DE3421682A1

DE3421682A1 - Process and apparatus for manufacturing a solid propellant charge

Info

Publication number: DE3421682A1
Application number: DE19843421682
Authority: DE
Inventors: Peter 8000 München Goedtke; Heinz Dipl.-Ing. 8035 Gauting Langer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Langer Heinz Dipl-Ing 8035 Gauting De
Priority date: 1983-06-11
Filing date: 1984-06-09
Publication date: 1986-04-30

Abstract

In order to manufacture a solid propellant charge, especially a boron charge, a mixture of a solid propellant, a plastic binder, a hardener if required, and further conventional additives is placed into a mould and pressurised prior to hardening. In this way, cavity-free solid propellant charges having a solid-propellant proportion of more than 70% by weight can be obtained.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Feststoff-Method and device for the production of a solid

Treibsatzes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Feststoff-, insbesondere Bor-Treibsatzes, wobei ein Gemisch aus dem Festtreibstoff sowie ein Kunststoffbinder ggf. zusammen mit einem Härter und weiteren üblichen Additiven in eine Form gegeben und aushärten gelassen wird.Propellant charge The invention relates to a method and a Device for producing a solid, in particular boron propellant, wherein a mixture of the solid propellant and a plastic binder, possibly together with Put a hardener and other common additives in a mold and cure is left.

Feststoff- bzw. Bor-Treibsätze werden hergestellt, indem ein gießfähiges Gemisch aus dem Festtreibstoff, dem Bindemittel, einem Härter und weiteren Additiven, wie Lithiumfluorid, in das Gasgeneratorgehäuse gegossen und aushärten gelassen wird. Nach diesem bekannten Verfahren lassen sich jedoch nur Treibsätze herstellen, deren Festtreibstoffanteil weniger als 70 Gewichtsprozent beträgt.Solid or boron propellants are produced by using a pourable Mixture of the solid propellant, the binding agent, a hardener and other additives, such as lithium fluoride, is poured into the inflator housing and allowed to cure. According to this known method, however, only propellant charges can be produced whose Solid propellant content is less than 70 percent by weight.

Bei einem höheren Festtreibstoffanteil geht nämlich die Gießfähigkeit des Gemischs verloren.With a higher proportion of solid propellant, the pourability goes down of the mixture is lost.

Um den Anteil des Festtreibstoffs zu erhöhen, ist bereits vorgeschlagen worden, die Borteilchen des Borpulvers in Polymetacrylsäuremethylester (Plexiglas) einzukapseln, und zwar durch Suspendieren der Borteilchen in einer acetonischen Lösung dieses Esters. Durch die Kunststoffummantelung der Borteilchen wird nämlich die Gießfähigkeit des Gemischs auch bei höheren Festtreibstoffgehalten bzw. niedrigeren Bindergehalten wieder hergestellt.In order to increase the proportion of solid propellant, it has already been proposed been, the boron particles of the boron powder in polymetacrylic acid methyl ester (Plexiglas) encapsulate by suspending the boron particles in an acetone Solution of this ester. Because of the plastic coating of the boron particles the pourability of the mixture even with higher or lower solid fuel contents Binder hold restored.

Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig und kostspielig.However, this method is complex and expensive.

Weiterhin hat Polymetacrylsäuremethylester einen niedrigeren Heizwert als zum Beispiel hydroxylgruppenterminiertes Polybutadien (HTPB) als Bindemittel. Die so hergestellten Treibsätze weisen ferner keinen konstanten sondern einen progressiven Abbrandverlauf auf, und zwar mit erheblichen Rückständen, d. h. unumgesetzem Bor. Die Dichte ist insbesondere aufgurnd von Lunkerbildung nicht nur innerhalb des Treibsatzes unterschiedlich, und zwar am Rand höher als in dessen Mitte, sondern läßt mit 1,63 g/cm3 durchschnittlich noch zu wunschen übrig.Furthermore, polymetacrylic acid methyl ester has a lower calorific value as, for example, hydroxyl group-terminated polybutadiene (HTPB) as a binder. Furthermore, the propellant charges produced in this way do not have a constant but a progressive one Burning process on, namely with significant residues, d. H. unreacted boron. The density is not only due to the formation of cavities different within the propellant, and higher at the edge than in its Middle, but leaves something to be desired with an average of 1.63 g / cm3.

