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Die Erfindung wurde mit Unterstützung der
Regierung unter Vertragsnr. DAA09-91-Z-001 mit dem Armeeministerium durchgeführt und
demzufolge besitzt die Regierung bestimmte Rechte an der Erfindung.
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I. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist allgemein
auf Verbesserungen von hochenergetischen Treibstoffzusammensetzungen,
insbesondere im Hinblick auf die Verwendung von veränderten
Zusätzen
zur Verbesserung von energetischen Qualitäten und Erhöhung der Fülldichte ohne Erhöhung von
Stoß-,
Erschütterungs-
oder Reibungsempfindlichkeit gerichtet. Insbesondere gewährt die
Erfindung die Verwendung einer relativ großen Menge an 1,3,5-Trinitro-1,3,5-triazacyclohexan
(Cyclotrimethyltrinitramin), gewöhnlich
als Cyclonit oder (RDX) bezeichnet, in Zusammensetzungen auf Zweifachbasis
zur Erhöhung
der energetischen Leistungsfähigkeit und
zum Erzielen von größeren Fülldichten
ohne Erhöhung
von Stoß-,
Erschütterungs-
oder Reibungsempfindlichkeit durch Zugabe des RDX in Kombination
mit einer Menge an Nitratoethylnitraminen (NENAs) als Zusatzstoffe
in den hochenergetischen Treibstoffen. Auf diese Weise werden größere Fülldichten
und energetischen Leistungsfähigkeit
ohne zusätzliches
Risiko erzielt. Die Erfindung ist besonders für gekörnte Panzermunitionsladung
geeignet.
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II. Fachgebiet
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Am herkömmlichsten verwenden Treibstoffe,
einschließlich
Treibstoffe, die in herkömmlicher
Artillerie verwendet werden, die Panzermunition mit 120 mm einschließen, und
insbesondere diejenigen, die auf Mehrfachbasis vorliegen, eine Ma rixkomponente,
gewöhnlich
Nitrozellulose (nitrocellulose, NC) in Kombination mit Nitroglycerin
(NG), das auch als hochenergetischer Plastifikator bzw. Weichmacher
für die
NC wirkt, zusammen mit einer Menge einer energieeinstellenden Komponente
wie einen energetischen Feststoff, beispielhaft beschrieben durch
Cyclotrimethyltrinitramin (RDX), Cyclotetramethyltrinitramin, gewöhnlich als
Homocyclonit oder (HMX) bezeichnet, Ethylendinitramin (EDNA) und
andere beschrieben. Diethylenglycoldinitrat (DEGDN) und Triethylenglycoldinitrat
(TEGDN) werden ebenso als herkömmliche
primäre
hochenergetische Regulierungskomponenten eingesetzt. Jedoch ist
die Verwendung dieser Materialien in Treibstoffformeln entmutigend, da,
während
diese Materialien einen Treibstoff unter Erhalt und Beibehalt eines
hochenergetischen Grads ermöglichen,
ihnen gleichzeitig sehr schwerwiegende Sicherheitsbeschränkungen
auferlegt sind, da diese Materialien durch Wärme, Stoß und/oder Erschütterung
leicht zur Explosion gebracht oder gezündet werden können. Im
Allgemeinen führten
Bemühungen,
die auf die Reduzierung von einer oder mehreren dieser Empfindlichkeiten
gerichtet waren, auch zur Reduzierung der energetischen Leistungsfähigkeit
des Treibstoffs. Die Wärmeempfindlichkeit
erwies sich jedoch als etwas geringeres überwindbares Problem als Stoß oder Erschütterung.
RDX weist z. B. eine hohe Erschütterungsjedoch
relativ geringe Wärmeempfindlichkeit
auf.
