EP2951137B1 - Pulver zur beschleunigung von geschossen für mörsersysteme - Google Patents

Pulver zur beschleunigung von geschossen für mörsersysteme Download PDF

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EP2951137B1
EP2951137B1 EP13704344.4A EP13704344A EP2951137B1 EP 2951137 B1 EP2951137 B1 EP 2951137B1 EP 13704344 A EP13704344 A EP 13704344A EP 2951137 B1 EP2951137 B1 EP 2951137B1
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EP
European Patent Office
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powder
grain
weight
crystalline
green grain
Prior art date
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Active
Application number
EP13704344.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2951137A1 (de
Inventor
Ulrich Schädeli
Dominik Antenen
Beat Vogelsanger
Vincent GFELLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nitrochemie Wimmis AG
Original Assignee
Nitrochemie Wimmis AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Nitrochemie Wimmis AG filed Critical Nitrochemie Wimmis AG
Priority to PL13704344T priority Critical patent/PL2951137T3/pl
Publication of EP2951137A1 publication Critical patent/EP2951137A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2951137B1 publication Critical patent/EP2951137B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B23/00—Compositions characterised by non-explosive or non-thermic constituents
    • C06B23/04—Compositions characterised by non-explosive or non-thermic constituents for cooling the explosion gases including antifouling and flash suppressing agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B25/00—Compositions containing a nitrated organic compound
    • C06B25/18—Compositions containing a nitrated organic compound the compound being nitrocellulose present as 10% or more by weight of the total composition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B25/00—Compositions containing a nitrated organic compound
    • C06B25/34—Compositions containing a nitrated organic compound the compound being a nitrated acyclic, alicyclic or heterocyclic amine
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B31/00—Compositions containing an inorganic nitrogen-oxygen salt
    • C06B31/02—Compositions containing an inorganic nitrogen-oxygen salt the salt being an alkali metal or an alkaline earth metal nitrate
    • C06B31/12—Compositions containing an inorganic nitrogen-oxygen salt the salt being an alkali metal or an alkaline earth metal nitrate with a nitrated organic compound
    • C06B31/22—Compositions containing an inorganic nitrogen-oxygen salt the salt being an alkali metal or an alkaline earth metal nitrate with a nitrated organic compound the compound being nitrocellulose
    • C06B31/24—Compositions containing an inorganic nitrogen-oxygen salt the salt being an alkali metal or an alkaline earth metal nitrate with a nitrated organic compound the compound being nitrocellulose with other explosive or thermic component
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B45/00—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product
    • C06B45/12—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product having contiguous layers or zones

Definitions

  • the invention relates to a powder as drive powder or igniter powder for accelerating projectiles for mortar systems, which is based on nitrocellulose and contains a crystalline energy carrier based on nitramine in 1-30% by weight and an inorganic flash hider, the powder being in the form of grains , and the grains optionally have an inert plasticizing additive on their surface.
  • the invention also relates to a method for producing such a powder.
  • the WO 2011/153655 A2 discloses a drive system for projectiles which does not contain nitroglycerine and is suitable for small-caliber and mortar projectiles.
  • the composition of the grain consists of nitrocellulose, a nitramine-based energy carrier and one or more inert plasticizers, which preferably have an increased concentration in an area near the surface.
  • the EP 1 857 429 A1 (Nitrochemie Wimmis AG) describes a drive for accelerating projectiles, which is based on nitrocellulose.
  • the drive comprises nitrocellulose as a base, a crystalline energy carrier based on nitramine in an amount of 1 - 25% by weight and at least two inert plasticizing additives, one of the additives being homogeneously distributed in the matrix of the drive and the second additive in one near the surface has an increased concentration.
  • This composition results in a drive with a high degree of energy conversion, the drive preferably being in the form of grains.
  • the object of the invention is to create a powder belonging to the technical field mentioned above as a drive powder or ignition powder for accelerating projectiles for mortar systems, which has excellent chemical and ballistic stability and can be implemented with a high output.
  • a powder is provided as a drive powder or ignition powder for accelerating projectiles for mortar systems, which powder is based on nitrocellulose.
  • the powder contains a crystalline energy carrier based on nitramine in 1-30% by weight and an inorganic flash hider in 0.1-10% by weight.
  • the powder is in the form of grains.
  • the grains have an inert plasticizing additive on their surface.
  • the additive is camphor and is present in a range of 0.01-1% by weight.
  • the increase in the muzzle velocity with increasing temperature is also relatively small, so that the drive is characterized overall by largely neutral temperature characteristics
  • the powder according to the invention has a high degree of energy conversion with a flat pressure profile, which leads to a high internal ballistic performance.
  • Mortar systems are generally understood to mean systems that have a relatively short barrel and are fired at relatively steep angles. There are mortars from caliber 37 mm (light mortars) up to 240 mm (super-heavy mortars). The most important are the heavy mortars in calibers 60 - 120 mm. The invention particularly focuses on the mortars and the corresponding drives for systems of calibers 60 mm, 81 mm and 120 mm.
  • the powders according to the invention can also be used as igniter powders for mortar applications.
  • a kindling powder is housed in the shaft of a mortar shell and is needed to amplify the impulse of the pyrotechnic initial ignition and to transfer it to the drive powder in the surrounding increments (horse shoes).
  • the composition of a lighting powder is identical to the composition of a drive powder. However, they can differ in grain size and grain geometry.
  • Both the drive powder and the ignition powder are extrudable bulk powders that can be produced in a solvent process and contain nitrocellulose as the main component.
  • nitrocellulose has been the most important raw material for the production of single-, double- and tri-base propellant powders. It is obtained through the nitration of cellulose (cotton linters, cellulose), is available in large quantities at low cost and is available in a wide range of different chemical-physical properties offered.
  • Nitrocellulose varies e.g. B. with regard to the nitrogen content, molecular weight or viscosity and, due to these differences, can be processed into the various homogeneous propellant powder types. The energy content of nitrocellulose is adjusted via the nitrogen content. In single-base formulations, nitrocellulose is the sole energy carrier, which means that the energy density of nitrocellulose is relatively high compared to other synthetic binder polymers.
  • the present powders are based on nitrocellulose. This preferably has an average nitrogen content of 12.6-13.25%.
  • the other key components contained in the grain matrix are a crystalline energy carrier and an inorganic flash hider.
  • the crystalline energy carrier increases the energy content of the powder and is used in a concentration in the range from 1 to 30% by weight. With these proportions in a base made of nitrocellulose, it is achieved that the mean distances between the individual crystals of the crystalline energy carrier are sufficiently large so that the individual crystals do not touch each other for the most part. This ensures that when external mechanical stimuli are applied, the shock pulse cannot be passed on from an explosive crystal to the neighboring crystals. In this way, a primarily acting shock pulse is not multiplied and transmitted over the entire amount of powder. On the other hand, with higher weight proportions of crystalline energy carriers, the individual crystals are statistically too close to one another, which greatly increases the vulnerability of the powder.
  • the inorganic flash hider is used in a concentration in the range of 0.1-10% by weight.
  • an inorganic flash hider By adding an inorganic flash hider, the conversion of unburned gases such as hydrogen or carbon monoxide in the area of the gun muzzle is suppressed so that they do not ignite or only ignite to a very lesser extent.
  • the muzzle flash is reduced, which on the one hand reduces the dazzling effect of the fire for the shooter and also makes it more difficult to locate the shooter.
  • the crystalline nitramine-based energy carrier is preferably at least one compound from the group comprising hexogen (RDX) and octogen (HMX).
  • RDX hexogen
  • HMX octogen
  • RDX is preferably used as a crystalline energy carrier. Compared to HMX, it is cheaper and safer to manufacture. HMX is more expensive than RDX, but offers no particular advantages. Other nitramine compounds (such as NIGU etc.) have relatively little performance compared to RDX. For stabilization, active ingredients known per se, such as. B. Akardit II can be used
  • the crystalline nitramine compound particularly preferably has a defined mean grain size. So z. B. RDX is preferably used with an average grain size of 4-8 micrometers, in particular 6 micrometers.
  • the homogeneous particle size of the crystalline energy carrier enables powders to be produced that have relatively constant chemical and ballistic properties.
  • nitrate esters are less chemically stable.
  • nitramine compounds Hexanitroisowurtzitan (CL-20, CAS # 14913-74-7 ), Nitroguanidine (NIGU, NQ, CAS # 70-25-7 , N-methylnitramine (tetryl, N-methyl-N, 2,4,6-tetranitrobenzolamine, CAS # 479-45-8 ) as well as nitrotriazolone (NTO, CAS # 932-64-9 ) and triaminotrinitrobenzene (TATB, CAS # 3058-38-6 ). All of these energetic connections can be used individually or in combination with one another.
  • the proportion of the crystalline energy carrier is particularly preferably 5-25% by weight.
  • powders are favored which contain crystalline energy carriers in proportions of 10-20% by weight.
