DE2252741A1 - Pyrotechnischer druckgasgenerator mit fester kuehlmittelfuellung - Google Patents

Description

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PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT₁ DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90

Köln, den 23. Oktober 1972 Fü/pz/173

S.A. Societe Nationale des Poudres et Explosifs, 12, quai Henri IV, 75oo4 Paris/Frankreich

Pyrotechnischer Druckgasgenerator mit fester Kühlmittelfüllung '.'■'. '

Bei zahlreichen Anwendungen, insbesondere auf deiru Gebiet der Sicherheitsapparate, wie Feuerlöscher, aufblasbarer Rettungsboote oder aufblasbarer Notrutschen usw. ist es nötig, ein Generatorgerät mit leichtem Gewicht einsetzen zu körinen, das in relativ kurzer Zeit eine bedeutende Menge Druckgas von relativ niedriger Temperatur mit einer praktisch gleichbleibenden Ausströmungsmenge erzeugen kann.

Es sind bereits pyrotechnische Generatoren bekannt, die Druckgas durch Verbrennen' eines Propergolblocks und Abkühlen, des Verbrennungsgases durch Kontakt mit einer festen Kühlmittelfüllung, die die Wärme der genannten Verbrennungsgase durch Zersetzen oder Sublimieren aufnehmen kann, erzeugen.

Jedoch gestattet keiner dieser Generatoren ein angemesse-

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nes Abkühlen der Verbrennungsgase, einerseits deshalb, weil man die extrem hohen Temperaturen, die bei diesen Gasen I800 bis 2ooo°C erreichen können, in relativ kurzer Zeit auf einen Wert von etwa loo°C abkühlen muß, andererseits deshalb, weil die Kühlmittelfüllung im Laufe der Zersetzung oder der Sublimation unter der Wirkung der Schwerkraft zusammenbricht, wodurch bevorzugte Wege geschaffen werden, durch die die heißen Gase entweichen, anstatt durch die Kühlmittelfüllung hindurchzustreichen.

Andererseits gestatten diese Generatoren keine gute Regelung der Ausströmungsmenge des Gases wegen der sich bildenden bevorzugten Wege.

Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Nachteile. Sie betrifft daher einen neuen pyrotechnischen Druckgasgenerator mit einem Kühlmantel, der enthält:

a) einerseits einen Propergolblock mit einer Zündvorrichtung dafür, der sich in einer Brennkammer befindet;

b) andererseits eine Füllung eines festen Kühlmittels, die sich in einem abgeteilten Raum benachbart zur Brennkammer befindet, sowie

c) eine Vorrichtung zum Lenken der Verbrennungsgase durch die Kühlmittelfüllung hindurch oder in unmittelbarer Nähe an ihr vorbei, um die Bildung von bevorzugten Wegen zum Entweichen des Verbrennungsgases zu verhindern, selbst wenn das Kühlmittel teilweise verbraucht ist, und

d) eine oder mehrere Öffnungen gleichen Durchmessers, die sich in Strömungsrichtung des Gases vor der festen

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Kühlmittelfüllung befinden, zur Regelung des vom Propergol erzeugten Gases auf den gewünschten Wert mit Hilfe eines bestimmten Einspannens des oder der Öffnungen gleichen Durchmessers.

Nach einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen pyrotechnische^Generators wird die Vorrichtung zum Lenken der Verbrennungsgase von Düsen gebildet, die sich in Strömungsrichtung des Gases vor der Kühlmittelfüllung befinden, und die Brennkammer mit dem Teil des Generators verbinden, in dem sich die Kühlmittelfüllung befindet.. Diese Düsen haben seitliche öffnung und sind einander gegenüberstehend auf,der Trennwand angebrächt und erzeugen so ein ,wirbeiförmiges Entweichen der Verbrennungsgase quer durch die Kühlmittelfüllung, die das Kühlmittelgranulat in Bewegung versetzen, selbst wenn das Granulat teilweise verbraucht ist. Diese erste Ausführungsform gestattet die Verwendung des Generators in jeder Stellung und kann durch eine mechanische Vorrichtung vom Typ einer archimedischen Spirale mit konischer Begrenzung ergänzt werden, die im Kühlmittel-

die teil des Generators befestigt wird und die/durch die Düsen hervorgerufene Wirbelbewegung aufrecht erhält.

In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Generators ist die Brennkammer mit der Abteilung für die feste^Kühlmittelfüllung durch eine Platte mit Löchern gleichen Durchmessers verbunden, wobei der Kühlmittelraum mit einer mechanischen Vorrichtung zum Verteilen der Kühlmittelfüllung und zum Lenken der Verbrennungsgase durch die Kühlmittelfüllung hindurch oder unmittelbar an ihr vorbei, selbst wenn dieseteüjeise verbraucht

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ist und unabhängig von der Stellung, in der sich der Generator befindet, versehen ist. Die mechanische Vorrichtung kann vorteilhaft eine archimedische Spirale sein, die das Verbrennungsgas zwangsweise durch die Kühlmitte1-füllung hindurchleitet, selbst wenn diese schon zur Hälfte verbraucht ist. Weiterhin verbessert das rasche wirbeiförmige Entweichen der Verbrennungsgase den thermischen Austausch.

Die mechanische Vorrichtung kann aber auch aus einem Bündel aus vielen Röhren oder aus einer Netzplatte bestehen, die die Verbrennungsgase in unmittelbarer Nachbarschaft der Körnchen der Kühlmittelfüllung vorbeistreichen lassen, selbst wenn diese schon teilweise verbraucht Bind*

In einer dritten Ausführungsform ist der Raum für das feste Kühlmittel oberhalb der Brennkammer angebracht, von der er durch eine Platte mit zentraler Düse getrennt ist, dergestalt, daß bei aufrecht stehendem Generator und Strömen der Verbrennungsgase von unten nach oben das Niederfallen des Kühlmittelgranulats jeden sich bildenden bevorzugten Abzugsweg der Gase verschließt, wenn ein Teil der Kühlmittelfüllung verbraucht ist.

Durch Einwirken auf die Körnchengröße der Kühlmittelfüllung kann man ein Fließbett des Granulats der Kühlmittelfüllung erhalten, das jeden bevorzugten Abzugsweg verhindert und guten Kontakt zwischen dem Gas und dem Pestkörper sicherstellt.

Die geometrische Anordnung der festen Kühlmittelftillung

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hat den Zweck, daS während der Funktionsdauer des Generators das dem Kühlmittelraum entweichende Gas mit Sicher- heit ungefähr die Zersetzungstemperatur der Kühlmittelfüllung besitzt.

Unter diesen Bedingungen ist die gesamte Ausströmungsmenge an Gas (aus Propergöl entstandenes Gas und aus dem Kühl·» mittel entstandenes Gas) proportional der aus Propergöl entstandenen Gasmenge <= Es genügt daher _% allein die Menge

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des aus Propegol entstandenen Gases anstelle der Menge des gesamten ausströmenden Gases zu regeln,indem man am Ausgang der Brennkammer öffnungen gleichen Durchmessers anbringt und die Kühlmittelfüllung in Richtung des strömenden Gases hinter diesen öffnungen vorsieht.

Die Regelung der Ausströmungsmeng© geschieht vji® bei einer Rakete mit festem Propergöl durch Einwirkung auf die Form des Blocks und auf die Größe der öffnungen mit gleichem ' Durchmesser. ' '

Die Anordnung der Kühlmittelfüllung muß folgenden Kriterien genügen*.

Große Kontaktoberfläche mit dem Gas, um während der ganzen Betriebsdauer genügend zu kühlen? Unterdrückung von bevorzugten Wegen des entweichenden heißen Gases?

möglichst geringem Über0chuss an Kühlmittel, das am End© des Einsatzes nicht zersetzt 1st?