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw.The invention as characterized in the claims lies therefore the task is based on a process or

eine Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. der Feststoff-Treibsätze, insbesondere Bor-Treibsätze, mit einem hohen Festtreibstoffgehalt auf einfache Weise hergestellt werden können.specify a device with which the solid propellant charge (s), especially boron propellants, with a high solid propellant content in a simple manner can be produced.

Nach der Erfindung wird also von einem Gemsich ausgegangen, das aufgrund des hohen Festtreibstoffanteils bzw.According to the invention, a Gemsich is assumed that due to the high proportion of solid fuel or

niedrigen Binderanteils nicht mehr oder nur noch schwer gießbar ist. Dabei wird ein Feststoff-Treibsatz bzw. Bor-Treibsatz mit einem Festtreibstoffanteil von mindestens 70, vorzugsweise mindestens 75 Gewichtsprozenten erhalten, der lunkerfrei ist und eine außerordentlich hohe Dichte und damit einen entsprechend hohen Heizwert besitzt.low binder content is no longer or difficult to pour. A solid propellant or boron propellant with a solid propellant component is used obtained from at least 70, preferably at least 75 percent by weight, the void-free is and an extremely high density and thus a correspondingly high calorific value owns.

Als Borpulver wird vorzugsweise sogenanntes amorphes Borpulver verwendet, das eine Teilchengröße von maximal ca.So-called amorphous boron powder is preferably used as boron powder, that has a maximum particle size of approx.

1,5 A aufweist. Die Kompression des Gemischs beträgt bei einer Druckbeaufschlagung von 30 bar etwa 10 Volumenprozent. Wird für die Druckbeaufschlagung Vakuum angelegt, ist die Kompression entsprechend geringer. Die Feststoffkomponente setzt sich vorzugsweise aus 30 bis 80 % Bor, 10 bis 30 % Aluminium und 10 bis 40 % Ammoniumperchlorat zusammen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemischs. Es ist ein Feststoffanteil von 90 Gewichtsprozent und mehr erreichbar. Die Teilchengröße des Aluminiumpulvers beträgt 10 bis 20 .1.5 A. The compression of the mixture is when the pressure is applied from 30 bar about 10 percent by volume. If a vacuum is applied for pressurization, the compression is correspondingly lower. The solid component preferably settles composed of 30 to 80% boron, 10 to 30% aluminum and 10 to 40% ammonium perchlorate, each based on the total weight of the mixture. It is a solid fraction of 90 percent by weight and more achievable. The particle size of the aluminum powder is 10 to 20 .

Als Binder wird bevorzugt hydroxylgruppenterminiertes Polybutadien (HTPB) verwendet, als Härter beispielsweise IPDI-Härter.The preferred binder is polybutadiene terminated by hydroxyl groups (HTPB) is used, for example IPDI hardener as hardener.

337,5 g R 45 Ht-Binder, ein hydroxylgruppenterminiertes Polybutadien (Homopolymeres) mit einem mittleren Molekulargewicht von ca. 2800, der auf ca. 70 OC vorerwärmt worden ist, wurden 37,5 g IPDI-Härter (IPDI = Isophorondiisocyanat) innerhalb einiger Minuten zugemischt. Zur Entgasung wurde ein schwaches Vakuum angelegt.337.5 g R 45 Ht binder, a hydroxyl group-terminated polybutadiene (Homopolymer) with an average molecular weight of approx. 2800, which is approx. 70 OC has been preheated, 37.5 g of IPDI hardener (IPDI = isophorone diisocyanate) mixed in within a few minutes. A weak vacuum was applied for degassing.

In das vorgelegte entgaste erwärmte Binder-Härter-Gemisch wurden dann nacheinander innerhalb von etwa 10 Minuten 120,0 g Aluminiumpulver, 390,0 g Natriumchlorid und 615,0 g Borpulver eingerührt. Die einzelnen Feststoffe waren zuvor bei 120 OC etwa 12 Stunden getrocknet worden.In the submitted degassed heated binder-hardener mixture were then successively within about 10 minutes 120.0 g of aluminum powder, 390.0 g of sodium chloride and stir in 615.0 g of boron powder. The individual solids were previously at 120 OC been dried for about 12 hours.

