EP2349953A2 - Composite composition for solid propellants including a ferrocene derivative and a submicronic aluminum charge, solid propellant, and load - Google Patents
Composite composition for solid propellants including a ferrocene derivative and a submicronic aluminum charge, solid propellant, and loadInfo
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- EP2349953A2 EP2349953A2 EP09797078A EP09797078A EP2349953A2 EP 2349953 A2 EP2349953 A2 EP 2349953A2 EP 09797078 A EP09797078 A EP 09797078A EP 09797078 A EP09797078 A EP 09797078A EP 2349953 A2 EP2349953 A2 EP 2349953A2
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Abstract
The present invention relates to composite compositions for solid propellants including an oxidizing charge, a liquid polyol polymer, a combustion catalyst consisting of a ferrocene derivative, and an aluminum charge. Said aluminum charge is characteristically submicronic, or even nanometric. The present invention also relates to pasty or solid propellant, and to the corresponding solid propellant loads.
Description
Composition composite pour propergol solide comprenant un dérivé ferrocénique et une charge d'aluminium submicroniαue, propergol solide et chargement Composite solid propellant composition comprising a ferrocene derivative and a submicron aluminum charge, solid propellant and loading
La présente invention concerne des compositions composites pour propergol solide, des propergols (à l'état pâteux ou solide) à base de telles compositions et des chargements comprenant de tels propergols solides.The present invention relates to composite compositions for solid propellant, propellants (pasty or solid) based on such compositions and loadings comprising such solid propellants.
Les propergols solides considérés sont des propergols à haute vitesse de combustion et forte impulsion spécifique. Ils conviennent tout particulièrement pour les chargements de propulsion des fusées et des missiles.The solid propellants considered are propellants with high combustion rate and high specific impulse. They are particularly suitable for rocket and missile propulsion loads.
Les compositions pour propergols, dits composites, consistant en une charge oxydante, généralement du perchlorate d'ammonium (PA), une charge d'aluminium (Al) micrométrique, présentant généralement un diamètre médian compris entre 5 μm et 30 μm, et un liant polyuréthanne (PU), sont largement utilisées pour les applications de propulsion par fusées dans les domaines militaire et civil.The propellant compositions, referred to as composites, consisting of an oxidizing filler, generally ammonium perchlorate (PA), an aluminum (Al) micrometric filler, generally having a median diameter of between 5 μm and 30 μm, and a binder Polyurethane (PU), are widely used for rocket propulsion applications in the military and civilian fields.
Les propergols se présentent à l'état pâteux dans les phases de mélange et coulée pour l'obtention des chargements (l'agent de réticulation du polymère du liant polyuréthane n'étant pas encore ajouté dans la composition, ou l'agent de réticulation ayant été ajouté, la réticulation du polymère du liant n'étant pas encore complète), et à l'état solide lorsque le liant est réticulé.The propellants are in the paste state in the mixing and casting phases for obtaining the charges (the crosslinking agent of the polymer of the polyurethane binder not yet being added to the composition, or the crosslinking agent having added, the crosslinking of the binder polymer is not yet complete), and in the solid state when the binder is crosslinked.
Les propergols composites classiques (du type de ceux utilisés pour les accélérateurs de la fusée Ariane) ont typiquement une vitesse de combustion comprise entre 8 et 14 mm/s à une pression de 7 MPa.Conventional composite propellants (of the type used for accelerators of the Ariane rocket) typically have a combustion rate of between 8 and 14 mm / s at a pressure of 7 MPa.
L'augmentation des performances des moteurs à propergol solide conduit à rechercher des compositions pour l'obtention de propergols solides à forte impulsion et à haute vitesse de combustion, notamment pour une utilisation dans les accélérateurs de missile tactique, sans augmentation de leurs sensibilités, notamment au frottement et à l'impact, aussi bien à l'état pâteux qu'à l'état solide.The increase in the performance of solid propellant engines leads to the search for compositions for obtaining solid propellants with a high pulse and a high combustion rate, in particular for use in tactical missile accelerators, without increasing their sensitivities, in particular friction and impact, both in the pasty state and in the solid state.
