DE3015904C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gepreßten zweibasigen Raketentreibstoffs auf Zellu­ losenitratbasis mit Flammendämpfung und hoher Abbrandge­ schwindigkeit.

Aufgrund der Herstellungsmethoden ist es üblich, zwi­ schen gegossenen und gepreßten Raketentreibstoffen zu unterscheiden. Aus chemischer Sicht sind Raketentreibstof­ fe in der Regel sogenannte zweibasige Treibstoffe, d. h. sie bestehen zu mehr als 50 Gewichtsprozent aus Cellulose­ nitrat plus niedermolekularen Nitratestern, die gewöhnli­ cherweise aus Glycerintrinitrat (Nitroglycerin) oder Diglykoldinitrat bestehen.

Bei der Herstellung von gegossenen Raketentreib­ stoffen ist es üblich, von einem einbasigen Cellulose­ nitratpulver auszugehen, d. h. einem Treibstoff, der kein oder mindestens nur einen kleinen Teil von nieder­ molekularen Nitratestern enthält, und dieses Pulver in körniger Form in ein Gefäß einzufüllen, das die gleiche Form hat wie der gewünschte Raketenkörper, woraufhin eine Gußflüssigkeit, hauptsächlich bestehend aus Glycerintrinitrat, in ausreichender Menge unter Druck beigefügt wird, um so die Zwischenräume zwischen den Körnern des Pulvers gänzlich auszufüllen. Daraufhin wird der so erhaltene Treibstoffkörper bei erhöhter Temperatur für einige Tage einer homogenisierenden Hitzebehandlung ausgesetzt. Diese Behandlung ergibt einen homogenen Körper eines zweibasigen Treibstoffes.

Für die Herstellung eines gepreßten Raketentreib­ stoffs wird zuerst auf herkömmliche Weise eine ausge­ walzte Matte von zweibasigem Pulver hergestellt, die dann in eine Rolle aufgerollt wird, die in eine Preß­ kammer eingeführt wird, wo sie unter dem Einfluß eines Kolbens od. dgl. in die gewünschte Form gebracht wird. Um zu erreichen, daß sowohl der gepreßte als auch der gegossene Treibstoff eine Abbrandgeschwindigkeit er­ reicht, die ausreichend hoch und relativ unabhängig vom Druck ist, müssen vergleichsweise hohe Anteile an Verbrennungsmodifikatoren oder Katalysatoren dem Treibstoff beigefügt werden, die unter die Pulverbasis bei deren Herstellung untergemischt werden, unabhängig davon, ob die Pulverbasis für die Herstellung eines gegossenen oder eines gepreßten Treibstoffes verwendet wird. Das Beifügen der Katalysatoren ist an sich kein großes Problem, es gab aber andererseits im Falle von gepreßten Raketen­ treibstoffen große Schwierigkeiten mit dem Auslöschen der Flamme, die sich als Schweif hinter dem Raketenantrieb ausbildet, da Treibstoffgase, die nicht zur Gänze ver­ bracht worden sind und den Raketenantrieb verlassen, sich in der Luft hinter diesem entzünden und verbrennen.

Es ist eine Tatsache, daß zur Unterdrückung der frag­ lichen Flamme auf einen für militärische Zwecke akzeptablen Pegel so große Anteile an derzeit bekannten Flammen­ dämpfern, wie z. B. gewisse Salze der Alkalimetalle oder andere Mischungen, die Alkalimetallionen enthalten, bei­ gefügt werden müssen, daß diese den Einfluß der Katalysa­ toren auf die Abbrandgeschwindigkeit des Treibstoffes ernsthaft beeinflussen.