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Weichmacher, die hochenergetische
Leistungsfähigkeit
aufweisen, sind als hochenergetische Regulierungs-/Weichmacherverbindungen
(high energy adjustment/plasticizing compounds, HEAPCs) bekannt. Diese
schließen
NENAs und andere solche Verbindungen ein. In der Vergangenheit wurden
verschiedene Zugänge
in einer Bemühung
zur Reduzierung der mit empfindlichen Materialien verbundenen Risiken
verwendet, während
versucht wurde, die damit verbundene Reduzierung der energetischen
Leistungsfähigkeit
der gesamten Zusammensetzung zu minimieren. Ein solcher Zugang beinhaltete
die Eliminierung oder sehr beschränkte Verwendung von erschütterungsempfindlichen
hochenergetischen Regulierungsweichmacherverbindungen wie RDX, HMX
und dgl. Auf diese Weise wurden diese Komponenten mit verschiedenen
anderen bekannten hochenergetischen Weichmacherkomponenten als Weichmacher
für Nitrozellulose
(NC), einschließlich
z. B.
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Nitroglycerin (NG), Acetyltriethylcitrat
(ATEC) und einer Vielzahl von nitrierten Acetalen und anderen mit
einigem Erfolg ersetzt.
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Jedoch ist RDX eine billige primäre hochenergetische
Regulierungskomponente mit besonderes wünschenswerten Eigenschaften.
Diese schließen
die Fähigkeit
zur Erhöhung
des Gesamtimpulses oder der Gesamtleistung des Treibstoffs und auch
zur Erhöhung
der Dichte der Treibstoffkörner
ein, was verglichen mit herkömmlichen
Treibstoffen mit ähnlichen
Geometrien eine größere Fülldichte
in der Hülsenkapsel
gewährt. Folglich
könnten,
wenn die Empfindlichkeit der RDXenthaltenden Formulierungen ohne
Reduzierung oder Eliminierung des RDX vermindert werden könnten, Formeln
mit überragender
Leistungsfähigkeit
erzielt werden.
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RDX wurde zu JA-2, einem in der Vergangenheit
herkömmlichen
Panzer- und Artilleriegeschosstreibstoff gegeben, um verbesserte
ballistische Leistungsfähigkeit
zu erzielen. Jedoch wurde berichtet, dass Forscher am Army Research
Laboratory (ARL) RDX-Kristalle auf der Oberfläche des JA-2-Treibgases beim
Altern fanden. Diese Forscher stellten die Theorie auf, dass das
teilweise in dem DEGDN-Anteil gelöste RDX zu der Oberfläche der
Körner
getragen wurde, als das DEGDN bei höheren Temperaturen auszutreten
begann. Dieses Anwachsen der Kristalle auf der Oberfläche ist
ein bedeutendes Empfindlichkeitsrisiko und erhöht stark die Wahrscheinlichkeit
von Zündung
aufgrund von nicht geplanten mechanischen Reizen. Aus diesem und
anderen Gründen,
einschließlich
der dem RDX innewohnenden empfindlichen Natur, war die Verwendung
von RDX in Artillerietreibstoffzusammensetzungen im Allgemeinen
entmutigend.
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Die Verwendung von Nitratoethylnitramin-Verbindungen
(NENA) in Treibstoffformeln ist bekannt. U.S.-Patent 5,482,581 von
Urenovitch offenbart gering störanfälliges Treibgas
(low vunerability propellant, LOVA), das Gemische aus Alkylnitratoethylnitraminen
(Alkyl-NENAs) und/oder Bis(2-nitroxyethyl)nitramin (DIVA) mit Nitrozellulose
(NC) enthält.
Ein weiteres U.S.-Patent von Zeigler, 5,520,756, offenbart ebenso
die Verwendung von Alkylnitratoethylnitramin in Kombination mit
Nitrozellulose/Nitroguanidin-Treibstoffen auf Zweifachbasis, die
auch Cyclonite (RDX) enthalten können.
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U.S.-Patent 5,325,782 von Strauss
et al. beinhaltet ein zyklisches Nitramin in Form von 2-Nitroimino-5-nitrohexahydro-1,3,5-triazin
(NNHT), das mit Methyl- und Ethyl-NENA, Nitrozellulose und RDX kombiniert werden
kann. Dillehay et al. (U.S. 5,487,851) zeigt ebenso die mögliche Verwendung
von Alkyl-NENA-Verbindungen
in LOVA-Treibstoffen, die RDX enthalten können.
