DE69701422T2 - Propergole mit hohem spezifischem Impuls, die Furazanderivative enthalten - Google Patents
Propergole mit hohem spezifischem Impuls, die Furazanderivative enthaltenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft feste Propergole mit hohem spezifischen Impuls und/oder hohem Volumenimpuls. Der spezifische Impuls ist der pro Massedurchsatz der Verbrennungsprodukte entwickelte Schub. Der Volumenimpuls ist das Produkt aus spezifischem Impuls und der Dichte des festen Propergols.
- Diese festen Propergole gehören zu der Gruppe der Composites oder modifizierten double base-Propergolel sie enthalten insbesondere einen inerten oder energetischen Binder, mindestens eine energetische Ladung und gegebenenfalls herkömmliche Zusatzstoffe.
- Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere sehr unauffällige, sogenannte "saubere" feste Propergole, d. h. Propergole, die keine Bestandteile enthalten, deren Verbrennung zu halogenierten Produkten oder festen oder flüssigen Produkten, die im sichtbaren oder infraroten Bereich eine deutliche "Signatur" ergeben, führt. Solche Bestandteile sind beispielsweise Ammoniumperchlorat, durch dessen Verbrennung insbesondere Chlorwasserstoffgas gebildet wird, und Aluminium, durch dessen Verbrennung Aluminiumoxid gebildet wird.
- Propergole, die Bestandteile enthalten, die die Unauffälligkeit des Propergols etwas vermindern, sind jedoch ebenfalls Teil der Erfindung.
- Die sogenannten "sauberen" Propergole enthalten derzeit als oxidierende oder energetische Ladung im wesentlichen Ammoniumnitrat, der spezifische Impuls ist jedoch gering und es sind ferner auch weitere Probleme mit der Verwendung von Ammoniumnitrat verbunden. Ein anderer Typ von energetischer Ladung, die Nitramine, wie Oktogen (HMX) oder Hexogen (RDX), ergeben einen höheren spezifischen Impuls, es muß jedoch dennoch Aluminium eingearbeitet werden, um hohe Impulse zu erreichen.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, im wesentlichen "saubere", feste Propergole mit hohem spezifischen Impuls und/oder hohem Volumenimpuls anzugeben.
- Die vorliegende Erfindung betrifft feste Propergole mit hohem spezifischen Impuls und/oder Volumenimpuls, die insbesondere einen Binder, mindestens eine energetische Ladung und verschiedene Zusatzstoffe enthalten und die dadurch gekennzeichnet sind, daß die energetische Ladung im wesentlichen aus der Gruppe der Dinitrobifurazane ausgewählt ist, die aus 3,3'- Azoxybis[4-nitrofurazan] (C&sub4;N&sub8;O&sub7;), 3,3'-Azobis[4-nitrofurazan] (C&sub4;NeO&sub6;) und 3,3'-Bis[4-nitrofurazan] (C&sub4;N&sub6;O&sub6;) besteht.
- Bei dem Binder des festen Propergols handelt es sich um einen inerten oder einen energetischen Binder. Die Hauptladung ist aus der obengenannten Gruppe ausgewählt. Sie kann aus verschiedenen Gründen auch weitere Ladungen enthalten, die ebenfalls verwendet werden, beispielsweise Nitramine. Bei den verschiedenen Zusatzstoffen handelt es sich um Zusatzstoffe, die vom Fachmann herkömmlich dazu verwendet werden, um beispielsweise die chemische Stabilität, die Kinetik der Verbrennung, die mechanischen Eigenschaften und dergleichen zu verbessern. Die Zusatzstoffe machen nur einige Gewichtsprozent des Propergols aus.
- Bei festen Propergolen mit einem Binder vom Typ eines energetischen Binders macht die energetische Dinitrobifurazan- Ladung vorteilhaft mindestens 55 Gew.-% des Propergols aus. Die energetischen Binder gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus substituierten Oxetan- oder Oxiran-Polymeren, Nitramin- oder Nitrat-Polymeren, Polyethern und Polyestern erhalten, wobei die Polymere gegebenenfalls mit Plastifizierungsmitteln, die inert oder ebenfalls energetisch sind, wie insbesondere nitrierten Ölen, plastifiziert werden. Bei festen Propergolen mit einem Binder vom Typ eines energetischen Binders macht die energetische Dinitrobifurazan- Ladung noch vorteilhafter mindestens 75 Gew.-% des Propergols aus.
- Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der energetische Binder ein Binder auf der Basis eines Polymers, das Seitenketten mit Azidendgruppen aufweist, wie beispielsweise Glycidylazidpolymer (GAP) und Polybisazidomethyloxetan (BAMO), wobei das Glycidylazidpolymer bevorzugt wird.
- Bei festen Propergolen mit einem Binder vom Typ eines inerten Binders macht die energetische Dinitrobifurazan-Ladung vorteilhaft mindestens 70 Gew.-% des Propergols aus.