Das Problem der Beeinflussung der Katalysatorwirkung auf das Pulver durch die Flammendämpfer tritt im Prinzip auch bei gegossenen Raketentreibstoffen auf, aber in die­ sem Falle ist das Probvlem bereits ungefähr 1956 gelöst worden. Die Lösung des Problems für den Fall gegossener Raketentreibstoffe ist deshalb u. a. in US-PS 39 60 621 beschrieben. Das in der Patentschrift beschriebene Ver­ fahren beruht im Prinzip darauf, daß man zwei Chargen von Pulver auf einbasiger oder eventuell zweibasiger Zellulose­ nitratbasis mit einem maximalen Glycerintrinitratgehalt von 35 Gewichtsprozent herstellt, wobei der ersten, größeren Charge eine angemessene Menge Katalysator beigefügt wird, diese aber völlig frei von Flammendämpfer ist, während die zweite, kleinere Charge des Pulvers einen hohen Gehalt von Flammendämpfer hat, aber völlig frei von Katalysatoren ist.

Die US-Patentschrift erwähnt als geeignete Katalysatoren Bleistereat, Bleicitrat, Bleisalicylat, Blei-2,4-dihydroxy­ benzoat, Bleisulfid, Bleioxidkupferoxalat, Kupfersalicylat, Kupfer-2,4-dihydroxybenzoat und Kupfer-II-oxid. Der Voll­ ständigkeit halber soll noch erwähnt werden, daß auch Kaliumcrylolith und Ruß in kleinen Mengen von ungefähr 0,1 bis 1 Gewichtsprozent sich als gute Katalysatoren, besonders für gepreßte Raketentreib­ stoffe erwiesen hat.

Die in der US-Patentschrift erwähnten Katalysatoren müs­ sen in Mengen beigefügt werden, die sich bis zu 6 bis 7 Ge­ wichtsprozent summieren, es wurden aber oft gleichzeitig meh­ rere verschiedene Katalysatoren beigefügt.

Die in der US-Patentschrift erwähnten Flammendämpfer be­ stehen aus Alkalisalzen, wie z. B. Kaliumsulfat, Kaliumnitrat, Kaliumaluminiumfluorid und Kaliumditartrat, die für diesen Zweck gewöhnlicherweise verwendet werden.

Gemäß der US-PS 39 60 621 sollen die Größen der zwei Pulverchargen ein Verhältnis von ungefähr 3 : 1 aufweisen.

In den beiden Pulverchargen müssen der Gehalt von Katalysator und Flammendämpfer so gewählt sein, daß die gesamte Pulvermenge nach dem Trockenmischen der beiden Chargen sowohl den gewünschten Katalysatorge­ halt als auch den gewünschten Flammendämpfergehalt hat. Nach dem Mischen der beiden Pulverchargen wird das Gießen durchgeführt, d. h. die Gußflüssigkeit auf Glycerintrinitratbasis wird beigefügt und die Hitze­ behandlung wird in bekannter Weise durchgeführt.

Bei gegossenen Raketentreibstoffen, die auf die beschriebene Weise hergestellt wurden, scheinen Katalysatoren und Flammendämpfer sich gegenseitig nicht zu beeinflussen, da diese Zusätze, obwohl sie im wesentlichen gleichmäßig im Treibstoffkörper ver­ teilt sind, immer noch getrennt sind.

Aus der DE-AS 12 12 458 ist es bekannt, die Zusammen­ setzung, die das Flammendämpfungsmittel enthält, zu ver­ pressen. Dabei können dem Kunststoffbindemittel und dem Kaliumsulfat auch noch anorganische Oxidationsmittel zu­ gesetzt werden, so daß eine Art Compositetreibstoff ent­ steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Herstellung eines gepreßten zweibasigen Raketentreibstoffes mit guter Flammenunterdrückung und hoher Abbrandgeschwindigkeit zu schaffen, d. h. zur Herstellung eines Raketentreibstoffes, der optimale Mengen von Flammendämpfern und Katalysatoren aufweist, ohne daß diese Komponenten sich beim Abbrand des Treibstoffes beeinflussen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Ver­ fahren der obengenannten Art gelöst, das dadurch ge­ kennzeichnet ist, daß von einer zweibasigen Pulvermasse, die alle Bestandteile bis auf die notwendigen Katalysato­ ren und Flammendämpfer enthält, ein kleiner Teil genom­ men wird, in den ein herkömmlicher Flammendämpfer vom z. B. Alkalisalztyp in einer Menge eingemischt wird, die auf die gesamte Pulvermasse abgemessen ist, während in den verbleibenden, größeren Teil der Pulvermasse an sich bekannte Katalysatoren in einer Menge eingemischt werden, die auf die gesamte Pulvermasse abgemessen ist, daß daraufhin beide Teilmengen getrennt voneinander durch mechanische Bearbeitung in eine zweckmäßige Form umgewandelt werden und daß daraufhin die beiden Teil­ mengen entweder lagenweise oder im ganzen zusammenge­ mischt werden und unter solchen Bedingungen durch eine Matrize in einen zusammenhängenden Treibstoffkörper kompri­ miert werden, daß die beiden Teilmengen Längsadern im fertigen Treibstoffkörper bilden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist gewährleistet, daß die einzelnen Zonen der Pulvermasse, d. h. die Zonen, die mit Flammendämpfer bzw. die mit Katalysator angereichert sind, nebeneinander bestehenbleiben, und sich die Wirkung der Flammendämpfer und der Katalysatoren nicht gegen­ seitig beeinflussen.