Das Natriumchlorid ersetzt dabei das Ammoniumperchlorat des Bortreibsatzes. Dieser Ersatz macht den Treibsatz inert; er dient daher lediglich der Versuchsvereinfachung.The sodium chloride replaces the ammonium perchlorate in the boron propellant. This replacement makes the propellant inert; it therefore only serves to simplify the experiment.

Das verwendete Natriumchlorid weist eine ähnliche Körnung wie Ammoniumperchlorat auf.The sodium chloride used has a grain size similar to that of ammonium perchlorate on.

Das Gemisch aus der inerten Festtreibstoffkomponente und der Binder-Härter-Komponente wurde anschließend mit einem Rührer bei ca. 550 Umdrehungen pro Minute noch ca. 10 Minuten gerührt, worauf die nicht mehr gießfähige Masse mit einem Spatel in die in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Vorrichtung gegeben wurde.The mixture of the inert solid propellant component and the binder-hardener component was then with a stirrer at approx. 550 revolutions per minute for approx. Stirred for 10 minutes, after which the no longer pourable mass with a spatula into the in Fig. 1 shown in section device was given.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus dem am Boden durch eine Platte 1 verschlossenen Gasgeneratorgehäuse 2, in dem ein Pressenstempel 3 dicht und verschiebbar geführt ist. Das zu diesem Versuch verwendete Gasgeneratorgehäuse 2 weist dabei einen Innendurchmesser von 10 cm und eine Höhe von 14,5 cm auf.The device according to FIG. 1 consists of the one on the ground by a plate 1 closed gas generator housing 2, in which a press ram 3 is sealed and displaceable is led. The gas generator housing 2 used for this experiment has an inside diameter of 10 cm and a Height of 14.5 cm.

Im Pressenstempel 3 ist eine Bohrung 4 mit einem Entlüftungsventil 5 vorgesehen. Die Bohrung 4 dient zur Entlüftung des Inneren des durch die Platte 1, den Mantel 1' und den Pressenstempel 3 eingeschlossenen Raumes. Auch kann an die Bohrung 4 ein Vakuum angelegt werden. Die Innenflächen der Platte 1 des Gehäuses 2 und des Pressenstempels 3 sind mit Tetrafluoräthylen (Teflon) beschichtet.In the press ram 3 is a bore 4 with a vent valve 5 provided. The hole 4 is used to vent the interior of the through the plate 1, the jacket 1 'and the press ram 3 enclosed space. Also can on the bore 4 a vacuum can be applied. The inner surfaces of the plate 1 of the housing 2 and the press ram 3 are coated with tetrafluoroethylene (Teflon).

Das in das Gehäuse 2 der Vorrichtung gemäß Fig. 1 gegebene Gemisch wird dann von Hand eingeknetet und eingeebnet. Anschließend wird der Pressenstempel 3 eingesetzt und mit einer Auflast von 3200 kg hydraulisch belastet, was 40 bar entspricht.The mixture introduced into the housing 2 of the device according to FIG. 1 is then kneaded and leveled by hand. Then the press ram 3 and loaded hydraulically with a load of 3200 kg, which is 40 bar is equivalent to.

Dieser Versuch wurde mit einem Pressenstempeldruck von 5 und 30 bar wiederholt.This experiment was carried out with a press ram pressure of 5 and 30 bar repeated.

Es wurden folgende Dichten des inerten Treibsatzes ermittelt: Druckbeaufschlagung Treibsatz Dichte 5 Rand 1,66 Mitte 1,66 40 Rand 1,64 Mitte 1,64 30 Rand 1,67 Mitte 1,67 30 Rand 1,66 Mitte 1,66 Die Rezeptur des so hergestellten inerten Feststoff-Treibsatzes war dabei folgende: 41 Gew.% Bor 8 Gew.% Aluminium 26 Gew.% Natriumchlorid 2,5 Gew.% IPDI-Härter 22,5 Gew.% HTPD-Binder bei einer Dichte des Bors von 2,282, des Aluminiums von 2,70, des Natriumchlorids von 2,163, des IPDI-Härters von 1,058 und des HTPB-Binders von 0,9165 errechnet sich daraus eine theoretische maximale Dichte des inerten Treibsatzes von 1,670 g/cm3.The following densities of the inert propellant were determined: Pressurization Propellant density 5 edge 1.66 middle 1.66 40 edge 1.64 middle 1.64 30 edge 1.67 middle 1.67 30 rim 1.66 center 1.66 The recipe for the inert solid propellant produced in this way was as follows: 41% by weight boron 8% by weight aluminum 26% by weight sodium chloride 2.5 wt.% IPDI hardener 22.5 wt.% HTPD binder with a density of the boron of 2.282, aluminum 2.70, sodium chloride 2.163, IPDI hardener 1.058 and the HTPB binder of 0.9165, a theoretical maximum is calculated from this Density of the inert propellant charge of 1.670 g / cm3.

