DE3723118C2 - Nitrocellulose-Treibstoffgemisch - Google Patents
Nitrocellulose-TreibstoffgemischInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Treibstoffgemisch auf Basis von
Nitrocellulose (NC), das ein Mittel zum Modifizieren der
ballistischen Eigenschaften (nachstehend als "Ballistik-
Modifikator" bezeichnet) enthält, um über bedeutende
Druckbereiche die Wirkung der Plateau- oder Mesa-Verbren
nung hervorzurufen.
Die Herstellung von Nitrocellulose-Treibstoffen wird im
Kapitel 17 des Buches "High Explosives and Propellants" von
S. Fordham, 2. Auflage, Pergamon Press 1980, beschrieben.
Die Herstellung eines gegossenen Doppelbasis-
Nitrocellulose-Treibstoffs wird auch in den GB-PS 827 012
und 10 95 471 beschrieben.
Für eine gegebene Zündtemperatur steht die Brenngeschwin
digkeit eines Treibstoffs in einer Brennkammer mit dem
Druck,
dem der Treibstoff ausgesetzt ist, im allgemeinen in einer
Weise in Beziehung, die mathematisch durch den Ausdruck
r = k.pn
ausgedrückt werden kann, worin r die Brenngeschwindigkeit
ist, p der Druck ist und k und n Konstanten sind, die für
den Treibstoff charakteristisch sind. Infolgedessen steigt r
mit zunehmendem p exponentiell an, und logr nimmt mit logp
linear zu, wobei die graphische Darstellung von logr als
Funktion von logp eine Gerade mit dem Steigungskoeffizienten
n ist. Bei einem gebräuchlichen Treibstoff ohne Ballistik-
Modifikator hat der Druckexponent n einen Wert von 0,5 bis
0,8, und für den Raketenantrieb bringt die fortschreitende
Erhöhung der Brenngeschwindigkeit mit zunehmendem Druck bei
der Konstruktion von Motoren, die den Drücken, die entwic
kelt werden könnten, widerstehen, Probleme mit sich. Zur
Überwindung dieser Probleme sind Treibstoffgemische auf Ba
sis von NC entwickelt worden, die Ballistik-Modifikatoren
enthalten, wobei die Modifikatoren in der Hinsicht wirksam
sind, daß sie die Beziehung zwischen der Brenngeschwindig
keit und dem Druck so modifizieren, daß der Druckexponent n
über einen geeigneten Betriebsdruckbereich vermindert wird.
In dem Bereich, wo n = 0, enthält die graphische Darstellung
von logr als Funktion von logp einen ebenen Teil, der als
"Plateau" bezeichnet wird, und die Verbrennung wird als
"Plateau-Verbrennung" bezeichnet. In einigen Fällen wird n
über einen bestimmten Druckbereich auf einen negativen Wert
vermindert, und eine solche Treibstoffverbrennung wird als
"Mesa-Verbrennung" bezeichnet. Ballistik-Modifikatoren, die
eine Verminderung des Druckexponenten bewirken, werden nach
stehend als "Mittel, die zur Plateau-Verbrennung befähigen"
bezeichnet. Zur Plateau-Verbrennung befähigte Treibstoffe
führen im Bereich des Plateaus zu einer verminderten Verän
derlichkeit des Betriebsverhaltens des Motors, und die Mesa-
Verbrennung liefert zusätzliche Sicherheit gegen die Ent
wicklung von hohem Druck im Treibstoffbehälter.
Zu Ballistik-Modifikatoren (zu Mitteln, die zur Plateau-Ver
brennung befähigen), die üblicherweise verwendet werden, ge
hören organische Salze wie z. B. Bleisalicylat, Bleistearat
oder Blei-β-resorcylat und können auch zusätzliche Metall
salze wie z. B. Kupfersalicylat, Kupferstearat oder Kupfer
benzoat gehören. Die Verwendung solcher Ballistik-Modifika
toren wird z. B. in den US-PS 30 88 858 und 39 23 564, in
der GB-PS 21 21 399 und in der JP-PS J 55071690 beschrieben.
Ein bevorzugter Modifikator für relativ schnell verbrennende
Treibstoffe besteht aus dem Reaktionsprodukt von Blei-β-re
sorcylat und basischem Kupfer(II)-salicylat, wie es in den
US-PS 31 38 499, 39 94 757, 39 89 776 und 40 01 287 be
schrieben wird.