Dabei kann die getrennte Verarbeitung der Teilmengen darin bestehen, daß die Teilmengen der Pulvermasse zu Matten von 0,5 bis 2 mm Dicke ausgerollt werden und ent­ weder abwechselnd aufeinandergelegt und zu einem lockeren Treibstoffkörper gerollt werden, oder klein geschnitten wer­ den und trocken miteinander gemischt werden, woraufhin der gerollte Körper bzw. die Mischung durch eine Matrize ge­ preßt wird, um einen zusammenhängenden Treibstoffkörper zu bilden.

Vorteilhaft ist es dabei, daß die kleine Teilmenge der Pulvermasse 5 bis 15 Prozent der gesamten Pulvermasse entspricht und dieser Teilmenge höchstens 50 Gewichtsprozent Flammendämpfermittel beigefügt wird.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von vier Beispielen und der Figuren näher er­ läutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein allgemeines Abbranddiagramm für einen Ra­ ketentreibstoff,

Fig. 2 ein Abbranddiagramm der erfindungsgemäßen Treibstoffe 1 und 4 und

Fig. 3 ein Abbranddiagram der Vergleichs- Treibstoffe 2 und 3.

Gemäß der Erfindung wird zuerst in bekannter Weise eine zweibasige Pulverpaste hergestellt, die 50 bis 65 Gewichtsprozent Cellulosenitrat enthält, ein oder ein paar Gewichtsprozent Stabilisatoren, z. B. in der Form von Acardit oder Zentralit oder eventuell Triacetin oder andere übliche Weichmacher für Pulver, und deren Rest im wesentlichen aus Glycerintrinitrat oder einem anderen niedermolekularen Nitratester besteht.

Von dieser Pulvermasse wird eine erste kleinere Charge abgenommen, in die ein geeigneter Flammendämpfer einge­ mischt wird. Dieser Flammendämpfer kann aus Natriumanti­ monat oder Kaliumbitartrat bestehen, oder aus irgendeinem der obenerwähnten herkömmlichen Flammendämpfer. Der Ge­ halt an beigemengtem Flammendämpfer sollte durch praktische Tests bestimmt werden. Der höchste geeignete Gehalt an Flammendämpfer sollte aber ungefähr 50 Gewichtsprozent betragen, es kann aber eine wesentlich kleinere Beimengung, z. B. 10 oder 20 Prozent, ausreichend sein, wenn nicht im fertiggestellten Treibstoff ein extrem hoher Gehalt an Flammendämpfer erwünscht ist.

Die Beimengung an Flammendämpfer sollte so groß sein, daß sie dem Anteil an Flammendämpfer entspricht, der für die gesamte Pulvermasse gewünscht ist.

Nach der Beimengung des Flammendämpers wird die Pul­ verpaste zwischen geheizten Walzen in Matten gewalzt, die eine Dicke von ungefähr 1 mm haben und in Körner geschnit­ ten werden kann, z. B. mit einer Größe von 1,5 × 1,5 mm.

