EP2463259A2 - Hocheleistungswirkmasse für pyrotechnische Infrarotscheinziele - Google Patents

Hocheleistungswirkmasse für pyrotechnische Infrarotscheinziele Download PDF

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EP2463259A2
EP2463259A2 EP11009507A EP11009507A EP2463259A2 EP 2463259 A2 EP2463259 A2 EP 2463259A2 EP 11009507 A EP11009507 A EP 11009507A EP 11009507 A EP11009507 A EP 11009507A EP 2463259 A2 EP2463259 A2 EP 2463259A2
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EP
European Patent Office
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fuel
active mass
performance active
alloy
particles
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EP11009507A
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English (en)
French (fr)
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EP2463259B1 (de
EP2463259A3 (de
Inventor
Arno Hahma
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Diehl Defence GmbH and Co KG
Original Assignee
Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06C—DETONATING OR PRIMING DEVICES; FUSES; CHEMICAL LIGHTERS; PYROPHORIC COMPOSITIONS
    • C06C15/00—Pyrophoric compositions; Flints
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B27/00—Compositions containing a metal, boron, silicon, selenium or tellurium or mixtures, intercompounds or hydrides thereof, and hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41J—TARGETS; TARGET RANGES; BULLET CATCHERS
    • F41J2/00—Reflecting targets, e.g. radar-reflector targets; Active targets transmitting electromagnetic or acoustic waves
    • F41J2/02—Active targets transmitting infrared radiation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B4/00—Fireworks, i.e. pyrotechnic devices for amusement, display, illumination or signal purposes
    • F42B4/26—Flares; Torches

Definitions

  • the invention relates to a high-performance active mass for pyrotechnic Infrarotscheinziele.
  • MTV effective mass
  • Another disadvantage associated with the use of MTV as a fake target effective mass is that MTV acts as a so-called "spotlight" during burnup because the resulting flame does not occupy a large volume. For a seeker several kilometers away, such a target always appears as a dot. MTV is thus not able to emulate the exhaust plume of an aircraft and thus has no corresponding deceptive effect in image-resolving seekers.
  • MTV insufficient radiative power of MTV is usually solved by choosing a larger caliber for decoys, ie burning a larger mass of MTV.
  • this is disadvantageous both in kinematic decoys as well as in driven decoys, because more energy has to be expended to accelerate the higher mass.
  • MTV active compounds in the form of salves can be released and ignited simultaneously.
  • the object of the present invention is therefore to provide an active mass for pyrotechnic infrared light targets, which is more powerful than conventional MTV.
  • a high-performance active mass for pyrotechnic infrared light targets comprising a first fuel, at least a second fuel, an oxidizing agent and a binder
  • the first fuel and the oxidizing agent are selected with respect to their redox potentials, that the oxidizing agent, the first fuel after ignition in an exothermic reaction under the formation of a primary flame and emission of infrared radiation can oxidize
  • the second fuel is ignited in the reaction, heated and / or pyrolyzed and released from the high-performance mass
  • the second fuel is chosen so that its redox potential or the redox potential of at least one pyrolysis of the second fuel is higher than the redox potential of the first fuel and that the heated or ignited second fuel or the pyrolysis product can burn in the air, the amount of high-efficiency we in the
  • the maximum amount of oxidizing agent contained in the mass of the oxidizing agent that is present is sufficient to completely oxidize the first fuel.
  • the at least one pyrolysis product may be carbon if the second fuel is hard coal or wood, or titanium and hydrogen if the second fuel is titanium hydride.
  • Pyrolysis product is understood here in particular any product which is formed from the second fuel by mere heating.
  • primary flame is meant here a flame in which no reaction with oxygen takes place, d. H. an anaerobic flame.
  • secondary flame is meant here a flame in which a reaction with oxygen takes place, i. H. an aerobic flame.
  • a substance has the more reducing the lower its redox potential. Due to the different redox potentials is achieved that when burning the high performance active mass of the first fuel reacts with the oxidizing agent and the second fuel or the pyrolysis either not react with the oxidizing agent or if he / she should react with the oxidizing agent, the resulting oxidation product by the first fuel in the primary flame is reduced again.
  • the second fuel or pyrolysis product can thus only react outside of the anaerobic primary flame when they come into contact with the oxygen and / or nitrogen present in the air. This creates an aerobic secondary flame. The emergence of a primary flame and a secondary flame, the IR-emitting surface is increased and thereby increases the radiant power.
  • the amount of oxidant contained in the high-performance active mass may be such that it is insufficient to completely oxidize the first fuel. Then, another zone of the secondary flame arises outside the primary flame, in which the first fuel reacts with the atmospheric oxygen and inhibits the burnup of the weaker reducing second fuel or pyrolysis product. Only outside this zone can then burn the second fuel or the pyrolysis product. This causes a further increase of the IR radiation emitting surface of the flame. Also, this way less oxidizing agent is needed for the same radiant power, since the atmospheric oxygen is used as an additional oxidant.
  • the amount of oxidant contained in the high performance active mass is such that the deficit of oxidant relative to the first fuel is not excessive.
  • This will reduce the burn rate, i. H. accelerates the rate at which the active mass burns off. This is because the primary flame becomes hotter and more heat is radiated back to the remaining high-performance active mass.
  • This makes it possible to provide an active mass, which has a significantly higher radiant power than MTV during burnup and burns faster than MTV.
  • the ignitability to MTV is significantly improved because only a portion of the effective mass must be heated to achieve ignition of the active mass and because the second fuel when lighting often reacts with the oxidizing agent rather than the first fuel.
  • the second fuel can also react with the oxidizing agent. However, as soon as a flame is generated, the second fuel oxidized by the oxidant is reduced by the first fuel to the second fuel.
  • the amount of oxidizing agent contained in the high-performance active mass is such that the number of electrons to be delivered by the entire fuel in the high-performance active mass in redox reactions, the number of electrons that can be absorbed by the oxidizing agent, at least by a factor of 2, in particular at least by a factor of 3, in particular by at least a factor of 4, in particular by at least a factor of 5, exceeds.
  • the energy density of the high-performance active mass can be further increased.
  • the amount of oxidizing agent contained in the high-performance active mass is such that the number of electrons to be released from the first fuel in the high-performance active mass in redox reactions, the number of electrons that can be absorbed by the oxidizing agent, at least by a factor of 1.25, in particular at least by a factor of 1.5, in particular by at least a factor of 2.0.
  • a further zone of the secondary flame formed by the first fuel not reacted in the primary flame is generated. This enlarges the radiating surface of the flame.
  • the first fuel comprises a metal, a mixture of metals or a metal alloy.
  • the metals are suitable first fuels with very negative redox potential, i. H. with strong reducing effect. It is very advantageous if the first fuel has a boiling point which is below a reaction temperature which occurs during the reaction of the first fuel with the oxidizing agent after it has been ignited. As a result, the first fuel evaporates at the reaction temperature. The resulting fuel vapor creates a reducing atmosphere which prevents reaction of the second fuel and reduces already oxidized second fuel to the second fuel. The emergence of the vapor of the first fuel also widens the primary flame.
  • the first fuel may comprise magnesium, calcium, lithium, aluminum or an alloy or mixture of at least two of these metals. Of these, magnesium, calcium and lithium and mixtures or alloys of these metals are particularly well suited for producing a vapor of the first fuel.
  • the second fuel comprises aluminum, magnesium, titanium, zirconium, hafnium, calcium, lithium, niobium, tungsten, manganese, iron, nickel, cobalt, zinc, tin, lead, bismuth, an alloy or mixture of at least two of these metals Zirconium-nickel alloy or blend, an aluminum-magnesium alloy or blend, a lithium-aluminum alloy or blend, a lithium-silicon alloy or blend, a calcium-aluminum alloy or blend, a Iron-titanium alloy or mixture, a zirconium-titanium alloy or mixture, boron, titanium hydride, zirconium hydride, a borohydride, hafnium hydride, a lithium complex hydride, elemental carbon, expanded graphite, hard coal, charcoal, lignite, phosphorus, sulfur, silicon, Sawdust, wood or plastic.
  • the second fuel comprises a metal, a mixture of metals, a metal alloy or a metal hydride.