Il est connu d'utiliser des dérivés ferrocéniques comme catalyseur de combustion dans ce type de composition, pour augmenter la vitesse de combustion. Les propergols peuvent ainsi, suite à l'incorporation en leur
sein d'un produit ferrocénique liquide, présenter des vitesses de combustion jusqu'à 50 mm/s à 7 MPa. Le dérivé ferrocénique ajouté, non lié au réseau polymèrique du propergol, montre une aptitude à la migration aux interfaces. C'est pourquoi il peut avantageusement être greffé sur Ie polymère du liant, ainsi que décrit dans la demande FR 2 567 895. On peut aussi se référer, à ce propos, à l'article "The maturity of Butacène® based composite propellant", par G. Fonblanc et B. Herran dans AIAA-94-3194. En tout état de cause, le taux de catalyseur introduit dans les compositions doit rester limité (quelques pourcents en masse), en raison de l'augmentation de sensibilité du propergol qui résulte de l'utilisation dudit catalyseur. Les vitesses de combustion accessibles par ce biais restent donc limitées et comprises entre 20 et 30 mm/s (à 7 MPa). On peut se référer à ce sujet à la publication "Energetic Insensitive Propellants for solid and ducted Rocket", G. Doriath, Journal of Propulsion and Power, Vol. 11, N0. 4, July-August 1995 et à l'ouvrage de A. Davenas "Technologie des propergols solides", édition Masson 1989.It is known to use ferrocene derivatives as a combustion catalyst in this type of composition, to increase the rate of combustion. Propellants can thus, following incorporation into their Within a liquid ferrocenic product, present combustion rates up to 50 mm / s at 7 MPa. The ferrocene derivative added, unrelated to the polymeric network of the propellant, shows an ability to migrate to the interfaces. This is why it can advantageously be grafted onto the polymer of the binder, as described in application FR 2 567 895. In this connection, reference can also be made to the article "The maturity of Butacene® based composite propellant" , by G. Fonblanc and B. Herran in AIAA-94-3194. In any case, the rate of catalyst introduced into the compositions must remain limited (a few percent by weight), because of the increase in propellant sensitivity which results from the use of said catalyst. The combustion speeds accessible thereby remain limited and between 20 and 30 mm / s (at 7 MPa). Reference can be made to this subject in the publication "Energetic Insensitive Propellants for Solid and Ducted Rocket", G. Doriath, Journal of Propulsion and Power, Vol. 11, N 0 . 4, July-August 1995 and A. Davenas's book "Technology of solid propellants", Masson 1989 edition.
Les particules d'aluminium micrométriques contenues dans le propergol brûlent avec la charge oxydante dans la chambre de combustion de la fusée ou du missile et se retrouvent sous la forme de particules d'alumine micrométriques. La présence de particules de dimensions micrométriques dans la chambre de combustion est favorable à la réduction des instabilités de combustion (conduisant à des oscillations de pression). En contrepartie, les particules d'aluminium micrométriques contenues dans les propergols concernés peuvent, en raison de leur temps de séjour limité dans la chambre de combustion de la fusée ou du missile, ne pas brûler entièrement avant d'être éjectées par la tuyère. Il en résulte une perte de performance énergétique du moteur. De plus, dans les moteurs de grandes dimensions, par exemple à application spatiale à tuyère intégrée (formant un bol dans le corps arrière de la chambre de combustion), les plus grosses particules d'alumine peuvent ne pas suivre l'écoulement des gaz et s'accumuler dans la partie arrière de la chambre de combustion, créant une masse inerte embarquée augmentant au fur et à mesure de la combustion du chargement de propergol. Afin d'éviter ces deux phénomènes, surtout critiques dans les gros moteurs à applications spatiales, on a cherché à remplacer l'aluminium de
granulométrie micrométrique (Dmédian ~ 5 à 30 μm) par de l'aluminium submicronique (0,1 μm < Dmédian < 1 μm), voire nanométrique (50 nm < Dmédian < 100 nm). Outre les effets attendus sur les performances énergétiques des moteurs, il a aussi été constaté que l'introduction d'aluminium submicronique, voire nanométrique, induit une augmentation de la vitesse, significative, mais modeste, de combustion du propergol (13 à 24 mm/s à 7 MPa). Ce résultat est notamment publié dans "HTPB/AP/AI solid propellant with nanometric aluminium", O. Orlandi & al, European conférence for aerospace science, 4 juillet 2005, Moscou. En revanche, l'introduction d'aluminium submicronique, voire nanométrique, tend à rendre le propergol à l'état pâteux plus sensible au frottement, par rapport à un propergol à l'état pâteux contenant de l'aluminium micrométrique.The micrometric aluminum particles contained in the propellant burn with the oxidizing charge in the rocket or missile combustion chamber and are in the form of micrometric alumina particles. The presence of particles of micrometric dimensions in the combustion chamber is favorable to the reduction of the instabilities of combustion (leading to pressure oscillations). In return, the micrometric aluminum particles contained in the propellants concerned may, because of their limited residence time in the combustion chamber of the rocket or the missile, not burn completely before being ejected by the nozzle. This results in a loss of energy performance of the engine. Moreover, in large motors, for example with spatial application with an integrated nozzle (forming a bowl in the rear body of the combustion chamber), the larger particles of alumina may not follow the flow of gases and accumulate in the rear part of the combustion chamber, creating an embedded inert mass increasing as the propellant charge burns. In order to avoid these two phenomena, especially critical in large motors with space applications, we have sought to replace micrometric granulometry (Dmedian ~ 5 to 30 μm) by submicron aluminum (0.1 μm <Dmedian <1 μm), even nanometric (50 nm <Dmedian <100 nm). In addition to the expected effects on the energy performance of the engines, it has also been found that the introduction of submicron or even nanometric aluminum induces a significant but modest increase in the propellant combustion rate (13 to 24 mm / s at 7 MPa). This result is notably published in "HTPB / AP / AI solid propellant with nanometric aluminum", O. Orlandi & al, European conference for aerospace science, July 4, 2005, Moscow. On the other hand, the introduction of submicron or even nanometric aluminum tends to make the propellant in the pasty state more sensitive to friction, compared to a pasty propellant containing micrometric aluminum.