Die DE 33 16 676 A1 beschreibt einen Treibstoff auf
Nitrocellulosebasis, dem Ballistikmodifikatoren beigemischt
sind. Die Druckschrift nennt als Ballistikmodifikator
Kupferbenzoat sowie organische und anorganische Bleisalze.
Die US 3,506,505 A beschreibt ein Treibstoffpulver auf
Nitrocellulosebasis, bei dem die Körner des Pulvers mit einem
Weichmacher, Graphit und mindestens einem anorganischen Pigment
beschichtet sind. Als Beispiel für dieses anorganische Pigment
wird Zinkoxid genannt. Durch die Zugabe von 0,1 bis 1,0 Gew.-% Zinkoxid wird ein
besserer Poliereffekt sowie eine leichtere Entzündbarkeit der
Treibstoffpulverkörner erreicht.
Ferner beschreibt die DE 30 15 904 A1 ein Verfahren zur
Herstellung eines gepressten zweibasigen Raketentreibstoffes
mit guter Flammenunterdrückung und hoher
Abbrandgeschwindigkeit, wobei der Raketentreibstoff optimale
Mengen von Flammdämpfern und Katalysatoren aufweist, ohne dass
diese Komponenten sich beim Abbrand des Treibstoffes
beeinflussen.
Die gegenwärtig verwendeten Ballistik-Modifikatoren weisen
in einiger Hinsicht Mängel auf. So zeigen Treibstoffgemi
sche, die zur Plateau-Verbrennung befähigt sind, oft eine
schlechte Reproduzierbarkeit der Plateaueigenschaften von
Charge zu Charge, chemische Unbeständigkeit bei langzeitiger
Lagerung, Verbrennungsinstabilität während der Verbrennung
und eine Drift der ballistischen Eigenschaften bei der Lage
rung. Infolgedessen besteht ein Bedarf an verbesserten Treib
stoffgemischen mit modifizierten ballistischen Eigenschaften,
insbesondere an schnell verbrennenden, zu einer guten Pla
teau-Verbrennung befähigten Gemischen hoher Energie, die nö
tigenfalls Aluminium oder hohe Konzentrationen energierei
cher Füllstoffe wie z. B. Nitramin, beispielsweise RDX (Cy
clo-1,3,5-trimethylen-2,4,6-trinitramin), enthalten.
Die Erfinder haben nun festgestellt, daß durch Verwendung
eines Ballistik-Modifikators, der Zinkoxid oder eine Mischung aus Zinkoxid
und mindestens einer Blei- oder Kupferverbindung
umfasst, wobei der Ballistik-Modifikator in einer Menge von
2 bis 8 Gew.-% vorliegt, Treib
stoffe auf NC-Basis mit einem verbesserten Plateau- oder Me
sa-Verbrennungsverhalten erhalten werden können. Dieser Mo
difikator führt zu Plateaus guter Qualität, die von Charge
zu Charge reproduzierbar sind, und die modifizierten Treib
stoffe erfahren bei der Lagerung keine Drift der ballisti
schen Eigenschaften.
Zinkoxid ist ein wirksamer Ballistik-Modifikator für Treibstoffe auf
NC-Basis, wozu gegossene und extrudierte Doppelbasis-Treibstoffe
gehören, wenn es allein oder in Mischung mit mindestens einem Blei-
und/oder Kupfer-Ballistik-Modifikator wie z. B. Blei-β-resorcylat und
Bleisalicylat verwendet wird, um die Plateau-Brenngeschwindigkeit zu
verbessern. Mit solchen gemischten Ballistik-Modifikatoren kann die
Plateau-Brenngeschwindigkeit eines Treibstoffs auf die Anforderungen
eines bestimmten Raketenmotors "abgestimmt werden", und sogar die
Brenngeschwindigkeit von Treibstoffen mit hoher Brenngeschwindigkeit
kann - in einigen Fällen um 19% - erhöht werden. Die modifizierten
Treibstoffe haben eine verbesserte chemische Beständigkeit, wie sie
durch verbesserte Ergebnisse bei der Rissprüfung wiedergespiegelt
wird. Dies ist einer Reaktion zwischen dem Zinkoxid und protischen
saueren Verunreinigungen zuzuschreiben, die in dem Treibstoffgemisch
vorhanden sind und in Abwesenheit von Zinkoxid einen Abbau von
Salpetersäuereestern verursachen.