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Es wäre gegenwärtig ein Vorteil, wenn eine
bedeutende Menge des billigen hochenergetischen Treibstoffzusatzes
RDX verwendet werden könnte,
um den Treibstoffimpuls und die Ladungsdichte in einer Weise zu
erhöhen,
die keine höhere
Empfindlichkeit der Treibstoffzusammensetzung gegenüber Wärme, Stoß und/oder
Erschütterung
bewirkt. Dies gilt besonders in Bezug auf Munitionen für Panzergeschosse.
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Demzufolge ist es eine grundsätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine unempfindliche, hochenergetische
Treibstoffzusammensetzung auf Mehrfachbasis zu erhalten.
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Es ist auch eine grundsätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Treibstoff für Artilleriewaffensysteme
mit verbesserten energetischen Eigenschaften in Bezug auf herkömmliches
JA-2 ohne Sicherheitsverlust oder Erhöhung der Empfindlichkeit der
Grenzzündungsgrade
(threshold initiation levels, TIL) bereitzustellen.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung
ist es, den Impuls von Treibstoffzusammensetzungen durch Zugabe
einer relativ großen
Menge an RDX ohne Erhöhung
der Empfindlichkeit des Treibstoffs zu erhöhen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, Artillerietreibstoffmatrizen bereitzustellen, die Ethyl-
und Methyl-NENA in Kombination mit relativ großen Mengen an RDX enthalten.
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Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, Artillerietreibstoffinatrizen bereitzustellen, die Ethyl- und
Methyl-NENAs und RDX einschließen
und Impuls- und Erschütterungsempfindlichkeitsvorteile
gegenüber Formeln,
die NG und DEGDN-Weichmacher
verwenden, bieten.
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Andere Aufgaben und Vorteile werden
dem damit vertraut gemacht werdenden Fachmann mit der vorliegenden
Beschreibung zusammen mit den anhängigen Ansprüchen ersichtlich.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung erzielt
die vorstehenden und andere Aufgaben durch Bereitstellen eines Treibstoffs
auf Mehrfachbasis mit verbesserter hochenergetischer Leistungsfähigkeit,
der die Eigenschaften der geringen Empfindlichkeit von herkömmlichen
Treibstoffzusammensetzungen auf Zweifachbasis wie JA-2 beibehalten.
Dies wird in den detaillierten Ausführungsformen unter Verwendung
eines sehr großen
RDX-Anteils in Kombination mit Mengen an NENAs und insbesondere
Ethyl- und Methyl-NENAs zum Ersetzen eines Anteils des NCs und NGs
und des gesamten DEGDNs im JA-2 oder anderen wie NC/NG Treibstoffen
auf Zweifachbasis, die DEGDN oder TEGDN als primäre hochenergetische Regulierungskomponente
enthalten, erreicht. Die Menge an RDX, die in sicherer Weise zugesetzt
werden kann, beträgt
zwischen etwa 20 und etwa 40%, und die Menge an NENAs beträgt etwa
15 bis 22%.
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Ballistische Simulationen zeigen,
dass eine Erhöhung
der Mündungsgeschwindigkeit
um bis zu 1,7% unter Verwendung von Körnern des Typs 19-perf hex
in Bezug auf Materialchargen des Labormaßstabs erhalten werden können. Drei
Versuchsformulierungen, die etwa 25, 30 bzw. 34 Gew.-% RDX mit einer
Teilchengröße von 5
Mikron enthalten, wurden getestet. Diese Formulierungen zeigten
die Durchführbarkeit
des Kombinierens von RDX und NENAs zur Erhöhung des Impulses von Treibstoffen
unter Beibehalten der Empfindlichkeitseigenschaften von herkömmlichen
Treibstoffen wie JA-2. Ballistische Simulationen zeigen, dass die Erhöhung der
Mündungsgeschwindigkeit
um 1,7% ohne Erhöhung
der Empfindlichkeit der Zusammensetzung erhalten werden kann.
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Die bevorzugten NENA-Verbindungen
schließen
Nitratoethylnitramin der Formel
ein, wobei R als ein Vertreter,
ausgewählt
aus CH
3- und C
2H
5-, definiert ist.