Es wurde folgender Ansatz hergestellt: 225 g Binder (R 45 Ht) 25 g Härter (IPDI) 225 g Bor 475 g Gesamtmenge Die Dichte dieses Ansatzes wurde mit 1,29182 g/cm3 nach der Verdrängermethode ermittelt. Damit ergibt sich für die Bordichte 475 V = 1,29182 = 3,67698 . 10² - 2,69129 . 102 = 98,5693 = 225 Bor 98,5693 = 2,28266 g/cm3 Die erfindungsgemäß erreichte Dichte des inerten Treibsatzes bei einer Druckbeaufschlagung von 5 bar ist also mit der theoretischen, maximal erreichbaren Dichte nahezu identisch.The following batch was made: 225 g of binder (R 45 Ht) 25 g Hardener (IPDI) 225 g boron 475 g total amount The density of this approach was 1.29182 g / cm3 determined according to the displacement method. This results in the on-board density 475 V = 1.29182 = 3.67698. 102 - 2.69129. 102 = 98.5693 = 225 boron 98.5693 = 2.28266 g / cm3 The density of the inert propellant achieved according to the invention when pressure is applied of 5 bar is almost identical to the theoretical maximum achievable density.

In Fig. 2 ist im Schnitt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Sie weist außer dem Gasgeneratorgehäuse 2 mit Boden 1 und Pressenstempel 3 noch eine Presse 6 auf, die aus einem Boden 7 mit einer Vielzahl von öffnungen oder Düsen 8, einem Gehäuse 9 und einem in dem Gehäuse 9 dichtend verschiebbar geführten Pressenstempel 10 besteht.In Fig. 2 is a further embodiment of a device in section shown for performing the method according to the invention. She knows besides that Gas generator housing 2 with base 1 and press ram 3 still has a press 6 on which from a base 7 with a multiplicity of openings or nozzles 8, a housing 9 and a press ram 10 which is guided in a sealingly displaceable manner in the housing 9.

Mit der Presse 6 wird die Treibstoffmasse in das Generatorgehäuse 2 eingebracht. Die Düsen 8 führen dabei zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Treibstoffmasse in dem Gasgeneratorgehäuse 2 als wenn sie in Form eines oder mehrerer Klumpen eingebracht werden. Das Gasgeneratorgehäuse 2 bzw. dessen Boden 1 kann mit einer Heizeinrichtung versehen sein, desgleichen die Presse 6.With the press 6, the fuel mass is in the generator housing 2 introduced. The nozzles 8 lead to a more even distribution of the Fuel mass in the gas generator housing 2 as if in the form of one or more Lumps are introduced. The gas generator housing 2 or its bottom 1 can with a heating device, as well as the press 6.

Weiterhin weist das Gasgeneratorgehäuse eine Gasgeneratorisolierung 11 und eine schaumförmige Treibsatzisolierung 12 auf. Beim Bedrücken des Gemischs werden gleichzeitig die Isolierungen 11 und 12 komprimiert. Der vorgespannte Schaum der Treibsatzisolierung. 12 dient mit zur Treibsatzbefestigung im Gasgenerator.Furthermore, the gas generator housing has gas generator insulation 11 and a foam-shaped propellant insulation 12. When pressing the mixture the insulation 11 and 12 are compressed at the same time. The pre-tensioned foam the propellant insulation. 12 is used to fasten the propellant in the gas generator.

In Fig. 3 ist noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt, die sich von der nach Fig. 2 im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß die Presse 6 durch eine Einrichtung 6' mit einer Förderschnecke 13 ersetzt ist. 14 stellt dabei die Antriebswelle der Förderschnecke 12 und 15 einen Abschlußdeckel dar.In Fig. 3 is yet another embodiment of the invention Device shown schematically, which differs from that of FIG. 2 essentially differs only in that the press 6 by a device 6 'with a Conveyor screw 13 is replaced. 14 represents the drive shaft of the screw conveyor 12 and 15 represent a cover plate.

