EP3939952A1 - Schnellbrennender festtreibstoff mit einem oxidator, einem energetischen binder und einem metallischen abbrandmodifikator sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Schnellbrennender festtreibstoff mit einem oxidator, einem energetischen binder und einem metallischen abbrandmodifikator sowie verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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EP3939952A1
EP3939952A1 EP21180751.6A EP21180751A EP3939952A1 EP 3939952 A1 EP3939952 A1 EP 3939952A1 EP 21180751 A EP21180751 A EP 21180751A EP 3939952 A1 EP3939952 A1 EP 3939952A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mass
poly
solid propellant
oxidizer
adn
Prior art date
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Pending
Application number
EP21180751.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Fischer
Stefan Sims
Claudio Tagliabue
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3939952A1 publication Critical patent/EP3939952A1/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06D—MEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
    • C06D5/00—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
    • C06D5/06—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by reaction of two or more solids
    • 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
    • C06B23/007—Ballistic modifiers, burning rate catalysts, burning rate depressing agents, e.g. for gas generating
    • 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
    • C06B45/04—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product comprising solid particles dispersed in solid solution or matrix not used for explosives where the matrix consists essentially of nitrated carbohydrates or a low molecular organic explosive
    • C06B45/06—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product comprising solid particles dispersed in solid solution or matrix not used for explosives where the matrix consists essentially of nitrated carbohydrates or a low molecular organic explosive the solid solution or matrix containing an organic component
    • C06B45/10—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product comprising solid particles dispersed in solid solution or matrix not used for explosives where the matrix consists essentially of nitrated carbohydrates or a low molecular organic explosive the solid solution or matrix containing an organic component the organic component containing a resin
    • C06B45/105—The resin being a polymer bearing energetic groups or containing a soluble organic explosive

Definitions

  • Fast-burning solid propellants with an oxidizer and an energetic binder of the aforementioned type are known and are also referred to as composite propellants.
  • composite propellants In contrast to propellant charges that burn off relatively slowly and especially at the lowest possible temperatures, such as those primarily used in are used in gas generators for airbags and to which coolants are often added, generic fast-burning solid propellants are characterized in that when they are ignited as a result of their combustion, a large volume of gas is released spontaneously.
  • Generic solid propellants are used in a variety of ways in both the civil and military sectors, in particular as solid propellants for spacecraft (rockets) and strategic weapon systems, as propellants for barrel weapons or as explosive systems.
  • oxidizers used are primarily oxidizer salts such as ammonium dinitramide (ADN), but also ammonium nitrate (AN), ammonium perchlorate (AP), potassium dinitramide (KDN ), potassium nitrate (KN) and hydroxylammonium nitrate (HAN).
  • ADN ammonium dinitramide
  • AN ammonium nitrate
  • AP ammonium perchlorate
  • KDN potassium dinitramide
  • KN potassium nitrate
  • HAN hydroxylammonium nitrate
  • Generic solid propellants are usually produced by introducing the powdered or particulate oxidizers into a liquid or viscous reaction mixture that can be cured to form the energetic binder matrix, after which the reaction mixture is poured, for example, and cured to form the binder, such as using di- or depending on the desired degree of crosslinking of the binder - tri- and/or polyisocyanates.
  • GAP glycidyl azide polymers
  • combustion modifiers to the solid propellant in the form of fine metal and/or or add semi-metal powders, such as in the form of aluminum, magnesium, beryllium, boron, copper, lead, etc.
  • the U.S. 2018/0179119 A1 describes a solid propellant with an oxidizer dispersed in a binder with an anion from the group of nitrates, perchlorates, chlorates, permanganates or peroxides and mixtures thereof.
  • the cation of the oxidizer is selected in particular from the group consisting of the alkali metals such as lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium, the alkaline earth metals such as beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium, the transition metals, ammonium and the quaternary amines, the oxidizer for example in the form of ammonium perchlorate (AP), potassium nitrate (KN) and ammonium nitrate (AN).
  • AP ammonium perchlorate
  • KN potassium nitrate
  • AN ammonium nitrate
  • the binder can be, inter alia, an energetic binder, for example one from the group of glycidyl azide polymers (GAP).
  • GAP glycidyl azide polymers
  • the known solid propellant can contain a metal, for example from the group of alkali metals, alkaline earth metals and transition metals.
  • the metal which can be added in a proportion of up to 20% by mass and serves as an electron donor and/or oxygen acceptor for the oxidation reaction, can have any geometric shape, such as spherical, rounded, cylindrical, cubic, platelets - or flaky particles or in the form of metal structures such as metal threads, rods or networks, where the surface of the metal particles is considered to be decisive for the burning rate.
  • combustion modifiers based on metals or semimetals have a high mass both compared to the oxidizer and compared to the binder, whereas the propellant weight is kept as low as possible, especially when the solid propellant is used for rockets or other missiles should.
  • the combustion modifiers occur as a solid residue - be it in the form of (semi)metal oxides or be it in the form of at least partially elementary (semi)metals - while the other fuel components are converted into gaseous and thus volatile components be able.
  • the invention is based on the object of further developing a solid propellant based on ammonium dinitramide (ADN) of the type mentioned at the outset in a simple and cost-effective manner, while at least largely avoiding the aforementioned disadvantages, such that its burning rate is increased. It is also directed to a method for producing such a solid propellant.
  • ADN ammonium dinitramide
  • the first part of this object is achieved according to the invention with a solid propellant based on ammonium dinitramide (ADN) of the type mentioned at the outset in that the at least one combustion modifier is present in the form of fibers.