Die Erfinder haben auch festgestellt, dass durch die Einbeziehung
von Zinkoxid als Modifikator in Nitrocellulose-Treibstoffe die
Verbrennungsinstabilität abgeschwächt oder beseitigt wird. Die
Verbrennungsinstabilität wird durch Schall-Resonanzwellen
verursacht, die sich während der Verbrennung des Treibstoffs in
einem Hohlraum des Raketenmotors aufschaukeln und starke
Schwankungen des Druck/Zeit-Brennverhaltens bewirken. Es wird
angenommen, dass diese Verbesserung dem Zinkoxid zuzuschreiben ist,
das wegen seines hohen Schmelzpunkts als Resonanzunterdrücker wirkt.
Folglich enthält ein Treibstoffgemisch auf NC-Basis gemäß der
Erfindung als Ballistik-Modifikator Zinkoxid oder die vorstehend
beschriebene Mischung in dem vorstehend definierten
Gewichtsverhältnis.
Zu geeigneten Blei- und Kupferver
bindungen für diesen Zweck gehören Bleistearat, Bleicitrat,
Bleiphthalat, Bleiacetophthalat, Bleisalicylat, Blei-β-resorcylat,
basisches Kupfersalicylat, Kupfer-β-resorcylat und
Kupferoxid.
Die erfindungsgemäßen Treibstoffgemische enthalten
2 bis 8,0 Gew.-% des Ballistik-Modifikators, und
bevorzugt 0,15 bis 5,0 Masse-%
Zinkoxid.
Zusätzlich zu der Nitrocellulose und dem Ballistik-Modifika
tor können die erfindungsgemäßen Treibstoffgemische gebräuch
liche Treibstoffbestandteile enthalten, wozu NG (Nitroglyce
rin; in Doppelbasis-Treibstoffen); Stabilisatoren, z. B. p-
Nitro-N-methylanilin, 2-Nitrodiphenylamin oder Resorcin;
Plastifiziermittel, z. B. Octaacetylsaccharose, Triacetin
oder Dibutylphthalat; energiereiche Komponenten, z. B. ein
Nitramin wie RDX oder ein Pulver eines Metalls wie Aluminium;
Brenngeschwindigkeits-Moderiermittel, z. B. Ruß; Schmiermit
tel, z. B. Candelillawachs; polymere Bindemittel, z. B. mit
Isocyanat vernetztes Polycaprolacton; Aufflammungsunterdrüc
ker bzw. Überschlaglöscher, z. B. Kaliumnitrat; und Resonanz
unterdrücker, z. B. Siliciumcarbid, gehören.
Erfindungsgemäße Treibstoffgemische, die zur Plateau-Verbren
nung befähigt sind, können über weite Bereiche der Energie
und der Brenngeschwindigkeit variieren. So können brauchbare
Gemische formuliert werden, die den Energiebereich von
3350 J/g bis 5024 J/g und Brenn
geschwindigkeiten von 4 mm/s bis 45 mm/s einschlie
ßen. Das Gemisch kann durch die üblichen Verfahren zur Her
stellung von Treibstoffen hergestellt werden, wie sie für
die einzelnen Arten von Nitrocellulose-Treibstoffen geeignet
sind.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele und die Vergleichsbeispiele näher er
läutert. In den Beispielen sind alle prozentualen Anteile
auf die Masse bezogen.
Die Beispiele waren Treibstoffchargen mit den in Tabelle 1
gezeigten Zusammensetzungen, die durch Standardverfahren zur
Herstellung von Treibstoffen hergestellt wurden, wie sie im
Kapitel 17 des Buches "High Explosives and Propellants" von
S. Fordham, 2. Auflage, Pergamon Press 1980, beschrieben wer
den. Abgesehen von dem Zinkoxid waren die verwendeten Be
standteile üblicherweise verwendete Treibstoffkomponenten.
Die Beispiele 3 bis 6 waren gegossene Doppelbasis-Treibstof
fe, die durch ein Standardverfahren hergestellt wurden, bei
dem ein zweibasiges bzw. Doppelbasis-Treibladungspulver, das
die meisten der Bestandteile enthielt, durch ein Lösungsmit
tel-Einmischverfahren hergestellt und dann mit einer Gieß
flüssigkeit vermischt wurde, die etwa die Hälfte des Nitro
glycerins, das gesamte Triacetin und einen Teil des Stabili
sators enthielt. Zur Prüfung der Brenngeschwindigkeiten wur
den aus dem gegossenen Treibstoff Platten und von ihrem Ende
her verbrennende Ladungen geschnitten und in einem Motor bei
einer Anfangstemperatur von 21°C (falls keine andere Angabe
gemacht wird) verbrannt.