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Der wie auf die HEAPC-Komponente
angewandte Begriff „wirksame
Menge" ist als eine
Menge von einem oder mehreren Nitratoethylnitramin(en) definiert,
die eine hochenergetische kolloidale extrudierbare Masse mit einer
wie hier definierten Matrixkomponente bilden und zusätzlich eine
Wirkmenge von hochenergetischen Regulierungskomponenten unter Erhalt
eines niedrigen Grades sowohl an Wärmeals auch Erschütterungsempfindlichkeit
ergänzen
kann.
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Der Begriff „Matrixkomponente" für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung ist definiert als eine oder mehrere Komponenten
aus dehydratisierbarer Nitrozellulose, Zelluloseacetat, Zelluloseacetatbutyrat
(cellulose acetate butyrate, CAB), Ethylzellulose und dgl., wobei
angemerkt wird, dass der energetische Gehalt zwischen im Handel
erhältlichen
Chargen von Nitrozellulose oftmals wesentlich variiert und deshalb
ein maximal zulässiger
Ersatz mit einem anderen, besserregulierten Matrixmaterial eines
weniger energetischen Typs wie dem Butyratderivat (CAB) einen wesentlichen
Vorteil beim Beibehalten von Treibstoffchargenkonsistenz bereitstellen
kann.
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Der Begriff „primäre hochenergetische Regulierungskomponente" für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung ist definiert als eine oder mehrere Komponenten
aus RDX, HMX, DEGDN und dgl., die in Kombination mit Matrix- und
HEAPC-Komponenten
unter Erhalt eines gewünschten
energetischen Grads eines Treibstoffprodukts auf Zweifach- (oder
Dreifach-) Basis verwendet werden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Wie vorstehend angemerkt, erreichen
die Treibstoffe der vorliegenden Erfindung die Aufnahme von RDX
in Treibstoffe auf Zweifach-Basis in einer Weise, in welcher die
vorstehenden Nachteile überwunden
werden, durch welche bisher der Einschluss von jeglicher bedeutender
Menge an RDX, einschließlich
seiner ihm innewohnenden Stoß-,
Reibungs- und Erschütterungsempfindlichkeit
und seiner Tendenz aus anderen Formulierungen, einschließlich denjenigen
unter Verwendung von NG und DEGDN auszukristallisieren, entmutigend war.
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Tabelle 1 stellt einen Vergleich
von Treibstoffzusammensetzungen und Thermochemikalien bereit, in welchem
der herkömmliche
Panzergeschosstreibstoff JA-2 mit drei Beispielen von erfindungsgemäß hergestellten
Treibstoffen verglichen wird. Die drei Beispielformulierungen schließen RPD-20,
RPD-21 und RPD-22 ein. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, sind der Impuls
(J/g) und das ballistische Potenzial (J/cc × 10–3)
aller drei Formeln deutlich höher
als diejenigen, die für
JA-2 gemessen wurden. Das Material RPD-22 ist besonders bemerkenswert.
In den Formeln der Erfindung wird die Kombination von RDX mit 5
Mikron und Ethyl- und Methyl-NENA verwendet, um etwas Nitroglycerin
und das gesamte DEGDN in der JA-2-Formulierung zu ersetzen.
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Tabelle
1. Vergleich von Treibstoffzusammensetzungen und Thermochemikalien
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Die drei RPD-Formulierungen wurden
durch Gleichgeschwindigkeitsbetrieb zur Bewertung der Brenngeschwindigkeiten
der Formulierungen verarbeitet. Tabelle 2 ist eine Zusammenfassung
der Brenngeschwindigkeitsdaten für
die drei Formulierungen bei verschiedenen Temperaturen. Diese Brenngeschwindigkeitsdaten
wurden von geschlossenen Bombengeschossen mit 700 cc bei einer Ladungsdichte
von 0,2 g/cc abgeleitet. Man bemerke, dass RPD-22 verglichen mit
JA-2 den größten ballistischen
Vorteil für
fortschrittliche Munition, insbesondere eine Kugel M829A2 in Bezug
auf erhöhten
Impuls, ballistische Potenzialwerte und Brenngeschwindigkeitsparameter
bietet. Geschlossene Bombengeschosse bei Umgebungsdruck wurden ebenso durchgeführt, die
die von den Daten der Bombe 700 cc erhaltenen, extrapolierten Hochdruckbrenngeschwindigkeiten
bestätigten.