L'homme du métier est en fait toujours à la recherche d'une composition pour propergol solide composite conduisant à un propergol, à haute vitesse de combustion, présentant, notamment à l'état de pâte, une sensibilité à l'impact et une sensibilité au frottement, proches de celles des propergols de référence, à plus faible vitesse de combustion.The person skilled in the art is in fact always looking for a composition for solid propellant propellant leading to a propellant, at high speed of combustion, having, especially in paste state, an impact sensitivity and sensitivity at friction, close to those of the reference propellants, at a lower rate of combustion.
L'augmentation de la vitesse de combustion d'un propergol solide composite par introduction dans sa composition d'un catalyseur ferrocénique s'accompagnant inéluctablement d'une augmentation de la sensibilité dudît propergol, notamment à l'état pâteux, l'augmentation de la vitesse de combustion d'un propergol solide composite par introduction dans sa composition d'aluminium submicronique, voire nanométrique, s'accompagnant aussi inéluctablement d'une augmentation de la sensibilité dudit propergol, notamment à l'état pâteux, il existait donc un réel préjugé, en référence à la sensibilité d'un propergol solide composite, à introduire conjointement catalyseur ferrocénique et aluminium submicronique (voire nanométrique) dans la composition dudit propergol (pour augmenter la vitesse de combustion dudit propergol). Les inventeurs ont cependant introduit conjointement lesdits catalyseur ferrocénique et aluminium submicronique dans la composition d'un propergol solide composite et ont obtenu des résultats surprenants (voir notamment ceux donnés dans le tableau 2 ci-après : augmentation de la vitesse de combustion sans augmentation de la sensibilité), qui infirment ledit préjugé.
Le premier objet de l'invention concerne des compositions composites pour propergols composites solides permettant d'atteindre les propriétés recherchées pour lesdits propergols, et ce, en associant, dans une composition pour propergol solide, un catalyseur ferrocénique et une charge d'aluminium de granulométrie submicronique, voire nanométrique.The increase in the burning rate of a composite solid propellant by introduction into its composition of a ferrocene catalyst inevitably accompanied by an increase in the sensitivity of said propellant, especially in the pasty state, the increase in combustion rate of a composite solid propellant by introducing into its submicron or even nanometric aluminum composition, also inevitably accompanied by an increase in the sensitivity of said propellant, especially in the pasty state, so there was a real prejudice , with reference to the sensitivity of a composite solid propellant, to jointly introduce ferrocene catalyst and submicron aluminum (even nano) in the composition of said propellant (to increase the combustion rate of said propellant). The inventors have, however, jointly introduced said ferrocene and submicron aluminum catalyst into the composition of a composite solid propellant and have obtained surprising results (see in particular those given in Table 2 below: increase in the rate of combustion without increasing the sensitivity), which invalidate the prejudice. The first subject of the invention concerns composite compositions for solid composite propellants making it possible to achieve the desired properties for said propellants, by combining, in a solid propellant composition, a ferrocene catalyst and a particle size aluminum filler. submicron or even nanometric.
Les compositions de l'invention comprennent donc une charge oxydante, un polymère polyol liquide (précurseur du liant), un catalyseur de combustion consistant en un dérivé ferrocénique, et une charge d'aluminium. De façon caractéristique, ladite charge d'aluminium a un diamètre médian inférieur à 1 μm.The compositions of the invention thus comprise an oxidizing filler, a liquid polyol polymer (precursor of the binder), a combustion catalyst consisting of a ferrocene derivative, and an aluminum filler. Typically, said aluminum filler has a median diameter of less than 1 μm.
Avantageusement, ladite charge d'aluminium a un diamètre médian compris entre 800 nm et 50 nm, très avantageusement entre 400 nm et 80 nm.Advantageously, said aluminum filler has a median diameter of between 800 nm and 50 nm, very advantageously between 400 nm and 80 nm.