Die Beispiele 1 und 2 wurden durch das Lösungsmittelverfah
ren hergestellt. Der Treibstoff dieser Beispiele wurde zu
18 cm langen Strängen mit einem Durchmesser von 2 mm extru
diert, die durch Behandlung mit Vinyllack oberflächeninhi
biert wurden, wobei eine in konstanter Weise verbrennende
Endfläche zurückgelassen wurde. Die Brenngeschwindigkeiten
der Stränge wurden über eine Reihe von Drücken gemessen, als
die Stränge von der unbehandelten Endfläche her unter einer
Stickstoffatmosphäre in einem Crawford-Bomben-Gerät zur Ver
brennung von Strängen bei einer Anfangstemperatur von 21°C
(falls keine andere Angabe gemacht wird) verbrannt wurden.
Dieses Beispiel war ein zur Plateau-Verbrennung befähigtes, durch
Lösungsmittelextrusion hergestelltes Doppelbasis-Treibstoffgemisch, das
als einzigen Ballistik-Modifikator 4,00% Zinkoxid enthielt. Die
ballistischen Eigenschaften (Brenngeschwindigkeit in Abhängigkeit vom
Druck) sind in Fig. 1 in Form von log Brenngeschwindigkeit als Funktion
von log Druck graphisch dargestellt. Die graphische Darstellung zeigt,
dass das Zinkoxid bei einem Druckbereich von 175 bis 225 bar zu einer
Plateau-Brenngeschwindigkeit von 18 mm/s führte.
Dieses Beispiel war ein zur Plateau-Verbrennung befähigter, durch
Lösungsmittelextrusion hergestellter Doppelbasis-Treibstoff, der
dieselbe Zusammensetzung wie Beispiel 1 hatte, außer dass der
Ballistik-Modifikator aus 2,0% Zinkoxid und 2,0% Blei-β-resorcylat
bestand. Aus den Ergebnissen der Prüfung der ballistischen
Eigenschaften dieses Gemischs, die in Fig. 2 graphisch dargestellt
sind, geht hervor, dass dieses Gemisch über einen Druckbereich von etwa
85 bis 200 bar zu einer Plateau-Verbrennung mit einer höheren
Brenngeschwindigkeit von etwa 27 mm/s führte.
Diese Beispiele waren zur Plateau-Verbrennung befähigte, gegossene
Doppelbasis-Treibstoffe, die im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung
hatten, außer, dass Beispiel 3(b) als Ballistik-Modifikator zusätzlich
zu 1,99% Blei-β-resorcylat und 1,99% Bleisalicylat 0,34% Zinkoxid
enthielt. Die Ergebnisse der Prüfung der ballistischen Eigenschaften
dieser Gemische sind in Fig. 3 graphisch dargestellt. Diese Ergebnisse
zeigen, dass das Zinkoxid über einen erweiterten Druckbereich von etwa
80 bis 175 bar zu einer höheren Plateau-Brenngeschwindigkeit führte.
Platten aus den Gemischen wurden 12 Wochen lang bei 60°C
gelagert, und die Brenngeschwindigkeiten wurden wieder er
mittelt. Beispiel 3(a) zeigte über den Lagerungszeitraum ei
ne nach unten gerichtete 7%-ige Drift der ballistischen Ei
genschaften, während Beispiel 3(b) im wesentlichen unverän
derte ballistische Eigenschaften zeigte. Beispiel 3(b) zeig
te folglich die Wirkung des Zinkoxids bezüglich der Verhin
derung der nach unten gerichteten Drift der ballistischen
Eigenschaften. Diese Drift wird im allgemeinen einer Reak
tion zwischen dem Blei-β-resorcylat und dem Bleisalicylat in
dem Gemisch zugeschrieben.