  • proportions by weight below 25% by weight, in particular up to 20% by weight, the individual crystals of the energy carrier are spaced from one another in such a way that the The powder's vulnerability is at a very low level.
  • the use of an inert plasticizing additive can somewhat reduce the vulnerability of the powder with a relatively high proportion by weight of the crystalline nitramine compound. It is thereby easily possible to use high proportions of the crystalline nitramine compound.
  • RDX In addition to its property as a crystalline energy carrier, RDX also has certain stabilizing properties that come into play from approx. 1% by weight and increase only insignificantly with increasing proportion.
  • the inorganic flash hider is preferably at least one compound from the group of alkali salts such as. B. Potassium Nitrate and Potassium Sulphate. In addition to reducing the muzzle flash, these compounds can also accelerate the burn and thereby reduce the formation of residues, which further increases the degree of energy conversion.
  • the inorganic flash hider is present in a proportion of 0.1-5% by weight.
  • the surface of the powder grain is preferably treated with graphite and ethanol.
  • the extruded powder grains are preferably subjected to a surface treatment with ethanol and graphite.
  • the surface is treated with camphor as an inert plasticizing additive.
  • the inert plasticizing additive penetrates into the near-surface zones of the powder grain and remains there, ie it is localized and does not distribute itself in the grain matrix.
  • the inert plasticizing additive has a penetration depth of a few 100 micrometers, e.g. B. a maximum of 400 micrometers, preferably 100-300 Micrometer. This means that at least 95% by weight of the inert plasticizing additive is contained up to this depth.
  • the applied graphite preferably remains on the surface of the powder grain.
  • the surface treatment i.e. the application of ethanol, graphite and the inert plasticizing additive to the surface of the extruded powder grain, has a positive influence on the properties of the powder grain.
  • a temperature-neutral behavior and the bulk density i.e. how much powder can be accommodated in a given container volume
  • the pressure level i.e. the ratio of peak gas pressure to muzzle velocity
  • the grain matrix does not contain more inert compounds than necessary, and can therefore have the greatest possible amount of energetic compounds.
  • a surface treatment with a combination of these substances can achieve the greatest possible effect.
  • the inert plasticizing additive is preferably present on the surface of the grain in not more than 0.1% by weight, in particular in a range of 0.01-0.1% by weight. It is precisely with these quantities of the inert plasticizing additive that the change in the muzzle velocity and also the increase in pressure on transition to high temperatures are relatively small. With significantly larger amounts of the inert plasticizing additive, the possibility of achieving temperature-neutral behavior decreases.
  • the grains for the drive preferably have a circular cylindrical geometry with longitudinal channels in the axial direction.
  • the number of channels is arbitrary, often one grain has one channel, 7 or 19 channels.
  • Such a propellant charge powder, also called hole powder, is consequently pourable or free-flowing, and can thus be industrially filled into tubes.
  • the ratio of length (L) to diameter (D) of the cylindrical grain has a value L / D - 0.25-5.
  • the length of the circular cylinder is z. B. in the range of 0.3-10 mm and the diameter in the range of 0.3-10 mm.
  • the invention is designed as a multi-hole powder, a geometry with a small pitch circle and thus a greater external wall thickness is preferred.
  • the individual longitudinal channels of a drive powder have a hole diameter of 0.1-0.5 mm.
  • the grain dimensions are typically smaller than when used for the drive. In addition, they often have a circular cylindrical geometry with a central longitudinal channel. You have z. B has an outside diameter of 1.3-1.7 mm, a length of 1.5-2.0 mm, an average wall thickness of 0.6-0.8 mm and a hole diameter of approx. 0.10 mm.
  • the material for the powders can be in the form of strips or extruded directly into a specific shape suitable for guns. In this form it is particularly suitable for large-caliber ammunition.
  • This typically includes shapes in which the width is much smaller (e.g. at least 5 times or at least 10 times) than the length and the thickness is in turn much smaller (e.g. at least 5 times or at least 10 times) than the width.
  • the thickness is e.g. B. 1-2 mm, the width at z. B. 10 mm or more and the length at z. B. 100 - 150 mm.
  • shaped bodies i.e. hollow cylindrical shapes for ammunition, in which the case is missing or has been replaced by the "shaped body” arranged behind the ignition, are also conceivable.
  • the grain matrix can optionally contain further additives known per se.
  • Sodium hydrogen carbonate CAS #: 144-55-8
  • Calcium carbonate CAS #: 471-34-1
  • Magnesium oxide CAS #: 1309-48-4
  • Akardite II CAS #: 724-18-5
  • Centralit I CAS #: 90-93-7
  • Centralit II CAS #: 611-92-7
  • 2-nitrodiphenylamine CAS #: 836-30-6
  • diphenylamine CAS #: 122-39-4
  • Additives such as lime, manganese oxide, magnesium oxide ( CAS #: 1303-48-4 ), Molybdenum trioxide ( CAS #: 1313-27-5 ), Magnesium silicate ( CAS #: 14807-96-6 ), Calcium carbonate ( CAS #: 471-34-1 ), Titanium dioxide ( CAS #: 13463-67-7 ), Tungsten trioxide ( CAS #: 1314-35-8 ) serve to protect the pipes.
  • Compounds such as phthalic acid esters, citric acid esters or adipic acid esters are common plasticizers.
  • the green grain that is to say the powder that is still untreated per se, can contain other known additives in the matrix, e.g. B. to improve the ignition behavior and to modulate the combustion behavior.
  • a method for producing a powder according to the invention is characterized in that a solvent-containing powder dough based on nitrocellulose and a crystalline energy carrier based on nitramine in 1-30% by weight and an inorganic flash hider is produced.
  • the solvent-based powder dough is then extruded into a green grain.
  • the solvent is removed from this green grain and the surface of the green grain is treated with camphor as an inert plasticizing additive. Finally, the surface-treated green grain is dried.
  • a powder according to the invention can be produced on existing production plants.
  • the solid formulation components can, for example, be mixed with a solvent mixture.
  • the resulting solvent-moist kneading dough can be kneaded in a kneader and then extruded to the desired geometry in a press.
  • the extruded strands can be pre-dried and cut to the desired grain length.
  • the solvent can then be removed from the grain.
  • the grain is with the inert surface-treated plasticizing additive and can optionally be subjected to a finishing.
  • the green grain is preferably surface-treated with ethanol and graphite, i.e. graphitized.
  • the graphitization can be carried out as a single process step. However, it is also possible to apply graphite and ethanol to the green grain together with the inert plasticizing additive.
  • the solvent is particularly preferably removed from the green grain using a moist air process.
  • the green grain obtained by extrusion contains an inorganic flash hider in the grain matrix.
  • the green grain should not be subjected to a bathing process in order to remove the solvent from the grain matrix, since otherwise the water-soluble inorganic flash hider would be washed out of the grain matrix.
  • the solvent that was used in the manufacturing process is therefore removed by means of a humid air process.
  • the solvent-moist green grain is flowed through for 10-60 hours with a stream of air at temperatures between 20-70 ° C, which is saturated with water vapor, at high flow rates of several hundred m 3 per hour.
  • the proportion of solvent is reduced to ⁇ 1%, while the water-soluble flash hider is not removed from the grain matrix, but remains there.
  • finishing is carried out. This means in particular the careful drying and sieving of the surface-treated grain.
  • various additives are added to the powder dough, which is based on nitrocellulose, ie the additives are evenly distributed in the matrix.
  • the total amount of these additives is 0-10% by weight compared to nitrocellulose, preferably 2-7% by weight.
  • the total amount of the crystalline nitramine compound, which is typically RDX, is 1-30% by weight of the amount of nitrocellulose.
  • the crystalline nitramine compound may have to be subjected to a pretreatment to improve the connection to the matrix before it is added to the powder dough.
  • the green grain is extruded through a die.
  • the water and the solvent are then removed, preferably by means of moist air drying.
  • the green grain is subjected to a surface treatment in which the inert plasticizing additive and preferably other additives such as graphite are applied in the presence of ethanol (impregnation + coating).
  • the extruded strands are short pre-dried in air, cut to the desired length, and the green grain thus obtained fine mesh screens designed uniformly the green grain is then for 30 hours with a water-saturated air stream of 200 m 3 / h and a temperature of 30 ° C and then flowed through for 30 hours with an air stream of 400 m 3 / h and a temperature of 65 ° C (moist air drying).
  • 0.05% by weight of graphite and 1.2 liters of ethanol are then added to 60 kg of the green grain heated to 60 ° C. in a copper polishing drum heated to 55 ° C., then allowed to act for 1 hour while rotating continuously.
  • the powder is spread out on metal sheets and dried at 60 ° C. for 24 hours.
  • Example 2 - drive powder 2 (FM 4650/22)
  • a powder dough according to Example 1 is pressed (i.e. extruded) through a die with 7-hole geometry and 4.8 mm strand cross-section.
  • the extruded strands are briefly pre-dried in the air, cut to the desired length, and the green grain thus obtained is subjected to moist air drying (as described in Example 1).