On comprend que les particules d'aluminium, constitutives de ladite charge d'aluminium, présentent les granulométries énoncées ci-dessus. Les compositions de l'invention renferment généralement :It is understood that the aluminum particles constituting said aluminum filler, have the particle sizes set forth above. The compositions of the invention generally contain:
- de 60 à 80% en masse de ladite charge oxydante,from 60 to 80% by weight of said oxidizing charge,
- de 5 à 15 % en masse dudit polymère polyol liquide,from 5 to 15% by weight of said liquid polyol polymer,
- de 1% à 5% en masse dudit dérivé ferrocénique, - de 5 à 25% en masse de ladite charge d'aluminium, etfrom 1% to 5% by weight of said ferrocenic derivative, from 5% to 25% by weight of said aluminum filler, and
- pour moins de 5 % de leur masse :- for less than 5% of their mass:
+ un agent de réticulation liquide dudit polymère polyol liquide en une quantité telle que le rapport de pontage NCO/OH soit compris entre 0.8 et 1,1, soit avantageusement de 1, + au moins un plastifiant, et+ a liquid crosslinking agent of said liquid polyol polymer in an amount such that the NCO / OH bridging ratio is between 0.8 and 1.1, advantageously at least 1, + at least one plasticizer, and
+ au moins un additif.+ at least one additive.
Lesdites compositions de l'invention renferment avantageusement :Said compositions of the invention advantageously contain:
- de 60 à 70% en masse de ladite charge oxydante, - de 6 à 10% en masse dudit polymère polyol liquide,from 60 to 70% by weight of said oxidizing charge, from 6 to 10% by weight of said liquid polyol polymer,
- de 2% à 4% en masse dudit dérivé ferrocénique,from 2% to 4% by weight of said ferrocenic derivative,
- de 15 à 20% en masse de ladite charge d'aluminium, etfrom 15 to 20% by weight of said aluminum filler, and
- pour moins de 5 % de leur masse :
+ un agent de réticulation liquide dudit polymère polyol liquide en une quantité telle que le rapport de pontage NCO/OH soit compris entre 0.8 et 1,1/ soit avantageusement de 1,- for less than 5% of their mass: + a liquid crosslinking agent of said liquid polyol polymer in an amount such that the NCO / OH bridging ratio is between 0.8 and 1.1 / advantageously of 1,
+ au moins un plastifiant, et + au moins un additif.+ at least one plasticizer, and + at least one additive.
Selon des variantes préférées: a) le dérivé ferrocénique est choisi parmi le ferrocène, le n-butylferrocène, le di n-butylferrocène, le 2,2-biséthylferrocénylpropane (catocène) ; b) le dérivé ferrocénique est greffé sur une fraction dudit polymère polyol liquide (précurseur du liant). Le polymère greffé est généralement un polymère à insaturations éthylèniques comportant, sur au moins certaines desdites insaturations, des groupements silylmétallocènes. Il peut notamment s'agir d'un polymère, tel que décrit dans la demande FR 2 567 895, dont les groupements silylmétallocènes répondent à la formule ci-après : R3 According to preferred variants: a) the ferrocene derivative is chosen from ferrocene, n-butylferrocene, di-n-butylferrocene, 2,2-bis-butylferrocenylpropane (catocene); b) the ferrocene derivative is grafted onto a fraction of said liquid polyol polymer (precursor of the binder). The graft polymer is generally a polymer with ethylenic unsaturations comprising, on at least some of said unsaturations, silylmetallocene groups. It can in particular be a polymer, as described in patent application FR 2 567 895, the silylmetallocene groups of which have the following formula: R 3
-Si - R1 - (C5H4)M(C5H5) I-Si - R 1 - (C 5 H 4 ) M (C 5 H 5 ) I
R2 dans laquelle : M représente le fer,R 2 in which: M represents iron,
Ri représente un reste alîphatique substitué ou non, un reste aromatique substitué ou non, R2, R3, qui peuvent être identiques ou différents, représentent un reste aliphatique substitué ou non, un reste aromatique substitué ou non, un groupement -[Ri - (C5H4)Fe(C5H5)].R 1 represents a substituted or unsubstituted aliphatic radical, a substituted or unsubstituted aromatic radical, R 2, R 3 , which may be identical or different, represent a substituted or unsubstituted aliphatic radical, a substituted or unsubstituted aromatic radical, a - C 5 H 4 ) Fe (C 5 H 5 )].
Dans le cadre de cette variante de l'invention, on préconise tout particulièrement l'intervention du produit connu sous la dénomination Butacène®. Ledit produit est un polybutadiène hydroxytéléchélïque de faible masse moléculaire (masse moléculaire inférieure à 4 000 g/mol) auquel on a greffé un silane ferrocénique. Sa formule chimique est représentée sur la figure 2 annexée. Le Butacène® est produit et commercialisé par Ia société SNPE Matériaux Energétiques. Son taux de fer en masse ajouté est de 8%, son pourcentage massique de ferrocène
est de 26,57%. Les caractéristiques du Butacène® sont données dans Ie tableau 1 ci-après.In the context of this variant of the invention, the intervention of the product known as Butacene® is particularly recommended. The product is a low molecular weight hydroxytelechelic polybutadiene (molecular weight less than 4000 g / mol) to which a ferrocene silane has been grafted. Its chemical formula is shown in Figure 2 attached. Butacène® is produced and marketed by SNPE Matériaux Energétiques. Its added iron content is 8%, its mass percentage of ferrocene is 26.57%. The characteristics of Butacene® are given in Table 1 below.