Dieses Beispiel war ein zur Plateau-Verbrennung befähigtes,
elastomermodifiziertes, gegossenes Doppelbasis-Treibstoffge
misch, das 0,66% Zinkoxid, 1,98% Blei-β-resorcylat, 1,98%
Bleisalicylat und 3,53% eines polymeren Bindemittels, das
aus mit Isocyanat vernetztem Polycaprolacton bestand, ent
hielt. Die Brenngeschwindigkeiten, die bei Anfangstemperatu
ren von -40°C, 21°C und 60°C über einen Plateau-Verbren
nungs-Druckbereich von 100 bis 175 bar geprüft wurden, be
trugen in jedem Fall 25 bis 26 mm/s, wie in Fig. 4 gezeigt
wird.
Die Brenngeschwindigkeit im Plateau-Verbrennungsbereich än
derte sich nicht sehr mit der Anfangstemperatur (d. h., der
Temperaturkoeffizient war niedrig) über den Anfangstempera
turbereich von -40°C bis 60°C.
Dieses Vergleichsbeispiel und Beispiel waren zur Plateau-Verbrennung befähigte,
aluminiumgefüllte, gegossene Doppelbasis-Treibstoffe, die im
wesentlichen dieselbe Zusammensetzung hatten, außer daß Bei
spiel 5(b) 0,34% Zinkoxid enthielt. Würfel mit einer Sei
tenlänge von 5,1 cm aus beiden Gemischen wurden bei 80°C
gelagert und (durch Röntgenstrahlen) auf Anzeichen für Risse
oder innere Fehler bzw. Sprünge geprüft. Vergleichsbeispiel 5(a) zeig
te nach 8 Tagen Risse, während Beispiel 5(b) bis zum Ablauf
von 21 Tagen keine Anzeichen einer Rißbildung zeigte.
Dieses Beispiel war ein zur Plateau-Verbrennung befähigter,
elastomermodifizierter, gegossener Doppelbasis-Treibstoff
hoher Energie, der 0,21% Zinkoxid, 3,21% eines polymeren
Bindemittels (wie in Beispiel 4 verwendet), 19,6% RDX und
1,4% Siliciumcarbid enthielt. Aus den Ergebnissen der Prü
fung der ballistischen Eigenschaften, die in Fig. 5 gezeigt
werden, geht hervor, daß über den Druckbereich von 80 bis
150 bar eine Plateau-Verbrennung mit etwa 20 mm/s mit einem
akzeptablen (niedrigen) Temperaturkoeffizienten eintritt.
Claims (10)
1. Treibstoffgemisch auf Basis von Nitrocellulose, das
als wesentlichen Bestandteil einen Ballistik-Modifikator
zum Hervorrufen von Plateau-Verbrennung des
Treibstoffgemischs enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ballistik-Modifikator Zinkoxid oder eine Mischung
aus Zinkoxid und mindestens einer Blei- oder
Kupferverbindung umfasst und der Ballistik-Modifikator in
einer Menge von 2 bis 8 Gew.-% vorliegt.
2. Treibstoffgemisch nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Blei- oder Kupferverbindung aus Bleistearat,
Bleicitrat, Bleiphthalat, Bleiacetophthalat, Bleisalicylat,
Blei-β-resorcylat, basischem Kupfersalicylat, Kupfer-β-
resorcylat oder Kupferoxid besteht.
3. Treibstoffgemisch nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
es 0,15 bis 5,0 Gew.-% Zinkoxid enthält.
4. Treibstoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
es einen Stabilisator, ein Plastifiziermittel, ein
Brenngeschwindigkeits-Moderiermittel, ein Schmiermittel
und/oder einen Aufflammungsunterdrücker enthält.
5. Treibstoffgemisch nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
es p-Nitro-N-methylanilin, 2-Nitrodiphenylamin,
Resorcin, Octaacetylsaccharose, Triacetin, Dibutylphthalat,
Ruß, Candelillawachs, mit Isocyanat vernetztes
Polycaprolacton, Kaliumnitrat oder Siliziumcarbid enthält.
6. Treibstoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
es mindestens einen energiezuführenden
Treibstoffbestandteil enthält.
7. Treibstoffgemisch nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der energiezuführende Treibstoffbestandteil ein
Metallpulver oder ein Nitramin ist.
8. Treibstoffgemisch nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Nitramin Cyclo-1,3,5-trimethylen-2,4,6,trinitramin
ist.
9. Treibstoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
es eine Energie von 3350 bis 5024 J/g hat.
10. Treibstoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
es eine Brenngeschwindigkeit von 4 bis 45 mm/s hat.
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