EP0323828B1 - Sprengstoff für Gefechtsköpfe und Raketenfesttreibstoff - Google Patents

Sprengstoff für Gefechtsköpfe und Raketenfesttreibstoff Download PDF

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EP0323828B1
EP0323828B1 EP89100034A EP89100034A EP0323828B1 EP 0323828 B1 EP0323828 B1 EP 0323828B1 EP 89100034 A EP89100034 A EP 89100034A EP 89100034 A EP89100034 A EP 89100034A EP 0323828 B1 EP0323828 B1 EP 0323828B1
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B33/00—Compositions containing particulate metal, alloy, boron, silicon, selenium or tellurium with at least one oxygen supplying material which is either a metal oxide or a salt, organic or inorganic, capable of yielding a metal oxide
    • C06B33/08—Compositions containing particulate metal, alloy, boron, silicon, selenium or tellurium with at least one oxygen supplying material which is either a metal oxide or a salt, organic or inorganic, capable of yielding a metal oxide with a nitrated organic compound

Definitions

  • the invention relates to an explosive for warheads and a rocket solid propellant, consisting of a high-energy secondary explosive with inorganic perchlorate and metal content with a high affinity for oxygen, as well as a desensitizing and binding agent.
  • a similar explosive is known from US-A 4 042 430, which relates to a high-temperature resistant explosive. What is common to both known explosives is that the oxidizing agent is present in a stoichiometric excess. As a result, the excess perchlorate is decomposed with energy consumption during the detonation. Only then can the released oxygen react with the metal. There is therefore a multi-stage reaction, which means that the energy conversion is relatively slow.
  • US-A-2,992,086 relates to a high energy disintegrant containing metal powder.
  • the composition according to the table in column 2, example 1:54 Al, 36 ammonium perchlorate, 4 TNT, 6 RDX, 3 binder is preferably set such that the amount of oxidizing agent is just sufficient for metal combustion and the amount of explosives is calculated so that the oxygen as possible is released completely and the temperature required for the metal-oxygen reaction is reached. There is no further teaching regarding the stoichiometry between the secondary explosive and the oxidant.
  • the invention has for its object to provide an explosive with a high energy content per unit volume.
  • the energy conversion should take place very quickly and be complete.
  • the invention solves this problem in that, in the case of a secondary explosive, the oxygen balance is balanced by the perchlorate component, for example, for a complete reaction to carbon dioxide and water.
  • the metal Due to the higher affinity of the metal for oxygen compared to carbon and hydrogen, the metal reacts violently with carbon dioxide and water. These are reduced and a considerable amount of energy is released. As a result, the explosive gas mixture is additionally heated, which significantly increases the performance of the explosive. Particularly favorable values are obtained if the stoichiometry of the metal portion causes the explosive gases to be reduced to hydrogen and carbon monoxide. If a particularly large heat release is desired with a reduced explosive gas volume, the explosive gases are reduced to elemental carbon and hydrogen by further increasing the metal content.
  • the perchlorates of the alkali and alkaline earth metals are provided as perchlorates.
  • Such perchlorates are inexpensive, easily accessible and can be prepared.
  • potassium or calcium perchlorate are used as perchlorate. Because of its low hygroscopicity, potassium perchlorate offers special processing advantages. Calcium perchlorate, on the other hand, increases performance due to its higher density and higher specific oxygen content.
  • heavy metals with a high affinity for oxygen such as zircon, can also be used.
  • An energy-rich, relatively dense and inexpensive rocket fuel is according to claim 9.
  • the explosives are mixed with rocket-solid fuel-specific phlegmatizing and binding agents as well as light metals.
  • the invention can also be used for rocket propellants without significant change, by using the lightest possible metals and special desensitizing and binding agents.
  • the plate was punched through, the hole diameter being 7mm.
  • the metal is said to explode. To do this, it is necessary to evaporate the metal first. As is known, this requires a high level of energy, since the heat of vaporization of aluminum, calcium, silicon is very high. When metals are added to normal explosives, their relatively low heat of explosion is usually insufficient to evaporate the metal quickly and completely. It also consumes a lot of the heat of the explosion and thus the temperature before the metal is burned, which results in a delay in the reaction. The energy of the explosives used must therefore first be increased.