Tableau 1Table 1
c) ladite charge oxydante comprend, voire consiste en, du perchlorate d'ammonium (PA) (elle consiste avantageusement en du PA); d) ledit polymère polyol liquide est un polybutadiène hydroxytéléchélique. c) said oxidizing charge comprises or even consists of ammonium perchlorate (PA) (it advantageously consists of PA); d) said liquid polyol polymer is a hydroxytelechelic polybutadiene.
Ces variantes préférées sont à considérer indépendamment l'une de l'autre et avantageusement en combinaison (a ou b et c ; a ou b et d ; a ou b et c et d).These preferred variants are to be considered independently of one another and advantageously in combination (a or b and c; a or b and d; a or b and c and d).
L'agent de réticulation (au moins bifonctionnel) est généralement un polyisocyanate, de préférence un polyisocyanate alicyclique. Il consiste avantageusement en l'isophorone diisocyanante (IPDI).The crosslinking agent (at least bifunctional) is generally a polyisocyanate, preferably an alicyclic polyisocyanate. It advantageously consists of diisocyanate isophorone (IPDI).
Ledit au moins un plastifiant est choisi préférentiellement parmi Pazélate de dioctyle (DOZ), le sébaçate de diisooctyle, le pélargonate d'isodécyle, le polyisobutylène, le phtalate de dioctyle (DOP).Said at least one plasticizer is preferably selected from dioctyl azelate (DOZ), diisooctyl sebacate, isodecyl pelargonate, polyisobutylene, dioctyl phthalate (DOP).
Ledit au moins un additif peut notamment consister en un ou plusieurs agents d'adhésion entre le liant et la charge oxydante, comme par exemple l'oxyde de bis(2-méthylaziridinyl)méthylaminophosphine (méthyl BAPO) ou le triéthylène pentamine acrylonitrile (TEPAN), en un ou plusieurs agents antioxydants issus de ceux de l'industrie du caoutchouc, comme par exemple le ditertiobutylparacrésol (DBC) ou le 2,2'-méthylène- bîs(4-méthyl-6-tertio-butylphénol) (MBP5), en un ou plusieurs catalyseurs de réticulation, comme par exemple l'acétylacétonate de fer ou de cuivre, le dibutyldilaurate d'étain (DBTL).
Selon son deuxième objet, l'invention concerne des propergols à base desdites compositions composites (au moins en partie constitués de telles compositions), propergols qui se présentent à l'état pâteux (l'agent de réticulation du polymère du liant polyuréthane n'étant pas encore ajouté dans la composition, ou l'agent de réticulation ayant été ajouté, la réticulation du liant n'étant pas encore complète) ou à l'état solide. Les procédés de fabrication mis en œuvre pour l'obtention desdits propergols sont connus de l'homme du métier et sont avantageusement optimisés en fonction de la composition exacte desdits propergols. On peut notamment procéder par malaxage de la composition à l'état pâteux, coulée de la pâte dans un moule à la forme du chargement désiré et cuisson de ladite pâte, pour sa réticulation, dans ledit moule.Said at least one additive may especially consist of one or more adhesion agents between the binder and the oxidizing charge, such as, for example, bis (2-methylaziridinyl) methylaminophosphine oxide (methyl BAPO) or triethylene pentamine acrylonitrile (TEPAN) one or more antioxidants derived from those of the rubber industry, such as, for example, ditertiobutylparacresol (DBC) or 2,2'-methylenebis (4-methyl-6-tert-butylphenol) (MBP5), in one or more crosslinking catalysts, such as, for example, iron or copper acetylacetonate, tin dibutyldilaurate (DBTL). According to its second object, the invention relates to propellants based on said composite compositions (at least partly constituted by such compositions), propellants which are present in the pasty state (the crosslinking agent of the polymer of the polyurethane binder being not yet added to the composition, or the crosslinking agent has been added, the crosslinking of the binder is not yet complete) or in the solid state. The manufacturing processes used to obtain said propellants are known to those skilled in the art and are advantageously optimized according to the exact composition of said propellants. It is possible in particular to proceed by kneading the composition in the pasty state, pouring the dough into a mold in the form of the desired loading and baking said dough, for its crosslinking, in said mold.
