sauerstoff enthält, der zur Verbrennung anderer Komponenten des Moleküls wie von Kohlenstoff zur Verfugung steht. Derartige aktive organische Brennstoffverbindungen schließen beispielsweise auch solche ein, die Nitroso-, Nitro-, Nitrit- und Nitratreste enthalten, wie z. B. Cellulosenitrat und Nitroglycerin.
Die vorstehende Beschreibung befaßt sich hauptsächlich mit festen Treibsätzen, in denen das organische Brennstoffbindemittel ein Feststoff ist. Die Erfindung kann jedoch auch bei halbfesten, zusammengesetzten Monotreibstoffsystemen zur Anwendung gelangen. Derartige Systeme bestehen · aus thixotropen, zusammenhaltenden und formbeständigen Zusammensetzungen, die bei Anwendung mäßigen Druckes in die Verbrennungskammer einer Rakete gepreßt werden können, wo sie dann sich kontinuierlich vorwärts bewegende Säulen bilden, die an ihrer frei liegenden Oberfläche abbrennen. Erfindungsgemäß umfassen derartige plastische Monotreibsätze eine stabile Dispersion eines feinteiligen, unlöslichen Oxydationsmittels und des feinteiligen Aluminiums in einem
The organic fuel binder can also contain an active organic compound, a mixture of such compounds, or a mixture of such a compound with an inert organic compound such as an inert organic plasticizer. The term “active” compound is understood to mean a compound that contains molecularly bound oxygen that is available for the combustion of other components of the molecule such as carbon. Such active organic fuel compounds also include, for example, those containing nitroso, nitro, nitrite and nitrate residues, such as e.g. B. cellulose nitrate and nitroglycerin.
The foregoing description is primarily concerned with solid propellants in which the organic fuel binder is a solid. However, the invention can also be used in semi-solid, composite, monofuel systems. Such systems consist of thixotropic, cohesive and dimensionally stable compositions which, when moderate pressure is applied, can be forced into the combustion chamber of a rocket, where they then form continuously advancing columns which burn on their exposed surface. According to the invention, such plastic mono-propellants comprise a stable dispersion of a finely divided, insoluble oxidizing agent and the finely divided aluminum in one

7 87 8

kontinuierlichen Bindemitlei irgendeines geeigneten stehenden, der Formel OMOx genügenden Zusam-continuous binders with any suitable standing compound that satisfies the formula OMOx

hochsiedenden. organischen, flüssigen Brennstoffs, der menselzung hergestellt:high boiling point. organic, liquid fuel, produced from lumber:

molekular gebundenen Kohlenstoff und Wasserstoff Gewichtsprozentemolecularly bound carbon and hydrogen percentages by weight

enthält. Beispiele von geeigneten flüssigen Brenn- Prepolymerisat*) 11,27contains. Examples of suitable liquid fuel prepolymer *) 11,27

stoffen sind Kohlenwasserstoffe, wie Triäthylbenzol. S Rizinusöl 2,74substances are hydrocarbons such as triethylbenzene. S castor oil 2.74

flüssiges Polyisobutylen u. dgl.; organische Ester, wie Dioclylacelal 5,62liquid polyisobutylene and the like; organic esters such as dioclylacelal 5,62

Dimethylmaleat. DibuHloxalat. Dibutylphthalat und Eisenacetylacetonal 0.03Dimethyl maleate. DibuHloxalate. Dibutyl phthalate and iron acetylacetonal 0.03

Nitroglycerin; Alkohole, wie Benzylalkohol und Tri- Lecithin 0,20Nitroglycerin; Alcohols such as benzyl alcohol and tri-lecithin 0.20

ä'thylenglycol; Äther, wie Methyl-,)'-naphlhylälher, PhenyI-,/-naphthylamin 0,14ethylene glycol; Ethers, such as methyl -,) '- naphlhylether, phenyI -, / - naphthylamine 0.14

und viele andere Verbindungen. io Aluminiumpulver 21,04and many other connections. io aluminum powder 21.04

Bei den Treibsätzen können beliebige feste an- NH4ClO4 58,96Any solid an- NH 4 ClO 4 58.96

organische Oxydationsmittel verwendet werden, die », Prcpolvmerisat: Polypropylenglycol, vorpolymeren mit ohne weiteres Sauerstoff für die Verbrennung der einem Überschuß an Tolyiendiisocyanat; Molekulargewicht 2025. metallischen Brennstoffkomponente und des organischen Bindemittels bereitstellen, wenn letztere keinen is Der Treibsalz wurde in einen Raketenmotor eiri-Sauerstoff oder ungenügend Sauerstoff für die Er- gesel/l und statisch abgebrannt. Die Abbrenngezielung einer Stöchiometrie hinsichtlich CO enthalten. schwindigkeit betrug 0.47 cm/Sek. bei einem Brenn-Derartige Oxydationsmittel schließen anorganische kammerdruck von 79.1 kg'cm2. oxydierende Salze, wie Perchlorate und Nitrate von . . NH4, K, Na und Li. Metallperoxyde, wie CaO2, 20 Beispiel _ BaO2 und Na2O2 u dgl ein, wobei jedoch die Salze Ein fest ei. perforierter, innen abbrennender Rakebevorzusil werden. tentreibsalz mit 15,25 cm Durchmesser und einemorganic oxidizing agents are used, the », Prcpolvmerisat: Polypropylene glycol, prepolymer with no additional oxygen for the combustion of an excess of Tolyiendiisocyanat; Molecular weight 2025. Provide the metallic fuel component and the organic binder, if the latter is not The driving salt was burned off statically in a rocket engine with oxygen or insufficient oxygen for the soil. Including the burning target of a stoichiometry with regard to CO. speed was 0.47 cm / sec. In the case of a combustible oxidizing agent, the inorganic chamber pressure of 79.1 kg'cm 2 closes. oxidizing salts, such as perchlorates and nitrates of. . NH 4 , K, Na and Li. Metal peroxides, such as CaO 2 , 20 Example _ BaO 2 and Na 2 O 2 and the like, but the salts A are solid. perforated, internally burning rake should be preferred. Drifting salt with a diameter of 15.25 cm and a

Sofern das organische Brennstoffbindemittel mole- Gewicht \on 4,5 kg wurde aus einer Mischung derIf the organic fuel binder mole weight was 4.5 kg from a mixture of

kular gebundenen Sauerstoff enthält und dieser wenig- folgenden Komponenten hergestellt:contains bound oxygen and these few- the following components are produced:

steil·: in finer stöchiometrischen Menge verfügbar ist, 25 pe«···]steep ·: is available in finer stoichiometric quantities, 25 pe «···]

die iVti (J" Oxydation und oder Zersetzung der mole- KmIn jca iti sprozenttthe iVti (J "oxidation and / or decomposition of the mole- Km " In jca iti sp%

kul;u gilundenen Kohlenstoffkomponente zu CO NIi4L-IU4.... -0./8kul; u gilundenen carbon component to CO NIi 4 L-IU 4 .... -0./8

bcnöl ijil ν itd. ist kein anorganisches Oxydationsmittel Aluminiumpulver . .. „Λ~bcnöl ijil ν itd. aluminum powder is not an inorganic oxidizing agent. .. "Λ ~

für deien Verbrennung erforderlich. Liegen die Ver- Nitrocel ulose (12.61,,, N)required for your incineration. Are the ver Nitrocel ulose (12.6 1 ,,, N)

hältPissf ·, daß in dem organischen Brennstoffbinde- 30 (Kugeln nut einem Unri-hniecser vorkeeps Pissf · that in the organic fuel binding 30 (balls with a hook

min· 1 \eipii!barcr gebundener Sauerstoff in Mengen M·? 1 · ™ "'7 YA' ",V Ve« oimmin · 1 \ eipii! barcr bound oxygen in quantities M ·? 1 · ™ "'7 YA' ", V Ve «oim

von and .. fsl. die größer als für eine derartige Stöchio- Ni roglycerin-Dibutylphthakt 75 25 25,02by and .. fsl. which is greater than for such a stoichio- Ni roglycerin-Dibutylphthakt 75 25 25.02

mcliie eiim-Ji-rlich sind, so oxydiert die überschüssige , Lv 3T u 1' "· ?mIf they are egg-shaped, the excess, Lv 3 T u 1 '"·? m, oxidizes

Sau«-isloilmenge bevorzugt die pulverförmige Metall- 2-Nitrodiphenylamin 1,00The powdery metal 2-nitrodiphenylamine 1.00 is preferred for the amount of ice-cream

komponente an Stelle des molekular gebundenen 35 Der Treibsatz wurde nach dem Plastisol verfahren W,-.:;sv'i:-t!ilK Gegebenenfalls kann das organische hergestellt. Dabei wurden die Bestandteile bei Raum-Binimloifbindemittel einen Teil des anorganischen temperatur gemischt, die Mischung dann in eine Oxydationsmittels ersetzen, der normalerweise für die Form gebracht und dort durch Erwärmung aus-Oxydatioii des Metalls erforderlich sein würde. gehärtet, um die Nitrocellulose in den Nitroglycerin-,component instead of the molecularly bound 35 The propellant was processed according to the plastisol W, -.:; Sv'i: -t! IlK If necessary, the organic can be produced. In doing so, the components of Raum-Binimloif binders a part of the inorganic temperature mixed, the mixture then replace in an oxidizing agent, which is normally brought to the mold and there by heating from-Oxydatioii of the metal would be required. hardened to transform the nitrocellulose into the nitroglycerin,

Das organische Biennstoffbindemittel. gleichgültig 40 Dibutylphthalat- und Dibutylsebacat-Weichmachern ob es inen oder akliv. fest oder flüssig ist, wie dies zu lösen. Die Zusammensetzung entsprach der Formel beschrieben wurde, muß wenigstens etwa 20'V0, in OMOx. Der Treibsatz brannte bei einem Brennmanclteu Fallen vorzugsweise sogar wenigstens 301Vi), kammerdruck von 63 kg'cm2 mit einer Abbrenndes Volumens des Treibsatzes ausmachen. Dies ist geschwindigkeit von 1,19 cm/Sek. ab. einerseits wesentlich, um die Erzeugung einer ge- 45 ...The organic binder. 40 dibutyl phthalate and dibutyl sebacate plasticizers regardless of whether it is internal or active. solid or liquid is how to solve this. The composition corresponded to the formula described, must be at least about 20'V 0 , in OMOx. The propellant burned in a Brennmanclteu traps preferably even at least 30 1 Vi), chamber pressure of 63 kg'cm 2 with a Abbrenndes volume of the propellant charge account. This is a speed of 1.19 cm / sec. away. on the one hand essential to the generation of a 45 ...

eigneten Menge von Verbrennungsgas mit geringem Beispiel.suitable amount of combustion gas with little example.

Molekulargewicht zu erzielen, die für einen wirksamen Ein fesler, perforierter, innen abbrennender Rake-Achieve molecular weight, which is necessary for an effective A fesler, perforated, internal burning rake

Vortrieb benötigt wird, und zum anderen ist es von tentreibsatz wurde aus einer Mischung der folgenden Bedeutung für die Herstellung eines zusammen- Komponenten hergestellt:Propulsion is needed, and secondly it was propelled from a mixture of the following Significance for the manufacture of a together- components manufactured:

haltenden Treibsatzes, der gute physikalische Eigen- 50 Gewichtsprozenteholding propellant, the good physical inherent 50 percent by weight

schäften aufweist. NH C1Q 5g 9Q having shafts. NH C1Q 5g 9Q

Die Mengen an Aluminium und festem, anorgani- Stabilisiertes'Poiyvinylchlörid''.'.'.'.'.'. ^96The amounts of aluminum and solid, inorganic-stabilized 'polyvinyl chloride''.'.'.'.'.'. ^ 96

schein Oxydationsmittel, die zur Anwendung gelan- Dioctvladinat 10 79Apparent oxidizing agents which are used Dioctvladinat 10 79

sen. müssen derart sein, daß sich bei dem jeweiligen c ϊ P ;'' -,Z1n sen. must be such that the respective c ϊ P; '' -, Z 1n

organischen Bindemittel eine Oxydationsverhältnis- 55organic binder has an oxidation ratio of 55

zahl ergibt, die in dem angegebenen Bereich von ,. . Dioctvln.l(riumsuifo.number results in that, in the specified range of. . Dioctvln . l (riumsu if o .

0,47 bis 0.60 liegt. Unter Benutzung der Gleichung, dioleat Dioctylinitnumsullo0.47 to 0.60. Using the equation, dioleate dioctylinitumullo

die für die Bestimmung der Oxydationsverhältniszahl s cc "'for the determination of the oxidation ratio number s cc "'

anfcfeben wurde, können diese Mengen in einfacher Der Treibsatz wurde nach dem PlastisolverfahrenThe propellant was made according to the plastisol process

Weh-e berechnet werden. fl° hergestellt, dabei wurden seine Bestandteile bei Raum-Woe be calculated. fl °, while its components were

Di* folgenden Beispiele erläutern Raketentreib- temperatur gemischt, die Mischung dann in eine Form si'i>r j-emäß der Erfindung. geschüttet und in dieser schließlich erhitzt, um dasThe following examples explain the rocket propulsion temperature mixed, the mixture then in a mold si'i> r j -em according to the invention. poured and finally heated in this to the

Polyvinylchlorid in dem flüssigen Weichmacher zuPolyvinyl chloride in the liquid plasticizer too

Beispiel 1 lösen, wodurch ein festes Gel gebildet wurde. DieSolve Example 1 to form a solid gel. the

f)5 Oxydatioiisverhältniszahl des Treibsatzes entsprach f) 5 oxidation ratio of the propellant charge corresponded

Lii:· fesler, perforierter, innen abbrennender Poly- der Formel OMOx. Bei Abbrennen in einem Raketenun fhan-Raketenlreibsatz mit 15.25 cm Durchmesser motor mil einem Durchmesser von 12.7 cm brannte υπ?! ei»cm Gewicht von 4.5 kg wurde aus der nach- dir Treibsat/ mil einer Geschwindigkeit von 0.89 cmLii: · fesler, perforated, internal burning poly of the formula OMOx. When burned down in a rocket fhan rocket propellant with a 15.25 cm diameter motor with a diameter of 12.7 cm burned υπ ?! A weight of 4.5 kg was converted from the propellant material per mil at a speed of 0.89 cm

Ss'fc. bei einem Brennkammerdruck von 77 kg/cm2 ab. Der gemessene spezifische Impuls betrug 242 kg Sefc./kg.Ss'fc. at a combustion chamber pressure of 77 kg / cm 2 . The specific impulse measured was 242 kg Sefc./kg.

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Halbfeststoff- und Feststoff-Raketentreibsatz, bestehend aus einer homogenen Dispersion eines feinteiligen anorganischen Oxydationsmittels, besonders Ammoniumperchlorat, und feinteiligem Aluminium in einem wenigstens 20% und besonders wenigstens 30% des Gesamtvolumens ausmachenden organischen Brennstoffbindemittel auf der Basis von organischen Flüssigkeiten oder Polymeren, wie Nitrocellulose, Nitrocellulose-Nitroglycerin-Gemischen, Polyurethan, Polyvinylchlorid (mit oder ohne Weichmacherzusatz), dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis von anorganischem Oxydationsmittel, Aluminium und organischem Brennstoffbindemittel der FormelSemi-solid and solid rocket propellant, consisting of a homogeneous dispersion of a finely divided inorganic oxidizing agent, especially ammonium perchlorate, and finely divided Aluminum in at least 20% and especially at least 30% of the total volume organic fuel binders based on organic liquids or Polymers such as nitrocellulose, nitrocellulose-nitroglycerin mixtures, Polyurethane, polyvinyl chloride (with or without added plasticizers), thereby characterized in that the quantitative ratio of inorganic oxidizing agent, Aluminum and organic fuel binder of the formula = etwa 0,47 bis 0,60 (Oxydationsverhältniszahl) und vorzugsweise etwa 0,47 bis 0,55 entspricht, wobei O der Gesamtmenge des gebundenen Sauerstoffs, C der Gesamtmenge des Kohlenstoffs und M der Menge des Aluminiums entspricht, O, C und M durch die Zahl von Atomäquivalenten ausgedrückt sind und ν der Wertigkeit des Aluminiums entspricht. = about 0.47 to 0.60 (oxidation ratio) and preferably about 0.47 to 0.55, where O corresponds to the total amount of bound oxygen, C corresponds to the total amount of carbon and M corresponds to the amount of aluminum, O, C and M. are expressed by the number of atomic equivalents and ν corresponds to the valence of aluminum. In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 3094444.
Considered publications:
U.S. Patent No. 3094444.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings 805 S59/136 5.68 © Bundesdruckerei Berlin805 S59 / 136 5.68 © Bundesdruckerei Berlin
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