  • this is achieved in that a safe explosive such as TNT, hexogen, octogen or nitropenta is poured, melted, mixed or combined with a solvent in such a large amount that a complete combustion with a balanced oxygen balance occurs , e.g. 16 mol TNT + 21 mol Ca (CBOa) 2 or 8 mol hexogen + 3 mol Ca (C20 4 ) 2 .
  • a safe explosive such as TNT, hexogen, octogen or nitropenta
  • This basic mixture is intimately mixed with the metal dust and fused or glued.
  • the proportion of the metal is at least so high that the water is reduced to hydrogen and the carbon dioxide to carbon monoxide. With further reduction, the energy increases, but the explosive gas volume decreases because the carbon monoxide is reduced to carbon. The resulting amounts of energy are very high without afterburning with the atmospheric oxygen.
  • the above mixture of TNT / Ca (Cl0 4 ) 2 can be a mixture of 37.6% Ai, 62.4% Ca (Ce0 4 ) 2 with one specific weight of 2.67 g / cm3 can be added.
  • the energy is 31.4 MJ / dm3.
  • High-energy rocket fuels are created by desensitizing mixtures containing ammonium perchlorate.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Sprengstoff für Gefechtsköpfe und einen Raketenfesttreibstoff, bestehend aus einem hochenergetischen Sekundärsprengstoff mit anorganischem Perchlorat und Metallanteil hoher Sauerstoffaffinität sowie Plegmatisierungs- und Bindemittel.
  • Aus der Literaturstelle "Engineering Design Handbook" aus "Explosives Series Properties of Explosives of Military Interest", U.S. Army Materiel Command, January 1971 ist ein Sprengstoff bestehend aus Hexogen, Kaliumperchlorat, Aluminium mit Bindemitteln bekannt.
  • Ein ähnlicher Sprengstoff geht aus der US-A 4 042 430 hervor, wobei sich dieser auf einen hochtemperaturfesten Sprengstoff bezieht. Bei beiden bekannten Sprengstoffen ist gemeinsam, daß das Oxidationsmittel mit stöchiometrischen Überschuß vorliegt. Als Folge wird bei der Detonation das überschüssige Perchlorat unter Energieverbrauch zersetzt. Der freiwerdende Sauerstoff kann erst dann mit dem Metall nachreagieren. Es liegt daher eine mehrstufige Reaktion vor, wodurch die Energieumsetzung relativ langsam ist.
  • Die US-A-2, 992, 086 betrifft ein hochenergetisches, Metallpulver enthaltendes Sprengmittel. Die Zusammensetzung gemäß der Tabelle Spalte 2, Beispiel 1:54 AI, 36 Ammoniumperchlorat, 4 TNT, 6 RDX, 3 Binder ist vorzugsweise derart eingestellt, daß die Menge an Oxidationsmittel gerade zur Metallverbrennung ausreicht und der Sprengstoffanteil so berechnet ist, daß der Sauerstoff möglichst vollständig freigesetzt wird und die zur Metall - Sauerstoff - Reaktion notwendige Temperatur erreicht wird. Eine weitere Lehre bezüglich der Stöchiometrie zwischen Sekundärsprengstoff und Oxidans ist nicht enhalten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sprengstoff mit einem hohen Energieinhalt pro Volumeneinheit zu schaffen. Dabei soll die Energieumsetzung sehr rasch erfolgen und vollständig sein.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß bei einem Sekundärsprengstoff die Sauerstoffbilanz durch den Perchloratanteil etwa auf eine vollständige Reaktion zu Kohlendioxid und Wasser ausgeglichen ist.
  • Durch die vollständige Reaktion der im Sprengstoff enthaltenen verbrennbaren Anteile entsteht eine sehr große Menge durch Metall besonders gut und leicht reduzierbarer Sprenggase. Dadurch wird eine wesentliche Leistungssteigerung gegenüber den bekannten Sprengstoffen erreicht.
  • Durch die höhere Affinität des Metalls zu Sauerstoff, verglichen mit Kohlenstoff und Wasserstoff, erfolgt eine heftige Reaktion des Metalls mit Kohlendioxid und Wasser. Diese werden dabei reduziert und es wird eine beträchtliche Energiemenge freigesetzt. Dadurch wird das Sprenggasgemisch zusätzlich aufgeheizt, wodurch das Leistungsvermögen des Sprengstoffs wesentlich gesteigert wird. Besonders günstige Werte werden erhalten, wenn die Stöchiometrie des Metallanteils eine Reduktion der Sprenggase auf Wasserstoff und Kohlenmonoxid bewirkt. Ist bei einem reduzierten Sprenggasvolumen eine besonders große Wärmefreisetzung erwünscht, so wird durch weitere Erhöhung des Metallanteils eine Reduktion der Sprenggase auf elementaren Kohlenstoff und Wasserstoff vorgenommen.
  • Weiterhin wird durch den hohen Energieüberschuß eine sehr schnelle Verdampfung der Metalle bewirkt, wodurch deren Reaktionsbereitschaft wesentlich gesteigert ist.
  • Nach dem Anspruch 2 sind als Perchlorate die Perchlorate der Alkali- und Erdalkalimetalle vorgesehen. Derartige Perchlorate sind kostengünstig, leicht zugänglich und darstellbar.
  • Nach dem Anspruch 3 liegen bei 1009 Hexogen oder Oktogen 40-509 Natriumperchlorat vor. Durch den angegebenen Bereich beim Natriumperchlorat können entsprechend der jeweiligen Anwendung geeignete Mengen von Binde- und Plegmatisierungsmittel vorgesehen sein; ohne daß sich die Stöchiometrie der Reaktion mit dem Sekundärsprengstoff ändert.
