DE3704305C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Composit-Festtreibstoff
aus einem Oxidator und einem härtbaren Binder aus
einem telomeren Polybutadien oder einem Polymeren von
Butadien und Acrylnitril mit endständigen oder statistisch
entlang der Kette verteilten funktionellen Gruppen, einem
Polyether oder Polyester, welcher ferner Kohlenstoff und
eine über 2400°C schmelzende Metallverbindung als Abbrandmoderator
sowie gegebenenfalls weitere Zusätze, wie
Weichmacher oder Abbrandkatalysatoren, enthält.
Um die Leistung zu steigern, werden Composittreibstoffen
Leichtmetalle, wie Aluminium oder Magnesium, zugesetzt.
Diese Leichtmetalle bilden bei der Verbrennung Oxide und
damit Feststoffteilchen, die einen Primärrauch erzeugen.
Bei Feststoffraketen für militärische Zwecke ist die
Rauchentwicklung jedoch möglichst gering zu halten.
Durch den Einsatz von telomeren Polybutadienen, wie
hydroxylterminiertem Polybutadien (HTPB), Polymeren von
Butadien und Acrylnitril mit endständigen oder statistisch
entlang der Kette verteilten funktionellen Gruppen,
Polyethern und Polyestern, konnte der Feststoffgehalt der
Treibstoffe bei gleichbleibender Leistung und gleichbleibenden
und sogar verbesserten mechanischen Eigenschaften
erhöht und somit auf die Verwendung der Primärrauch
bildenden Leichtmetalle verzichtet werden. Es hat sich
jedoch gezeigt, daß, wenn die Leichtmetalle weggelassen
werden, ein instabiles Abbrandverhalten auftritt.
Die Feststoffteilchen bewirken nämlich eine Dämpfung der
Gasschwingungen, die in der bis auf die Düse abgeschlossenen
Brennkammer eines Raketentriebwerks entstehen
und die den normalen Verbrennungsprozeß beeinträchtigen
und im Extremfall sogar zur Zerstörung des Raketentriebwerks
und damit zum Verlust des Flugkörpers führen können.
Um diesen Verbrennungsinstabilitäten zu begegnen, ist
vorgeschlagen worden, dem Treibstoff eine geringe Menge
eines Abbrandmoderators aus einer hochschmelzenden Metallverbindung
und Kohlenstoffteilchen zuzusetzen. So werden
in der GB-PS 8 62 289 als Metallverbindungen zur Dämpfung
von Verbrennungsinstabilitäten Zinkoxid und Magnesiumoxid,
in der GB-PS 9 64 437 Aluminiumoxid und in der DE-AS
24 27 480 Metallcarbide oder Oxide von Thorium, Wolfram,
Silicium, Molybdän, Aluminium, Hafnium, Vanadium und
Zirkonium vorgeschlagen.
Der Zusatz von Zink- oder Magnesiumoxid führte jedoch zu
keiner befriedigenden Dämpfung. Gleiches gilt für Aluminiumoxid,
bei dem, wie nachstehend angegeben, sogar in
einem Fall die Zerstörung eines Triebwerks festgestellt
wurde. Die in der DE-AS 24 27 480 beschriebenen Metallcarbide
führen zwar zu einer deutlichen Dämpfung der
Verbrennungsinstabilitäten, jedoch lassen die mechanischen
Eigenschaften des bekannten Festtreibstoffs zu wünschen
übrig. Auch führt die nach der DE-AS 24 27 480 vorgeschlagene
Verwendung des Kohlenstoffs in Form von hohlen
Kügelchen zu Problemen im Hinblick auf die mechanischen
Eigenschaften des Treibstoffs und, da die Kügelchen leicht
zerbrechen und damit zu einer Viskositätserhöhung führen,
auch im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit des Treibstoffs.
Aus der US-PS 39 86 910 ist es bekannt, Composit-Treibstoffen, z. B.
Nitride von Metallen der Gruppe II des Periodensystems oder von
Aluminium oder Bor zuzusetzen, um den kritischen Druck zu erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen möglichst rauchlosen
Composit-Treibstoff hoher Leistung mit einem stabilen
Abbrandverhalten über einen weiten Bereich der Brenngeschwindigkeit
und verbesserten mechanischen Eigenschaften
zur Verfügung zu stellen.
Die wird erfindungsgemäß mit einem Composit-Treibstoff
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erreicht, der als
Abbrandmoderator-Metallverbindung ein über 2400°C schmelzendes
Nitrid, Carbonitrid oder Borid
von Zirkon, Titan,
Wolfram, Hafnium, Tantal oder Niob enthält.
Durch den Schmelzpunkt von über 2400°C wird sichergestellt,
daß die Metallverbindung auch bei den hohen
Temperaturen der Verbrennungsgase des Treibstoffs in
fester Form vorliegt und damit in der Lage ist, die
Gasschwingungen im Triebwerk zu dämpfen. Die Teilchengröße
der Metallverbindung sollte dabei zwischen 1 bis 20 µm
betragen, vorzugsweise zwischen 3 und 12 µm. Sie richtet
sich vor allem nach der Triebwerksgeometrie. Um eine
spürbare Dämpfung zu erreichen, müssen wenigstens 0,1
Gew.-% der Metallverbindung in dem Treibstoff enthalten
sein, wobei der Gehalt der Metallverbindung im allgemeinen
zwischen 0,5 und 2 Gew.-% liegt.