Die für die gesamte Pulvermasse gewünschte Menge von Katalysator wird daraufhin in die zweite, größere Pulver­ charge eingemischt. Nach der Beimengung des Katalysators wird auch diese Pulvercharge ausgewalzt und kann daraufhin wie im Falle der kleineren Charge mit dem Flammendämpfer in Körner geschnitten werden.

Diese zwei Chargen von körnigem Pulver werden darauf­ hin trocken gemischt. Die erste, kleinere Charge, die den gesamten Anteil an Flammendämpfer enthält, sollte ungefähr 10 Prozent der gesamten Pulvermasse betragen. Es hat sich aber gezeigt, daß das erfindungsemäße Ver­ fahren auch mit einer erheblich größeren Beimischung funktioniert, was aber vom Standpunkt der Herstellung unpraktischer ist. Nach dem Mischen wird die Pulvermischung unter einem Druck durch eine Matrize gepreßt, der geeignet ist, daß die Pulverkörner zusammenhaften, ohne ihre Identität in erheblichem Maße zu verlieren, und so, daß die ursprünglichen Pulverkörner im fertiggestellten Treibstoffkörper längliche Adern ausbilden.

In einzelnen Fällen kann es ausreichend sein, die gewalzten Matten lagenweise übereinander zu legen und diese Matten in einen relativ lockeren Treibstoffkörper zusammenzurollen, der daraufhin in der oben beschriebenen Weise extrudiert wird.

Bei der Extrudierung wird dem Treibstoffkörper der ge­ wünschte Querschnitt gegeben. Eine gleichmäßig einge­ schnürte Spritzdüse, vorzugsweise mit einem kegligen Zentraldorn in herkömmlicher Weise versehen, die mit einem Teil von gleichmäßiger Dicke abschließen kann, liefert auf diese Weise einen rohrförmigen Treibstoff­ körper.

Fig. 1 zeigt ein allgemeines Abbranddiagramm für einen Raketentreibstoff, bei dem die x-Achse den Druck in Bar und y-Achse die Abbrandgeschwindigkeit in mm/Sek. zeigt. In dem gezeigten Abbranddiagramm ist das mehr oder weniger horizontale Plateau der Teil, der für Raketentreibstoffe von Interesse ist, da der Raketenan­ trieb in diesem Druckbereich des Plateaus betrieben wird. Wird die Abbrandgeschwindigkeit herabgesetzt, so versetzt sich das Plateau nach unten.

In den im folgenden gegebenen Beispielen wurde als Ausgangsstoff eine Grundmischung verwendet, die aus einem zweibasigen Treibstoff bestand, der ungefähr 60 Gewichtsprozent Cellulosenitrat, 2 Gewichtsprozent Stabilisator (Acardit), 4 Gewichtsprozent Triacetin und als Rest Glycerintrinitrat enthielt.

Ferner wurden in den Treibstoffbeispielen 1 und 4 Katalysatoren beigemengt und zwar 3 Gewichtsproznet Blei-2,4-dihydroxybenzoat und 3 Gewichtsprozent Kupfer- 2,4-dihydroxybenzoat, d. h. eine Summe von 6 Gewichts­ prozent Katalysator, bezogen auf die Menge des fertig­ gestellten Raketentreibstoffs. In den Treibstoffen 2 und 3 waren die Mengen der Kupfer- und Bleiverbindungen je­ weils 2,5 Gewichtsprozent.

Diese Raketentreibstoffe wurden dann zum Test abge­ brannt bei den extremen Temperaturen von -30°C bis +60°C.

Fig. 2 zeigt die Abbrandkurven bei +60°C und -30°C für die Treibstoffe 1 und 4 im Vergleich.