  • Entsprechend den Ansprüchen 4 und 5 ist vorgesehen, daß als Perchlorat Kalium- oder Calciumperchlorat eingesetzt werden. Kaliumperchlorat bietet aufgrund seiner geringen Hygroskopität besonders verarbeitungstechnische Vorteile. Calciumperchlorat wirkt dagegen aufgrund seiner höheren Dichte und des höheren spezifischen Sauerstoffanteil leistungssteigernd.
  • Entsprechend dem Anspruch 6 ist eine vorteilhafte Weiterbildung des Anspruchs 1 angegeben. In Abhängigkeit von der Art des verwendeten Metalls wird ein Anteil von 25-45 Gewichtsprozent für die Reduktion vorgesehen.
  • Unter Voraussetzung der hohen Sauerstoffaffinität können nach Anspruch 7 verschiedene leichte Metalle verwendet werden.
  • Bei einem Sprengstoff mit hoher Dichte können nach Anspruch 8 auch Schwermetalle hoher Sauerstoffaffinität, wie Zirkon eingesetzt werden.
  • Ein energiereicher, relativ dichter und kostengünstiger Raketentreibstoff liegt nach dem Anspruch 9 vor. Der Sprengstoff wird dabei mit raketenfesttreibstoffspezifischen Phlegmatisierungs- und Bindemitteln sowie leichten Metallen versetzt.
  • Wesentlich für die Erfindung ist:
    • Es liegen universelle Sprengstoffe bzw. Sprengstoffrezepturen mit maximalen Energieausbeuten vor. Die erfindungsgemäßen Sprengstoffe sind leicht abstimmbar auf anwendungstechnische Erfordernisse, wobei der Energiegehalt höher ist als bei bekannten Sprengstoffen. Auch liegen höhere Sprenggasvolumina und Blasteffekte vor als bei herkömmlichen metallhaltigen Sprengstoffen ohne Oxidationsmittel.
  • Die Erfindung ist auch ohne wesentliche Veränderung für Raketenfesttreibstoffe einsetzbar, indem möglichst leichte Metalle und spezielle Phlegmatisierungs- und Bindemittel eingesetzt werden.
  • Bei einem Sprengstoff, dessen Bestandteile in Gewichtsprozenten angegeben sind wurde nachfolgendes Ergebnis erreicht. Sprengstoffanteile:
    • 50,2 % RDX
    • 21,2 % Na CI04
    • 25 % Zirkon
    • 3,6 % Binder
      Es wurden folgende Ergebnisse auf Stahl mit einer Plattendicke von 8mm bei einem Sprengstoffkörper mit 15 g Gewicht und den Maßen 20mm Durchmesser 20mm Höhe erreicht.
  • Die Platte wurde durchschlagen, wobei der Lochdurchmesser 7mm beträgt.
  • Beim Vergleich mit dem bekannten, Sprengstoff HWC (94,5 % Hexogen, 4,5 Wachs, 1% Graphit) wurde eine Platte gleicher Dicke nicht durchschlagen. Es entstand ein gerade noch wahrnehmbarer Riß.
  • Ein in gleicher Weise mit dem Sprengstoff Hexal (70 % Hexogen, 30 % Aluminium) durchgeführter Versuch ergab, daß die Platte nicht durchschlagen wurde. Es lag auch kein Riß vor.
  • Ein Sprengstoff der folgenden Zusammensetzung 36 % HMX
    • 16,9 % KCI04
    • 45 % Zirkon
    • 2,1 % Binder
      lieferte bei einer Unterwassersprengung einen um 41,5 % höheren Stoßdruck als eine volumengleiche Probe des Unterwassersprengstoffes SSM TR 8870 (41 % TNT, 30 % RDX, 24 % AI, 5 % Phlegmatisierungsmittel).
  • Das Metall soll sich explosionsartig umsetzen. Dazu ist es erforderlich, das Metall zuerst zu verdampfen. Bekanntlich ist dazu eine hohe Energie erforderlich, da die Verdampfungswärme von Aluminium, Kalzium, Silizium sehr hoch ist. Bei Beimischen von Metallen zu normalen Sprengstoffen reicht meist deren relativ geringe Explosionswärme kaum aus, das Metall schnell und vollständig zu verdampfen. Auch wird dadurch viel von der Explosionswärme verbraucht und vor der Metallverbrennung somit die Temperatur niedriger, wodurch sich eine Verzögerung der Reaktion ergibt. Es muß daher zuerst die Energie des mitverwendeten Sprengstoffs erhöht werden.
  • Entsprechend der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß ein sicherer Sprengstoff wie TNT, Hexogen, Oktogen oder Nitropenta mit einer so großen Menge Perchlorat vergossen, verschmolzen, vermischt oder durch ein Lösungsmittel verbunden wird, daß es zu einer vollständigen Verbrennung mit ausgeglichener Sauerstoff-Bilanz kommt, z.B. 16 Mol TNT + 21 Mol Ca(CBOa)2 oder 8 Mol Hexogen + 3 Mol Ca(C204)2.
  • Diese Basismischung wird mit dem Metallstaub innig vermischt und verschmolzen oder verklebt. Der Anteil des Metalls ist mindestens so hoch, daß das Wasser auf Wasserstoff und das Kohlendioxid auf Kohlenmonoxid reduziert wird. Bei weiterer Reduktion erhöht sich die Energie, jedoch das Sprenggasvolumen nimmt ab, da das Kohlenmonoxid zu Kohlenstoff reduziert wird. Die entstehenden Energiemengen sind sehr hoch ohne daß eine Nachverbrennung mit dem Luftsauerstoff vorliegt.
  • Soll ein Sprengstoff mit großer Hitzewirkung geschaffen werden, wobei allerdings das Sprenggasvolumen sehr niedrig ist, kann obige Mischung aus TNT/Ca(Cl04)2eine Mischung aus 37,6 % Ai, 62,4 % Ca(Ce04)2 mit einem spezifischen Gewicht von 2,67 g/cm3 zugegeben werden. Die Energie beträgt hierbei 31,4 MJ/dm3.
  • Energiereiche Raketenfesttreibstoffe werden durch Phlegmatisieren speziell ammoniumperchlorathaltiger Mischungen geschaffen.