Der Gehalt an Kohlenstoff, vorzugsweise in Form von Ruß,
beträgt in dem erfindungsgemäßen Treibstoff 0,1 bis 5
Gew.-%, wobei ein Gehalt von 2 Gew.-% oder weniger
meistens ausreicht.
Der erfindungsgemäße Treibstoff weist, bezogen auf das
Gewicht, vorzugsweise folgende Zusammensetzung auf: 60 bis
90% feste Oxidatoren, 8 bis 30% Binder,
0,1 bis 5% Abbrandmoderatoren (Metallverbindung und Ruß)
sowie 0 bis 4% Abbrandkatalysator.
Der feste Oxidator besteht vorzugsweise aus einem Ammoniumsalz
der Salpeter- und/oder Perchlorsäure. Weitere
erfindungsgemäß einsetzbare Oxidatoren sind Nitramine, wie
Hexogen oder Oktogen, welche auch im Gemisch mit den
Monosalzen der Perchlor- und Salpetersäure verwendet
werden können.
Als Binder werden erfindungsgemäß telomere Polymere, wie
Polybutadien, Copolymere von Butadien und Acrylnitril,
Polyester, Polyether und Caprolactone mit funktionellen
Gruppen eingesetzt. Die funktionellen Gruppen können
entweder endständig oder statistisch entlang der Kette
verteilt sein. Bevorzugte Polymere sind carboxylterminierte
Polyester und Polybutadiene, hydroxylterminierte Polybutadiene,
Polyether, Caprolactone oder Copolymere von
Butadien und Acrylsäure oder Terpolymere von Butadien,
Acrylsäure und Acrylnitril.
Besteht die funktionelle Gruppe aus einer Carboxylgruppe,
so können diese Polymere mit Aziridinen, Epoxiden oder
Aminen ausgehärtet werden. Die Aushärtung der Polymere mit
Hydroxylgruppen erfolgt vorzugsweise mit Di- oder Polyisocyanaten,
und zwar im Hinblick auf eine Herabsetzung der
Rauchbildung vorzugsweise mit aliphatischen Di- oder
Polyisocyanaten. Je nach der Reaktivität des verwendeten
Isocyanats können ferner Härtungsbeschleuniger oder Härtungsinhibitoren
zugegeben werden.
Das Bindersystem kann weitere Zusätze enthalten, die nicht
am Härtungsprozeß beteiligt sind. So können zur Erhöhung
der Gießbarkeit des Treibstoffs Weichmacher, wie Kohlenwasserstoffe,
Ester oder Nitroester, Nitroformale/Acetale,
welche wegen der Nitro-Gruppen energetisch bevorzugt sind,
Prozeßhilfen, wie Viskositätsverminderer, z. B. Lecithin,
Antioxidationsmittel usw. zugesetzt werden.
Als Abbrandkatalysatoren werden z. B. Eisenoxid, Kupferchromit,
Kupferoxid, Manganoxid, n-Butylferrocen, Ferrocen,
Catocene usw. eingesetzt, und zwar je nach geforderter
Abbrandgeschwindigkeit des Treibstoffs in einer Menge
von 0 bis 4 Gew.-%.
Der Ruß und die Metall-Nitride, -Carbonitride und -Boride
des erfindungsgemäßen Treibstoffs stellen Abbrandmoderatoren
dar. Die Dichte und der Schmelzpunkt einiger erfindungsgemäß
verwendeter Abbrandmoderator-Metallverbindungen
sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben:
Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich, weisen die Metallverbindungen
einen hohen Schmelzpunkt von 2800 bis 3250°C
und, abgesehen von Bornitrid, eine hohe Dichte von 4,5 bis
15,3 g/cm³ auf. Eine hohe Dichte wird im allgemeinen
ebenfalls als wünschenswert für die Dämfungseigenschaften
angesehen. Darüber hinaus wird durch eine hohe Dichte der
Volumenfüllgrad des Treibstoffs entsprechend vermindert
und dadurch dessen Verarbeitbarkeit verbessert.
Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung
der Erfindung.
Es wurden 8 Treibstoffe mit der in der nachstehenden
Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzung hergestellt.
Als Oxidator wurde Ammoniumperchlorat und als Abbrandkatalysator
Eisenoxid in den Beispielen 1 bis 8 eingesetzt.
Der Binder, der Aushärtungskatalysator, der Weichmacher
und sonstige Zusätze wurden in allen Beispielen 1 bis 8 in
gleicher Zusammensetzung und gleicher Menge eingesetzt.
Die Beispiele 1 bis 3 stellen Vergleichsversuche dar, die
Beispiele 4 bis 8 geben erfindungsgemäße Treibsätze
wieder. r ist die Abbrandgeschwindigkeit bei einer
Temperatur des Treibstoffs von 20°C und einem Druck in der
Brennkammer von 70 bar.
Die Verbrennungsstabilität wurde mit drei unterschiedlichen
Brennern bestimmt. Dabei ist A ein Röhrenbrenner mit
einem Innendurchmesser der Brennkammer von 5,08 cm,
B ein Sterninnenbrenner mit einem Brennkammerinnendurchmesser
von 6,99 cm und C ein
Stern-Röhreninnenbrenner mit einem Brennkammerinnendurchmesser
von 13,97 cm.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, zeigt keiner der Treibstoffe
nach den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 ein stabiles
Abbrandverhalten in allen drei Brennern A, B und C,
während bei dem erfindungsgemäßen Treibstoff nach den
Beispielen 4 bis 8 in allen drei Brennern A, B und C ein
stabiler Abbrand festgestellt wurde.
In der beigefügten Zeichnung stellen die Fig. 1 bis 6
Diagramme dar, welche den Druckverlauf in den Brennern A,
B und C mit einem Treibstoff nach den Vergleichsbeispielen
bzw. mit einem erfindungsgemäßen Treibstoff in Abhängigkeit
von der Brennzeit wiedergeben.
Dabei zeigen die Fig. 1 bis 3 den Druckverlauf im
Röhrenbrenner A mit dem Treibstoff nach dem Vergleichsbeispiel
2, im Sterninnenbrenner B mit einem Treibstoff
nach dem Vergleichsbeispiel 1 bzw. im Sternröhrenbrenner
C und einem Treibstoff nach dem Vergleichsbeispiel
2, während die Fig. 4 bis 6 den Druckverlauf in den
Brennern A, B und C mit dem erfindungsgemäßen Treibstoff
nach dem Beispiel 5 wiedergeben.
Dabei lassen die Fig. 1 bis 3 erhebliche Druckschwankungen
und damit Verbrennungsinstabilitäten erkennen,
wobei der in Fig. 2 gezeigte Druckanstieg sogar zur
Explosion des Raketentriebwerks führte. Demgegenüber
führt in allen drei Brennern A, B und C der erfindungsgemäße
Treibstoff zu einem annähernd konstanten Druckverlauf
und damit stabilem Abbrand.
Der erfindungsgemäße Treibstoff zeigt gegenüber einem
Treibstoff, der Carbide als Abbrandmoderatoren enthält,
darüber hinaus völlig überraschend eine erhebliche
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in einem
weiten Temperaturbereich, insbesondere bei tiefen
Temperaturen.
Dazu wurde als Vergleichsbeispiel 9 ein Treibstoff
gemäß dem Beispiel 5 hergestellt, der jedoch statt
1,0 Gewichtsprozent Zirkoniumnitrid 1,0 Gewichtsprozent
Zirkoniumcarbid als Abbrandmoderator enthielt. In
der nachstehenden Tabelle 3 sind die mechanischen
Eigenschaften der Treibstoffe mit Zirkonnitrid als
Abbrandmoderator (Beispiel 5) und mit Zirkoncarbid
als Abbrandmoderator (Vergleichsbeispiel 9) wiedergegeben.
Es ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Treibstoff (Beispiel 5)
mit einem Elastizitätsmodul von 1,75, einer Zugfestigkeit von 0,51 und
einer Bruch- bzw. maximalen Zugfestigkeit von 0,48/52 bzw. 0,51/45 bei
+65°C bei einer Temperatur von -54°C einen Elastizitätsmodul von
20,0 aufweist, d. h. noch relativ elastisch ist, während der Treibstoff
nach dem Vergleichsbeispiel 9 mit annähernd gleichen Festigkeitseigenschaften
bei +65°C bei -54°C einen Elastizitätsmodul von
35,9 aufweist, d. h. deutlich spröder ist.
Claims (5)
1. Composit-Festtreibstoff aus einem Oxidator, einem härtbaren
Binder aus telomeren Polybutadienen, Polymeren von Butadien und Acrylnitril
mit endständigen oder statistisch entlang der Kette verteilten
funktionellen Gruppen, Polyethern oder Polyestern, einem Abbrandmoderator
aus einer Metallverbindung mit einem Schmelzpunkt über 2400°C und
Ruß sowie weiteren Zusätzen, wie Weichmachern oder Abbrandkatalysatoren,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abbrandmoderator-Metallverbindung ein
Nitrid, Carbonitrid oder Borid von Zirkon, Titan, Wolfram, Hafnium,
Tantal oder Niob ist.
2. Festtreibstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abbrandmoderator-Metallverbindung Zirkonnitrid ist.
3. Festtreibstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß er die Abbrandmoderator-Metallverbindung in einer Menge zwischen 0,1
und 5%, vorzugsweise 0,5 bis 2%, bezogen auf das Gewicht des Festtreibstoffs,
enthält.
4. Festtreibstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abbrandmoderator-Metallverbindung eine Teilchengröße
zwischen 1 und 20 µm, bevorzugt zwischen 3 und 12 µm, aufweist.
5. Festtreibstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß er, bezogen auf sein Gewicht, 60 bis 90% Oxydator,
8 bis 30% Binder, 0,1 bis 5% Abbrandmoderator und 0 bis 4%
Abbrandkatalysator enthält.
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