Selon son troisième objet, l'invention concerne un chargement de propergol solide (chargement propulsif) au moins en partie (en partie ou en totalité) constitué d'au moins un propergol solide de l'invention, tel que décrit ci-dessus.According to its third object, the invention relates to a solid propellant charge (propellant charge) at least partially (partially or totally) consisting of at least one solid propellant of the invention, as described above.
Les propergols de l'invention sont performants, en référence au cahier des charges énoncé dans l'introduction du présent texte. Ils présentent une haute vitesse de combustion à l'état solide (> 30 mm/s à P = 7 MPa) et ne sont pas plus sensibles, voire moins sensibles, à l'état pâteux que les propergols de référence de l'art antérieur. Sur le plan énergétique, les propergols de l'invention ont une impulsion spécifique similaire à celle des propergols de référence de l'art antérieur, puisque le bilan énergétique des charges renfermées ne diffère pas. On se propose maintenant d'illustrer l'invention par les exemplesThe propellants of the invention are effective, with reference to the specification set forth in the introduction to this text. They have a high solid state combustion rate (> 30 mm / s at P = 7 MPa) and are no more sensitive or less sensitive in the pasty state than the reference propellants of the prior art. . In terms of energy, the propellants of the invention have a specific impulse similar to that of the reference propellants of the prior art, since the energy balance of the enclosed charges does not differ. It is now proposed to illustrate the invention by the examples
(exemples de formulation de composition) ci-après.(examples of composition formulation) below.
La figure 1 montre les vitesses de combustion en fonction de la pression pour des propergols de référence (A, B, C de l'art antérieur) et un propergol de l'invention (D) contenant un catalyseur ferrocénique de combustion et de l'aluminium micronique ou submicronique.FIG. 1 shows the combustion rates as a function of pressure for reference propellants (A, B, C of the prior art) and a propellant of the invention (D) containing a ferrocenic combustion catalyst and the micron or submicron aluminum.
La figure 2 montre la formule chimique développée du Butacène®. Le tableau 2 ci-après donne les caractéristiques et propriétés de compositions et de propergols k, B, C, D. Ces quatre compositions contiennent une charge oxydante de perchlorate d'ammonium, une charge d'aluminium, un polymère polyol liquide, un plastifiant (l'azélate de
dioctyle), un agent de réticulation et des additifs connus, et, pour les compositions C et D, en sus un catalyseur de combustion ferrocénique ; du Butacène®. Bien que les compositions A et B ne soient pas strictement comparables aux compositions C et D pour leurs parties communes, les ordres de grandeur donnés sont significatifs de l'intérêt de l'invention.Figure 2 shows the developed chemical formula of Butacene®. Table 2 below gives the characteristics and properties of compositions and propellants k, B, C, D. These four compositions contain an oxidizing charge of ammonium perchlorate, an aluminum filler, a polymer liquid polyol, a plasticizer (azelate dioctyl), a crosslinking agent and known additives, and for compositions C and D, in addition a ferrocene combustion catalyst; Butacene®. Although compositions A and B are not strictly comparable to compositions C and D for their common parts, the orders of magnitude given are significant of the interest of the invention.
La composition A est une composition classique de l'art antérieur du type de celle utilisée pour les applications spatiales. Elle ne contient pas de dérivé ferrocénique et comprend de l'aluminium micrométrique avec un Dmédian de 30 μm. La composition B est du même type que la composition A. Elle diffère principalement de celle-ci en ce qui concerne la granulométrie de l'aluminium, qui est submicronique.Composition A is a conventional composition of the prior art of the type used for space applications. It does not contain a ferrocene derivative and comprises micrometric aluminum with a Dmedian of 30 μm. Composition B is of the same type as composition A. It differs mainly from this with respect to the particle size of aluminum, which is submicron.
La composition C contient un dérivé ferrocénique greffé sur une fraction du polymère polyol liquide (produit référencé Butacène®) et de l'aluminium micronique avec un Dmédian de 30 μm.Composition C contains a ferrocene derivative grafted on a fraction of the liquid polyol polymer (product referenced Butacene ® ) and micron aluminum with a Dmedian of 30 microns.
La composition D est une composition de l'invention comprenant à la fois un dérivé ferrocénique (Butacène®) et de l'aluminium submicronique.Composition D is a composition of the invention comprising both a ferrocene derivative (Butacene®) and submicron aluminum.
En référence à la figure 2, on rappelle que le Butacène® est un polybutadiène hydroxytéléchélique de faible poids moléculaire (masse moléculaire inférieure à 4 000 g/mol), auquel on a greffé un silane ferrocénique. Le Butacène® est produit et commercialisé par la société SNPE matériaux énergétiques. Son taux de fer en masse ajouté est de 8%, son pourcentage massique de ferrocène est de 26,57% (voir le tableau 1 ci-dessus). La vitesse de combustion mesurée sur le propergol solide de chaque composition A, B, C et D est donc montrée sur la figure 1 en fonction de la pression et indiquée dans le tableau 2 à une pression de 7 MPa. Le propergol D de l'invention présente une vitesse de combustion très supérieure à celles des trois propergols A, B, C de l'art antérieur. Le propergol D selon l'invention présente ainsi une vitesse de combustion beaucoup plus élevée que celle du propergol A de (référence de) l'art antérieur avec une sensibilité (à l'impact (ISI*) et au frottement (ISF**)) du même ordre de grandeur que celle dudit propergol A de l'art antérieur.