Claims (9)

1. Sprengstoff für Gefechtsköpfe und Raketenfesttreibstoff, bestehend aus einem hochenergetischen Sekundärsprengstoff mit einem anorganischen Perchlorat und einem Metallanteil hoher Sauerstoffaffinität, sowie Phlegmatisierungs- und Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Komponenten die folgenden stöchiometrischen Verhältnisse gleichzeitig vorliegen:
- die Sauerstoffbilanz des Sekundärsprengstoffes ist durch den Perchloratanteil etwa auf eine vollständige Reaktion zu Kohlendioxid und Wasser ausgeglichen; und
- der Metallanteil ist auf das entstehende Volumen an reduzierbarem Sprenggas (C02 und H20) wahlweise so abgestimmt, daß dieses entweder auf Kohlenmonoxid und Wasserstoff oder auf Kohlenstoff und Wasserstoff reduziert wird.
2. Sprengstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Perchlorate die Perchlorate der Alkali- und Erdalkalimetalle vorgesehen sind.
3. Sprengstoff nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei 100 g Hexogen oder Oktogen 40-45 g Natriumperchlorat und entsprechende Mengen von Binde- und Phlegmatisierungsmittel oder bei 100 g TNT 140-150 g Na Ci04 vorgesehen sind.
4. Sprengstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Perchlorate, Lithium-, Kalium-oder Calciumperchlorat vorgesehen sind.
5. Sprengstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei 100 g Hexogen oder Oktogen 40-44 g Calciumperchlorat und entsprechende Mengen von Binde- und Phlegmatisierungsmittel vorgesehen sind.
6. Sprengstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Art des Metalls der Sprengstoff 25 bis 45 Gewichtsprozent Metallanteil enthält.
7. Sprengstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalle Silizium, Magnesium, Calcium, Aluminium oder daraus bestehende Gemische oder Legierungen vorgesehen sind.
8. Sprengstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalle Zink, Mangan, Titan, Zirkon oder daraus bestehende Gemische oder Legierungen vorgesehen sind.
9.Sprengstoff zur Anwendung als Raketenfesttreibstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprengstoff geeignete raketenfesttreibstoffspezifische Phlegmatisierungs- und Bindemittel, sowie leichte Metalle und deren Gemische oder Legierungen aufweist.
EP89100034A 1988-01-05 1989-01-03 Sprengstoff für Gefechtsköpfe und Raketenfesttreibstoff Expired - Lifetime EP0323828B1 (de)

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