- Erfindungsgemäße inerte Binder sind insbesondere Binder, die aus Carboxy-telechelischem Polybutadien oder Hydroxytelechelischem Polybutadien, die gegebenenfalls gepfropft sind, erhalten werden.
- Wenn der Binder ein Binder vom inerten Typ ist, macht bei den erfindungsgemäßen festen Propergolen die energetische Dinitrobifurazan-Ladung vorteilhaft mindestens 80 Gew.-% des Propergols aus.
- Die erfindungsgemäßen festen Propergole enthalten gegebenenfalls ferner bis zu 10 Gew.-% metallische Ladung in Pulverform, wie beispielsweise Aluminium, um den spezifischen Impuls noch zu steigern und im übrigen gegebenenfalls vorhandene Instabilitäten bei der Verbrennung zu beseitigen. Durch eine metallische Ladung in einem solchen Mengenanteil wird jedoch die Unauffälligkeit des Propergols verschlechtert. Die Synthese der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Dinitrobifurazane ist in der Literatur beschrieben:
- - das 3,3'-Azoxybis[4-nitrofurazan] (C&sub4;N&sub8;O&sub7;) in Heteroatom Chemistry - Band 5 Nr. 5/6 - Seite 444 (1994);
- die Verbindung weist die folgende Strukturformel auf:
- - das 3,3'-Azobis[4-nitrofurazan] (C&sub4;N&sub8;O&sub6;) in Journal of Organic Chemistry 61 (1996), Seiten 1510-1511;
- die Verbindung weist die folgende Strukturformel auf:
- - und das 3,3'-Bis[4-nitrofurazan] (C&sub4;N&sub6;O&sub6;) in J. of Heterocyclic Chemistry - Band 5 - Seite 83 - (1968);
- die Verbindung weist die folgende Strukturformel auf:
- Die Propergole werden nach Verfahren hergestellt, die für ihre Gruppe üblicherweise eingesetzt werden; im wesentlichen handelt es sich um Kneten-Gießen oder Kneten-Extrudieren.
- Die folgenden Beispiele zeigen die Leistungsfähigkeit verschiedener erfindungsgemäßer Propergole: den spezifischen Impuls und den Volumenimpuls. Der spezifische Impuls wird unter Standardbedingungen bestimmt: Expansion im Gleichgewicht und Verhältnis der Expansion 70/l. Der spezifische Impuls wird mit IS bezeichnet und in Sekunden ausgedrückt. Der Volumenimpuls ist das Produkt aus spezifischem Impuls und der Dichte des Propergols: er wird mit ρ·Is bezeichnet und in s·g·cm&supmin;³ ausgedrückt.
- Dieses Beispiel betrifft Propergole, deren energetischer Binder ein Binder auf der Basis von Glycidylazidpolymer (GAP) (24 Gew.-%) ist, der mit 6% Hexamethylendiisocyanat-Trimer vernetzt ist; der Binder ist in hohem Maße (66%) mit einem Gemisch von Trimethylolethantrinitrat und Butantrioltrinitrat (in Mengenanteilen von 70/30) plastifiziert, wobei die Restmenge verschiedene Zusatzstoffe (Antioxidantien...) enthält. Bei der energetischen Ladung handelt es sich um das 3,3'- Azoxybis[4-nitrofurazan]; bei dem zum Vergleich angegebenen Propergol ist die energetische Ladung das Oktogen (HMX). In der Tabelle 1 sind die Ergebnisse angegeben. Tabelle 1
- Das erfindungsgemäße Propergol weist bei einem Mengenanteil an Ladung, der mindestens dem Mengenanteil der Ladung des zum Vergleich angegebenen Propergols entspricht oder darüber liegt, einen höheren spezifischen Impuls und einen höheren Volumenimpuls auf. Der Mengenanteil der energetischen Ladung kann bis auf etwa 55% verringert werden und der höhere spe zifische Impuls bleibt immer noch erhalten, der Volumenimpuls wird dagegen etwas kleiner. Der Mengenanteil der energetisehen Ladung kann 15% unter dem Mengenanteil des Vergleichsbeispiels liegen und der spezifische Impuls und der Volumenimpuls sind dennoch zumindest ebenso hoch.
- Dieses Beispiel betrifft wiederum Propergole mit einem Binder vom energetischen Typ; der Binder, der mit G bezeichnet wird, wird ausgehend von einem Polyester hergestellt: 20 Gew.-% Poly(diethylenglykoladipat), das mit 4% Hexamethylendiisocyanat-Trimer vernetzt und mit 71% eines Gemisches von Nitroglycerin und Butantrioltrinitrat (in Anteilen von 80/20) plastifiziert ist, wobei die Restmenge verschiedenen Zusatzstoffe für die Durchführbarkeit und die Stabilität enthält. Bis auf ein Propergol enthalten die Propergole ferner verschiedene Zusatzstoffe in geringen Mengenanteilen. Das zum Vergleich angegebenen Propergol enthält als Ladung Oktogen und Zusatzstoffe. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben, wobei [A] [4-nitrofurazan] bedeutet. Tabelle 2
- (1) die 5% Zusatzstoffe enthalten: 1% Aluminium (gegen Instabilität), 3% Bleicitrat und 1% Acetylenruß (Verbrennungsmodifikatoren).