* Sensibilité à l'impact (ISl) ; L'épreuve réalisée correspond à celle décrite dans la norme NF T 70-500, elle-même semblable à l'épreuve ONU 3a)ii) issue des "Recommandations relatives au Transport des marchandises dangereuses - manuel d'épreuves et de critères, Quatrième édition révisée, ST/SG/AC.10/11/Rev.4, ISBN 92-1 -239083-8ISSN 1014-7179". Par une série minimale de 30 essais, on détermine l'énergie entraînant 50% (méthode de traitement des résultats de Bruceton) de résultats positifs d'une matière explosible soumise aux chocs d'un mouton. La matière à éprouver est confinée dans un dispositif en acier constitué de 2 galets et d'une bague de guidage. En modifiant la masse et la hauteur de chute du mouton, on peut faire varier l'énergie de 1 à 50 J. Compte tenu de la faible quantité de matière disponible pour certains des produits testés, il n'a été réalisé, pour lesdits produits, qu'un nombre réduit d'épreuves de reproductibilité, par rapport aux recommandations de la norme NF T 70-500.With reference to FIG. 2, it is recalled that Butacene® is a low molecular weight hydroxytelechelic polybutadiene (molecular weight less than 4000 g / mol) to which a ferrocenic silane has been grafted. Butacène® is produced and marketed by SNPE energetic materials. Its added iron content is 8%, its mass percentage of ferrocene is 26.57% (see Table 1 above). The burning rate measured on the solid propellant of each composition A, B, C and D is therefore shown in FIG. 1 as a function of the pressure and indicated in Table 2 at a pressure of 7 MPa. The propellant D of the invention has a combustion rate much higher than those of the three propellants A, B, C of the prior art. The propellant D according to the invention thus has a combustion rate much higher than that of propellant A of (reference of) the prior art with a sensitivity (impact (ISI *) and friction (ISF **) ) of the same order of magnitude as that of said propellant A of the prior art. * Sensitivity to impact (ISI); The test carried out corresponds to that described in standard NF T 70-500, itself similar to UN test 3a) ii) derived from the "Recommendations on the Transport of Dangerous Goods - Manual of Tests and Criteria, Fourth Edition. revised edition, ST / SG / AC.10 / 11 / Rev.4, ISBN 92-1 -239083-8ISSN 1014-7179 ". By a minimum series of 30 tests, the energy resulting in 50% (method of treatment of Bruceton results) of positive results of an explosive substance subjected to shocks of a sheep is determined. The material to be tested is confined in a steel device consisting of two rollers and a guide ring. By modifying the mass and the drop height of the sheep, the energy can be varied from 1 to 50 J. Given the small amount of material available for some of the products tested, it was not realized for these products. , that a reduced number of reproducibility tests, compared to the recommendations of standard NF T 70-500.
** Sensibilité au frottement (ISF): L'épreuve réalisée correspond à celle décrite dans la norme NF T 70-503, elle-même semblable à l'épreuve ONU 3b)ii). Par une série minimale de 30 essais, on détermine en utilisant la méthode Bruceton, la force entraînant 50% de résultats positifs d'une matière explosible soumise à un frottement. La matière à éprouver est placée sur une plaquette de porcelaine de rugosité définie, animée d'un seul mouvement de va et vient, de 10 mm d'amplitude à la vitesse de 7 cm/s à vide, par rapport à un crayon de porcelaine reposant sur la matière. La force appliquée sur le crayon de porcelaine qui est appuyé sur la matière peut varier de 7,8 à 353 N. Compte tenu de la faible quantité de matière disponible pour certains des produits testés, il n'a été réalisé, pour lesdits produits, qu'un nombre réduit d'épreuves de reproductibilité, par rapport aux recommandations de la norme NF T 70- 503.