  • Metal hydrides release hydrogen and the metal as pyrolysis products when heated by the primary flame. The resulting hydrogen widens the resulting flame and forms an additional zone of secondary flame during burnup.
  • intermetallic reactions and solid phase reactions may additionally take place which further increase the temperature in the high-performance active material and the flame.
  • the first fuel may include magnesium and the second fuel may include a mixture or alloy of titanium and boron.
  • the second fuel has a boiling point which is above a reaction temperature which occurs during the reaction of the first fuel with the oxidizing agent after it has been ignited. This on the one hand ensures that in the anaerobic primary flame hot particles of second fuel are present, which act as black body radiator. Furthermore, the solid burning particles in the secondary aerobic flame function as effective black body radiators. The solid particles of the second fuel radiate much more effectively than burning steam, such as burning magnesium vapor during combustion of MTV.
  • Another advantage associated with the presence of solid particles of the second fuel upon burnup is that the active mass exhibits less power loss upon burning at high air velocity. Furthermore, a second fuel, the boiling point of which is above said reaction temperature, does not remove heat by evaporation of the reaction of the first fuel with the oxidant. As a result, the anaerobic primary flame is hotter than, for example, MTV, in the combustion of which is not evaporated with the oxidizing agent reacting magnesium. For example, with zirconium as the second fuel, whose boiling point is above 4682 K, with sufficient energy, a temperature in the Primary flame of up to 4682 K can be achieved, while the temperature of the primary flame during combustion of MTV 1700 to 1800 K does not exceed.
  • the first fuel and / or the second fuel may be in the form of particles or contained in particles.
  • the particles may have a different size, i. H. have a different volume.
  • An advantage of different size of the particles is that the larger particles increase the mechanical stability of the high-performance active mass considerably, since they act as mechanical crosslinkers, similar to stones in concrete. Such a crosslinking effect may, for example, be in the form of coarse particles of titanium sponge.
  • very fine particles can fill in gaps between larger particles and thereby increase the energy density of the high-performance active mass.
  • boron is often sold as a very fine powder with a particle size below 10 microns or even below 1 micron. It can thereby fill gaps between larger magnesium particles.
  • zirconium powder is usually sold with a very small grain size so that the particles fit into the gaps between larger particles.
  • the particles comprising the second fuel preferably have a larger average volume than the particles comprising the first fuel.
  • the particles comprising the second fuel have a thermal conductivity of at least 20 W / (m ⁇ K).
  • the second particles can accelerate the burnup of the high-performance active mass by introducing heat from the primary flame resulting from the burn-up of the first fuel during combustion into the high-efficiency active mass not yet burned off. This is particularly effective when the particles comprising the second fuel are in the form of strips, pieces of wire or chips.
  • the particles comprising the second fuel are formed porous.
  • the second fuel is a metal or a metal alloy
  • a solid carbon fluoride in particular polytetrafluoroethylene (PTFE), a solid fluorohydrocarbon or another oxidizing agent, which is used in the Conversion with the second fuel forms carbon black, be included.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the first fuel and the second fuel may each consist of at least one metal, wherein the first and the second fuel are present together in an alloy or in a, in particular homogeneous, mixture.
  • the first fuel is magnesium and the second fuel is aluminum and those fuels are in the form of a magnesium-aluminum alloy, magnesium, but not aluminum, will vaporize upon reaction of the magnesium with the oxidant is released as the second fuel.
  • a fluoroelastomer in particular a fluororubber, such as "Viton” from the company “DuPont Performance Elastomers”, has proven to be favorable.
  • polychloroprene can be used as a binder.
  • the oxidizing agent is preferably a halogen-containing polymer, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE) or carbon fluoride.
  • a burn-off catalyst in particular copper-containing formate or expanded graphite, is contained.
  • Fig. 1 shows the flame resulting from the combustion of an active mass 10 consisting of MTV.
  • the burn-off products 18 contain cooling reaction products, such as smoke, soot and mist.
  • Fig. 2 shows the resulting during combustion of a high-performance active mass 11 flame invention.
  • the high-performance active mass 11 contains an excess of the first fuel in relation to the oxidizing agent.
  • a primary flame 12 is formed, in which the oxidant reacts completely with the first fuel.
  • second fuel is reduced in the primary flame 12 by the first fuel due to its lower redox potential immediately to second fuel.
  • the first fuel not reacted in the primary flame 12 reacts with the oxygen of the air. Due to the lower redox potential of the first fuel, only the first fuel reacts with the oxygen here.
  • the second fuel reacts in the second zone of the secondary flame 16 with the atmospheric oxygen.
  • the burn-off products 18 contain cooling reaction products, such as smoke, soot and mist. Due to the presence of the second fuel, the volume of the entire flame and thus the IR radiation emitting surface is significantly increased compared to the resulting during combustion of an MTV active mass flame.
  • the first fuel used in each case was magnesium, obtained from the company Ecka Granulate GmbH & Co. KG, Princeth, Germany.
  • magnesium is present in an alloy with the second fuel aluminum in a ratio of 50/50 (by mass).
  • the alloy was also purchased from Ecka Granulate GmbH & Co. KG.
  • the average grain size of the magnesium particles was about 50 ⁇ m.
  • the copper halocyanin and the ferrocene served as burnup catalyst and guanidinazotetrazolate (GZT) to increase the primary flame. Unless stated otherwise, the titanium was purchased from Fa.
  • the tablets were burned off and their power determined in the form of radiant power with a radiometer.
  • the specific power was determined in relation to the performance of MTV tablets as standard.
  • the energy was in Joule / (g / sr) in the A band, ie at a wavelength of about 1.8 to 2.6 microns, and in the B band, ie at a wavelength of about 3.5 to 4.6 microns, in a steady state, ie measured without wind.
  • the A-band and B-band are the wavelengths detected by conventional seekers. All data were measured in five parallel series of measurements in each case in comparison to MTV with the radiometer at a distance of 1 m.
  • the radiometer was previously calibrated against a blackbody source at 1273 K and an aperture of 22.2 mm at a distance of 0.4 m to obtain absolute specific radiative energies in joules per steradian (sr) and gram.
  • This black body active mass is the standard MTV used.
  • the active material burns at a burn rate of 4.4 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride. Coarse-grained spherical titanium serves as a second fuel. The active material burns at a burn rate of 3.3 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride. Fine-grained spherical titanium serves as the second fuel. The active material burns at a burn rate of 3.3 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride with titanium as the second fuel.
  • the titanium is present as a bimodal powder, ie as a powder of which 30% have a grain size of 15 ⁇ m and 70% have a grain size of 100 ⁇ m.
  • the active material burns at a burn rate of 3.6 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride with fine-grained hard coal granules.
  • the active mass also creates a spatial effect, d. H. it also emits IR radiation from outside the flame due to hard coal particles released from the high-performance active mass.
  • the hard coal acts here essentially as a source of carbon, which is produced here as a pyrolysis product of the second fuel and widens the flame.
  • the hard coal in household quality however, also contains about 60% volatile, very carbon-rich aromatic substances that produce in the resulting flame fine soot, which causes an extremely high radiant power.
  • the burn rate is 2.5 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on Teflon with aluminum as the second fuel.
  • the second fuel is present in an alloy with the first fuel magnesium in a weight ratio of 50/50.
  • a homogeneous mixture of magnesium and aluminum could also be used here.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride and hard coal as the second fuel.
  • CCT serves as a flame broadening agent.
  • the burn rate is 2.7 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active compound based on graphite fluoride with titanium as the second fuel and boron as a further second fuel. This active compound burns very fast. The burn rate is 8.0 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active compound based on graphite fluoride with titanium as the second fuel and boron as a further second fuel.
  • the specific radiant power measured with this active mass is almost identical to the specific radiant power of the high-performance active mass according to Example 7.
  • the active mass contains less magnesium.
  • the reducing primary flame becomes smaller and the second fuel and the second fuel are converted earlier. Therefore, the specific radiant power during burnup despite significantly higher energy density than the effective mass according to Example 7 is not higher than this effective mass.
  • the burn rate is only 4.7 mm / s. This shows that the energy density of a working mass is less important than the ideal distribution of the zones of the flame.
  • This high-performance active mass is a black body active compound based on graphite fluoride with titanium as the second fuel and boron as a further second fuel.