Treibstoff 4 ist gemäß der Erfindung hergestellt und enthält gemessen an der gesamten Treibstoffmenge 5 Ge­ wichtsprozent Natriumantimonat. Dieser Anteil an Natrium­ antimonat wurde zuerst in 10 Gewichtsprozent der gesamten Treibstoffmasse eingemischt, woraufhin die so erhaltenen Grundmischungen in Matten gewalzt und in Körner von geeigneter Größe geschnitten wurden. In die restlichen 90 Prozent Treibstoffmasse wurde die gesamte Katalysa­ tormenge eingemischt, woraufhin auch diese Treibstoff­ masse in Matten gewalzt und ebenso in Körner geschnit­ ten wurde. Die zwei Treibstoffe mit und ohne Flammen­ dämpfer (Natriumantimonat) und mit und ohne Katalysator wurden daraufhin trocken gemischt und zu einer Presse gebracht, in der die Treibstoffmischung durch eine Matrize in die gewünschte Form extrudiert wurde. Der so erhaltene Raketentreibstoff wies eine gute Flammendämpfung auf, und wie aus der Kurve zu ersehen ist, ist sein "Plateau" nahezu genauso gut ausgebildet, wie für den entsprechenden Treibstoff (Treibstoff 1) ohne Flammen­ dämpfer, d. h. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren war es möglich, den negativen Effekt des Flammendämpfers auf die Abbrandkatalysatoren fast völlig auszuräumen. Die Tatsache, daß der Flammendämpfer gemäß dem erfindungs­ gemäßen Verfahren beigefügt werden muß, kann aus den Abbrandkurven von Fig. 3 bei +60°C und -30°C für Treibstoff 2 und 3 ersehen werden.

Treibstoff 3 ist ein Vergleichstreibstoff ohne jeden Flammendämpfer, aber mit der gleichen Menge an Abbrand­ modifikatoren wie Treibstoff 2. Das Fehlen des Flammendämpfers und die deshalb auftretende Flamme machen den Treibstoff 3 unbenutzbar für praktischen Ge­ brauch, auch wenn er ansonsten gute Werte hat.

Treibstoff 2 enthält 1,5 Gewichtsprozenz an Kaliumkryolith als Flammendämper, welches aber schon vor dem Beginn des Verfahrens gleichmäßig in der gesamten Treibstoffmasse verteilt wurde, zusammen mit den obenerwähnten Katalysatormengen. Wie aus Fig. 3 zu sehen ist, bringt dies mit sich, daß die Abbrandkurven der Treibstoffe gleichzeitig mit dem gestörten und ungleichmäßigen Abbrand er­ heblich absinken.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines gepreßten zwei­ basigen Raketentreibstoffs mit Flammunterdrückung und hoher Abbrandgeschwindigkeit, dadurch gekenn­ zeichnet, daß von einer zweibasigen Pulver­ masse, die alle Bestandteile bis auf die notwendigen Katalysatoren und Flammdämpfungsmittel enthält, ein kleiner Teil genommen wird, in dem ein herkömmliches Flammdämpfungsmittel von z. B. Alkalisalztyp in einer Menge eingemischt wird, die auf die gesamte Pulvermasse abgemessen ist, während in den verbleibenden, größeren Teil der Pulvermasse an sich bekannte Katalysatoren in einer Menge eingemischt werden, die auf die gesamte Pul­ vermasse abgemessen ist, daß daraufhin beide Teilmengen getrennt voneinander durch mechanische Bearbeitung in eine zweckmäßige Form umgewandelt werden und die beiden Teilmengen entweder lagenweise oder im ganzen zusammengemischt und durch eine Matrize zu einem zusammenhängenden Treibstoffkörper derart kompri­ miert werden, daß die beiden Teilmengen Längsadern im fertigen Treibstoffkörper bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Teilmengen der Pulver­ masse zu Matten von 0,5 bis 2 mm Dicke ausgerollt werden, die abwechselnd aufeinandergeschichtet und zu einem loc­ keren Treibstoffkörper aufgerollt werden, welcher durch eine Matrize gepreßt wird, um einen zusammenhängenden Treibstoff­ körper zu bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Teilmengen der Pulvermasse zu Matten von 0,5 bis 2 mm Dicke ausgerollt werden, die in Körner geschnitten und trocken miteinander gemischt werden, woraufhin die Mischung durch eine Matrize gepreßt wird, um einen zusammenhängenden Treibstoffkörper zu bilden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere Teilmenge der Pulvermasse 5 bis 15% der gesamten Pulvermasse ent­ spricht und dieser Teilmenge höchstens 50 Gewichtsprozent Flammdämpfungsmittel hinzugefügt wird.