DE3830902C1

DE3830902C1 -

Info

Publication number: DE3830902C1
Application number: DE3830902A
Authority: DE
Inventors: Guenther 8503 Altdorf De Lochner; Wolfgang 8500 Nuernberg De Schwarz
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1988-09-10
Filing date: 1988-09-10
Publication date: 1992-04-09
Anticipated expiration: 2008-09-11
Also published as: NL8901641A; IT8921631A0; IT1235778B; GB2250739A; GB8913727D0; US5188682A; FR2672047A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Treibmittel für eine Rohrwaffe mit elektrisch unterstütztem Flüssigantrieb, insbesondere für chemisch-elektrische Hybridantriebe mit regenerativer Treibmitteleinspritzung.

Bei den elektrothermischen Waffen wird bekannterweise durch das Anlegen einer Spannung an die Elektroden des Plasmabrenners ein Lichtbogen gezündet, der das zwischen den Elektroden eingebrachte Material, beispielsweise Polyäthylen, verdampft und zu einem hohe Drücke erzeugenden Plasma aufheizt. Die Beschleunigung des Geschosses erfolgt durch den Druck dieses aufgeheizten Plasmas.

Die elektrische Energie für die Geschoßbeschleunigung wird im Fall des elektrothermischen Geschoßantriebes nicht direkt in kinetische Energie umgewandelt, sondern erst über den Umweg der energetischen Zwischenform Wärmeenergie. Voraussetzung für die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei der Umwandlung der elektrischen bzw. elektromagnetischen Energie in kinetische Energie ist daher zunächst die wirkungsvolle Erzeugung des Plasmas durch Wärmeenergie.

Bei dem Einsatz inerter Stoffe, wie beispielsweise von Polyäthylen zur Erzeugung eines hochgespannten Plasmas, müssen diese durch den Lichtbogen im Plasmabrenner zunächst verdampft und dann thermisch so in Radikale gespalten werden, daß nach deren Dissoziation überwiegend Kohlenstoff und Wasserstoff vorliegen. Dies bedeutet, daß ein nicht unerhebliches Maß der eingekoppelten elektrischen Energie für die Spaltung des Inertstoffes aufgewendet werden muß, wodurch der Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt wird.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Treibmittel der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem mittels einer weitgehend unabhängig von der eingekoppelt elektrischen Energie verfügbaren Zusatzenergie durch exothermen, chemischen Reaktionsablauf der Wirkungsgrad wesentlich erhöht und der elektrische Energiebedarf erheblich verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gellöst, daß organische Verbindungen einer Kombination von Kohlenstoff und Wasserstoff mit einer oder mit mehreren reaktiven Gruppen in einem Verhältnis vorgesehen sind, die bei guter exothermer Reaktion des Treibmittels (Kohlenwasserstoff) die Abspaltung von Molekülen oder Atomen niederer Molmasse ermöglichen. Dabei kann eine Treibmittelkomponente aus gespannten Kohlenwasserstoffringsystemen mit reaktiven Gruppen gebildet sein.

Während bei der Umsetzung von Polyäthylen oder ähnlichen inerten Stoffen zu deren Verdampfung und Dissoziation kontinuierlich elektrische Energie zugeführt werden muß, um ein Plasma zu erzeugen, bietet der Einsatz von reaktiven flüssigen Treibmitteln den Vorteil, daß nach dem Einkoppeln einer gewissen Aktivierungsenergie infolge der exothermen Reaktionsfähigkeit des Treibmittels ein zusätzlicher chemischer Energieüberschuß gewonnen werden kann.

Man erhält also weitgehend unabhängig von der eingekoppelten elektrischen Energie eine Zusatzenergie durch chemischen Reaktionsablauf. Außerdem können Substanzen eingesetzt werden, die leichter zerfallen als Inertstoffe (wie z. B. Polyäthylen) und bereits bei ihrer Zerfallsreaktion Energie abgeben. Der weitere chemische Energiegewinn erfolgt aufgrund der chemischen Reaktion der bei dem Zerfall des Treibmittels entstandenen Radikale.

Des weiteren weisen die Reaktionsprodukte des Treibmittels eine deutlich geringere mittlere Molmasse des Treibgases bzw. Plasmas auf, weshalb im Vergleich zu Pulverhybridwaffen die Mündungsgeschwindigkeit erheblich gesteigert werden kann.