Wenn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Treibsatz unter Druck hergestellt wird, muß der Druck ständig nachgeregelt werden. Der Grund dafür besteht in einem chemischen Reaktionsschrumpf des Gemischs während des Aushärtens. Um die geforderten Treibsatzabmessungen (Durchmesser x Länge) genau einhalten zu können, ist es daher notwendig, diesen Reaktionsschrumpf durch eine entsprechend größere Menge des Gemischs zu kompensieren.If, according to the process of the invention, a propellant under pressure is established, the pressure must be continuously readjusted. The reason is there in a chemical reaction shrinkage of the mixture during curing. To the to be able to precisely adhere to the required propellant dimensions (diameter x length), it is therefore necessary to reduce this reaction shrinkage by a correspondingly larger one Compensate amount of mixture.

So ist festgestellt worden, daß ein bedrücktes Gemisch mit einer Länge von 1500 mm und einem Durchmesser von 320 mm beim Aushärten unter Nachregeln des Drucks einen Volumenverlust von etwa 1,5 % erleidet. Bei einer Treibstoffdichte von 1,67 g/cm3 entspricht das einer Treibstoffgewichtsminderung von 3,2 kg.It has thus been found that a pressurized mixture with a length of 1500 mm and a diameter of 320 mm when hardening with readjustment of the Pressure one Suffers volume loss of about 1.5%. At a Fuel density of 1.67 g / cm3 corresponds to a reduction in fuel weight of 3.2 kg.

Dieser Gewischtsverlust läßt sich jedoch vermeiden, wenn bei vorgegebenem Durchmesser des Generatorgehäuses von 320 mm das Gemisch mit einer Länge von 1522 mm in das Generatorgehäuse gegossen wird. Das Gemisch wird dann gegebenenfalls unter Erwärmen auf z. B. 80 OC ausgehärtet, wobei ein konstanter Druck von z. B. 40 bar während des Aushärtens aufrechterhalten wird.However, this weight loss can be avoided if at a given Diameter of the generator housing of 320 mm the mixture with a length of 1522 mm is poured into the generator housing. The mixture is then optionally under Heating to z. B. cured 80 OC, with a constant pressure of z. B. 40 bar is maintained during curing.

Claims

Method and device for producing a solid propellant Claims 1. A method for producing a solid, in particular boron propellant, whereby a mixture of the solid propellant, a plastic binder, possibly a hardener and other common additives is put in a mold and allowed to harden, in that the solid propellant content of the mixture set to more than 70%, based on the total weight of the mixture, and that Mixture is pressurized before it hardens in the mold.

2. The method according to claim 1 for the production of a boron propellant, as a result, the fact that the solid propellant content of the mixture is related based on the total weight of the mixture, made up of 30 to 80% boron powder, 10 to 30% Composed of aluminum powder and 10 to 40% ammonium perchlorate.

3. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that for the production of the mixture the binder and possibly the hardener as well as the others Submitted additives and for degassing, if necessary with application of a vacuum, to 50 to 90 bC are heated for at least one hour, after which the atmospheric pressure at more than 100 OC are added to dried solids for at least one hour.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized g e k It is noted that the mixture is in the mold with a pressure of at least 3 bar is applied.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized g e k It should be noted that a vacuum is applied to the mixture during pressurization is created.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized g e k It is noted that to compensate for the reaction shrinkage of the mixture a correspondingly larger amount of the mixture is used during the curing process.

7. Device for performing the method according to one of the claims 1 to 6, in that the form in which the mixture is used is pressurized, a press ram (3) is arranged displaceably.

8. Apparatus according to claim 7, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the shape through the gas generator housing (2), including the gas generator and propellant insulation (11 or 12) is formed.

9. Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that g e -k e n n z e i c h n e t that in the press ram (3) a bore (4) for applying a vacuum is provided.

10. Device according to one of claims 7 to 9, characterized g e k e n n z e i c h n e t that a press (6) with a with a plurality of openings (8) provided bottom (7) is provided for pressing the mixture into the mold.

11. Device according to one of claims 7 to 9, characterized g e k e It is noted that there is a driven screw conveyor (13) for pushing through of the mixture is provided in the form.