  • the zone distribution in the flame has been optimized.
  • the energy density of this active mass is less than the energy density of the active mass according to Example 8. Nevertheless, it has a much higher specific radiant power during combustion than this.
  • the burning rate is 7.4 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride with titanium as the second fuel and titanium hydride as a further second fuel. Titanium hydride produces titanium and hydrogen when heated by the primary flame. The effective mass is very powerful. The burn rate is 3.2 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride with titanium as the second fuel and zirconium hydride as a further second fuel.
  • Zirconium hydride produces zirconium and hydrogen when heated by the primary flame.
  • the flame produced during combustion has four zones: a primary flame in which magnesium burns, a first zone of the secondary flame in which titanium burns, a second zone of the secondary flame in which zirconium burns, and a third zone of the secondary flame in which hydrogen is burned burns.
  • the effective mass is very powerful.
  • the burn rate is 5.0 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride with titanium as the second fuel, zirconium as a further second fuel and nickel as an additional second fuel. Zirconium and nickel are present in an alloy in a mass ratio of 50/50.
  • the flame produced by the combustion of the active mass has four zones: a primary flame in which magnesium burns, a first zone of the secondary flame in which titanium burns, a second zone of the secondary flame in which zirconium burns, and a third zone of the secondary flame, in the nickel burns.
  • the effective mass is very powerful.
  • the burn rate is 4.3 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride with titanium as the second fuel and expanded graphite or carbon as a further second fuel.
  • Blähgrafit is graphite in which atoms or small molecules are embedded between the carbon layers. Blähgrafit expands when exposed to heat strong. The effective mass is very powerful. The burn rate is 5.8 mm / s. The Blähgrafit causes an additional room effect.
  • This high-performance active mass is a black body active compound based on graphite fluoride with titanium as the second fuel, boron as a further second fuel, titanium hydride as an additional second fuel and carbon as a further additional second fuel. Titanium hydride produces titanium and hydrogen when heated by the primary flame.
  • the active material shows during combustion a flame with five zones: In a primary flame burns magnesium, in a first zone of the secondary flame titanium, in a second zone of the secondary flame boron, in a third zone of the secondary flame hydrogen and in a fourth zone of the secondary flame carbon.
  • the active mass is relatively powerful.
  • the expandable graphite additionally causes a spatial effect.
  • the active mass burns off relatively slowly. The burn rate is 1.8 mm / s.
  • This high-performance active mass is a black body active material based on graphite fluoride with titanium as the second fuel, boron as a further second fuel and carbon as an additional second fuel.
  • the active mass shows a flame with four zones: in a primary flame burns magnesium, in a first zone of the secondary flame titanium, in a second zone of the secondary flame boron and in a third zone of the secondary flame carbon.
  • the active mass is relatively powerful.
  • the expandable graphite additionally causes a spatial effect. The active mass burns off very quickly. The burn rate is 7.2 mm / s.
  • E a refers to the specific power in the A-band (about 1.8 - 2.6 ⁇ m) and “Eb” in the B-band (about 3.5 - 4.6 ⁇ m) in J / (g sr).
  • % MTV gives the sum of the specific powers in the A band and in the B band as a percentage of the specific power measured for MTV.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungswirkmasse (11) für pyrotechnische Infrarotscheinziele umfassend einen ersten Brennstoff, mindestens einen zweiten Brennstoff, ein Oxidationsmittel und ein Bindemittel, wobei der erste Brennstoff und das Oxidationsmittel hinsichtlich ihrer Redoxpotentiale so gewählt sind, dass das Oxidationsmittel den ersten Brennstoff nach Zündung in einer exothermen Reaktion unter Entstehung einer Primärflamme (12) und Emission von Infrarotstrahlung oxidieren kann, wobei der zweite Brennstoff bei der Reaktion entzündet, erhitzt und/oder pyrolysiert und aus der Hochleistungswirkmasse (11) freigesetzt wird, wobei der zweite Brennstoff so gewählt ist, dass dessen Redoxpotential oder das Redoxpotential mindestens eines Pyrolyseprodukts des zweiten Brennstoffs höher ist als das Redoxpotential des ersten Brennstoffs und dass der erhitzte oder entzündete zweite Brennstoff oder das Pyrolyseprodukt an der Luft brennen kann, wobei die Menge des in der Hochleistungswirkmasse (11) enthaltenen Oxidationsmittels höchstens so groß ist, dass sie gerade ausreicht, um den ersten Brennstoff vollständig zu oxidieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hochleistungswirkmasse für pyrotechnische Infrarotscheinziele.
  • Herkömmliche Scheinzielwirkmassen für Schwarzkörperstrahler basieren überwiegend auf einer Mischung aus Magnesium, Teflon und dem Fluorkautschuk Viton. Entsprechend der Bestandteile wird diese Wirkmasse MTV genannt. MTV ist eine der am stärksten strahlenden bekannten Wirkmassen.
  • Die für einige Scheinzieltypen geforderten Spezifikationen können mittels MTV als Wirkmasse nicht erfüllt werden, weil dessen spezifische Strahlungsleistung dafür zu gering ist. Ein weiterer mit der Verwendung von MTV als Scheinzielwirkmasse einhergehender Nachteil besteht darin, dass MTV beim Abbrand als sogenannter "Punktstrahler" wirkt, weil die dabei entstehende Flamme kein großes Volumen einnimmt. Für einen mehrere Kilometer entfernten Suchkopf erscheint ein solches Ziel stets als Punkt. MTV ist damit nicht in der Lage, die Abgasfahne eines Flugzeugs nachzubilden und hat damit bei bildauflösenden Suchköpfen keine entsprechende Täuschwirkung.
  • Das Problem der nicht ausreichenden Strahlungsleistung von MTV wird üblicherweise dadurch gelöst, dass bei Scheinzielen ein größeres Kaliber gewählt wird, d. h. dass eine größere Masse an MTV verbrannt wird. Dies ist jedoch sowohl bei kinematischen Scheinzielen als auch bei angetriebenen Scheinzielen nachteilig, weil zum Beschleunigen der höheren Masse mehr Energie aufgewandt werden muss. Alternativ können auch mehrere MTV-Wirkmassen in Form von Salven gleichzeitig freigesetzt und gezündet werden.
  • Beim Abbrand großkalibriger MTV-Scheinziele oder gleichzeitigen Abbrand mehrerer MTV-Scheinziele wird bei einem bildauflösenden Suchkopf ein sogenannter Blooming-Effekt ausgelöst. Das bedeutet, dass der Suchkopf das Scheinziel bzw. die Scheinziele als sehr großen Gegenstand erfasst, weil die Detektoren einer Bilderfassungseinheit des Suchkopfs an der entsprechenden Stelle überlastet werden und auch benachbarte Detektoren ein falsches Signal erzeugen. Zur Täuschung von Suchköpfen sind daher Wirkmassen umso vorteilhafter, je mehr Strahlungsenergie sie emittieren, weil in diesem Fall auch punktförmige Scheinziele vom Suchkopf als große räumliche Strahlungsquellen wahrgenommen werden. Wenn dies mittels Salven von MTV-Scheinzielen oder großkalibrigen MTV-Scheinzielen bewirkt werden soll, wird für die Bereitstellung solcher Scheinziele viel Raum an Bord eines Flugzeugs oder Schiffs benötigt und es muss ein relativ hohes Gewicht befördert werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Wirkmasse für pyrotechnische Infrarotscheinziele bereitzustellen, welche leistungsfähiger ist als herkömmliches MTV.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 19.
  • Erfindungsgemäß ist eine Hochleistungswirkmasse für pyrotechnische Infrarotscheinziele umfassend einen ersten Brennstoff, mindestens einen zweiten Brennstoff, ein Oxidationsmittel und ein Bindemittel vorgesehen, wobei der erste Brennstoff und das Oxidationsmittel hinsichtlich ihrer Redoxpotentiale so gewählt sind, dass das Oxidationsmittel den ersten Brennstoff nach Zündung in einer exothermen Reaktion unter Entstehung einer Primärflamme und Emission von Infrarotstrahlung oxidieren kann, wobei der zweite Brennstoff bei der Reaktion entzündet, erhitzt und/oder pyrolysiert und aus der Hochleistungswirkmasse freigesetzt wird, wobei der zweite Brennstoff so gewählt ist, dass dessen Redoxpotential oder das Redoxpotential mindestens eines Pyrolyseprodukts des zweiten Brennstoffs höher ist als das Redoxpotential des ersten Brennstoffs und dass der erhitzte oder entzündete zweite Brennstoff oder das Pyrolyseprodukt an der Luft brennen kann, wobei die Menge des in der Hochleistungswirkmasse enthaltenen Oxidationsmittels höchstens so groß ist, dass sie gerade ausreicht, um den ersten Brennstoff vollständig zu oxidieren.
  • Bei dem mindestens einen Pyrolyseprodukt kann es sich beispielsweise um Kohlenstoff handeln, wenn der zweite Brennstoff Steinkohle oder Holz ist, oder um Titan und Wasserstoff handeln, wenn der zweite Brennstoff Titanhydrid ist. Unter Pyrolyseprodukt wird hier insbesondere jedes Produkt verstanden, welches aus dem zweiten Brennstoff durch bloßes Erhitzen entsteht.
  • Unter Primärflamme wird hier eine Flamme verstanden, in der keine Reaktion mit Sauerstoff erfolgt, d. h. eine anaerobe Flamme. Unter Sekundärflamme wird hier eine Flamme verstanden, in der eine Reaktion mit Sauerstoff erfolgt, d. h. eine aerobe Flamme.
  • Ein Stoff wirkt umso stärker reduzierend, je niedriger sein Redoxpotential ist. Durch die unterschiedlichen Redoxpotentiale wird erreicht, dass beim Verbrennen der Hochleistungswirkmasse der erste Brennstoff mit dem Oxidationsmittel reagiert und der zweite Brennstoff oder das Pyrolyseprodukt entweder nicht mit dem Oxidationsmittel reagiert oder wenn er/es doch mit dem Oxidationsmittel reagieren sollte, das dabei entstehende Oxidationsprodukt durch den ersten Brennstoff in der Primärflamme wieder reduziert wird.
  • Der zweite Brennstoff oder das Pyrolyseprodukt können so erst außerhalb der anaeroben Primärflamme reagieren, wenn sie mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff und/oder Stickstoff in Kontakt kommen. Dadurch entsteht eine aerobe Sekundärflamme. Durch das Entstehen einer Primärflamme und einer Sekundärflamme wird die IR-Strahlung emittierende Fläche vergrößert und dadurch die Strahlungsleistung erhöht.
  • Durch die starke Erhitzung des zweiten Brennstoffs oder des Pyrolyseprodukts in der Primärflamme wird dessen Reaktionsfähigkeit mit dem Sauerstoff und/oder Stickstoff der Luft stark erhöht, was eine heftige Reaktion bewirkt und dadurch zu einer Vergrößerung der Sekundärflamme beiträgt.
  • Die Menge des in der Hochleistungswirkmasse enthaltenen Oxidationsmittels kann so bemessen sein, dass sie nicht ausreicht, um den ersten Brennstoff vollständig zu oxidieren. Dann entsteht eine weitere Zone der Sekundärflamme außerhalb der Primärflamme, in welcher der erste Brennstoff mit dem Luftsauerstoff reagiert und den Abbrand des schwächer reduzierenden zweiten Brennstoffs oder Pyrolyseprodukts hemmt. Erst außerhalb dieser Zone kann dann der zweite Brennstoff oder das Pyrolyseprodukt verbrennen. Dadurch wird eine weitere Vergrößerung der IR-Strahlung emittierenden Fläche der Flamme bewirkt. Außerdem wird auf diese Weise für dieselbe Strahlungsleistung weniger Oxidationsmittel benötigt, da der Luftsauerstoff als zusätzliches Oxidationsmittel genutzt wird.
  • Vorzugsweise wird jedoch die Menge des in der Hochleistungswirkmasse enthaltenen Oxidationsmittels so bemessen, dass der Unterschuss an Oxidationsmittel im Verhältnis zum ersten Brennstoff nicht allzu groß ist. Dadurch wird die Abbrandrate, d. h. die Geschwindigkeit, mit der die Wirkmasse abbrennt, beschleunigt. Das liegt daran, dass die Primärflamme dadurch heißer wird und mehr Hitze auf die verbleibende Hochleistungswirkmasse zurückstrahlt. Dadurch ist es möglich, eine Wirkmasse bereitzustellen, welche beim Abbrand eine deutlich höhere Strahlungsleistung als MTV aufweist und schneller abbrennt als MTV. Weiterhin ist die Anzündbarkeit gegenüber MTV deutlich verbessert, weil nur ein Teil der Wirkmasse aufgeheizt werden muss, um ein Anzünden der Wirkmasse zu erreichen und weil der zweite Brennstoff beim Anzünden oft eher mit dem Oxidationsmittel reagiert als der erste Brennstoff. Anfänglich, d. h. beim Anzünden kann nämlich auch der zweite Brennstoff mit dem Oxidationsmittel reagieren. Sobald eine Flamme entsteht, wird jedoch der durch das Oxidationsmittel oxidierte zweite Brennstoff durch den ersten Brennstoff zum zweiten Brennstoff reduziert.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Menge des in der Hochleistungswirkmasse enthaltenen Oxidationsmittels so bemessen, dass die Zahl der vom gesamten Brennstoff in der Hochleistungswirkmasse in Redoxreaktionen abzugebenden Elektronen, die Zahl der Elektronen, die vom Oxidationsmittel aufgenommen werden können, mindestens um den Faktor 2, insbesondere mindestens um den Faktor 3, insbesondere mindestens um den Faktor 4, insbesondere mindestens um den Faktor 5, übersteigt. Dadurch kann die Energiedichte der Hochleistungswirkmasse weiter gesteigert werden.
  • Vorzugsweise ist die Menge des in der Hochleistungswirkmasse enthaltenen Oxidationsmittels so bemessen, dass die Zahl der vom ersten Brennstoff in der Hochleistungswirkmasse in Redoxreaktionen abzugebenden Elektronen, die Zahl der Elektronen, die vom Oxidationsmittel aufgenommen werden können, mindestens um den Faktor 1,25, insbesondere mindestens um den Faktor 1,5, insbesondere mindestens um den Faktor 2,0, übersteigt. Dadurch wird neben der vom zweiten Brennstoff oder dem Pyrolyseprodukt gebildeten Zone der Sekundärflamme eine vom in der Primärflamme nicht umgesetzten ersten Brennstoff gebildete weitere Zone der Sekundärflamme erzeugt. Das vergrößert die abstrahlende Fläche der Flamme. Es ist jedoch zu beachten, dass die Temperatur der Primärflamme und damit deren Abstrahlung auf die noch abbrennende Hochleistungswirkmasse und damit auch die Abbrandrate umso geringer ist, je größer der genannte Faktor ist. Die Primärflamme ist umso heißer, je näher das Verhältnis von erstem Brennstoff zu Oxidationsmittel an einem stöchiometrischen Verhältnis liegt. Je nach Einsatzzweck können unterschiedliche Faktoren vorteilhaft sein.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hochleistungswirkmasse umfasst der erste Brennstoff ein Metall, eine Mischung aus Metallen oder eine Metalllegierung. Unter den Metallen finden sich geeignete erste Brennstoffe mit sehr negativem Redoxpotential, d. h. mit stark reduzierender Wirkung. Sehr vorteilhaft ist es, wenn der erste Brennstoff einen Siedepunkt aufweist, der unterhalb einer sich bei der Reaktion des ersten Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel nach dessen Zündung einstellenden Reaktionstemperatur liegt. Dadurch verdampft der erste Brennstoff bei der Reaktionstemperatur. Der entstehende Brennstoffdampf schafft eine reduzierende Atmosphäre, die eine Reaktion des zweiten Brennstoffs verhindert und bereits oxidierten zweiten Brennstoff zum zweiten Brennstoff reduziert. Das Entstehen des Dampfs des ersten Brennstoffs verbreitert darüber hinaus die Primärflamme.
  • Der erste Brennstoff kann Magnesium, Calcium, Lithium, Aluminium oder eine Legierung oder Mischung aus mindestens zwei dieser Metalle umfassen. Davon sind Magnesium, Calcium und Lithium und Mischungen oder Legierungen aus diesen Metallen besonders gut zur Erzeugung eines Dampfs des ersten Brennstoffs geeignet.
  • Vorzugsweise umfasst der zweite Brennstoff Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Calcium, Lithium, Niob, Wolfram, Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt, Zink, Zinn, Blei, Wismut, eine Legierung oder Mischung aus mindestens zwei dieser Metalle, eine Zirkonium-Nickel-Legierung oder -Mischung, eine Aluminium-Magnesium-Legierung oder -Mischung, eine Lithium-Aluminium-Legierung oder -Mischung, eine Lithium-Silizium-Legierung oder -Mischung, eine Calcium-Aluminium-Legierung oder -Mischung, eine Eisen-Titan-Legierung oder -Mischung, eine Zirkonium-Titan-Legierung oder -Mischung, Bor, Titanhydrid, Zirkoniumhydrid, ein Borhydrid, Hafniumhydrid, ein Lithiumkomplexhydrid, elementaren Kohlenstoff, Blähgrafit, Steinkohle, Holzkohle, Braunkohle, Phosphor, Schwefel, Silizium, Sägemehl, Holz oder Kunststoff.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite Brennstoff ein Metall, eine Mischung aus Metallen, eine Metalllegierung oder ein Metallhydrid umfasst. Metallhydride setzen bei Erwärmung durch die Primärflamme Wasserstoff und das Metall als Pyrolyseprodukte frei. Der entstehende Wasserstoff verbreitert die entstehende Flamme und bildet beim Abbrand eine zusätzliche Zone einer Sekundärflamme. Bei Metalllegierungen oder Mischungen aus Metallen enthaltenden erfindungsgemäßen Hochleistungswirkmassen können beim Abbrand neben den bereits genannten Reaktionen zusätzlich intermetallische Reaktionen und Festphasenreaktionen stattfinden, welche die Temperatur in der Hochleistungswirkmasse und der Flamme weiter steigern. Beispielsweise kann der erste Brennstoff Magnesium und der zweite Brennstoff eine Mischung oder Legierung aus Titan und Bor umfassen. Beim Abbrand dieser Wirkmasse brennt das Magnesium in der Primärflamme, das Titan in einer ersten Zone der Sekundärflamme und das Bor in einer weiteren Zone der Sekundärflamme. Zusätzlich reagieren Titan und Bor miteinander zu Titanborid. Diese Reaktion setzt sehr viel Wärme frei. Das Titanborid wird dadurch extrem heiß und strahlt effektiv bis es bei Kontakt mit Luft verbrennt und dabei noch mehr Strahlungsenergie freisetzt. Dadurch wird die strahlende Fläche der Flamme zusätzlich vergrößert.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite Brennstoff einen Siedepunkt aufweist, der oberhalb einer sich bei der Reaktion des ersten Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel nach dessen Zündung einstellenden Reaktionstemperatur liegt. Dadurch wird einerseits erreicht, dass in der anaeroben Primärflamme heiße Partikel aus zweitem Brennstoff vorhanden sind, die als Schwarzkörperstrahler fungieren. Weiterhin fungieren die festen brennenden Teilchen in der aeroben Sekundärflamme als effektive Schwarzkörperstrahler. Die festen Teilchen des zweiten Brennstoffs strahlen dabei wesentlich effektiver als brennender Dampf, beispielsweise brennender Magnesiumdampf beim Abbrand von MTV.
  • Ein weiterer mit dem Vorhandensein fester Teilchen des zweiten Brennstoffs beim Abbrand einhergehender Vorteil besteht darin, dass die Wirkmasse beim Abbrand bei hoher Luftgeschwindigkeit weniger Leistungsverlust zeigt. Weiterhin entzieht ein zweiter Brennstoff, dessen Siedepunkt oberhalb der genannten Reaktionstemperatur liegt, der Reaktion des ersten Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel keine Wärme durch Verdampfen. Dadurch wird die anaerobe Primärflamme heißer als beispielsweise bei MTV, bei dessen Abbrand nicht mit dem Oxidationsmittel reagierendes Magnesium verdampft wird. So kann beispielsweise mit Zirkonium als zweiten Brennstoff, dessen Siedepunkt oberhalb 4682 K liegt, bei ausreichender Energie eine Temperatur in der Primärflamme von bis zu 4682 K erreicht werden, während die Temperatur der Primärflamme beim Abbrand von MTV 1700 bis 1800 K nicht übersteigt.
  • Der erste Brennstoff und/oder der zweite Brennstoff können in Form von Partikeln vorliegen oder in Partikeln enthalten sein. Die Partikel können eine unterschiedliche Größe, d. h. ein unterschiedliches Volumen, aufweisen. Ein Vorteil unterschiedlicher Größe der Partikel besteht darin, dass die größeren Partikel die mechanische Stabilität der Hochleistungswirkmasse erheblich erhöhen, da sie als mechanische Vernetzer, ähnlich wie Steine in Beton, wirken. Eine solche Vernetzungswirkung kann beispielsweise in Form grober Teilchen vorliegender Titanschwamm ausüben. Andererseits können sehr feine Partikel Lücken zwischen größeren Partikeln ausfüllen und dadurch die Energiedichte der Hochleistungswirkmasse erhöhen. Beispielsweise wird Bor häufig als sehr feines Pulver mit einer Partikelgröße unter 10 µm oder sogar unter 1 µm verkauft. Es kann dadurch Lücken zwischen größeren Magnesiumpartikeln ausfüllen. Ebenso wird Zirkoniumpulver üblicherweise mit einer sehr kleinen Körnung verkauft, so dass die Partikel in die Lücken zwischen größeren Partikeln passen.
  • Die den zweiten Brennstoff umfassenden Partikel weisen vorzugsweise ein größeres durchschnittliches Volumen auf als die den ersten Brennstoff umfassenden Partikel auf. Dadurch kann, insbesondere beim Abbrand der Wirkmasse bei hoher Luftgeschwindigkeit, eine Raumwirkung erreicht werden. Unter Raumwirkung wird allgemein verstanden, dass ein Teil der Hochleistungswirkmasse nach deren Zündung außerhalb einer entstehenden Flamme IR-Strahlung emittiert.
  • Vorzugsweise weisen die den zweiten Brennstoff umfassenden Partikel eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/(m x K) auf. Dadurch können die zweiten Partikel den Abbrand der Hochleistungswirkmasse beschleunigen, indem sie Wärme von der aus dem Abbrand des ersten Brennstoffs resultierenden Primärflamme während des Abbrands in die noch nicht abgebrannte Hochleistungswirkmasse einleiten. Dies ist besonders effektiv, wenn die den zweiten Brennstoff umfassenden Partikel in Form von Streifen, Drahtstücken oder Spänen vorliegen.
  • Vorzugsweise sind die den zweiten Brennstoff umfassenden Partikel, zumindest an ihre Oberfläche, porös ausgebildet. Das verbessert deren Anzündbarkeit. Ist der zweite Brennstoff ein Metall oder eine Metalllegierung kann in Poren solcher Partikel ein festes Kohlenstofffluorid, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), ein fester Fluorkohlenwasserstoff oder ein sonstiges Oxidationsmittel, welches bei der Umsetzung mit dem zweiten Brennstoff Ruß bildet, enthalten sein. Dadurch wird eine sehr hohe Temperatur beim Abbrand der den zweiten Brennstoff umfassenden Partikel erreicht. Gleichzeitig erhöht der Ruß die Abstrahlung von Schwarzkörperstrahlung. Der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff können jeweils aus mindestens einem Metall bestehen, wobei der erste und der zweite Brennstoff zusammen in einer Legierung oder in einer, insbesondere homogenen, Mischung vorliegen. Handelt es sich bei dem ersten Brennstoff beispielsweise um Magnesium und bei dem zweiten Brennstoff um Aluminium und liegen diese Brennstoffe in Form einer Magnesium-Aluminium-Legierung vor, so verdampft bei der Reaktion des Magnesiums mit dem Oxidationsmittel das Magnesium, nicht jedoch das Aluminium, welches als zweiter Brennstoff freigesetzt wird.
  • Als Bindemittel hat sich ein Fluorelastomer, insbesondere ein Fluorkautschuk, wie beispielsweise "Viton" von der Firma "DuPont Performance Elastomere", als günstig erwiesen. Alternativ kann auch Polychloropren als Bindemittel verwendet werden. Bei dem Oxidationsmittel handelt es sich vorzugsweise um ein halogenhaltiges Polymer, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Kohlenstofffluorid.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist in der erfindungsgemäßen Hochleistungswirkmasse zur Beschleunigung des Abbrands ein Abbrandkatalysator, insbesondere Kupferftalocyanin oder Blähgrafit, enthalten.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung der Zonenverteilung einer beim Abbrand einer MTV-Wirkmasse entstehenden Flamme und
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung der Zonenverteilung einer beim Abbrand einer erfindungsgemäßen Hochleistungswirkmasse entstehenden Flamme.
  • Fig. 1 zeigt die beim Abbrand einer aus MTV bestehenden Wirkmasse 10 entstehende Flamme. Dabei entsteht eine anaerobe Primärflamme 12, in welcher der beim Abbrand entstehende Magnesiumdampf mit dem Teflon reagiert. Da das Magnesium im Verhältnis zum Teflon im Überschuss vorliegt, reagiert der nicht mit dem Teflon reagierende Magnesiumdampf in einer aeroben Sekundärflamme 14 mit dem Sauerstoff der Luft. Sowohl in der Primärflamme 12 als auch in der Sekundärflamme 14 entsteht sehr viel Ruß. Die Abbrandprodukte 18 enthalten abkühlende Reaktionsprodukte, wie Rauch, Ruß und Nebel.
  • Fig. 2 zeigt die beim Abbrand einer erfindungsgemäßen Hochleistungswirkmasse 11 entstehende Flamme. Die Hochleistungswirkmasse 11 enthält im Verhältnis zum Oxidationsmittel einen Überschuss an erstem Brennstoff. Beim Abbrand entsteht eine Primärflamme 12, in der das Oxidationsmittel vollständig mit dem ersten Brennstoff reagiert. Gegebenenfalls mit dem Oxidationsmittel reagierender zweiter Brennstoff wird in der Primärflamme 12 durch den ersten Brennstoff auf Grund von dessen niedrigerem Redoxpotential sofort zu zweitem Brennstoff reduziert. In der ersten Zone der Sekundärflamme 15 reagiert der nicht in der Primärflamme 12 umgesetzte erste Brennstoff mit dem Sauerstoff der Luft. Auf Grund des niedrigeren Redoxpotentials des ersten Brennstoffs reagiert hier nur der erste Brennstoff mit dem Sauerstoff. Der zweite Brennstoff reagiert in der zweiten Zone der Sekundärflamme 16 mit dem Luftsauerstoff. Die Abbrandprodukte 18 enthalten abkühlende Reaktionsprodukte, wie Rauch, Ruß und Nebel. Durch das Vorhandensein des zweiten Brennstoffs wird das Volumen der gesamten Flamme und damit die IR-Strahlung abgebende Fläche gegenüber der beim Abbrand einer MTV-Wirkmasse entstehenden Flamme deutlich vergrößert.
  • Aus sämtlichen der im Folgenden angegebenen Zusammensetzungen wurden jeweils fünf Tabletten mit ca. 21 mm Durchmesser und einem Gewicht von 10 g bei einem Pressdruck von 1500 bar gepresst. Als erster Brennstoff wurde dabei jeweils Magnesium, bezogen von der Fa. Ecka Granulate GmbH & Co. KG, Fürth, Deutschland, eingesetzt. Im Falle des Beispiels 5 liegt Magnesium in einer Legierung mit dem zweiten Brennstoff Aluminium im Verhältnis 50/50 (bezogen auf die Masse) vor. Auch die Legierung wurde von der Fa. Ecka Granulate GmbH & Co. KG bezogen. Die durchschnittliche Körnung der Magnesiumpartikel war etwa 50 µm. Das Kupferftalocyanin und das Ferrocen diente jeweils als Abbrandkatalysator und das Guanidinazotetrazolat (GZT) zur Vergrößerung der Primärflamme. Sofern nicht anders angegebenen, wurde das Titan von der Fa. Tropag Oscar H. Ritter Nachf. GmbH, Hamburg, Deutschland bezogen. Die Tabletten wurden abgebrannt und deren Leistung in Form von Strahlungsleistung mit einem Radiometer bestimmt. Die spezifische Leistung wurde im Verhältnis zur Leistung von Tabletten aus MTV als Standard bestimmt. Die Energie wurde jeweils in Joule/(g/sr) im A-Band, d. h. bei einer Wellenlänge von ca. 1,8 bis 2,6 µm, und im B-Band, d. h. bei einer Wellenlänge von ca. 3,5 bis 4,6 µm, im Standversuch, d. h. ohne Wind, gemessen. Das A-Band und das B-Band sind die Wellenlängen, die von herkömmlichen Suchköpfen erfasst werden. Alle Daten sind in fünf parallelen Messreihen jeweils im Vergleich zu MTV mit dem Radiometer in einem Abstand von 1 m gemessen worden. Das Radiometer wurde zuvor gegen eine Schwarzkörperstrahlerquelle bei 1273 K und einer Apertur von 22,2 mm bei einem Abstand von 0,4 m kalibriert, um absolute spezifische Strahlungsenergien in Joule pro Steradian (sr) und Gramm zu ermitteln.
    • Wirkmasse nach dem Stand der Technik:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 60,0
    Teflonpulver Hoechst TF 9202 23,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 12,0
    Grafitpulver Merck 5,0
  • Es handelt sich bei dieser Schwarzkörperwirkmasse um das als Standard eingesetzte MTV. Die Wirkmasse verbrennt mit einer Abbrandrate von 4,4 mm/s.
    • Beispiel 1:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 48,0
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 12,0
    Titanpulver Sphärisch, Körnung < 100 µm 20,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid. Grobkörniges sphärisches Titan dient als zweiter Brennstoff. Die Wirkmasse verbrennt mit einer Abbrandrate von 3,3 mm/s.
    • Beispiel 2:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 48,0
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 12,0
    Titanpulver Sphärisch, Körnung < 45 µm 20,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid. Feinkörniges sphärisches Titan dient als zweiter Brennstoff. Die Wirkmasse verbrennt mit einer Abbrandrate von 3,3 mm/s.
    • Beispiel 3:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 48,0
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 12,0
    Titan Svenska kemi, Körnung < 100 µm 20,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff. Das Titan liegt als bimodales Pulver, d. h. als Pulver, von dem 30% eine Körnung von 15 µm und 70% eine Körnung von 100 µm aufweisen, vor. Die Wirkmasse verbrennt mit einer Abbrandrate von 3,6 mm/s.
    • Beispiel 4:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 48,0
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,9
    Steinkohle, Haushaltsqualität Körnung < 1,0 mm 20,0
    Kupferftalocyanin BASF Vossenblau 0,1
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit feinkörnigem Steinkohlegranulat. Die Wirkmasse erzeugt auch eine Raumwirkung, d. h. sie emittiert durch aus der Hochleistungswirkmasse freigesetzte Steinkohlepartikel auch außerhalb der Flamme IR-Strahlung. Die Steinkohle fungiert hier im Wesentlichen als Quelle für Kohlenstoff, der hier als Pyrolyseprodukt des zweiten Brennstoffs entsteht und die Flamme verbreitert. Die Steinkohle in Haushaltsqualität enthält jedoch auch ca. 60% flüchtige, sehr kohlenstoffreiche aromatische Stoffe, die in der entstehenden Flamme feinen Ruß erzeugen, der eine extrem hohe Strahlungsleistung bewirkt. Die Abbrandrate beträgt 2,5 mm/s.
    • Beispiel 5:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    MgAl Ecka MX 011 60,0
    Teflonpulver Hoechst TF 9202 25,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 15,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Teflon mit Aluminium als zweiten Brennstoff. Der zweite Brennstoff liegt hier jedoch in einer Legierung mit dem ersten Brennstoff Magnesium in einem Gewichtsverhältnis von 50/50 vor. Statt der Legierung könnte hier auch ein homogenes Gemisch von Magnesium und Aluminium eingesetzt werden. Beim Abbrand dieser Hochleistungswirkmasse verdampft zunächst das Magnesium und das Aluminium, dessen Siedetemperatur beim Abbrand nicht erreicht wird, wird aus der Hochleistungswirkmasse freigesetzt. Die Abbrandrate beträgt 2,8 mm/s.
    • Beispiel 6:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 45,0
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 19,0
    Steinkohle Haushaltsqualität, Körnung < 1,0 mm 18,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,9
    Guanidinazotetrazolat (GZT) Eigensynthese 6,0
    Kupferftalocyanin BASF Vossenblau 0,1
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid und Steinkohle als zweiten Brennstoff. GZT dient als Flammenverbreiterungsmittel. Die Abbrandrate beträgt 2,7 mm/s.
    • Beispiel 7:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 47,5
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,5
    Bor Körnung: 1 µm 13,0
    Titan Svenska kemi, Körnung: 250 - 425 µm 7,0
    Kupferftalocyanin BASF Vossenblau 1,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff und Bor als weiteren zweiten Brennstoff. Diese Wirkmasse brennt besonders schnell. Die Abbrandrate beträgt 8,0 mm/s.
    • Beispiel 8:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 21,8
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,2
    Bor Körnung: 1 µm 30,7
    Titan Chemetall Typ E trocken 15,3
    Ferrocen Arapahoe Chemicals 1,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff und Bor als weiteren zweiten Brennstoff. Die mit dieser Wirkmasse gemessene spezifische Strahlungsleistung ist fast identisch mit der spezifischen Strahlungsleistung der Hochleistungswirkmasse gemäß Beispiel 7. Die Wirkmasse enthält jedoch weniger Magnesium. Dadurch wird die reduzierende Primärflamme kleiner und der zweite Brennstoff und der weitere zweite Brennstoff werden früher umgesetzt. Daher ist die spezifisch Strahlungsleistung beim Abbrand trotz erheblich höherer Energiedichte als bei der Wirkmasse gemäß Beispiel 7 nicht höher als bei dieser Wirkmasse. Die Abbrandrate beträgt nur 4,7 mm/s. Dies zeigt, dass die Energiedichte einer Wirkmasse weniger wichtig ist als die ideale Verteilung der Zonen der Flamme.
    • Beispiel 9:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 39,8
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,2
    Bor Körnung: 1 µm 20,7
    Titan Svenska kemi, Körnung: 250 - 425 µm 7,3
    Ferrocen Arapahoe Chemicals 1,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff und Bor als weiteren zweiten Brennstoff. Die Zonenverteilung in der Flamme wurde optimiert. Die Energiedichte dieser Wirkmasse ist geringer als die Energiedichte der Wirkmasse gemäß Beispiel 8. Dennoch weist sie beim Abbrand eine sehr viel höhere spezifische Strahlungsleistung auf als diese. Die Abbrandrate beträgt 7,4 mm/s.
    • Beispiel 10:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 47,5
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,5
    Titanhydrid Chemetall GmbH 13,0
    Titan Svenska kemi, Körnung: 250 - 425 µm 7,0
    Kupferftalocyanin BASF Vossenblau 1,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff und Titanhydrid als weiteren zweiten Brennstoff. Aus Titanhydrid entstehen bei der Erwärmung durch die Primärflamme Titan und Wasserstoff. Die Wirkmasse ist sehr leistungsstark. Die Abbrandrate beträgt 3,2 mm/s.
    • Beispiel 11:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 47,5
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,5
    Zirkoniumhydrid Chemetall GmbH 13,0
    Titan Svenska kemi, Körnung: 250 - 425 µm 7,0
    Kupferftalocyanin BASF Vossenblau 1,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff und Zirkoniumhydrid als weiteren zweiten Brennstoff. Aus Zirkoniumhydrid entstehen bei der Erwärmung durch die Primärflamme Zirkonium und Wasserstoff. Die beim Abbrand entstehende Flamme weist vier Zonen auf: Eine Primärflamme, in welcher Magnesium verbrennt, eine erste Zone der Sekundärflamme, in der Titan verbrennt, eine zweite Zone der Sekundärflamme, in der Zirkonium verbrennt, und eine dritte Zone der Sekundärflamme, in der Wasserstoff verbrennt. Die Wirkmasse ist sehr leistungsstark. Die Abbrandrate beträgt 5,0 mm/s.
    • Beispiel 12:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 47,5
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,5
    Zirkonium-Nickel 50/50 Degussa 13,0
    Titan Svenska kemi, Körnung: 250 - 425 µm 7,0
    Kupferftalocyanin BASF Vossenblau 1,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff, Zirkonium als weiteren zweiten Brennstoff und Nickel als zusätzlichen zweiten Brennstoff. Zirkonium und Nickel liegen in einer Legierung in einem Massenverhältnis von 50/50 vor. Die beim Verbrennen der Wirkmasse entstehende Flamme weist vier Zonen auf: Eine Primärflamme, in der Magnesium verbrennt, eine erste Zone der Sekundärflamme, in der Titan verbrennt, eine zweite Zone der Sekundärflamme, in der Zirkonium verbrennt, und eine dritte Zone der Sekundärflamme, in der Nickel verbrennt. Die Wirkmasse ist sehr leistungsstark. Die Abbrandrate beträgt 4,3 mm/s.
    • Beispiel 13:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 47,5
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,5
    Blähgrafit NGS Naturgraphit GmbH, Ex 180 SC, grobkörnig 13,0
    Titan Svenska kemi, Körnung: 250 - 425 µm 7,0
    Kupferftalocyanin BASF Vossenblau 1,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff und Blähgrafit bzw. Kohlenstoff als weiteren zweiten Brennstoff. Bei Blähgrafit handelt es sich um Grafit, bei dem zwischen die Kohlenstoff-Schichten Atome oder kleine Moleküle eingelagert sind. Blähgrafit dehnt sich bei Beaufschlagung mit Wärme stark aus. Die Wirkmasse ist sehr leistungsstark. Die Abbrandrate beträgt 5,8 mm/s. Der Blähgrafit bewirkt eine zusätzliche Raumwirkung.
    • Beispiel 14:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 20,2
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 12,8
    Bor Körnung: 1 µm 15,7
    Titanhydrid Chemetall GmbH 15,3
    Blähgrafit NGS Naturgraphit GmbH, grobkörnig 15,0
    Ferrocen Arapahoe Chemicals 1,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff, Bor als weiteren zweiten Brennstoff, Titanhydrid als zusätzlichen zweiten Brennstoff und Kohlenstoff als weiteren zusätzlichen zweiten Brennstoff. Aus Titanhydrid entstehen bei der Erwärmung durch die Primärflamme Titan und Wasserstoff. Die Wirkmasse zeigt beim Abbrand eine Flamme mit fünf Zonen: In einer Primärflamme verbrennt Magnesium, in einer ersten Zone der Sekundärflamme Titan, in einer zweiten Zone der Sekundärflamme Bor, in einer dritten Zone der Sekundärflamme Wasserstoff und in einer vierten Zone der Sekundärflamme Kohlenstoff. Die Wirkmasse ist relativ leistungsstark. Der Blähgrafit bewirkt zusätzlich eine Raumwirkung. Die Wirkmasse brennt verhältnismäßig langsam ab. Die Abbrandrate beträgt 1,8 mm/s.
    • Beispiel 15:
  • Stoff Typ Gewichtprozent
    Magnesium LNR 61 40,0
    Grafitfluorid Sigma-Aldrich 20,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 11,5
    Bor Körnung: 1 µm 10,0
    Titan Svenska kemi, Körnung: 250 - 425 µm 7,5
    Blähgrafit NGS Naturgraphit GmbH, feinkörnig 10,0
    Ferrocen Arapahoe Chemicals 1,0
  • Es handelt sich bei dieser Hochleistungswirkmasse um eine Schwarzkörperwirkmasse auf Basis von Grafitfluorid mit Titan als zweiten Brennstoff, Bor als weiteren zweiten Brennstoff und Kohlenstoff als zusätzlichen zweiten Brennstoff. Beim Abbrand zeigt die Wirkmasse eine Flamme mit vier Zonen: In einer Primärflamme verbrennt Magnesium, in einer ersten Zone der Sekundärflamme Titan, in einer zweiten Zone der Sekundärflamme Bor und in einer dritten Zone der Sekundärflamme Kohlenstoff. Die Wirkmasse ist relativ leistungsstark. Der Blähgrafit verursacht zusätzlich eine Raumwirkung. Die Wirkmasse brennt sehr schnell ab. Die Abbrandrate beträgt 7,2 mm/s.