Tableau 2 ** Sensitivity to friction (ISF): The test carried out corresponds to that described in standard NF T 70-503, itself similar to UN test 3b) ii). By a minimum series of 30 tests, the force resulting in 50% positive results of an explosive substance subjected to friction is determined using the Bruceton method. The material to be tested is placed on a porcelain plate of defined roughness, animated by a single back and forth motion, of 10 mm of amplitude at the speed of 7 cm / s empty, compared to a porcelain pencil. resting on the material. The force applied to the porcelain pencil which is pressed on the material may vary from 7.8 to 353 N. Given the small quantity of material available for some of the products tested, it has not been realized for these products, a reduced number of reproducibility tests, compared to the recommendations of NF T 70-503. Table 2
Claims
1. Composition composite pour propergol solide renfermant une charge oxydante, un polymère polyol liquide, un catalyseur de combustion consistant en un dérivé ferrocénique, et une charge d'aluminium, caractérisée en ce que ladite charge d'aluminium a un diamètre médian inférieur à 1 μm.A solid propellant composite composition comprising an oxidizing filler, a liquid polyol polymer, a ferrocene-derived combustion catalyst, and an aluminum filler, characterized in that said aluminum filler has a median diameter of less than 1 .mu.m.
2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite charge d'aluminium a un diamètre médian compris entre 800 nm et 50 nm, avantageusement entre 400 nm et 80 nm.2. Composition according to claim 1, characterized in that said aluminum filler has a median diameter of between 800 nm and 50 nm, advantageously between 400 nm and 80 nm.
3. Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend :3. Composition according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises:
- de 60 à 80% en masse de ladite charge oxydante,from 60 to 80% by weight of said oxidizing charge,
- de 5 à 15 % en masse dudit polymère polyol liquide,from 5 to 15% by weight of said liquid polyol polymer,
- de 1% à 5% en masse dudit dérivé ferrocénique ; - de 5 à 25% en masse de ladite charge d'aluminium, etfrom 1% to 5% by weight of said ferrocenic derivative; from 5 to 25% by weight of said aluminum filler, and
- pour moins de 5 % de sa masse :- for less than 5% of its mass:
+ un agent de réticulation liquide dudit polymère polyol liquide en une quantité telle que le rapport de pontage NCO/OH soit compris entre 0,8 et 1,1, soit avantageusement de 1, + au moins un plastifiant, et+ a liquid crosslinking agent of said liquid polyol polymer in an amount such that the NCO / OH bridging ratio is between 0.8 and 1.1, preferably at least 1, + at least one plasticizer, and
+ au moins un additif ; en ce qu'elle comprend avantageusement :+ at least one additive; in that it advantageously comprises:
- de 60 à 70% en masse de ladite charge oxydante,from 60 to 70% by weight of said oxidizing charge,
- de 6 à 10% en masse dudit polymère polyol liquide, - de 2% à 4% en masse dudit dérivé ferrocénique,from 6 to 10% by weight of said liquid polyol polymer, from 2% to 4% by weight of said ferrocenic derivative,
- de 15 à 20% en masse de ladite charge d'aluminium, etfrom 15 to 20% by weight of said aluminum filler, and
- pour moins de 5 % de sa masse ;- for less than 5% of its mass;
+ un agent de réticulation liquide dudit polymère polyol liquide en une quantité telle que le rapport de pontage NCO/OH soit compris entre 0,8 et 1,1, avantageusement 1,a liquid crosslinking agent of said liquid polyol polymer in an amount such that the NCO / OH bridging ratio is between 0.8 and 1.1, advantageously 1,
+ au moins un plastifiant, et + au moins un additif. + at least one plasticizer, and + at least one additive.
4. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit dérivé ferrocénique est choisi parmi le ferrocène, le n-butylferrocène, le di n-butylferrocène, le 2,2-biséthylferrocénylpropane.4. Composition according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said ferrocene derivative is selected from ferrocene, n-butylferrocene, di-n-butylferrocene, 2,2-bis-butylferrocenylpropane.
5. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit dérivé ferrocénique est greffé sur une fraction dudit polymère polyol liquide.5. Composition according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said ferrocene derivative is grafted onto a fraction of said liquid polyol polymer.
6. Composition selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit dérivé ferrocénique est présent sous la forme de groupements silylmétallocène.6. Composition according to claim 5, characterized in that said ferrocenic derivative is present in the form of silylmetallocene groups.
7. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite charge oxydante comprend, voire consiste en, du perchlorate d'ammonium.7. Composition according to any one of claims 1 to 6, characterized in that said oxidizing charge comprises, or even consists of, ammonium perchlorate.
8. Composition selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit polymère polyol liquide est un polybutadiène hydroxytéléchélique.8. Composition according to one of claims 1 to 7, characterized in that said liquid polyol polymer is a hydroxytelechelic polybutadiene.
9. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle se présente sous forme d'une pâte ou sous la forme d'un solide.9. Composition according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it is in the form of a paste or in the form of a solid.
10. Propergol pâteux ou solide, caractérisé en ce qu'il est au moins en partie constitué d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.10. Pasty or solid propellant, characterized in that it is at least partly composed of a composition according to any one of claims 1 to 9.
11. Chargement de propergol solide, caractérisé en ce qu'il contient au moins un propergol solide selon la revendication 10. 11. Loading solid propellant, characterized in that it contains at least one solid propellant according to claim 10.
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