  • 60 kg of the green grain are preheated to 60 ° C. and transferred to a copper polishing drum heated to 55 ° C. 0.05% of graphite and a solution of 1% by weight of camphor in 1.2 kg of ethanol are added to the green grain and it is continuously rotated for 1 hour.
  • the powder is spread out on metal sheets and dried at 60 ° C. for 24 hours.
  • the resulting drive powder 2 with the designation FM 4650/22 has the following physical properties: 3.42 mm outside diameter, 3.45 mm length, 0.71 mm mean wall thickness and 0.19 mm hole diameter, 4152 J / g heat content and 1002 g / l bulk density. Chemical stability: Deflagration temperature - 172 ° C. Heat flow calorimetry according to STANAG 4582 - 47 J / g resp. 30.9 ⁇ W (rement according to standard STANAG 4582: maximum heat development ⁇ 114 ⁇ W).
  • a powder dough according to Example 1 is extruded through a die with 7-hole geometry and 5.1 mm strand cross-section.
  • the extruded strands are briefly pre-dried in the air, cut to the desired length, and the green grain thus obtained is subjected to moist air drying (as described in Example 1).
  • 120 kg of the green grain are preheated to 60 ° C. and transferred to a copper polishing drum heated to 55 ° C.
  • the green grain is mixed with 0.05% graphite and a solution of 0.1% by weight camphor in 2.4 kg of ethanol and rotated continuously for 1 hour.
  • the powder is spread out on metal sheets and dried at 60 ° C. for 24 hours.
  • Example 4 Ignition powder 1 (FM 4483/21)
  • a powder dough according to Example 1 is pressed (ie extruded) through a die with 1-hole geometry and 2.1 mm strand cross-section.
  • the extruded strands are briefly pre-dried in the air, cut to the desired length and the resulting green grain is subjected to moist air drying (as described in Example 1).
  • 20 kg of the green grain are preheated to 60 ° C and placed in a polishing drum heated to 55 ° C transferred from copper.
  • 0.3% by weight of graphite and 0.3 kg of ethanol are added to the green grain, after which it is left to act for 1 hour while rotating continuously.
  • the powder is spread out on metal sheets and dried at 60 ° C. for 24 hours.
  • Example 5 Ignition powder 2 (FM 4483/22)
  • a powder dough according to Example 1 is pressed (i.e. extruded) through a die with 1-hole geometry and 2.1 mm strand cross-section.
  • the extruded strands are briefly pre-dried in the air, cut to the desired length, and the green grain thus obtained is subjected to moist air drying (as described in Example 1).
  • 20 kg of the green matter are preheated to 60 ° C. and transferred to a copper polishing drum heated to 55 ° C. 0.3% by weight of graphite, 0.5% by weight of camphor and 0.15 kg of ethanol are added to the green grain, and the mixture is then left to act for 1 hour while rotating continuously.
  • the powder is spread out on metal sheets and dried at 60 ° C. for 24 hours.
  • the presence of 0.5% by weight of camphor in the ignition powder 2 according to the invention reduces the peak gas pressure at 21 ° C., which can be advantageous for certain applications.
  • the igniter powder 2 with 0.5% by weight of camphor shows a higher pressure increase than that without camphor.
  • the optimal amount of camphor must be carefully weighed so that the system requirements specified by the application can be met as best as possible.
  • the M48 ball powder that has been introduced has the highest gas pressure at 21 ° C. The pressure increase from 21 ° C. to 63 ° C. is significantly higher with the introduced M48 ball powder of approx. 2300 psi compared to the two ignition powders 1 and 2 according to the invention.
  • nitrocellulose-containing powders according to the invention are suitable as drive powders or igniter powders, which contain a crystalline energy carrier based on nitramine and an inorganic flash hider, and have small amounts of an inert plasticizing additive on the surface, for accelerating projectiles for mortar systems show a temperature-independent behavior and can therefore be used regardless of climatic conditions.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Pulver als Antriebspulver oder Anzündpulver zur Beschleunigung von Geschossen für Mörsersysteme, welches auf Nitrocellulose basiert und einen kristallinen Energieträger auf Nitramin-Basis in 1-30 Gew.-% und einen anorganischen Mündungsfeuerdämpfer enthält, wobei das Pulver in Form von Körnern vorliegt, und die Körner an ihrer Oberfläche optional einen inerten plastifizierenden Zusatzstoff aufweisen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Pulvers.
    • Stand der Technik
  • Innerhalb der letzten Jahre hat auf dem Gebiet der grosskalibrigen Rohrwaffen eine deutliche Verschiebung stattgefunden. So bildeten bis zum Ende des kalten Krieges grosskalibrige Panzer- und Artilleriesysteme das Rückgrat von landgestützten Verbänden. Diese Systeme waren auf die Verteidigung des eigenen Territoriums optimiert und wiesen wegen ihres grossen Gewichts nur eine begrenzte Mobilität auf. Insbesondere waren derartige Waffensysteme nicht luftverladbar, was eine rasche territoriale Verschiebung stark erschwerte.
  • Der Ausbruch des 1. Irak-Konflikts zu Beginn der Neunzigerjahre hat jedoch eine deutliche Abkehr von den bisher gängigen Einsatzszenarien eingeläutet. Grosskalibrige Rohrwaffen mussten innerhalb kurzer Zeit über weite Strecken zum Einsatzort transportiert werden. Der 1. Irak-Krieg markierte somit die Wiederentdeckung von Mörsersystemen. Wegen ihres relativ geringen Gewichts sind derartige grosskalibrige Rohrwaffen problemlos in grosser Stückzahl luftverladbar und somit im Konfliktfall rasch einsetzbar. Zudem konnten Dank des Aufkommens leistungsfähiger Elektronik wie etwa Satellit-Navigation oder Zielführung die Präzision massiv verbessert werden.
  • Die jüngere Vergangenheit hat nun gezeigt, dass dieser Mobilitätstrend von Streitkräften rund um den Globus mitgetragen wird. Dank dem grossen Interesse an Mörsersystemen stieg die Nachfrage und damit gekoppelt auch der Wunsch nach Leistungssteigerung. So weisen die neuen Mörsergranaten mit elektronischer Zielführung und Möglichkeit zur präzisen Punktdetonation ein höheres Gewicht auf als die bisherigen Standardgranaten. Hieraus leitete sich der Bedarf nach einem leistungsgesteigerten Antrieb ab, welcher den Effekt des höheren Gewichts auf die Reichweite kompensiert oder die Reichweite sogar noch erhöhen kann.
  • Zudem hat sich gezeigt, dass in den letzten zwanzig Jahren militärische Konflikte primär in heissen Klimazonen lokalisiert waren, z. B. im Irak oder in Afghanistan. Die bis dahin verwendeten Antriebe enthielten verbreitet Nitroglyzerin zur Erreichung eines hohen Leistungspotenzials und waren nicht auf die hohe thermische Belastung ausgelegt. Es wurde festgestellt, dass sich wichtige innenballistische Daten wie Mündungsgeschwindigkeit und Spitzengasdruck in Folge von monatelangem Einsatz und Lagerung in heissen Klimazonen verändern. Die geringere Mündungsgeschwindigkeit führt zu einer Reduktion der Reichweite und vermindert somit die Trefferwahrscheinlichkeit. Dagegen nimmt der Gasdruck um bis zu 50% zu, was ein grosses Sicherheitsrisiko bei der Schussabgabe darstellt. Die starke klimatische Wärmeeinwirkung setzt zudem der chemischen Stabilität eines Antriebs stark zu, indem u.a. der Stabilisator rascher aufgebraucht wird. Insgesamt stellen konventionelle nitroglyzerinhaltige Pulver somit bei der Lagerung in heissen Bunkern oder unter in Munitionskisten unter direkter Sonneneinstrahlung ein Sicherheitsrisiko dar, indem sie spontan in die Autokatalyse übergehen können und durch die Explosion umgebendes Personal verletzen und Gebäude zerstören können.
  • Die Firma Nitrochemie hatte schon vor einiger Zeit die Zeichen der Zeit erkannt und mit der Entwicklung einer neuen Generation von nitroglyzerinfreien Hochleistungspulvern begonnen, welche auch bei langen Einsätzen in heissen Klimazonen keine Veränderung der ballistischen und chemischen Stabilität zeigten, d. h. deren Verwendung und Lagerung in heissen Klimazonen absolut kein Sicherheitsrisiko darstellte. Diese neue Pulvergeneration wurde zuerst speziell für Hochleistungsanwendungen in mittelkalibrigen Rohrwaffen entwickelt, wie etwas unterkalibrige APFSDS-T- oder vollkalibrige Alrburst-Munition. Derartige Waffensysteme sind typischerweise mit relativ langen Waffenläufen ausgestattet, wobei bei der Schussabgabe relativ hohe Spitzengasdrücke von typischerweise 3000-5000 bar auftreten.
  • Im Gegensatz dazu sind die Rohrläufe bei Mörsersystemen deutlich kürzer und die bei der Schussabgabe resultierenden Spitzengasdrücke tiefer, d. h. bei maximaler Ladung um 1000 bar und bei tieferen Ladungen entsprechend tiefer. Dies bedeutet, dass sich das Pulver auch bei wenigen 100 bar Gasdruck noch ausreichend umsetzen muss. Dieses Kriterium konnte mit den ursprünglichen nitroglyzerinfreien Hochleistungsrezepturen nicht erreicht werden. Es bestand daher das Bedürfnis nach einem neuen Ansatz für eine adäquate Antriebstechnologie, welche auf die speziellen Verhältnisse von Mörsersystemen mit tiefen Spitzengasdrücken und kurzen Waffenrohren ausgelegt ist. Von einem derartigen neuen Antrieb wird ebenfalls eine ausgezeichnete chemische und ballistische Stabilität gefordert, wobei der Antrieb gleichzeitig die Eigenschaft aufweisen muss, sich in Mörsersystemen unter hoher Leistungsausbeute umzusetzen.
  • Die WO 2011/153655 A2 (Nitrochemie Wimmis AG) offenbart ein Antriebssystem für Geschosse, welches kein Nitroglycerin enthält und für Kleinkaliber- und Mörsergeschosse geeignet ist. Die Zusammensetzung des Korns besteht aus Nitrocellulose, einem Energieträger auf Nitramin-Basis sowie einen oder mehrere inerte Weichmacher, die vorzugsweise in einem Bereich nahe der Oberfläche eine erhöhte Konzentration aufweisen.
  • Die EP 1 857 429 A1 (Nitrochemie Wimmis AG) beschreibt einen Antrieb zur Beschleunigung von Geschossen, welcher auf Nitrocellulose basiert. Der Antrieb umfasst als Basis Nitrocellulose, ein kristalliner Energieträger auf Nitramin-Basis in einer Menge von 1 - 25 Gew.-% sowie mindestens zwei inerte plastifizierende Zusatzstoffe, wobei einer der Zusatzstoffe homogen in der Matrix des Antriebs verteilt ist und der zweite Zusatzstoff in einer oberflächennahen Zone eine erhöhte Konzentration aufweist. Diese Zusammensetzung ergibt einen Antrieb mit einem hohen Energieumsetzungsgrad, wobei der Antrieb vorzugsweise in der Form von Körnern vorliegt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Pulver als Antriebspulver oder Anzündpulver zur Beschleunigung von Geschossen für Mörsersysteme zu schaffen, welches eine ausgezeichnete chemische und ballistische Stabilität aufweist und sich dabei unter hoher Leistungsausbeute umsetzen kann.
  • Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung wird ein Pulver als Antriebspulver oder Anzündpulver zur Beschleunigung von Geschossen für Mörsersysteme bereitgestellt, welches auf Nitrocellulose basiert. Das Pulver enthält einen kristallinen Energieträger auf Nitramin-Basis in 1-30 Gew.-% und einen anorganischen Mündungsfeuerdämpfer in 0.1-10 Gew.-%. Das Pulver liegt in Form von Körnern vor. Die Körner weisen an ihrer Oberfläche einen inerten plastifizierenden Zusatzstoff auf. Dieser
  • Zusatzstoff ist Campher und liegt in einem Bereich von 0.01 - 1 Gew.-%, vor.
  • Es ist überraschend, dass durch die Verwendung von relativ kleinen Mengen eines inerten plastifizierenden Zusatzstoffs an der Oberfläche des Pulvers die Abhängigkeit des Drucks bei steigenden Temperaturen gemindert werden kann. Von den Antriebspulvern für Mittelkaliber-Anwendungen ist nämlich bekannt, dass man mit grösseren Mengen eines inerten plastifizierenden Zusatzstoffs den Druckverlauf flacher einstellen kann. Mit weniger als 2 Gew.-% sind dabei kaum Effekte zu erzielen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieser Zusammenhang nicht für Antriebspulver für Mörser-Anwendungen gilt. Bei den erfindungsgemässen Antrieben für Mörsersysteme wird mit relativ kleinen Mengen eines inerten plastifizierenden Zusatzstoffes ein flacher Druckverlauf erreicht. Bei einer Erhöhung der Konzentration wird der Druckverlauf allmählich steiler, und bei einer Zugabe von deutlich mehr als 1 Gew.-% steigt der Druck mit steigender Temperatur signifikant an.
  • Im bevorzugten Bereich des inerten plastifizlerenden Zusatzstoffes ist auch der Anstieg der Mündungsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur relativ gering, so dass sich der Antrieb insgesamt durch eine weitgehend neutrale Temperaturcharakteristik auszeichnet
  • Das erfindungsgemässe Pulver weist bei einem flachen Druckverlauf einen hohen Energieumsetzungsgrad auf, was zu einem hohen innenballistischen Leistungsvermögen führt.
  • Als Mörsersysteme werden im Allgemeinen Systeme verstanden, die ein relativ kurzes Rohr aufweisen und in relativ steilen Winkeln abgeschossen werden. Es gibt Mörser ab Kaliber 37 mm (leichte Mörser) bis hin zu 240 mm (überschwere Mörser). Die wichtigsten sind dabei die schweren Mörser in den Kalibern 60 - 120 mm. Besonders im Fokus der Erfindung stehen die Mörser bzw. die entsprechenden Antriebe für Systeme der Kaliber 60 mm, 81 mm und 120 mm.
  • Zudem können die erfindungsgemässen Pulver auch als Anzündpulver für Mörseranwendungen verwendet werden. Ein Anzündpulver ist im Schaft einer Mörsergranate untergebracht und wird dazu benötigt, den Impuls der pyrotechnischen Initialzündung zu verstärken und auf das Antriebspulver in den umgebenden Inkrementen (Horse Shoes) zu übertragen. Die Zusammensetzung eines Anzündpulvers ist identisch wie die Zusammensetzung eines Antriebspulvers. Sie können sich jedoch in der Korndimension und in der Korngeometrie unterscheiden.
  • Sowohl das Antriebspulver als auch das Anzündpulver sind extrudierbare, im Lösungsmittelprozess herstellbare Schüttpulver, die als Hauptkomponente Nitrocellulose enthalten. Nitrocellulose ist seit über hundert Jahren das wichtigste Ausgangsmaterial für die Herstellung von ein-, zwei- und dreibasigen Treibladungspulvern. Sie wird durch Nitrierung von Cellulose (Baumwoll-Linters, Zellstoff) gewonnen, ist in grossen Mengen preisgünstig verfügbar und wird mit einer grossen Spannbreite an verschiedenen chemisch-physikalischen Eigenschaften angeboten. Nitrocellulose variiert z. B. bezüglich des Stickstoffgehalts, Molekulargewichts oder der Viskosität und kann aufgrund dieser Unterschiede zu den verschiedenen homogenen Treibladungspulvertypen verarbeitet werden. Der Energieinhalt von Nitrocellulose wird über den Stickstoffgehalt eingestellt. In einbasigen Rezepturen ist Nitrocellulose der alleinige Energieträger, was bedeutet, dass die Energiedichte von Nitrocellulose im Vergleich zu anderen synthetischen Binderpolymeren relativ hoch ist.
  • Die vorliegenden Pulver basieren auf Nitrocellulose. Diese weist bevorzugt einen mittleren Stickstoffgehalt von 12.6 - 13.25% auf. Die weiteren in der Kornmatrix enthaltenen Schlüsselkomponenten sind ein kristalliner Energieträger sowie ein anorganischer Mündungsfeuerdämpfer.
  • Der kristalline Energieträger erhöht den Energieinhalt des Pulvers und wird in einer Konzentration im Bereich von 1 - 30 Gew.-% eingesetzt. Bei diesen Anteilen in einer Basis aus Nitrocellulose wird erreicht, dass die mittleren Abstände zwischen den einzelnen Kristallen des kristallinen Energieträgers ausreichend gross sind, so dass sich die einzelnen Kristalle überwiegend nicht berühren. Dadurch wird erreicht, dass bei Einwirkung externer mechanischer Stimuli der Schockimpuls nicht von einem Explosivstoff-Kristall an die benachbart liegenden Kristalle weitergegeben werden kann. So wird ein primär einwirkender Schockimpuls nicht multipliziert und über die gesamte Pulvermenge übertragen. Dagegen befinden sich bei höheren Gewichtsanteilen an kristallinem Energieträger die einzelnen Kristalle statistisch betrachtet zu nahe beieinander, wodurch die Verwundbarkeit des Pulvers stark ansteigt.
  • Der anorganische Mündungsfeuerdämpfer wird in einer Konzentration im Bereich von 0.1 - 10 Gew.-% eingesetzt. Durch die Zugabe eines anorganischen Mündungsfeuerdämpfers wird die Umsetzung unverbrannter Gase wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid im Bereich der Waffenmündung unterdrückt, so dass sich diese nicht oder nur in sehr geringerem Ausmass entzünden. Somit wird das Mündungsfeuer reduziert, was zum einen die Blendwirkung des Feuers für den Schützen reduziert und ausserdem die Ortung des Schützen erschwert.
  • Bevorzugterweise handelt es sich bei dem kristallinen Energieträger auf Nitramin-Basis um mindestens eine Verbindung aus der Gruppe umfassend Hexogen (RDX) und Oktogen (HMX). Diese beiden Verbindungen der allgemeinen Formel R-N-NO2 (R = Rest) haben einen relativ kleinen Rest R, der im Vergleich zum Nitramin-Strukturelement einen kleinen Anteil am Gesamtmolekül darstellt. Dadurch weisen die beiden Verbindungen einen relativ hohen Energiegehalt auf.
  • Bevorzugt wird RDX als kristalliner Energieträger verwendet. Es ist im Vergleich zu HMX günstiger und sicherer in der Herstellung. HMX ist teurer als RDX, bietet aber keine besonderen Vorteile. Andere Nitraminverbindungen (wie z. B. NIGU etc.) haben relativ wenig Leistung im Vergleich zu RDX. Zur Stabilisierung können auch an sich bekannte Wirkstoffe wie z. B. Akardit II verwendet werden
  • Besonders bevorzugt weist die kristalline Nitraminverbindung eine definierte mittlere Korngrösse auf. So wird z. B. RDX bevorzugt mit einer mittleren Korngrösse von 4 - 8 Mikrometer, insbesondere 6 Mikrometer verwendet. Die homogene Partikelgrösse des kristallinen Energieträgers erlaubt es Pulver herzustellen, die relativ konstante chemische und ballistische Eigenschaften aufweisen.
  • Alternativ zu den Nitraminverbindungen wäre z. B. auch ein Nitratester der allgemeinen Formel R-O-NO2 denkbar. Allerdings sind Nitratester im Vergleich zu Nitraminverbindungen weniger chemisch stabil. Es ist auch möglich, mindestens eine der folgenden Verbindungen als kristalline Nitraminverbindungen zu verwenden: Hexanitroisowurtzitan (CL-20, CAS-# 14913-74-7), Nitroguanidin (NIGU, NQ, CAS-# 70-25-7, N-Metylnitramin (Tetryl, N-Methyl-N,2,4,6-tetranitrobenzolamin, CAS-# 479-45-8) sowie Nitrotriazolon (NTO, CAS# 932-64-9) und Triaminotrinitrobenzol (TATB, CAS# 3058-38-6). All diese energetischen Verbindungen können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden.
  • Besonders bevorzugt liegt der Anteil des kristallinen Energieträgers bei 5 - 25 Gew.-%. Insbesondere werden Pulver favorisiert, die kristalline Energieträger in Anteilen von 10 - 20 Gew.-% aufweisen. Bei Gewichtsanteilen unter 25 Gew.-%, insbesondere bis 20 Gew.-% sind die einzelnen Kristalle des Energieträgers derart voneinander beabstandet, dass die Verwundbarkeit des Pulvers auf einem sehr tiefen Niveau liegt. Die Verwendung eines inerten plastifizierenden Zusatzstoffs kann die Verwundbarkeit des Pulvers bei relativ hohem Gewichtsanteil der kristallinen Nitraminverbindung etwas abschwächen. Es ist dadurch ohne weiteres möglich, hohe Anteile der kristallinen Nitraminverbindung zu verwenden.
  • Neben seiner Eigenschaft als kristalliner Energieträger hat RDX auch gewisse Stabilisierungseigenschaften, die schon ab ca. 1 Gew.-% zum Tragen kommen und mit zunehmendem Anteil nur unwesentlich ansteigen.
  • Bei dem anorganischen Mündungsfeuerdämpfer handelt es sich bevorzugt um mindestens eine Verbindung aus der Gruppe der Alkalisalze wie z. B. Kaliumnitrat und Kaliumsulfat. Neben der Minderung des Mündungsfeuers können diese Verbindungen auch den Abbrand beschleunigen und hierdurch die Bildung von Rückständen reduzieren, was den Energieumsetzungsgrad weiter erhöht.
  • In einer besonderen Ausführungsform liegt der anorganische Mündungsfeuerdämpfer in einem Anteil von 0.1 - 5 Gew.-% vor.
  • Zudem ist die Oberfläche des Pulverkorns bevorzugt mit Graphit und Ethanol behandelt.
  • Die extrudierten Pulverkörner werden bevorzugt einer Oberflächenbehandlung mit Ethanol und Graphit unterzogen. Die Oberfläche wird mit Campher als inerten plastifizierenden Zusatzstoff behandelt. Der inerte plastifizierende Zusatzstoff dringt in die oberflächennahen Zonen des Pulverkorns ein und verbleibt dort, d. h. er ist lokalisiert und verteilt sich nicht in der Kornmatrix. Der inerte plastlfizierende Zusatzstoff weist eine Eindringtiefe von einigen wenigen 100 Mikrometern auf, z. B. maximal 400 Mikrometer, bevorzugt 100 - 300 Mikrometer. Das bedeutet, dass mindestens 95 Gew.-% des inerten plastifizierenden Zusatzstoffes bis zu dieser Tiefe enthalten sind.
  • Das aufgetragene Graphit verbleibt bevorzugt an der Oberfläche des Pulverkorns.
  • Durch die Oberflächenbehandlung, d.h. durch das Auftragen von Ethanol, Graphit und des inerten plastifizierenden Zusatzstoffs auf die Oberfläche des extrudierten Pulverkorns werden die Eigenschaften des Pulverkorns positiv beeinflusst. So wird ein temperaturneutrales Verhalten und die Schüttdichte (d. h. wie viel Pulver in einem vorgegebenen Containervolumen Platz finden) insbesondere durch eine Oberflächenbehandlung mit Graphit und Ethanol verbessert. Das Druckniveau (d. h. das Verhältnis von Spitzengasdruck zu Mündungsgeschwindigkeit) wird besonders durch die Zugabe des inerten plastifizierenden Zusatzstoffs auf die Oberfläche des extrudierten Pulverkorns verbessert, wodurch jedoch der Temperaturkoeffizient verschlechtert werden kann. Gleichzeitig enthält die Kornmatrix nicht mehr inerte Verbindungen als nötig, und kann dadurch die grösstmögliche Menge an energetischen Verbindungen aufweisen. Durch eine Oberflächenbehandlung mit einer Kombination dieser Substanzen kann ein grösstmöglicher Effekt erzielt werden.
  • Bei Pulvern für Mörseranwendungen liegt der inerte plastifizierende Zusatzstoff an der Oberfläche des Korns vorzugsweise in nicht mehr als 0.1 Gew.-%, insbesondere in einem Bereich von 0.01-0.1 Gew.-% vor. Gerade bei diesen Mengen des inerten plastifizierenden Zusatzstoffs ist die Änderung der Mündungsgeschwindigkeit und auch der Druckanstieg beim Übergang zu hohen Temperaturen relativ klein. Bei deutlich grösseren Mengen des inerten plastifizierenden Zusatzstoffs nimmt die Möglichkeit ab, ein temperaturneutrales Verhalten zu erzielen.
  • Vorzugsweise haben die Körner für den Antrieb eine kreiszylindrische Geometrie mit Längskanälen in axialer Richtung. Die Anzahl der Kanäle ist beliebig, häufig weist ein Korn einen Kanal, 7 oder 19 Kanäle auf. Ein solches Treibladungspulver, auch Lochpulver genannt, ist infolgedessen schüttbar bzw. rieselfähig, und kann so industriell in Hülsen abgefüllt werden.
  • Typischerweise weist das Verhältnis von Länge (L) zu Durchmesser (D) des zylindrischen Korns einen Wert L/D - 0.25 - 5 auf. Die Länge des Kreiszylinders liegt z. B. im Bereich von 0.3 - 10 mm und der Durchmesser im Bereich von 0.3 - 10 mm.
  • Wird die Erfindung als Mehrlochpulver ausgeführt, so ist eine Geometrie mit einem kleinen Teilkreis und somit einer grösseren äusseren Wandstärke bevorzugt. Das bedeutet, dass die einzelnen Längskanäle im Querschnitt betrachtet dichter am Zentrum angeordnet sind und insgesamt einen kleineren Teilkreis einnehmen. Bevorzugt bilden z. B. sechs Längskanäle in einem 7-Loch-Pulver mit einem Gesamt-Durchschnitt von ca. 3.6 mm einen Teilkreis mit einem Durchmesser von ca. 2.1 mm.
  • In einer besonderen Ausführungsform weisen die einzelnen Längskanäle eines Antriebspulvers einen Lochdurchmesser von 0.1 - 0.5 mm auf.
  • Werden die erfindungsgemässen Pulver als Anzündpulver verwendet, sind die Komdimensionen typischerweise kleiner als bei der Anwendung für den Antrieb. Zudem haben sie häufig eine kreiszylindrische Geometrie mit einem zentralen Längskanal. Sie weisen z. B einen Aussendurchmesser von 1.3-1.7 mm, eine Länge von 1.5-2.0 mm, eine mittlere Wandstärke von 0.6-0.8 mm und einen Lochdurchmesser von ca. 0.10 mm auf.
  • Alternativ kann das Material für die Pulver in Form von Streifen vorliegen oder direkt in eine bestimmte, für Rohrwaffen geeignete Form extrudiert werden. In dieser Form ist es besonders für grosskalibrige Munition geeignet. Darunter fallen typischerweise Formen, bei denen die Breite viel kleiner (z. B. mindestens 5 Mal oder mindestens 10 Mal) ist als die Länge, und die Dicke ihrerseits viel kleiner ist (z. B. mindestens 5 Mal oder mindestens 10 Mal) ist als die Breite. Typischerweise liegt die Dicke bei z. B. 1-2 mm, die Breite bei z. B. 10 mm oder mehr und die Länge bei z. B. 100 - 150 mm.)
  • Denkbar sind auch sog. "Formkörper", d.h. hohlzylindrische Formen für eine Munition, bei welcher die Hülse fehlt bzw. durch den hinter der Anzündung angeordneten "Formkörper" ersetzt ist.
  • Die Kornmatrix kann ggf. weitere, an sich bekannte Zusätze enthalten. Zur Stabilitätserhöhung können etwa Natriumhydrogenkarbonat (CAS-#: 144-55-8), Calziumkarbonat (CAS-#: 471-34-1), Magnesiumoxid (CAS-#: 1309-48-4), Akardit II (CAS-#: 724-18-5), Centralit I (CAS-#: 90-93-7), Centralit II (CAS-#: 611-92-7), 2-Nitrodiphenylamin (CAS-#: 836-30-6) und Diphenylamin (CAS-#: 122-39-4) zugegeben werden. Additive wie etwa Kalk, Manganoxid, Magnesiumoxid (CAS-#: 1303-48-4), Molybdäntrioxid (CAS-#: 1313-27-5), Magnesiumsilikat (CAS-#: 14807-96-6), Calciumkarbonat (CAS-#: 471-34-1), Titandioxid (CAS-#: 13463-67-7), Wolframtrioxid (CAS-#: 1314-35-8) dienen der Rohrschonung. Verbindungen wie Phthalsäureester, Citronensäureester oder Adipinsäureester sind übliche Weichmacher.
  • Ferner kann das Grünkorn, also das an sich noch unbehandelte Pulver, in der Matrix noch weitere bekannte Zusätze, z. B. zur Verbesserung des Anzündverhaltens und zur Modulierung des Abbrandverhaltens, enthalten.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Pulvers zeichnet sich dadurch aus, dass ein lösungsmittelhaltiger Pulverteig auf der Basis von Nitrocellulose und einem kristallinen Energieträger auf Nitramin-Basis in 1-30 Gew.-% und einem anorganischen Mündungsfeuerdämpfer hergestellt wird. Anschliessend wird aus dem lösungsmittelhaltigen Pulverteig durch Extrudieren ein Grünkorn hergestellt. Aus diesem Grünkorn wird das Lösungsmittel entfernt, und das Grünkorn wird mit Campher als inerten plastifizierenden Zusatzstoff oberflächenbehandelt. Schliesslich wird das oberflächenbehandelte Grünkorn getrocknet.
  • Ein erfindungsgemässes Pulver, dessen Binder vorwiegend aus Nitrocellulose besteht, und das zusätzlich einen kristallinen Energieträger auf Nitramin-Basis und einen anorganischen Mündungsfeuerdämpfer enthält, kann auf bestehenden Fertigungsanlagen hergestellt werden. Die festen Rezepturkomponenten können z.B. mit einem Lösungsmittel-Gemisch versetzt werden. Der resultierende lösungsmittelfeuchte Knetteig kann in einem Kneter geknetet und danach in einer Presse auf die gewünschte Geometrie extrudiert werden. Die extrudierten Stränge können vorgetrocknet und auf die gewünschte Kornlänge geschnitten werden. Anschliessend kann dem Korn das Lösungsmittel entzogen werden. Das Korn wird mit dem inerten plastifizierenden Zusatzstoff oberflächenbehandelt und kann optional einem Finishing unterzogen werden.
  • Bevorzugt wird das Grünkorn mit Ethanol und Graphit oberflächenbehandelt, d.h. graphitiert. Das Graphitieren kann als einzelner Verfahrensschritt durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, Graphit und Ethanol zusammen mit dem inerten plastifizierenden Zusatzstoff auf das Grünkorn aufzutragen.
  • Besonders bevorzugt wird das Lösungsmittel aus dem Grünkorn über ein Feuchtluftverfahren entfernt.
  • Das durch Extrusion erhaltene Grünkorn enthält einen anorganischen Mündungsfeuerdämpfer in der Kornmatrix. Somit sollte das Grünkorn für das Entfernen des Lösungsmittels aus der Kornmatrix nicht einem Badeprozess unterzogen werden, da dabei sonst der wasserlösliche anorganische Mündungsfeuerdämpfer aus der Kornmatrix ausgewaschen würde.
  • Das Lösungsmittel, welches im Herstellungsprozess verwendet wurde, wird daher mittels Feuchtluftverfahren entfernt. Dabei wird das lösungsmittelfeuchte Grünkorn während 10 - 60 Stunden mit einem Luftstrom mit Temperaturen zwischen 20 - 70 °C, welcher mit Wasserdampf gesättigt ist, mit hohen Flussraten von mehreren hundert m3 pro Stunde durchströmt. So wird der Anteil des Lösungsmittels auf <1 % reduziert, während der wasserlösliche Mündungsfeuerdämpfer nicht aus der Kornmatrix entfernt wird, sondern dort verbleibt.
  • Es ist bevorzugt, dass nach dem Trocknen des oberflächenbehandelten Korns ein Finishing erfolgt. Darunter wird insbesondere das sorgfältige Trocknen und Sieben des oberflächenbehandelten Korns verstanden.
  • Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Während der Grünkornherstellung werden dem Pulverteig, der auf Nitrocellulose basiert, verschiedene Zusätze zugegeben, d.h. die Zusätze sind gleichmässig in der Matrix verteilt. Die Gesamtmenge dieser Zusätze mit Ausnahme der kristallinen Nitraminverbindung liegt bei 0-10 Gew.-% gegenüber Nitrocellulose, bevorzugt bei 2-7 Gew.-%. Die Gesamtmenge der kristallinen Nitraminverbindung, bei der es sich typischerweise um RDX handelt, liegt bei 1-30 Gew.-% der Menge von Nitrocellulose. Die kristalline Nitraminverbindung muss gegebenenfalls zur Verbesserung der Anbindung an die Matrix einer Vorbehandlung unterzogen werden, bevor sie dem Pulverteig zugegeben wird.
  • Nach dem Kneten des Pulverteigs mit Lösungsmitteln wird das Grünkorn durch eine Matrize extrudiert. Anschliessend werden das Wasser und das Lösungsmittel entfernt, bevorzugt mittels Feuchtlufttrocknung. Das Grünkorn wird einer Oberflächenbehandlung unterzogen, bei der der inerte plastifizierende Zusatzstoff und bevorzugt weitere Zusatzstoffe wie z.B. Graphit in Anwesenheit von Ethanol aufgebracht werden (Imprägnierung+ Coating).
    • Beispiel 1 - Antriabspulvar 1 (FM 4651 /21)
  • Für die Herstellung von 520 kg eines 7-Loch-Pulvers werden 20 Gew.-% RDX, 1.2 Gew.-% Akardit-II und 3.2 Gew.-% Kaliumnitrat und Nitrocellulose mit einem Stickstoffgehalt von 13.20 Gew.-% (Ergänzung auf 100 Gew.-%) unter Zugabe von Diethylether und Ethanol während 70 min zu einem lösungsmittelfeuchten Knetteig verarbeitet. Anschliessend wird der Pulverteig durch eine Matrize mit 7-Lochgeometrie und 5.2 mm Strangquerschnitt gepresst (d. h. extrudiert). Die extrudierten Stränge werden kurz an der Luft vorgetrocknet, auf die gewünschte Länge geschnitten, und das so erhaltene Grünkorn auf feinmaschigen Sieben gleichmässig ausgelegt Das Grünkorn wird danach während 30 Stunden mit einem wassergesättigten Luftstrom von 200 m3/h und einer Temperatur von 30 °C und
    anschliessend während 30 Stunden mit einem Luftstrom 400 m3/h und einer Temperatur von 65 °C durchströmt (Feuchtlufttrocknung). Zu 60 kg des auf 60 °C geheizten Grünkorns werden anschliessend in einer auf 55 °C beheizten Poliertrommel aus Kupfer 0.05 Gew.-% Graphit und 1.2 Liter Ethanol zugegeben, danach lässt man während 1 Stunde unter ständigem Drehen einwirken. Abschliessend wird das Pulver auf Blechen ausgebreitet und während 24 Stunden bei 60 °C getrocknet.
  • Das resultierende Antriebspulver 1 mit der Bezeichnung FM 4651/21 hat folgende physikalische Eigenschaften: 3.63 mm Aussendurchmesser, 3.61 mm Länge, 0.76 mm mittlere Wandstärke und 0.20 mm Lochdurchmesser, 4251 J/g Wärmeinhalt und 1048 g/l Schüttdichte. Chemische Stabilität: Verpuffungstemperatur = 172 °C. Wärmeflusskalorimetrie nach STANAG 4582 = 44 J/g resp. 30.4 µW (Anforderung nach Norm STANAG 4582: maximale Wärmeentwicklung <114 µW).
    • Beispiel 2 - Antriebspulver 2 (FM 4650/22)
  • Ein Pulverteig gemäss Beispiel 1 wird durch eine Matrize mit 7-Lochgeometrie und 4.8 mm Strangquerschnitt gepresst (d. h. extrudiert). Die extrudierten Stränge werden kurz an der Luft vorgetrocknet, auf die gewünschte Länge geschnitten, und das so erhaltene Grünkorn einer Feuchtlufttrocknung (wie in Bsp. 1 beschrieben) unterzogen. Anschliessend werden 60 kg des Grünkorns auf 60 °C vorgeheizt und in eine auf 55 °C beheizte Poliertrommel aus Kupfer transferiert. Das Grünkorn wird mit 0.05 % Graphit und einer Lösung von 1 Gew.-% Campher in 1.2 kg Ethanol versetzt und während 1 Stunde ständig gedreht. Abschliessend wird das Pulver auf Blechen ausgebreitet und während 24 Stunden bei 60 °C getrocknet.
  • Das resultierende Antriebspulver 2 mit der Bezeichnung FM 4650/22 hat folgende physikalische Eigenschaften: 3.42 mm Aussendurchmesser, 3.45 mm Länge, 0.71 mm mittlere Wandstärke und 0.19 mm Lochdurchmesser, 4152 J/g Wärmeinhalt und 1002 g/l Schüttdichte. Chemische Stabilität: Verpuffungstemperatur - 172 °C. Wärmeflusskalorimetrie nach STANAG 4582 - 47 J/g resp. 30.9 µW (Anforderung nach Norm STANAG 4582: maximale Wärmeentwicklung <114 µW).
    • Vergleich der Antriebspulver 1 und 2 Vergleich des Druckanstiegs bei hohen Pulvertemperaturen durch Variation der Camphermenge
  • System: 120 mm Drucklauf mit identischer innenballistischer Charakteristik wie der 120 mm Standardmörser M120 der US-Streitkräfte, insbesondere bezüglich Rohrlänge und Mündungsgeometrie. Die Geschossmasse der verwendeten inerten Mörsergranate betrug 15.5 kg. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgte mittels Dopplerradar, die Erfassung des Spitzengasdrucks erfolgte piezoelektronisch im Bereich der Mündung. Die Resultate der Temperaturbeschüsse der beiden Antriebspulver mit 0 Gew.-% und 1 Gew.-% Campherbeschichtung, durchgeführt bei Pulvertemperaturen von 21 °C und 63 °C, sind in den folgenden Tabellen 1 und 2 zusammengestellt. Tabelle 1
    FM 4651/21 0 Gew.-% Campher
    Ladungsmasse [g] Pulver-Temperatur [°C] Geschwindigkeit [m/s] Spitzengasdruck [psi] Druckanstieg [psi] Druckveränderung [%]
    740 21 369.0 18224 2458 13
    740 63 378.5 20682
    Tabelle 2
    FM 4650/22 1 Gew.-% Campher
    Ladungsmasse [g] Pulver-Temperatur [°C] Geschwindigkeit [m/s] Spitzengasdruck [psi] Druckanstieg [psi] Druckveränderung [%]
    740 21 366.1 17494 4015 23
    740 63 376.3 21509
  • Die Resultate in den Tabellen 1 und 2 zeigen, dass der Druckanstieg beim Übergang von 21 °C nach 63 °C bei dem Antriebspulver 1 (FM 4651/21) mit 0 Gew.-% Campher deutlich weniger hoch ausfällt als bei dem Antriebspulver 2 (FM 4650/22) mit 1 Gew.-% Campher. Dieser Befund ist überraschend und steht im Gegensatz zu den bisherigen Erfahrungen im Mittelkalibergebiet, wonach sich der Druckanstieg durch eine Erhöhung der Camphermenge senken lässt.
    • Beispiel 3 - Antriebspulver 3 (FM 4714)
  • Ein Pulverteig gemäss Beispiel 1 wird durch eine Matrize mit 7-Lochgeometrie und 5.1 mm Strangquerschnitt extrudiert. Die extrudierten Stränge werden kurz an der Luft vorgetrocknet, auf die gewünschte Länge geschnitten, und das so erhaltene Grünkorn einer Feuchtlufttrocknung (wie in Bsp. 1 beschrieben) unterzogen. Anschliessend werden 120 kg des Grünkorns auf 60°C vorgeheizt und in eine auf 55 °C beheizte Poliertrommel aus Kupfer transferiert. Das Grünkorn wird mit 0.05% Graphit und einer Lösung von 0.1 Gew.-% Campher in 2.4 kg Ethanol versetzt und während 1 Stunde ständig gedreht. Abschliessend wird das Pulver auf Blechen ausgebreitet und während 24 Stunden bei 60 °C getrocknet.
  • Das resultierende Antriebspulver 3 mit der Bezeichnung FM 4714 hat folgende physikalische Eigenschaften: 3.58 mm Aussendurchmesser, 3.59 mm Länge, 0.75 mm mittlere Wandstärke und 0.20 mm Lochdurchmesser, 4269 J/g Wärmeinhalt und 1026 g/l Schüttdichte. Chemische Stabilität: Verpuffungstemperatur = 172°C. Wärmeflusskalorimetrie nach STANAG 4582 = 50 J/g resp. 32.6 µW (Anforderung nach Norm STANAG 4582: maximale Wärmeentwicklung <114 µW).
    • Vergleich des Antriebspulvers 3 mit einem Kugelpulver Vergleich des Druckanstiegs bei hohen Pulvertemperaturen und der ballistischen Leistungsfähigkeit mit nitroglyzerinhaltigem Vergleichspulver (Kugelpulver GD St. Marks)
  • System: 120 mm Drucklauf mit identischer innenballistischer Charakteristik wie der 120 mm Standardmörser M120 der US-Streitkräfte, insbesondere bezüglich Rohrlänge und Mündungsgeometrie. Die Geschossmasse der verwendeten inerten Mörsergranate betrug 15.1 kg. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgte mittels Dopplerradar, die Erfassung des Spitzengasdrucks erfolgte piezoelektronisch im Bereich der Mündung. Die Resultate der Temperaturbeschüsse der beiden Pulvertypen, durchgeführt bei Pulvertemperaturen von 21 °C und 63 °C, sind in den folgenden Tabellen 3 und 4 zusammengestellt. Tabelle 3
    FM 4714 0.1 Gew.-% Campher
    Ladungsmasse [g] Pulver-Temperatur [°C] Geschwindigkeit [m/s] Spitzengasdruck [psi] Druckanstieg [psi] Druckveränderung [%]
    728 21 373.5 18643 2013 11
    728 63 378.5 20656
    Tabelle 4
    Vergleichspulver >10 Gew.-% Nitroglyzerin
    Ladungsmasse [g] Pulver-Temperatur [°C] Geschwindigkeit [m/s] Spitzengas -druck [psi] Druckanstieg [psi] Druckveränderung [%]
    756 21 349.4 14659 2261 15
    756 63 362.1 16920
  • Die Ergebnisse in den Tabellen 3 und 4 zeigen, dass bei dem Nitroglyzerin-haltigen Vergleichspulver der Druckanstieg beim Übergang zu 63 °C deutlich höher ist als bei dem Antriebspulver 3 (FM 4714) mit 0.1 Gew.-% Campher. Zudem liegt die Geschwindigkeit des Vergleichspulvers bei 21 °C trotz einer um 28 g höheren Ladungsmasse ca. 25 m/s tiefer, wodurch die Reichweite empfindlich reduziert wird.
  • Insgesamt zeigen Untersuchungen des Pulvers gemäss Beispiel 3, dass hier ein Pulver mit einer besseren Leistung bei einer geringen Temperaturabhängigkeit vorliegt. Zudem ist die Streuung bei einzelnen Messungen viel geringer als bei den anderen Pulvern, was auf ein sehr homogenes und daher bezüglich seiner Leistungsfähigkeit konstantes Pulver deutet.
    • Beispiel 4 - Anzündpulver 1 (FM 4483/21)
  • Ein Pulverteig gemäss Beispiel 1 wird durch eine Matrize mit 1-Lochgeometrie und 2.1 mm Strangquerschnitt gepresst (d. h. extrudiert). Die extrudierten Stränge werden kurz an der Luft vorgetrocknet, auf die gewünschte Länge geschnitten und das so erhaltene Grünkorn einer Feuchtlufttrocknung (wie in Bsp. 1 beschrieben) unterzogen. Anschliessend werden 20 kg des Grünkorns auf 60 °C vorgeheizt und in eine auf 55 °C beheizte Poliertrommel aus Kupfer transferiert. Dem Grünkorn werden 0.3 Gew.-% Graphit und 0.3 kg Ethanol zugegeben, danach lässt man während 1 Stunde unter ständigem Drehen einwirken. Abschliessend wird das Pulver auf Blechen ausgebreitet und während 24 Stunden bei 60 °C getrocknet.
  • Das resultierende Anzündpulver 1 mit der Bezeichnung FM 4483/21 hat folgende physikalische Eigenschaften: 1.47 mm Aussendurchmesser, 1.75 mm Länge, 0.69 mm mittlere Wandstärke und 0.10 mm Lochdurchmesser, 4393 J/g Wärmeinhalt und 1001 g/l Schüttdichte. Chemische Stabilität: Verpuffungstemperatur = 172 °C. Wärmeflusskalorimetrie nach STANAG 4582 = 46 J/g resp. 30.2 µW (Anforderung nach Norm STANAG 4582: maximale Wärmeentwicklung <114 µW).
    • Beispiel 5 - Anzündpulver 2 (FM 4483/22)
  • Ein Pulverteig gemäss Beispiel 1 wird durch eine Matrize mit 1-Lochgeometrie und 2.1 mm Strangquerschnitt gepresst (d. h. extrudiert). Die extrudierten Stränge werden kurz an der Luft vorgetrocknet, auf die gewünschte Länge geschnitten, und das so erhaltene Grünkorn einer Feuchtlufttrocknung (wie in Bsp. 1 beschrieben) unterzogen. Anschliessend werden 20 kg des Grünkoms auf 60 °C vorgeheizt und in eine auf 55 °C beheizte Poliertrommel aus Kupfer transferiert. Das Grünkorn wird mit 0.3 Gew.-% Graphit, 0.5 Gew.-% Campher und 0.15 Kilo Ethanol versetzt, danach lässt man während 1 Stunde unter ständigem Drehen einwirken. Abschliessend wird das Pulver auf Blechen ausgebreitet und während 24 Stunden bei 60 °C getrocknet.
  • Das resultierende Anzündpulver 2 mit der Bezeichnung FM 4483/22 hat folgende physikalische Eigenschaften: 1.47 mm Aussendurchmesser, 1.75 mm Länge, 0.69 mm mittlere Wandstärke und 0.10 mm Lochdurchmesser, 4343 J/g Wärmeinhalt und 995 g/l Schüttdichte. Chemische Stabilität: Verpuffungstemperatur - 172 °C. Wärmeflusskalorimetrie nach STANAG 4582 = 52 J/g resp. 32.4 µW (Anforderung nach Norm STANAG 4582: maximale Wärmeentwicklung <114 µW).
    • Vergleich der Anzündpulver 1 und 2 mit einem Kugelpulver
  • Vergleich des Druckanstiegs bei hohen Pulvertemperaturen durch Variation der Camphermenge der Anzündpulver 1 und 2 und Vergleich mit eingeführtem M48-Kugelpulver.
  • System: 120 mm Drucklauf mit identischer innenballistischer Charakteristik wie der 120 mm Standardmörser M120 der US-Streitkräfte, insbesondere bezüglich Rohrlänge und Mündungsgeometrie. Die Geschossmasse der verwendeten inerten Mörsergranate betrug 14.0 kg. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgte mittels Dopplerradar, die Erfassung des Spitzengasdrucks erfolgte piezoelektronisch im Bereich der Mündung. Der Versuch wurde mit Ladung 4 durchgeführt, d. h. unter Verwendung von vier M234-Standardinkrementen. Die Resultate der Temperaturbeschüsse der beiden Pulver mit Campherbeschichtungen von 0 Gew.-% (FM 4483/21) und 0.5 Gew.-% (FM 4483/22) im Vergleich zum eingeführten M48-Kugelpulver in der Standard-M1020 Anzündpatrone, durchgeführt bei Pulvertemperaturen von 21 °C und 63 °C, sind in den folgenden Tabellen 5, 6 und 7 zusammengestellt. Tabelle 5
    FM 4483/21 0 Gew.-% Campher
    Ladungsmasse [g] Pulver-Temperatur [°C] Geschwindigkeit [m/s] Spitzengasdruck [psi] Druckanstieg [psi] Temperaturkoeffizient
    60.9 21 320.9 13150 1708 1.13
    60.9 63 328.8 14858
    Tabelle 6
    FM 4483/22 0.5 Gew.-% Campher
    Ladungsmasse [g] Pulver-Temperatur [°C] Geschwindigkeit [m/s] Spitzengasdruck [psi] Druckanstieg [psi] Temperaturkoeffizient
    62.8 21 318.5 12139 1933 1.16
    62.8 63 326.4 14072
    Tabelle 7
    M48 Kugelpulver
    Pulver-Temperatur [°C] Geschwindigkeit [m/s] Spitzengasdruck [psi] Druckanstieg [psi] Temperatur-koeffizient
    21 322.4 13650 2284 1.17
    63 329.7 15934
  • Man erkennt, dass die Anwesenheit von 0.5 Gew.-% Campher im erfindungsmässigen Anzündpulver 2 den Spitzengasdruck bei 21 °C reduziert, was für gewisse Anwendungen vorteilhaft sein kann. Allerdings zeigt das Anzündpulver 2 mit 0.5 Gew.-% Campher einen höheren Druckanstieg als dasjenige ohne Campher. Je nach Anwendung ist somit ein genaues Abwägen der optimalen Camphermenge vorzunehmen, damit die von der Anwendung vorgegebenen Systemanforderungen bestmöglich erfüllt werden können. Zudem erkennt man, dass beim eingeführten M48-Kugelpulver bei 21 °C der höchste Gasdruck resultiert. Der Druckanstieg von 21 °C auf 63 °C ist beim eingeführten Kugelpulver M48 mit ca. 2300 psi im Vergleich zu den beiden erfindungsgemässen Anzündpulvern 1 und 2 deutlich höher.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich die erfindungsgemässen nitrocellulosehaltigen Pulver als Antriebspulver oder Anzündpulver, welche einen kristallinen Energieträger auf Nitramin-Basis und einen anorganischen Mündungsfeuerdämpfer enthalten, und geringe Mengen eines inerten plastifizierenden Zusatzstoffs an der Oberfläche aufweisen, zur Beschleunigung von Geschossen für Mörsersysteme eignen, dabei ein temperaturunabhängiges Verhalten zeigen und somit unabhängig von klimatischen Bedingungen eingesetzt werden können.

Claims (10)

  1. Pulver als Antriebspulver oder Anzündpulver zur Beschleunigung von Geschossen für Mörsersysteme, welches auf Nitrocellulose basiert und einen kristallinen Energieträger auf Nitramin-Basis in 1-30 Gew.-% und einen anorganischen Mündungsfeuerdämpfer enthält, wobei das Pulver in Form von Körnern vorliegt, und die Körner an ihrer Oberfläche einen inerten plastifizierenden Zusatzstoff aufweisen, wobei der anorganische Mündungsfeuerdämpfer in 0.1-10 Gew.-% vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der inerte plastifizierende Zusatzstoff Campher ist und in 0.01 - 1 Gew.-% vorliegt.
  2. Pulver nach der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem kristallinen Energieträger auf Nitramin-Basis um mindestens eine Verbindung aus der Gruppe umfassend Hexogen (RDX) und Oktogen (HMX) handelt.
  3. Pulver nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kristalline Energieträger in 5 - 25 Gew.-% vorliegt.
  4. Pulver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem anorganischen Mündungsfeuerdämpfer um mindestens eine Verbindung aus der Gruppe umfassend Kaliumnitrat und Kaliumsulfat handelt.
  5. Pulver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganische Mündungsfeuerdämpfer in 0.1-5 Gew.-% vorliegt.
  6. Pulver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der inerte plastifizierende Zusatzstoff in 0.01-0.1 Gew.-% vorliegt.
  7. Pulver nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Körner eine kreiszylindrische Geometrie und in axialer Richtung verlaufende Längskanäle haben.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Pulvers als Antriebspulver oder Anzündpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) ein lösungsmittelhaltiger Pulverteig auf der Basis von Nitrocellulose und einem kristallinen Energieträger auf Nitramin-Basis in 1-30 Gew.-%, und einem anorganischen Mündungsfeuerdämpfer hergestellt wird,
    b) durch Extrudieren des lösungsmittelhaltigen Pulverteigs ein Grünkorn hergestellt wird,
    c) das Lösungsmittel aus dem Grünkorn entfernt wird,
    d) das Grünkorn mit einem inerten plastifizierenden Zusatzstoff oberflächenbehandelt wird, und
    e) das oberflächenbehandelte Grünkorn getrocknet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel aus dem Grünkorn mittels Feuchtluftverfahren entfernt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trocknen des oberflächenbehandelten Grünkorns ein Finishing erfolgt.
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