DE2633652C3

DE2633652C3 - Inhibierung für Treibsätze

Info

Publication number: DE2633652C3
Application number: DE2633652A
Authority: DE
Inventors: Georg Lobermeyer; Ruediger Dipl.-Chem. Dr. Strecker
Original assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Current assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Priority date: 1976-07-27
Filing date: 1976-07-27
Publication date: 1979-01-25
Also published as: NO772017L; DE2633652A1; NO143662B; FR2359805B3; FR2359805A1; DE2633652B2; NO143662C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Matten oder Vliesen aus Keramikfasern zur Inhibierung von Treibsätzen vom Stirnbrennertyp mit Langzeitabbrand, insbesondere für Gasgeneratoren.

Gasgeneratoren aus Festtreibstoff für die Lenkung von Flugkörpern gewinnen ständig an Bedeutung. Von besonderem Interesse sind hierbei Treibstoffe auf der Basis von Ammoniumnitrat, da sie am besten die an die Systeme gestellten Anforderungen zu erfüllen vermögen, nämlich geringe Abbrandgeschwindigkeit, Nichtkorrosivität der Verbrennungsgase, niedrige Verbrennungstemperaturen und ruß- und partikelfreie Verbrennungsgase.

Die bekannten Treibstofftypen erfüllen weitgehend die genannten Bedingungen und können daher dann für Gasgeneratoren eingesetzt werden, wenn die Treibsatzauslegung als Innenbrenner-Konfiguration erfolgt jo Nicht durch den Treibstoff bedingte Probleme treten dann auf, wenn lange Aktionszeiten bei relativ geringen Massendurchsätzen gefordert sind und damit eine Stirnbrenner-Konfiguration verlangt wird. Die obengenannte Forderung nach ruß- und partikelfreiei; Verbrvrnnungsgasen ist dann nicht mehr erfüllbar. Daher bestand das Bedürfnis nach einer Inhibierung für Gasgenerator-Treibsätze in Stirnbrennerausführung, die diese Bedingungen erfüllt

Inhibierungen auf anorganischer Basis bieten beste Gewähr für einen ruß- und partikelfreien Abbrand von Treibsätzen aus Ammoniumnitrat-Treibstoffen. Meistens liegen derartige Materialien für Inhibierungen aber in einer Form vor, die einer erfolgversprechenden Verarbeitung und Verwendung im Wege stehen; sie sind entweder nicht temperaturstabil und spröde oder porös. Die Auswahl hatte daher nach folgenden Kriterien zu erfolgen:

ausgezeichnete thermische Isolationsfähigkeit, Unempfindlichkeit gegen Temperaturschock und

direkte Flammeneinwirkung,
Langlebigkeit bei hohen Temperaturen,
Elastizität,
Verträglichkeit mit den verwendeten

Treibstoffen,

rationelle Verarbeitungsmöglichkeit,
genügende Flexibilität, um Volumenänderungen
des Treibsatzes aufzufangen.

Diesen Forderungen entsprach ein als Wärmeschutz — auch in der Raumfahrt — bewährtes, aus Aluminiumoxid Und Siliciumdioxid bestehendes, lockeres, weißes Keramikfaser-Material aus Fasern mit einem Durchmesser bis zu ΙΟμηΊ. Dieses chemisch inerte, hochtemperaturbeständige Fasermaterial liegt in Form von Matten oder Vliesen vor.

Erfindungsgemäß werden Matten oder Vliesen aus

Keramikfasern zur Inhibierung von Treibsätzen vom Stirnbrennertyp mit Langzeitabbrand, insbesondere für Gasgeneratoren, in einer eine oder mehrere Wicklungen um den Treibsatz aufweisenden, mittels eines inhibierenden Zwei-Komponenten-Klebstoffs untereinander und mit dem Treibsatz verbundenen Schicht verwendet Die Inhibierung wird in der Weise auf den Treibsatz aufgebracht, daß den Abmessungen des Treibsatzes entsprechende Abschnitte von Matten oder Vliesen aus Keramikfasern mil einem inhibierenden Zwei-Komponenten-Klebstoff beschichtet und auf den Treibsatz in einer oder mehreren Wicklungen durch Aufrollen aufgebracht mit einer vorgespannten Gummimatte umwickelt und bei Temperaturen zwischen ca. 20 und ca. 70° C ausgehärtet werden, worauf die Gummimatte entfernt und überstehnde Stücke der Inhibierung beseitigt werden.