Werden nun zudem die bei dem Treibmittelabbrand entstehenden Schwaden bzw. die Reaktionsprodukte durch die elektrische Energieeinkopplung weiter aufgeheizt, dissoziieren die einzelnen Gase zu niedermolekularen bzw. atomaren Zerfallsprodukten. Durch das geringe Molekulargewicht erhöht sich die Molzahl und somit bei gleichem Volumen der Druck. Außerdem wird die Schallgeschwindigkeit durch die niedrigere Molmasse und höhere Temperatur erhöht. Die in einem Plasma auftretenden Temperaturen können mit 10 000-20 000 K angegeben werden. Wird eine vollständige Dissoziation der Moleküle des Treibgases angenommen, so kann die mittlere Molmasse des Treibgases von Treibladungspulvern für Panzerkanonen von ca. 20-25 g auf ca. 10 g reduziert werden. Beim Einsatz von konventionellen flüssigen Treibmitteln beträgt die mittlere Molmasse des Treibgases je nach Treibstoffmischung ca. 15-17 g, die mittels vollständiger Dissoziation auf Werte unter 5-7 g reduziert werden können. Im Vergleich zu einem Pulver-Hybridantrieb ergibt sich somit bei einem elektrisch unterstützten Flüssigantrieb je nach Treibstoffmischung eine Reduzierung der Molmasse zwischen 30-40% und eine Steigerung der Schallgeschwindigkeit des Treibgases bei gleicher Plasmatemperatur zwischen 20-30%. Diese Werte können durch den Einsatz einer auf ihren Verwendungszweck optimierten Treibstoffmischung noch erhöht werden.

Durch das Einkoppeln zusätzlicher elektrischer Energie wird somit die Möglichkeit eröffnet, flüssige Treibmittel zu benutzen, die aufgrund ihrer etwas niedrigeren spezifischen Energie (Force ca. 1000 J/g) für den Betrieb einer Hochleistungswaffe mit reinem Flüssigantrieb weniger geeignet erscheinen. Andererseits besitzen diese Treibmittel zwei entscheidende Vorteile:

1. Die Treibmittel liefern Reaktionsprodukte mit niedrigem Molekulargewicht, wodurch die Mündungsgeschwindigkeit gesteigert werden kann.
2. Die Treibmittel zählen aufgrund ihrer hohen Anzündschwelle zu den sogenannten LOVA (Low Vulnerability Ammunitions) Treibmitteln bzw. "Insensitive Ammunitions".

Die Auswahl der geeigneten Treibstoffkomponenten erfolgt unter dem Gesichtspunkt, daß eine Optimierung von einander entgegenlaufenden Effekten stattfindet. Reaktive Gruppen führen zu chemischen Umsetzungen mit einem Energiegewinn, jedoch mit dem Nachteil einer relativ hohen Molmasse der Reaktionsprodukte. Die Spaltung von reinen Kohlen wasserstoff-Molekülketten führt zu niedermolekularen Produkten mit niedriger Molmasse, jedoch mit dem Nachteil, daß diese Prozesse stark endotherm ablaufen. Bei der Kombination von Kohlenstoff-Wasserstoff-Resten mit einer oder mehreren reaktiven Gruppen wird eine hohe spezifische Energie, eine hohe Explosionstemperatur und eine niedrige Molmasse der Reaktionsprodukte bei hohem Kovolumen und hoher spezifischer Wärme erreicht. Entsprechend den Patentansprüchen 3 bis 9 können als reaktive Gruppen unterschiedliche Gruppen eingesetzt werden. Nach den weiteren Ansprüchen können diese Stoffe untereinander gemischt werden, so daß das Treibmittel aus einer Mischung von mehreren solcher Stoffe besteht. Bei Bedarf können den reaktiven Gruppen zur Phlegmatisierung auch relativ inerte Zuschlagsstoffe, die beispielsweise längerkettige Kohlenwasserstoffe oder Alkohole beigefügt werden.

Als reaktive Gruppen bieten sich für das Treibmittel insbesondere an:

1) Nitroalkane mit einer oder mit mehreren Nitrogruppen entsprechend der chemischen Formel H₃C-CnH₂n-NO₂ (Nitroalkan mit einer Nitrogruppe)oder
2) Alkanoxide mit einer oder mit mehreren Oxidgruppen nach der chemischen Formel oder
3) Säureanhydride nach der chemischen Formel
4) Eine oder mehrere Äthylengruppen oder Acetylen enthaltende Alkene oder Alkine nach der chemischen Formel R-C≡C-R (Alkin)oderR-C≡C-R-C≡-R (mehrfaches Alkin)
5) Cyclische Stickstoffverbindungen nach der chemischen Formel
6) Azide nach der chemischen Formel R-CH₂N₃ (Azid)
7) Azoverbindungen.

Die besonderen Vorteile des neuen Treibmittels liegen in den Eigenschaften und in dem Verhalten der eingesetzten Stoffe. Besonders zu erwähnen sind:

- ein reproduzierbarer Abbrand;
- eine schnell ablaufende Reaktion bei der Umsetzung, die jedoch nicht detonativ erfolgt;
- ein großes chemisches Energiepotential bei genügender chemischer Stabilität;
- als Flüssigkeit im gesamten Temperaturbereich von -45°C bis +80°C vorliegend;
- nicht korrosiv wirkend;
- weitestgehend nicht toxisch, dies bedeutet, daß die Stoffe nicht stark gesundheitsgefährdend sind;
- bei Mischungen der verschiedenen Stoffe untereinander treten im geforderten Temperaturbereich keine Mischungslücke auf;
- die zu mischenden Komponenten sind untereinander verträglich;
- niedriger Dampfdruck und hoher Flammpunkt;
- geringe Brand- und Explosionsgefahr;
- gute Lagerfähigkeit;
- eine günstige Einstufung nach den Gefahrgutverordnungen für Straßen, Bahn, See und Luft;
- gerinst-mögliche umweltschädigende Eigenschaften und einfache Herstellung bei geringen Beschaffungskosten;
- ein unproblematisches Verhalten bei Unfällen und beim Beschuß, weil insbesondere eine detonative Umsetzung nicht eintritt;
- Sicherheit gegen Selbstentzündung und Selbstzersetzung oder Detonation bei hochdynamischer Kompression der flüssigen Stoffe, bei adiabater Kompression von Blasen in der Flüssigkeit, bei Reibung und kurzzeitigen "Hot Spots", bei Kontakt mit heißen Flächen und bei Kavitation;
- eine gute Anzündbarkeit unter Waffenbedingungen und
- möglichst niedrige Molmassen der Zerfalls- und Reaktionsprodukte.

Durch das besondere Verhältnis von Kohlenwasserstoffgerüst und reaktiven Gruppen bei jedem Treibmittel, das aus nur einer bestimmten Substanz besteht, durch welche die chemische Zusammensetzung des jeweiligen Stoffes auf ganz bestimmte Werte festgelegt ist, werden optimale Werte insbesondere mit Treibstoffmischungen erreicht.

Eine vorteilhafte Treibmittelkomponente zu den vorgeschlagenen Treibmittelarten, die zu einer möglichst hohen Energieausbeute führt, besteht entsprechend den Merkmalen der Erfindung aus gespannten Kohlenwasserstoffringssystemen mit reaktiven Gruppen, wie beispielsweise Nitrogruppen oder Azogruppen.

Das einzusetzende flüssige Treibmittel muß entsprechend der Erfindung eine oder mehrere reaktive Gruppen sowie Wasserstoff und Kohlenstoff in solch einem Verhältnis enthalten, daß eine relativ energiereiche exotherme Reaktion erreicht wird und die hierbei entstehenden, teilweise bereits dissoziierten Reaktionsprodukte mittels einer elektrischen Energieeinkopplung gut in Molekül sehr geringer Molmasse aufgespalten bzw. dissoziiert werden können.

Es hat sich gezeigt, daß entsprechende Stoffe mit den geforderten Eigenschaften für ein solches Treibmittel existieren. Diese Treibmittelkomponenten weisen im allgemeinen neben einem Kohlenwasserstoffgerüst reaktive Gruppen auf, die sich speziell für eine weitere elektrisch initiierte Dissoziation anbieten.

Claims

1. Treibmittel für eine Rohrwaffe mit elektrisch unterstütztem Flüssigantrieb, insbesondere für chemisch-elektrische Hybridantriebe mit regenerativer Treibmitteleinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß organische Verbindungen einer Kombination von Kohlenstoff und Wasserstoff mit einer oder mit mehreren reaktiven Gruppen in einem Verhältnis vorgesehen sind, die bei guter exothermer Reaktion des Treibmittels (Kohlenwasserstoff) die Abspaltung von Molekülen oder Atomen niederer Molmasse ermöglicht.

2. Treibmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Treibmittelkomponente aus gespannten Kohlenwasserstoffringsystemen mit reaktiven Gruppen gebildet ist.

3. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Gruppe Nitroalkane mit einer oder mit mehreren Nitrogruppen eingesetzt sind.

4. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Gruppe Alkanoxide mit einer oder mit mehreren Oxidgruppen eingesetzt sind.

5. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Gruppe Säureanhydride, wahlweise mit einer Butandicorbonsäure, eingesetzt sind.

6. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Gruppe Alkine eingesetzt sind, die eine oder mehrere Äthylengruppen beinhalten.

7. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Gruppe cyclische Stickstoffverbindungen vorgesehen sind.

8. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Gruppe Azoverbindungen vorgesehen sind.

9. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Gruppe Azide eingesetzt sind.

10. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Gruppe eine Kombination von zwei oder mehr der in den Ansprüchen 3 bis 9 genannten Stoffe in einem Molekül eingesetzt sind.

11. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß den Stoffen der reaktiven Gruppen relativ inerte Zuschlagstoffe beigefügt sind.

12. Treibmittel nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß den Stoffen der reaktiven Gruppen längerkettige Kohlenwasserstoffe oder Alkohole beigefügt sind.