Vermeidung von Rückständen* di© die Düsea verstopfen oder beim Gebrauch hinderlich sind. ■

Die Kühlmittelfüllung kann inibesonder· aus hydratisierten oder nicht hydratisieren Salzen bestehen, die durch Wärme zersetzbar sind, wie Ammoniumcarbonat und -bicarbonat, Ammoniumcarbamat, Ammoniumchlorid, Calciumoxalat, Ammonacetat, Ammonoxalat, Aminoguanidinnitrat, Guanidin?" oxalat, Guanidinnitrat oder auch Harnstoff usw., vorteilhaft in Form von Granulat oder Pastillen..

Die bestgeeigneten Propergole sind doppelbasige gegossene Propergole geringer Energie (unter oder etwa gleich 3oo cal/g) und mit geringer Verbrennungsgeschwindigkeit.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen besehriebenv—&on_denen~ bedeuten-:

Fig. 1 zeigt einen nach der ersten Ausführungsform konzipierten ersten Generator im Querschnitt} Fig. 2 ist ein Schaubild, das die Entwicklung des Drucks und der Temperatur im Inneren eines mit Hilfe des Generators nach Fig. 1 aufgeblasenen Hohlkörpers darstellt; Fig. 3 ist ein Querschnitt durch einen nach der ersten Ausführungsform der Erfindung konzipierten zweiten Generator»

Fig. 4 ist ein Schaubild, das die Entwicklung des Drucks und der Temperatur im Inneren des Generators der Fig. 3 zeigt;

die Fig. 5 und 6 zeigen Querschnitte einer zweiten Ausführungsform des erfindungagemäßen Generators; Fig. 7 zeigt einen Querschnitt der dritten Aueführungaform.

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In Fig. 1 der Zeichnung besitzt der erfindungsgemäße Generator einen rohrförmigen, im wesentlichen zylindrischem Rumpf It beispielsweise aus einer . Al-Legierung, der auf seinen beiden Enden mit einem Boden 2 und einem Deckel 3 verschlossen ist, welcher in einem Äusströmungsstutzen 4 . endet.

Das Innere des Rumpfes 1 ist durch eine Querwand 5 in awei aneinander stossende Kammern unterteilt* die durch Innenhütchen 5a getrennt werden, die im Moment des Anzündens serstört werden:

1. Eine Brennkammer 6» in der ein BlockjBropergol sur frontalen Verbrennung 7 angebracht" 1st (beispielsweise ein Block aus 3oo g Epietet-Pulver mit einer Energie won 483 cal/g, der unter ITo-'bar bei Iloo°C abbrennt), mit seiner Zündvorrichtung 8 (beispielsweise swei Sünder im Kontakt mit einem Initialzünder auf der Grundlage eines Pulvers vom Typ Thermit)>

2.. ein Kühlabteil 9., in dem sich eine Kühlmittelfüllung befindet (beispielsweise 4oo g von 58°.ab sublimierbares Ammoncarbonat, verwendet in Form von Plättchen mit 9,5 mm Durchmesser und 5 mm DickeJ ...

Die der Brennkammer 6 entweichenden Verbrennungsgase des Fropergols werden durch zwei Düsen 11 mit seitlichem Ausgang in das ICühlabteil 9 eingeblasen. Die Düsen sind auf der Trennwand 5 in der Nähe des äußeren ümfangs einander gegenüberstehend angebracht,"um den Gasen eine Wirbelbewegung zn gaben.

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Der Maximaldruck im Kühlabteil 9 auf der Höhe des Filterdeckels 12 λder zwischen dem Rumpf 1 und dem Deckel 3 am Eingang zum Ausströmungsstutzen 4 montiert ist, beträgt etwa 35 bar und die Maximaltemperatür 12o°C.

Die erhaltenen abgekühlten Druckgase werden zum Aufblasen eines Raums oder Behälters von beispielsweise I8o 1 verwendet. Die Temperatur in diesem Behälter bleibt immer unterhalb von 7o°C.

Die Entwicklung des Drucks und der Temperatur im Inneren dieses Behälters wird auf dem Schaubild in Fig. 2gezeigt. Auf der Orinate wird der absolute Druck in bar und die Temperatur in ⁰C einerseits in Höhe des Propergolblocks (Kurven I und II) andererseits im Inneren des Behälters (III und IV) in Funktion der in Sekunden auf der Abszisse aufgetragenen Zeit angezeigt.

Nach diesem Schaubild erhält man ein maximales Niveau für Druck und Temperatur des Propergolblocks zwischen 1 und 5 Sekunden nach der Zündung (was einer konstanten Ausströmungsmenge entspricht) und am Ende der Verbrennung des Propergols (6 Sekunden nach der Zündung) betragen die Werte für Druck und Temperatur im Behälter (Maximalwerte) 1,8 bar bzw. 65°C.

Nach weiteren 3o Sekunden beträgt die Temperatur im Behälter 5o°C, nach 6o Sekunden 41°C und nach 9o Sekunden 36°C.

Entsprechend Fig. 3 besitzt der erfindungsgemäße Generator

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einen röhrenförmigen zylindrischen Rumpf 12„ der unten mit einem Hohlzylinder von großer Wandstärke 13 verlängert ist und oben mit einem Deckel 14 verschlossen ist, der in einem Ausströmungsstutzen 15 endet.

Die Anordnung des Rumpfes 12 und des Zylinders 13 gestattet das Anbringen einer Querwand 16, die auf beiden Seiten je eine Kammer begrenzt. Diese Kammern sind durch Innenhütchen 17 voneinander isoliert, die im Moment des Anbrennens zerstört werden. In der Brennkammer 19 ist ein BlockEkröpergol mit zentraler Verbrennung 18 sowie im zentralen Kanal ein Flammrohr 2o, das den Zünder darstellt, enthalten. Das Kühlabteil 21 enthält eine konische Spirale 22 und die Kühlmittelfüllung 23 besteht beispielsweise aus Plätzchen von sublimierbarem Ammoniumcarbamat.

Die aus der Brennkammer 19 entweichenden Verbrennungsgase des Propergols werden durch zwei Öffnungen gleichen Durchmessers 24, die in schräger Richtung und gegenständig gebohrt sind, in das Kühlmittelabteil 21 eingeblasen, dergestalt, daß der Gasstrom in derselben Richtung wie die Neigung der schraubenförmigen Spirale gelenkt wird. Die durch die Öffnungen gleicher Größe hervorgerufene Wirbelbewegung wird durch die erste Windung der Spirale, die beispielsweise von konischer Begrenzung ist, verstärkt, um auf diese Weise den Koeffizienten der Füllung des Kühlabteils zu vergrößern.

Der höchste Druck im Kühlabteil 21 beträgt etwa 3o bar und die Maximaltemperatur auf der Höhe des Filterdecke^

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25 7o°c. Die Temperatur beträgt in der Brennkammer 19 12oo° und im Kühlabteil in der Nähe der Düsen 8oo°C. Die Entwicklung des Drucks und der Temperatur im inneren des Generators wird auf dem Schaubild in Fig. 4 gezeigt, wobei die Ordinate den absoluten Druck in bar und die Temperatur in ⁰C und die Abszisse die Zeit Sekunden angibt.

Kurve V zeigt die Änderungen der Temperatur auf der Höhe des Filterdeckels 25 an. Kurve VX zeigt die Änderungen des auf der Höhe des Filterdeckels 25 festgestellten Drucks an. Kurve VII zeigt den Verlauf des in der Brennkammer registrierten Drucks.

Wegen der zentralen Verbrennung des Propergolblocke erhält man in dem Schaubild sich überschneidende Kurven, deren Maxima gegen Ende der Brenndauer, etwa nach 8,5 Sekunden, festgestellt werden.

Durch die Offnungen gleichen Durchmessers 24 und den kalibrierten Ausströmungsstutzen 5o kann das Verhältnis des Drucks in der Brennkammer und auf Höhe des Filterdeckels 25 merklich konstant gehalten werden (beispielsweise bei etwa 2,7). Der Überschuss an Kühlmittelfüllung kann bis auf unter 5 % des Anfangsgewichts an Ammonlumcarbamat gesenkt werden, ohne die in dem Schaubild dargestellten Charakteristiken zu verändern.

Nach einer in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Brennkammer 6 vom Kühlabteil 9 durch eine Platte 26

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mit Öffnungen gleicher Größe 27 in der Nähe dessen Umfangs getrennt, während eine archimedische Spirale"28 mit drei oder vier Windungen gleichen Durchmessers die ganze Länge des Kühlabteils einnimmt und mit den Wänden des Abteils eine schraubenförmige Kammer bildet, die die Kühlmittelfüllung 29 enthält. Der Deckel 3 endet außerdem in einem Ausströmungsstutzen 4.

Die archimedische Spirale zwingt das aus der Brennkammer 6 entweichende Verbrennungsgas, die spiralenförmige Kammer und die Kühlmittelfüllung selbst dann, wenn letztere zur Hälfte verbraucht ist, und abhängig von der Lage des Generators zu durchstreichen. Wach der in Fig. 6 dargestellten Variante ist die Brennkammer 6 in Strömungsrichtung des Gases oberhalb durch eine Trennwand 3o mit einer zentralen Düse 31 abgeschlossen. Diese Düse mündet in eine Verteilerkammer 32 vor einer Ablenkplatte 33, die kraftschlüssig mit dem Gitterrost 34, der die Kühlmittelfüllung Io hält, verbunden ist. Der Gitterrost ist durch ein rohrförmiges metallisches Bündel 35, das sich aus Rohren mit geringem Durchmesser zusammensetzt, eingeteilt, das das ganze Kühlabteil 9 einnimmt.

Das aus vielen Rohren bestehende Bündel teilt den Strom des Verbrennungsgases und zwingt ihn, durch die Kühlmittelfüllung oder in unmittelbarer Nachbarschaft daran vorbeizustreichen, selbst wenn diese teilweise verbraucht ist, egal, wie der Generator orientiert ist.Nach der in Fig. 7 dargestellten Variante befindet sich der Generator in vertikaler Stellung, das Kühlabteil 9 befindet sich ober-

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halb der Brennkammer 6, von der es durch eine Zwischenwand 36 mit einer zentralen Düse 37 getrennt 1st. Der Deckel 3 endet in einem Ausströmungsstutzen.4.

Die Verbrennungsgase zirkulieren von unten nach oben und streichen dabei durch die Kühlmittelfüllung lo. Selbst wenn diese Füllung teilweise verbraucht ist, nehmen die Plätzchen, aus denen die Kühlmittelfüllung besteht, durch Zusammenrutschen eine gleichmäßige Lage übet dem ausströmenden Gas ein, und gestatten so das Verhindern eines sich gegebenenfalls bildenden bevorzugten Entweichungswegee der Gase».

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Pyrotechnischer Generator zur Druckgaserzeugung bei massiger Temperatur durch Verbrennen eines Propergolblocks und Abkühlen der Verbrennungsgase durch Kontakt mit einer festen Kühliaitte !füllung, die die Wärme der genannten Gase dadurch absorbiert, daß sie sich zersetzt oder sublimiert, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Mantel folgendes enthält:

a> einen in einer Brennkammer befindlichen Propergolblock mit einer Zündvorrichtung hierfür,

b) eine feste Kühlmittelfüllung, die in einem getrennten Abteil im Anschluß an die Brennkammer enthalten ist,