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Ferner wurde während der Verarbeitung der
drei Formulierungen ein Empfindlichkeitstest, insbesondere von dem
RPD-22-Schritt, da angenommen wurde, dass diese insofern die empfindlichste
der drei Formulierungen war, indem sie den höchsten RDX-Gehalt aufwies,
durchgeführt.
Der Test wurde vor dem Vorwalzen durchgeführt. In ähnlicher Weise wurden die vorgewalzten
Lagen vor dem Einbringen der Lagen in die Gleichgeschwindigkeitswalzenmühle getestet.
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Tabelle
3. Grenzzündungsgrade
(TIL) für
verschiedene Treibstoffe auf mechanische Initiierungsreize*
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Tabelle 3 ist ein Vergleich der Grenzzündungsgrade
(TIL) für
JA-2, 2R40M, M44 und RPD-22 in den Pasten- und Vorwalzenverarbeitungszuständen. Die
Tabelle schließt
auch die minimalen Empfindlichkeitserfordernisse für Aerospace
Propulsion Standards (APS-5) für
lösungsmittelfreie
Treibstoffe ein. Es ist bemerkenswert, dass RPD-22 deutlich weniger
empfindlich als die minimalen Empfindlichkeitswerte in APS-5 ist.
Obwohl ein direkter Vergleich zwischen RPD-22 und JA-2 zeigt, dass
RPD-22 stoßempfindlicher
ist, können
einige Empfindlichkeitsdiskrepanzen zwischen den Treibstoffen in
Tabelle 3 den Unterschieden in den Probendi cken und den Feuchtigkeitsgehalten
zugeschrieben werden. Zudem scheint RPD-22 in den Pasten- und Vorwalzenverarbeitungszuständen weniger
empfindlich als M44 und 2R40 (für
den angegebenen Gesamtgehalt an flüchtigen Bestandteilen und der
getesteten Dicke) zu sein. Folglich zeigt der Test der Mengen im
Labormaßstab
oder von RPD-22, dass dieses Material gegenüber den vorstehenden Formulierungen
im Allgemeinen höherwertig
ist.
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Tabelle
4. Ergebnisse von Simulationen mit IBHVG2 M829A2
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Ergebnisse
von Simulationen mit IBHVG2 (bei Umgebung)
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RPD-Formulierungen sind zwischen
3,8 und 5,0% dichter als herkömmliches
JA-2. Diese Erhöhung der
Dichte gewährt
größere Fülldichten
in Körnerform.
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Tabelle 4 stellt eine Zusammenfassung
von Simulationen mit IBHVG2 M829A2 verglichen mit der gegenwärtigen Stiftcharge
JA-2 kerfed mit RPD-22 und ver schiedenen Körnungen dar. Dies veranschaulicht
direkt die Erhöhung
der mit den drei neuen Formulierungen möglich gemachten Leistungsfähigkeit.
Man bemerke, dass die Granulierung RPD-22 mit 19 perf verglichen
mit dem Feuern mit einer JA-2-Charge eine 1,7%ige Erhöhung der
Mündungsgeschwindigkeit
(98 ft/s) bei Umgebung bietet. Die RPD-Formulierungen sind zwischen
3,8 und 5,0% dichter als herkömmliches
JA-2. Diese Erhöhung
der Dichte gewährt
größere Fülldichten in
Körnerform.
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Im Allgemeinen ist ein Treibstoff,
der etwa 20 bis 40% (Gewicht) RDX und 15 bis 30% (Gewicht) kombinierte
Methyl- und Ethyl-NENA-Anteile enthält, bevorzugt. Der besonders
bevorzugte Bereich scheint etwa 30 bis 40% (Gewicht) RDX und etwa
18 bis 24% (Gewicht) gesamtes Ethyl- und Methyl-NENA zu sein. Der Methyl-NENA-Anteil
beträgt
etwa um 40% mehr als der Ethylanteil. Die bevorzugte Größe des RDX
beträgt etwa
5 Mikron.
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Beansprucht wird:
