EP2738150B1 - Verwendung eines Dinitromethansalzes - Google Patents

Description

Verwendung eines Dinitromethansalzes
• Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Dinitromethansalzes als Zusatzstoff zu einer pyrotechnischen Wirkmasse.
  Aus der DE 699 10 070 T2 ist es bekannt, Salze des Dinitromethans als Oxidationsmittel in Treibmittelzusammensetzungen und pyrotechnischen Ladungen zu verwenden.
• WO01/49637 offenbart eine gaserzeugende Zusammensetzung, welche das Guanidinsalz des Dinitromethans als Brennstoff umfasst.
• US5472533 offenbart eine pyrotechnische Zusammensetzung umfassend eine erste und eine zweite Zusammensetzung deren größte Strahlungsintensität in verschiedenen Wellenlängenbereichen des Infraroten liegt. Die erste Zusammensetzung weist eine hohe Intensität im Wellenlängenbereich von 4-5 Mikrometern auf und umfasst Hexamin.
• DE102007011662 offenbart eine pyrotechnische Wirkmasse mit einer erhöhten Strahlungsintensität im Bereich von 4-5 Mikrometern (Infrarot), welche ein Oxidationsmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluoronitroformaten und Fluoronitramiden der Alkali- und Erdalkalimetalle und ihren Derivaten.
• Wirkmassen für spektral strahlende pyrotechnische Scheinziele haben im Allgemeinen auf Grund der Anforderung an eine spektrale Signatur eine relativ niedrige Strahlungsleistung im Vergleich zu einer Schwarzkörperstrahlung emittierenden Wirkmasse, welche Magnesium, Teflon und das Fluorelastomer Viton® umfasst. Um einem modernen Zweifarben-Infrarotsuchkopf mittels eines abbrennenden pyrotechnischen Scheinziels effektiv ein Flugzeug vortäuschen zu können, ist beim Abbrand der Wirkmasse ein möglichst hohes Spektralverhältnis erforderlich. Als Spektralverhältnis wird hier das Verhältnis der emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 3,7 bis 5,1 µm (MW-Band) zur emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 1,9 bis 2,3 µm (KW-Band) bezeichnet. Herkömmliche spektrale Scheinzielwirkmassen weisen dazu häufig ein nicht ausreichend hohes Spektralverhältnis und/oder keine ausreichende Leistung auf. Solche Scheinzielwirkmassen bestehen z. B. aus Ammoniumperchlorat als Oxidationsmittel und Hydroxyl-terminiertem Polybutadien (HTPB) als Brennstoff.
  Um die Leistung solcher Scheinzielwirkmassen beim Abbrand zu erhöhen wird häufig ein Zusatzstoff zur Vergrößerung der beim Abbrand entstehenden Flamme eingesetzt. Ein bekannter solcher Zusatzstoff ist Hexamethylentetramin, welches die Flamme zwar vergrößert und somit die Leistung steigert, das Spektralverhältnis jedoch nicht oder nur geringfügig im Vergleich zu einer entsprechenden Wirkmasse mit gleicher Sauerstoffbilanz erhöht. Nachteilig ist dabei, dass durch den Zusatzstoff die Abbrandrate der Wirkmasse oft stark verringert wird. Um dies auszugleichen wird die Wirkmasse häufig durch Pressen in eine Form gebracht, die eine große Oberfläche aufweist. Dadurch wird jedoch Raum beansprucht, so dass verhältnismäßig wenig Wirkmasse in ein Scheinziel mit gegebenem Volumen eingebracht werden kann und der Gesamtenergiegehalt des Scheinziels dadurch verhältnismäßig gering ist.
• Weiterhin ist es bekannt, eine Nitrocellulose oder ein doppelbasiges Treibladungspulver enthaltende Scheinzielwirkmasse einzusetzen. Gegenüber einer Ammoniumperchlorat und HTPB enthaltenden Wirkmasse ist bei einer solchen Wirkmasse sowohl das Spektralverhältnis als auch die spezifische Leistung erhöht. Nachteilig ist jedoch, dass deren beim Abbrand entstehende Flamme von Luft einer höheren Geschwindigkeit schnell ausgeblasen wird. Um dieses Problem zu beheben, gibt es aufwendig gestaltete Scheinziele, bei denen die Wirkmasse vor Wind geschützt abbrennt und mittels durch die Flamme aufgeheizter Glühelemente thermisch bestrahlt wird. Die Glühelemente müssen nach außen abgeschirmt sein, damit sie keine das Spektralverhältnis reduzierende Schwarzkörperstrahlung nach außen abgeben können. Solche Vorrichtungen sind verhältnismäßig unzuverlässig und teuer. Weiterhin benötigen sie verhältnismäßig viel Volumen im Scheinziel, so dass die Gesamtleistung des Scheinziels nicht wesentlich höher ist als bei einem Ammoniumperchlorat und HTPB als Wirkmasse enthaltenden Scheinziel.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verwendung eines Zusatzstoffs anzugeben, der zu einer pyrotechnischen Wirkmasse zugesetzt werden kann, um die Intensität einer bei deren Abbrand entstehenden Strahlung zu steigern und das Spektralverhältnis zu erhöhen.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 6.
• Erfindungsgemäß ist die Verwendung eines Dinitromethansalzes als Zusatzstoff zu einer pyrotechnischen Wirkmasse zur Steigerung der Intensität einer bei deren Abbrand entstehenden Strahlung und zur Erhöhung eines Verhältnisses der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 3,7 bis 5,1 µm zu der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 1,9 bis 2,3 µm vorgesehen. Dabei ist ein Kation des Dinitromethansalzes eine mindestens die Elemente Stickstoff und Wasserstoff umfassende Base. Ein solches Dinitromethansalz steigert die Intensität der Strahlung und damit die Strahlungsleistung dadurch, dass die Flamme durch die gasförmigen Produkte vergrößert wird, die beim Abbrand durch thermische Zersetzung des genannten Dinitromethansalzes entstehen. Durch die Vergrößerung der Flamme wird die abstrahlende Fläche vergrößert. Die Erhöhung des Spektralverhältnisses erfolgt vor allem dadurch, dass die Leistung der Strahlung im MW-Band gesteigert wird, während die Leistung der Strahlung im KW-Band nur geringfügig oder gar nicht beeinflusst wird. Durch die Erhöhung des Spektralverhältnisses wird die Täuschwirkung eines pyrotechnischen Scheinziels für einen Zweifarben-Infrarotsuchkopf erhöht. Die ebenfalls bekannten Alkalimetallsalze von Dinitromethan sind als Zusatzstoff ungeeignet, da bei deren Abbrand festes Material entsteht, welches als Schwarzkörperstrahler wirkt und das Spektralverhältnis dadurch deutlich verringert.
• Weiterhin hat es sich gezeigt, dass durch das genannte Dinitromethansalz die Abbrandrate erhöht werden kann. Dadurch kann mit einer Tablette mit herkömmlicher Oberflächenform der erforderliche Massendurchsatz beim Abbrand der Wirkmasse erreicht werden. Es ist nicht erforderlich, dass die Wirkmasse durch Pressen in eine Form gebracht wird, die eine besonders große Oberfläche aufweist.
• Weiterhin wurde festgestellt, dass durch das genannte Dinitromethansalz Nitrocellulose in solchen Scheinzielwirkmassen ersetzt werden kann, bei denen es auf die Zersetzungstemperatur der Nitrocellulose ankommt. Die Zersetzungstemperaturen von Nitrocellulose und dem genannten Dinitromethansalz liegen etwa im selben Bereich von 160 bis 200°C. Der Ersatz von Nitrocellulose durch das genannte Dinitromethansalz erhöht die Lagerfähigkeit und Sicherheit der Wirkmasse, weil Nitrocellulose im Gegensatz zum genannten Dinitromethansalz nur begrenzt langzeitstabil ist.
• Durch das genannte Dinitromethansalz kann auch die Empfindlichkeit der Wirkmasse gegenüber mechanischer Beanspruchung reduziert werden. Darüber hinaus ist die Synthese des genannten Dinitromethansalzes einfach aus gut zugänglichen und preisgünstigen Ausgangsstoffen mit guter Ausbeute möglich. Zur Synthese kann das genannte Salz z. B. aus einem anderen Dinitromethansalz, z. B. Ammoniumdinitromethanat, mittels eines entsprechenden Gegenions ausgefällt oder aus Dinitrobarbitursäure direkt synthetisiert werden.
• Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verwendung umfasst das Kation auch die Elemente Kohlenstoff und/oder Sauerstoff. Wenn das Kation das Element Kohlenstoff umfasst, ist es günstig, wenn in dem Kation maximal 5 Kohlenstoffatome durch direkte Bindung miteinander verbunden sind. Mindestens jedes sechste Atom ist also ein Heteroatom, wie z. B. Sauerstoff oder Stickstoff. Eine aromatische Kohlenstoffstruktur liegt in einem solchen Kation vorzugsweise nicht vor. Durch das Vorliegen von maximal 5 direkt miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen wird das Entstehen von Ruß, der beim Glühen ein sehr effizienter Schwarzkörperstrahler ist, zumindest weitgehend vermieden. Sobald 6 Kohlenstoffatome durch direkte Bindung miteinander verbunden sind, kann es bei einer Pyrolyse zu einem Ringschluss und dadurch zur Bildung einer aromatischen Struktur kommen. Dies führt dann zur Bildung von Ruß als polyaromatischem Stoff, der das Spektrum der emittierten Strahlung in Richtung des KW-Bandes verschiebt. Bei höchstens 5 durch direkte Bindung miteinander verbundenen C-Atomen ist die Entstehung aromatischer Strukturen sehr unwahrscheinlich und die Rußbildung stark unterdrückt.
• Bei dem Kation kann es sich um ein Guanidiniumion, ein Ammoniumion, ein Hydraziniumion oder ein Guanylharnstoffion handeln. Bei Verwendung des Guanylharnstoffsalzes von Dinitromethan als Zusatzstoff konnte die Strahlungsleistung einer pyrotechnischen Wirkmasse im MW-Band gegenüber einer Wirkmasse ohne diesen Zusatzstoff um bis zu 60 % gesteigert werden. Außerdem konnte das Spektralverhältnis von etwa 9 auf 10 bis 11 gesteigert werden.
• Bei der Wirkmasse kann es sich um eine bei deren Abbrand im Infrarotbereich spektral strahlende Scheinzielwirkmasse handeln.
• Der Zusatzstoff kann zusätzlich zur Erhöhung einer Abbrandrate der Wirkmasse verwendet werden.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1: Standard-MTV (Magnesium-Teflon-Viton).
• Die Wirkmasse ist ein bekannter Schwarzkörperstrahler, der hier als Referenz eingesetzt wurde.

  Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
  Magnesiumpulver	Ecka LNR 61	60,0
  Teflonpulver	Hoechst TF 9202	25,0
  Viton	3M Fluorel FC-2175	10,0	TMD = 1893
  Grafit	Merck	5,0	Gleitmittel

  TMD = Theoretische maximale Dichte

Beispiel 2:
• Bekannte spektral angepasste Wirkmasse auf Basis von Ammoniumperchlorat. Diese Wirkmasse weist ein relativ hohes Spektralverhältnis aber verhältnismäßig wenig Energie auf.

  Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
  Ammoniumperchlorat		85,50
  HTPB	R45HT-M M = 2800	13,47
  IPDI		1,01	TMD = 1678
  Eisenacetonylacetat		0,02

  HTPB = Hydroxyl-terminiertes Polybutadien IPDI = Isophorondiisocyanat

Beispiel 3:
• Spektral angepasste Wirkmasse auf Basis von Ammoniumperchlorat. Diese Wirkmasse weist ein relativ hohes Spektralverhältnis aber verhältnismäßig wenig Energie auf. Diese Wirkmasse zeigt die Wirkung des weiteren Brennstoffs Hexamethylentetramin: Bei gleicher Sauerstoffbilanz wie die Wirkmasse gemäß Beispiel 2 wird eine höhere Strahlungsenergie erreicht, jedoch bleibt das Spektralverhältnis unverändert.

  Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
  Ammoniumperchlorat	d50 = 25 µm	77,8
  HTPB	R45HT-M M = 2800	10,32
  IPDI		0,78	TMD = 1656
  Hexamethylentetramin	kristallin	11,0
  Eisenacetonylacetat		0,10

Beispiel 4:
• Erfindungsgemäße spektral strahlende Wirkmasse mit Ammoniumdinitromethanat als Zusatzstoff, der die Flamme vergrößert und die Empfindlichkeit der Wirkmasse reduziert.

  Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
  Ammoniumperchlorat	vom Fass	69,9
  HTPB	R45HT-M M = 2800	13,95
  IPDI		1,05	TMD = 1586
  Ammoniumdinitromethanat	selbst synthetisiert	15,0
  Eisenacetonylacetat		0,10

Beispiel 5:
• Erfindungsgemäße spektral strahlende Wirkmasse mit Guanylharnstoffdinitromethanat als Zusatzstoff zur Vergrößerung der Flamme und zur Reduzierung der Empfindlichkeit.

  Stoff	Typ	Gew.-%	Sonstiges
  Ammoniumperchlorat	vom Fass	69,9
  HTPB	R45HT-M M = 2800	13,95
  IPDI		1,05	TMD = 1612
  Guanylharnstoffdinitromethanat	selbst synthetisiert	15,0
  Eisenacetonylacetat		0,10

  Tabelle 1:

  Messergebnisse von Strahlungsmessungen im Labor ohne Wind. Alle Ergebnisse sind Durchschnittswerte von 5 Parallelversuchen. Der Pressdruck bei allen Sätzen betrug 500 bar, 17 mm Werkzeugdurchmesser, Ansatz 10,0 g.
  Satz	EKW [J/(g sr)]	EMW [J/(g sr)]	(EKW + EMW) [J/(g sr)]	EMW/EKW	% MTV (MW-Kanal)	Abbrandrate [mm/s]
  Beispiel 1	152	84	236	0,553	100	2,7
  Beispiel 2	2,7	19,8	22,5	8,7	24	2,5
  Beispiel 3	3,7	31,3	35,0	8,7	37	1,1
  Beispiel 4	3,1	31,5	34,6	10,2	38	2,2
  Beispiel 5	2,4	28,5	30,9	11,2	34	2,9

  EKW = spezifische Leistung im KW-Kanal (ca. 1,9 bis 2,3 µm) in J/(g sr); EMW = spezifische Leistung im MW-Kanal (ca. 3,7 bis 5,1 µm) in J/(g sr); (EKW + EMW) in J/(g sr) = die Summe von KW- und MW-Kanälen; EMW/EKW = das Verhältnis von MW zu KW-Kanal; % MTV = Leistung als Prozent der Leistung von Standard-MTV; KW = Kurzwellig; MW = Mittelwellig;

Claims (6)

1. Verwendung eines Dinitromethansalzes als Zusatzstoff zu einer pyrotechnischen Wirkmasse zur Steigerung der Intensität einer bei deren Abbrand entstehenden Strahlung und zur Erhöhung eines Verhältnisses der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 3,7 bis 5,1 µm zu der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 1,9 bis 2,3 µm, wobei ein Kation des Dinitromethansalzes eine mindestens die Elemente Stickstoff und Wasserstoff umfassende Base ist.
2. Verwendung nach Anspruch 1,
   wobei das Kation auch die Elemente Kohlenstoff und/oder Sauerstoff umfasst.
3. Verwendung nach Anspruch 2,
   wobei das Kation das Element Kohlenstoff umfasst, wobei in dem Kation maximal 5 Kohlenstoffatome durch direkte Bindung miteinander verbunden sind.
4. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   wobei das Kation ein Guanidiniumion, ein Ammoniumion, eine Hydraziniumion oder ein Guanylharnstoffion ist.
5. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   wobei die Wirkmasse eine bei deren Abbrand im Infrarotbereich spektral strahlende Scheinzielwirkmasse ist.
6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   wobei der Zusatzstoff zusätzlich zur Erhöhung einer Abbrandrate der Wirkmasse verwendet wird.