Zweckmäßig wird der Treibsatz vor Aufbringen der Wicklungen mit dem gleichen Zwei-Komponenten-Klebstoff beschichtet

Als inhibierender Zwei-Komponenten-Klebstoff wird eine anorganische oder organische Füllstoffe enthaltende Mischung aus hydroxylterminiertem oder carboxylterminiertem Polybutadien oder Polyester als Binder und Isocyanaten, Aziridinen oder Epoxiden als Härter, Alterungsschutzmitteln wie Phenyl-/?-naphthylamin und Beschleunigern wie Eisenacetylacetonat verwendet. Die anorganischen Füllstoffe können z. B. aus Kaolin, Lithopone (ZnS+ BaSO₄). Asbestmehl und TiO₂ bestehen; als organische Füllstoffe sind z. B. Hostaform (Acetalpolymerisat auf Basis Trioxan) oder Delrin (Polyoxymethylen) geeignet

Die Inhibierung findet vorzugsweise Anwendung für Ammoniumnitrat-Treibstoffe, deren Binderkomponente aus hydroxyl- oder Carboxylterminiertem Polybutadien oder Polyester, auch Polyäther, z. B. Polypropylenglykol, besteht, das mit Isocyanaten, Aziridinen oder Epoxiden vernetzt wird. Ferner enthalten die Treibstof- ^ fe Kühlmittel wie Ammoniumoxaiat oder Dicyandiamid, übliche Weichmacher und Abbrandmoderatoren wie Fe₃O], Miloriblau, Chromate bzw. Dichromate. Sie besitzen folgende Rahmenrezeptur:

Gew.-%

Ammoniumnitrat 75 bis 81 Kühlmittel Obis 6 Weichmacher 5 Binder und Härter 13 Abbrandmoderatoren ca. 1

Die Aushärtung des Treibstoffs wird in üblicher Weise 14 Tage bei 50° C vorgenommen.

Die Inhibierung ist aber auch für Treibsätze aus doppelbasigem (sog. DB-) Treibstoff geeignet Für diesen Treibstoff wird folgende Rahmenrezeptur genannt:

Nitrocellulose

(ca. 12^ bis 12^% N)
Nitroglycerin
Weichmacher
Stabilisator
Abbrandmoderatoren
Preßhilfen

Gew.-%

44 bis 60
28 bis 47

Ibis 12

2 bis 5

0,1 bis 1,2

Für das Vorbereiten und Aufbringen der erfindungsgemäßen Inhibierung wird folgendes Beispiel beschrieben.

Eine aus Keramikfasern bestehende Matte wird den Dimensionen des Treibsatzes (z. B. 90 mm χ 50 mm 0) entsprechend (660 χ 100 mm) zugeschnitten und mindestens 16 Stunden bei 80⁰C vorgetrocknet Die vorbereitete, vorgetrocknete Keramikfaser-Matte wird auf einer Polyesterfolie (zum Schutz des Arbeitsplatzes gegen Verschmutzung) ausgebreitet und der Zwei-Komponenten-Kleber, der die nachfolgend als Beispiel genannte Zusammensetzung besitzt serpentinenartig im dünnen Strahl aufgegossen und verteilt

Gew.-%

Hydroxylterminiertes	67,82
Polybutadien	0,01
Fe(IH)-acetylacetonat	0,70
PhenyI-/?-naphthylamin	25,00
Kaolin	6,45
Hexamethylendiisocyanat	0,02
Acetylaceton

100,00

Die Menge des Klebers richtet sicä naturgemäß nach den Dimensionen der zu beschhhtenden Matte, beträgt aber etwa 10% des Gewichtes des ; r inhibierenden Treibsatzes. Die Matte wird auf den auf seiner Längsseite ebenfalls mit der vorgenannten Mischung versehenen Treibsatz mit Hilfe einer Wickelvorrichtung unter leichtem Druck und gleichmäßiger Rollbewegung glatt anliegend aufgewickelt In gleicher Weise können weitere Wicklungen aufgebracht werden, wobei ein Laminat einer Schichtdicke bis zu 5 mm erhalten werden sollte. Bei einer Schichtdicke des Keramikfaser-Materials von ca. 0,5 mm können also — die Klebstoffschicht eingerechnet — bis zu zehn Wicklungen erforderlich sein.

Zum Anpressen dieser Wicklungen wird eine auf 560 χ 100 mm zugeschnittene Gummimatte mit einem Ende in die an der Wickelvorrichtung vorgesehene Halterung eingespannt, das freie Ende durch kräftigen Zug vorgespannt und unter Beibehaltung dieser Spannung um den beschichteten Treibsatz gewickelt und z.B. mit Hilfe eines Klebebandes fixiert Das Bodenteil des Treibsatzes wird ebenfalls mit dem inhibierenden Zwei-Komponenten-Kleber etwa 3 bis 4 mm stark beschichtet und bei 60⁰C in vertikaler Position bei 16 bis 20 Stunden ausgehärtet Nach beendeter Härtung entfernt man die Gummimatfe und die überstehenden Teile der Inhibierung an der Stirnseite des Treibsatzes.

ίο Beim Abbrand der Treibstoffe wurden Feststoffpartikel- (d. h. Oxid- und Rußabscheidung) und Temperaturmessungen durchgeführt Da die Rußabscheidung temperaturabhängig ist, wurde eine Versuchsanordnung gewählt, die von den zur Zeit in der Entwicklung

ι? stehenden Systemen abweicht Die Messungen wurden nach Expansion auf 1 bar, d.h. hinter der Düse, vorgenommen. Dabei diente ein mit Quarzwolle gefülltes Filter als Feststoff- bzw. Rußabscheider. Die Temperaturmessung erfolgte im Generatorgas nach Passieren des Filters. Anhand des Temperaturveriaufs, des Massenflusses und des Brennkammerdruckes wurde der theoretisch mögliche Rußanteil mit Hilfe eines Computerprogramms berechnet Hierbei mußte der durch die Inhibierung hinzukommende Ruß- bzw. Feststoffanteil außer acht gelassen werden. Die Tabelle 1 zeigt die für drei Treibstofftypen erhaltenen Versuchsergebnisse. Spalte 6 zeigt den Gesamtfeststoffanteil pro 530 g Treibsatz bei den untersuchten Treibstoffen, wie er experimentell durch Zurückwiegen

jo des Filters erhalten wurde. Da sich der Gesamtfeststoffgehalt aus Abbrandmoderator, Füllstoff des Zwei-Komponenten-Klebstoffs und Ruß zusammensetzt, wurde mittels Computer die Art und Menge des Metalloxids ermittelt (Spalte 7). Dabei ergibt sich einheitlich FejO₄,

)"> wenn entweder Miloriblau oder FejO₃ als Abbrandmoderator in den Treibstofftypen verwendet wurde. Durch Differenzbildung vom Gesamtfeststoffgehalt (Spalte 6) und Abbrandmoder?.torge;.i>U (Spalte 7) wurde der Gehalt an Feststoffpartikel und Ruß (Spalte

8) erfaßt. Einzelwerte und Mittelwerte der Versuchsreihe pro Treibstofftyp sind der Tabelle I zu entnehmen.

Da bei Gasgenerator-Treibstoffen auf Basis Ammoniumnitrat niedere Verbrennungstemperaturen (ca. 1400° K) und damit langsamere Reaktionsgeschwindig-

« keiten vorliegen, stellen die unter Voraussetzung von Gleichgewichtsreaktionen berechneten Werte nur obere Grenzwerte dar. Die experimentell erhaltenen Werte zeigen, daß die Inhibierung — wenn überhaupt — nur unwesentlich zur Feststoffpartikel- und Rußbildung

ίο beiträgt.

Tabelle I

Abbrandversuche und Bestimmung des FeststofTgehalts bei Gasgeneratortreibsätzen auf Basis Ammoniumnitrat

I 2

TreibslolT-Type Nr.

3
Druck

Pm

(bar)

4 5

Brennzeit r

la

(S)

(mm/s)

Feststoff
gefunden

g/530 g FTS

8 9

ι berechn. Ruß gefunden Ruß berechn.

g/530 g FTS g/530 g FTS g/530 g ITS

NB 400 003

99,5
101,9
87,0
82,2
67,5

57,90
58,50
61,75
65,40
64,75

1,73
1,71
1,62
1,52
1,55

Mittelwert

0,82
0,82
0,82
0,82
0,82

5,68
3,18
4,18
3,68
4,68

7,67

0,82

4.28

	2	5	3	4	26	5	33 652	7	6	8	9
Fortsetzung	Nr.		Druck	Brennzeit		r		FejC>4 berech n.		Ruß gefunden	Ruß berechn.
I		Pm	ι«		6
Treibstoir-Type		(bar)	(S)	(mm/s)	Feststoff	g/530 g FTS	g/530 g FTS	g/530 g FTS
	1	Hl	131,6	0,76	gefunden	2,55	5,45	-
	2	75,7	101,5	0,98	g/530 g FTS	2,55	7,15	-
NB 400 013	3	85,3	100,8	0,99	8,0	2,55	5,45	-
	4	105,65	954	1,05	9,7	2,55	3,45	-
	8	32,58	135,4	0,74	8,0	2,55	6,45	10,40
					6,0	2,55	5,59
	6	171,4	63,45	1,57	9,0	2,48	1,52	11,43
Mittelwert	7	73,2	61,0	1,64	8,14	2,48	1,52	12,39
NB 400 017	8	67,5	62,8	1,59	4,00	2,48	1,52	13,85
					4,0	2.48	1.52
		4,0
Mittelwert		4.0

Bei Ammoniumnitrat-Treibsätzen können sich bekanntlich in den ballistischen bzw. mechanischen Eigenschaften infolge der Phasenumwandlung von Ammoniumnitrat Änderungen ergeben. Die durch diese Phasensprünge bedingten, erheblichen Volumenkontraktionen bzw. Volumenvennehrungen können sich auf die Inhibierung bzw. auf die Haftung zwischen Inhibierung und Treibsatz auswirken. Deshalb wurden einige mit der Inhibierung umwickelte Treibsätze einem Temperaturzyklisierungsprogramm unterworfen, wobei die Phasenumwandlungspunkte (—18° bzw. 35 bis 45° C) bie jedem Zyklus je zweimal durchlaufen wurden. Der Zeitplan für die Temperaturwechsellagerung wird anschließend schematisch dargestellt

+ 50"C

	X	: 6 Std. .	+ 20⁰C	X	Zyklus	-40⁰C	+ 20"C
+ 20⁰C			6 Std.		6 Std.	6 Std.
6Std.



I

20°C abgebrannt Zum Vergleich wurde ein nicht dem Zyklus unterworfener Treibsatz abgebrannt

Tabelle II

Treibsatz
Nr.

Anzahl der
Zyklen

Druck p_m Brennzeit i_a r

(bar)

(S)

(mm/s)

1	8	75,3	60,10	,66
2	8	80,6	58,60	,71
3	21	79,4	57,90	,73
4	21	81,1	58,05	,72
Vergleich 0	79,9	59,60	,58

x bedeutet, daß an dieser Stelle eine Phasenumwandlung stattfindet.

In der folgenden Tabelle H sind die Abbrandergebnisse von wechseltemperaturgelagerten Ammoniumnitrat-Treibsätzen wiedergegeben. Die Treibsätze 1 und 2 wurden nach acht Temperaturzyklen, die Treibsätze 3 und 4 nach 2! Temperaturzyklen entnommen und bei

Es ist erkennbar, daß die Ergebnisse ausgezeichnet übereinstimmen.

Die Uniersuchurgen zeigen, daß die Inhibierung einen rußfreien Abbrand besitzt und so flexibel ist, daß auch bei den den bekannten Phasemimwandlungen unterworfenen Ammoniumnitrat-Treibstoffen die Haftung zwischen Treibsatz und Inhibierung erhalten bleibt.

Analoge Untersuchungen wurden auch für doppelbasige Treibstoffe durchgeführt Nachdem schon bei den Ammoniumnitrat-Treibstoffen nachgewiesen wurde, daß die Inhibierung keinen Anteil zum Ruß- bzw. Feststoffgehalt im Abgas beiträgt, galt es hier vor allem festzustellen, ob ein neutraler Abbrand (d. h. mit Kastendiagramm ohne Druckspitzen) zu erreichen ist und ob die Inhibierung aufgrund der wesentlich höheren Verbrennungstemperaturen (ca. 2000° K) erhalten bleibt. Hierbei werden vollauf befriedigende Ergebnisse erhalten. So ist die Isolierung nach dem Ausbrand des Treibstoffs unversehrt erhalten. Das Druckdiagramm zeigt keinen Druckanstieg während des Abbrandes, d. h., es kommt nicht zu dem bei doppelbasigen Treibstoffen gefürchteten konischen Abbrand.

Die Inhibierung ist auch für Treibsätze mi; Innenbrenner-Konfiguration geeignet.

Claims

Patentanspruch:

Verwendung von Matten oder Vliesen aus Keramikfasern zur Inhibierung von Treibsätzen vom Stirnbrennertyp mit Langzeitabbrand, insbesondere für Gasgeneratoren, in einer eine oder mehrere Wicklungen um den Treibsatz aufweisenden, mittels eines inhibierenden Zwei-Komponenten-Klebstoffs untereinander und mit dem Treibsatz verbundenen Schicht.