c) eine Vorrichtung zum Lenken der bei der Verbrennung des Propergols entstehenden Gase durch Sie Kühlmitte!füllung hindurch, um bevorzugte Entweichungswege dieser · Gase zu verhindern, selbst wenn die Füllung teilweise verbraucht ist und

d) eine oder mehrere Öffnungen gleichen Durchmessers vor der Kühlmittelfüllung zum Regeln der Ausströmungsmenge der aus dem Propergol erzeugten Gas©.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Vorrichtung zum lenken der -Verbrennungsgase aus Düsen mit

seitlichem Ausgang gebildet wird; . die einander gegenüberstehend auf der Trennwand- swisehen des.- Brennkammer* und dem , Abteil für das feste Kühlmittel angefer»eht sind pad di© Brennkammer mit dem Kühlabteil in eier Weise -verbinden-;-

daß sie ein wirbelförmiges Durchstreichen der Verbrennungsgase durch die Kühlmittelfüllung hindurch bewirken.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Lenken der .Verbrennungsgase durch eine Spirale mit konischer Begrenzung im Kühlmittelabteil gebildet wird, wobei die Brennkammer mit der mit dem Abteil für das feste Kühlmittel durch in schräger Richtung gebohrte und einander gegenüber stehende öffnungen gleichen Durchmessers in der Trennwand verbunden werden, derart, daß der Gasstrom in dieselbe Richtung wie die Drehung der Spirale gelenkt wird, um ein wirbelförmiges Durchstreichen der Verbrennungsgase durch die Kühlmittelfüllung zu bewirken .

4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer mit dem Kühlmittelabteil durch eine gleichmäßig durchbrochene Platte verbunden wird und daß die Vorrichtung zum Lenken der Verbrennungsgas aue einer mechanischen Einrichtung in dem KUhlmittelabteil gebildet wird, die die Gase durch die Kühlmittelfüllung oder in unmittelbarer Nähe an ihr vorbei führt, selbst wenn diese teilweise verbraucht ist und gleich, welche Richtung der Generator einnimmt.

5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische- ^einrichtung eine archimedische Spirale ist, die im KUhlmittelabteil angebracht ist und zusammen mit den Wänden des KUhlmitte labte! Is eine schraubenförmige Kammer bildet, die die feste KUhlmitte!füllung enthalt.

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6. Generator nach Anspruch 4*. dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Vorrichtung ein Bündel aus mehreren Rohren ist, das das ganze Kühlmittelabteil einnimmt und die feste Kühlmittelfüllung enthält. ' - '

7. Generator nach Anspruch ...1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Kühlmittelabteil oberhalb der Brennkammer befindet, von der es durch eine Platte mit einer zentra- -*i* Dü-i ^«trennt wird * dergestalt, daß beim vertikal aufgerichteten Generator, der voaflen Verbrennungsgasen von unten nach oben durchströmt wird,selbst wenn ein Teil der Füllung verbraucht ist', das Zusammenstürzen der restlichen Kühlmitteifüllung so geschieht,, daß jeder Abschnitt, flurch den das Gas strömt, von dem Kühlmittel eingenommen wird.

8. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet„ daß die feste Kühlmittelfüllung durch ein hydratisiertes oder nicht hydratisiertes, durch Wärme zersetzbares Salz, insbesondere aus Ammonitimcarbonat oder -biearbo~ nat, Ammoniumcarbamat, Ämmoniumchlorii, toimoniumoxalat, Ammoniumacetat,.Calciuinostalat, Miinoguanidinnitrat, Guanidinoxaiat, Guaiiidinnitrat oder Harnstoff gebildet wird«

..

9.Generator nach Anspruch S_r dadurch gekennzeichnet, daß die feste Kühlmitteifüllung -in Form von Granulat Oder Plätzehen vorlieft» ■ .

lo. Generator nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet, daß

das Propergol ein doppelbasiges gegossenes Propergol mit einer Energie unter oder gleich 5oo cal/g und geringer Verbrennungsgeschwindigkeit ist.

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