    • Messergebnis der Strahlungsmessungen:
  • Es wurden jeweils 5 Messreihen durchgeführt. Alle angegebenen Werte wurden für jede Messreihe separat ermittelt und berechnet. Die angegebenen Werte sind Durchschnittswerte der für jede Messreihe ermittelten Werte. "Ea" bezeichnet dabei die im A-Band (ca. 1,8 - 2,6 µm) und "Eb" die im B-Band (ca. 3,5 - 4,6 µm) gemessene spezifische Leistung in J/(g sr). "% MTV" gibt die Summe der spezifischen Leistungen im A-Band und im B-Band in Prozent der für MTV gemessenen spezifischen Leistung an.
    Wirkmasse Ea/(J/ (g sr)) Eb/(J/ (g sr)) (Ea + Eb)/ (J/(g sr)) Eb/Ea % MTV
    MTV 166 82 248 0.496 100
    Beispiel 1 312 157 469 0.506 178
    Beispiel 2 313 156 469 0.500 178
    Beispiel 3 219 141 361 0.646 145
    Beispiel 4 315 177 492 0.562 198
    Beispiel 5 218 103 322 0.474 122
    Beispiel 6 293 188 482 0.641 188
    Beispiel 7 212 135 347 0.635 140
    Beispiel 8 207 137 344 0.661 139
    Beispiel 9 308 204 512 0.662 207
    Beispiel 10 212 139 351 0.654 141
    Beispiel 11 206 133 339 0.645 137
    Beispiel 12 183 121 304 0.659 123
    Beispiel 13 163 120 283 0.735 114
    Beispiel 14 154 126 280 0.816 113
    Beispiel 15 185 130 315 0.705 127
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Wirkmasse
    11
    Hochleistungswirkmasse
    12
    Primärflamme
    14
    Sekundärflamme
    15
    erste Zone der Sekundärflamme
    16
    zweite Zone der Sekundärflamme
    18
    Abbrandprodukte

Claims (16)

  1. Hochleistungswirkmasse (11) für pyrotechnische Infrarotscheinziele umfassend einen ersten Brennstoff, mindestens einen zweiten Brennstoff, ein Oxidationsmittel und ein Bindemittel, wobei der erste Brennstoff und das Oxidationsmittel hinsichtlich ihrer Redoxpotentiale so gewählt sind, dass das Oxidationsmittel den ersten Brennstoff nach Zündung in einer exothermen Reaktion unter Entstehung einer Primärflamme (12) und Emission von Infrarotstrahlung oxidieren kann, wobei der zweite Brennstoff bei der Reaktion entzündet, erhitzt und/oder pyrolysiert und aus der Hochleistungswirkmasse (11) freigesetzt wird, wobei der zweite Brennstoff so gewählt ist, dass dessen Redoxpotential oder das Redoxpotential mindestens eines Pyrolyseprodukts des zweiten Brennstoffs höher ist als das Redoxpotential des ersten Brennstoffs und dass der erhitzte oder entzündete zweite Brennstoff oder das Pyrolyseprodukt an der Luft brennen kann, wobei die Menge des in der Hochleistungswirkmasse (11) enthaltenen Oxidationsmittels höchstens so groß ist, dass sie gerade ausreicht, um den ersten Brennstoff vollständig zu oxidieren.
  2. Hochleistungswirkmasse (11) nach Anspruch 1,
    wobei die Menge des in der Hochleistungswirkmasse (11) enthaltenen Oxidationsmittels so bemessen ist, dass die Zahl der vom gesamten Brennstoff in der Hochleistungswirkmasse (11) in Redoxreaktionen abzugebenden Elektronen, die Zahl der Elektronen, die vom Oxidationsmittel aufgenommen werden können, mindestens um den Faktor 2, insbesondere mindestens um den Faktor 3, insbesondere mindestens um den Faktor 4, insbesondere mindestens um den Faktor 5, übersteigt.
  3. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Menge des in der Hochleistungswirkmasse (11) enthaltenen Oxidationsmittels so bemessen ist, dass die Zahl der vom ersten Brennstoff in der Hochleistungswirkmasse (11) in Redoxreaktionen abzugebenden Elektronen, die Zahl der Elektronen, die vom Oxidationsmittel aufgenommen werden können, mindestens um den Faktor 1,25, insbesondere mindestens um den Faktor 1,5, insbesondere mindestens um den Faktor 2, übersteigt.
  4. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Brennstoff ein Metall, eine Mischung aus Metallen oder eine Metalllegierung umfasst.
  5. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Brennstoff einen Siedepunkt aufweist, der unterhalb einer sich bei der Reaktion des ersten Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel nach dessen Zündung einstellenden Reaktionstemperatur liegt.
  6. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Brennstoff Magnesium, Calcium, Lithium, Aluminium oder eine Legierung oder Mischung aus mindestens zwei dieser Metalle umfasst.
  7. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Brennstoff, Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Calcium, Lithium, Niob, Wolfram, Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt, Zink, Zinn, Blei, Wismut, eine Legierung oder Mischung aus mindestens zwei dieser Metalle, eine Zirkonium-Nickel-Legierung oder -Mischung, eine Aluminium-Magnesium-Legierung oder -Mischung, eine Lithium-Aluminium-Legierung oder -Mischung, eine Lithium-Silizium-Legierung oder -Mischung, eine Calcium-Aluminium-Legierung oder -Mischung, eine Eisen-Titan-Legierung oder -Mischung, eine Zirkonium-Titan-Legierung oder -Mischung, Bor, Titanhydrid, Zirkoniumhydrid, ein Borhydrid, Hafniumhydrid, ein Lithiumkomplexhydrid, elementaren Kohlenstoff, Blähgrafit, Steinkohle, Holzkohle, Braunkohle, Phosphor, Schwefel, Silizium, Sägemehl, Holz oder Kunststoff umfasst.
  8. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Brennstoff ein Metall, eine Mischung aus Metallen, eine Metalllegierung oder ein Metallhydrid umfasst.
  9. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Brennstoff Magnesium und der zweite Brennstoff eine Mischung oder Legierung aus Titan und Bor umfasst.
  10. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Brennstoff einen Siedepunkt aufweist, der oberhalb einer sich bei der Reaktion des ersten Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel nach dessen Zündung einstellenden Reaktionstemperatur liegt.
  11. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Brennstoff und/oder der zweite Brennstoff in Form von Partikeln vorliegt oder in Partikeln enthalten ist.
  12. Hochleistungswirkmasse (11) nach Anspruch 11,
    wobei die den zweiten Brennstoff umfassenden Partikel eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/(m • K) aufweisen.
  13. Hochleistungswirkmasse (11) nach Anspruch 11 oder 12,
    wobei die den zweiten Brennstoff umfassenden Partikel in Form von Streifen, Drahtstücken oder Spänen vorliegen oder, zumindest an ihrer Oberfläche, porös ausgebildet sind.
  14. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
    wobei der zweite Brennstoff ein Metall oder eine Metalllegierung ist und die den zweiten Brennstoff umfassenden Partikel, zumindest an ihrer Oberfläche, porös ausgebildet sind und in Poren dieser Partikel ein festes Kohlenstofffluorid, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), ein fester Fluorkohlenwasserstoff oder ein sonstiges Oxidationsmittel, welches bei der Umsetzung mit dem zweiten Brennstoff Ruß bildet, enthalten ist.
  15. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
    wobei die den zweiten Brennstoff umfassenden Partikel ein größeres durchschnittliches Volumen aufweisen als die den ersten Brennstoff umfassenden Partikel.
  16. Hochleistungswirkmasse (11) nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
    wobei der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff jeweils aus mindestens einem Metall besteht, wobei der erste und der zweite Brennstoff zusammen in einer Legierung oder in einer, insbesondere homogenen, Mischung vorliegen.
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