- Der spezifische Impuls und der Volumenimpuls der erfindungsgemäßen Propergole sind deutlich höher als die Impulse des als Vergleich angegebenen Propergols.
- Dieses Beispiel betrifft Composites mit inertem Binder; es handelt sich um einen Binder auf der Basis von 70 Gew.-% Hydroxy-telechelischem Polybutadien (HTPB, Typ R45M), das mit , 6,5% Methylencyclohexyldiisocyanat vernetzt ist, wobei der Binder dann mit Dioctylazelat plastifiziert wurde. Das zum Vergleich angegebene Propergol enthält als Ladung 85% Oktogen. In der Tabelle 3 sind die Ergebnisse zusammengefaßt. Tabelle 3
- Bei dem gleichen Mengenanteil an energetischer Ladung erhält man mit den verschiedenen Dinitrobifurazanen Propergole, deren spezifischer Impuls deutlich höher (20 bis 30 s) als der spezifische Impuls des zum Vergleich angegebenen Propergols ist. Dies gilt auch für den Volumenimpuls. Der Mengenanteil der energetischen Ladung kann bis auf etwa 75% vermindert werden, wobei dennoch die höheren spezifischen Impulse und vergleichbare Volumenimpulse erhalten bleiben.
- Die nachfolgend angegebenen Beispiele betreffen Aluminiumhaltige Propergole, wobei der Binder ein Binder vom energetischen Typ auf der Basis eines Glycidylazidpolymers (GAP) ist, der mit dem Binder des Beispiels 1 identisch ist; die energetische Ladung des als Vergleich angegebenen Propergols ist Oktogen (HMX). In der Tabelle 4 sind die erhaltenen Ergebnisse angegeben, wobei [A] [4-nitrofurazan] bedeutet. Tabelle 4
- Durch den Zusatz von Aluminium zu den erfindungsgemäßen Propergolen (siehe auch Tabelle 1) auf Kosten der energetischen Ladung wird die Leistungsfähigkeit und insbesondere der Volumenimpuls verbessert oder zumindest aufrechterhalten. Die Leistungsfähigkeit liegt jeweils deutlich über der Leistungsfähigkeit des Propergols, das den gleichen Mengenanteil Aluminium, als energetische Ladung jedoch Oktogen enthält. Auch wenn die Unauffälligkeit des Propergols verschlechtert wird, kann der Zusatz von Aluminium erforderlich sein, beispielsweise um gegebenenfalls vorhandene Instabilitäten bei der Verbrennung zu beseitigen.
Claims (9)
1. Feste Propergole mit hohem spezifischen Impuls, die
insbesondere einen Binder, mindestens eine energetische
Ladung und verschiedene Zusatzstoffe enthalten,
dadurch gekennzeichnet, daß
die energetische Ladung im wesentlichen aus der Gruppe
der Dinitrobifurazane ausgewählt ist, die aus 3,3'-
Azoxybis[4-nitrofurazan] (C&sub4;N&sub8;O&sub7;),
3,3'-Azobis[4-nitrofuräzan] (C&sub4;N&sub8;O&sub6;) und 3,3'-Bis[4-nitrofurazan] (C&sub4;N&sub6;O&sub6;)
besteht.
2. Feste Propergole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Binder ein energetischer Binder ist und die
energetische Dinitrobifurazan-Ladung mindestens 55 Gew.-% des
Propergols ausmacht.
3. Feste Propergole nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die energetische Dinitrobifurazan-Ladung mindestens
75 Gew.-% des Propergols ausmacht.
4. Feste Propergole nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der energetische Binder ein Binder auf der
Basis eines Polyethers oder eines Polyesters ist, der mit
mindestens einem nitrierten Öl plastifiziert ist.
5. Feste Propergole nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der energetische Binder ein Binder auf der
Basis eines Polymers ist, das Seitenketten mit
Azidendgruppen aufweist.
6. Feste Propergole nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sie ferner bis zu 10 Gew.-% metallische
Ladung in Pulverform enthalten.
7. Feste Propergole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Binder ein inerter Binder ist, und dadurch, daß
die energetische Dinitrobifurazan-Ladung mindestens 70
Gew.-% des Propergols ausmacht.
8. Feste Propergole nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die energetische Dinitrobifurazan-Ladung mindestens
80 Gew.-% des Propergols ausmacht.
9. Feste Propergole nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß sie ferner bis zu 10 Gew.-% einer
metallischen Ladung in Pulverform enthalten.
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