  • ADN ammonium dinitramide
  • the configuration according to the invention in which the at least one erosion modifier from the group of metals and semimetals including their alloys and hydrides in the form of a plurality of fibers in the matrix of the at least one energetic binder with the incorporated therein, at least one oxidizer is dispersed in the form of ADN, leads to a significantly increased combustion rate compared to the same amount of combustion modifier in the form of essentially spherical, angular, platelet-shaped or other types of particles, it being assumed that on the one hand the high thermal conductivity of the fibrous combustion modifiers plays a role, which are able to quickly transfer the heat generated during the combustion of the solid propellant in the direction of extension of the fibers to adjacent areas of the solid propellant.
  • the (semi)metallic fiber structures have a smaller but still very large surface compared to largely spherical particles the combustion modifiers contribute to the increased combustion rate as a result of pores with an elongated pore shape that are formed during their combustion.
  • the proportion of burn-up modifier can be reduced compared to the prior art, or a higher burn-up rate can be achieved with a corresponding proportion of burn-up modifier, which would otherwise not be achievable with a generic solid propellant based on ADN according to the prior art .
  • the fibers of the at least one combustion modifier can, for example, have a substantially round, e.g.
  • circular or oval, cross section, or the fibers can, for example, also have a flat, e.g. substantially rectangular, cross section. which can lead to an even larger surface and an even better heat conduction to the surrounding energetic binder matrix, which is mixed with the at least one oxidizer in the form of ADN.
  • the fiber geometry of the combustion modifiers has proven to be particularly decisive here, whereby the fibers must not be too “short” to fulfill their function according to the invention, but must not be too “long” to avoid fiber breakage and thus avoiding impairment of the reproducibility and, in particular, ensuring controlled combustion of the fast-burning solid propellant based on ADN.
  • the cross-section of the fibers must not be too “small” for the fibers to be able to fulfill their function according to the invention, while the cross-section of the fibers must not be too “large” either, again for ease of processing of the solid propellant and in particular to ensure a controlled combustion with as few residues as possible.
  • the fibers of the at least one combustion modifier are present in the form of a plurality of loose cut fibers, so that - similar to the powdered or particulate oxidizer based on ADN -, preferably largely homogeneously, in the energetic binder matrix are dispersed.
  • the fibers of the at least one combustion modifier are present in the binder matrix in the form of a textile fabric or three-dimensional structure with a plurality of fibers, in particular from the group of fleece, knitted fabrics, scrims, crocheted fabrics or woven fabrics, with the the energetic binder matrix mixed with the powdered or particulate oxidizer based on ADN surrounds the textile fabric or spatial structure or the latter is impregnated with the energetic binder matrix mixed with the powdered or particulate oxidizer based on ADN.
  • the solid propellant can be based on of ADN preferably contain at least one erosion modifier from the group aluminum (Al), magnesium (Mg), copper (Cu), zinc (Zn) including their alloys and hydrides.
  • the at least one oxidizer in the form of ammonium dinitramide (ADN) in powder or particle form can be dispersed into the binder matrix of the fast-burning solid propellant, as is known per se from the prior art of composite propellants.
  • ADN ammonium dinitramide
  • the solid propellant according to the invention it can also be provided that it also contains at least one energetic plasticizer, which can be selected in particular from the group of nitrate esters and azido plasticizers.
  • suitable energetic plasticizers include, for example, alkyl nitratoethyl nitramine (NENA), ethylene glycol dinitrate (EGDN), metriol trinitrate (MTN), butane-1,2,4-triol trinitrate (BTTN), dinitrodiazaalkanes (DNDA), trimethylolethane trinitrate (TMETN), ethylene glycol bis -(azidoacetate) (EGBAA, also referred to as "A17”) and 1,2-bis-(2-azidoethoxy)ethane (TEGDA, also referred to as bis-azido-triethylene glycol or BATEG) including their derivatives and mixtures.
  • NENA alkyl nitratoethyl nitramine
  • the solid propellant according to the invention contains at least one further oxidizer, for example from the group of ammonium nitrate (AN), ammonium perchlorate (AP), potassium dinitramide (KDN), potassium nitrate (KN), hydroxylammonium nitrate (HAN) and the like.
  • oxidizer salts can of course also contain essentially only ADN as oxidizer.
  • At least one combustion modifier according to step (c) from the group aluminum ( Al), magnesium (Mg), copper (Cu), zinc (Zn) and their alloys and hydrides are provided.
  • the reaction mixture that can be cured to form the energetic binder also contains at least one energetic plasticizer, in particular from the group of alkyl nitratoethyl nitramine (NENA), ethylene glycol dinitrate (EGDN), metriol trinitrate (MTN), butane-1, 2,4-trioltrinitrates (BTTN), dinitrodiazaalkanes (DNDA), trimethylolethane trinitrates (TMETN), ethylene glycol bis-(azidoacetates) (EGBAA, also referred to as "A17") and 1,2-bis-( 2-azidoethoxy)ethane (TEGDA, also referred to as bis-azido-triethylene glycols or BATEG) including derivatives and mixtures thereof, is added.
  • NENA alkyl nitratoethyl nitramine
  • EGDN ethylene glycol dinitrate
  • MTN metriol trinitrate
  • BTTN but
  • step (a) essentially only ADN can be used as the oxidizer, it can also be provided that at least one further oxidizer, expediently also in powder or particle form, the at least one further oxidizer being, for example, ammonium nitrate (AN), ammonium perchlorate (AP), potassium dinitramide (KDN), potassium nitrate (KN) and hydroxylammonium nitrate (HAN) and the like.
  • AN ammonium nitrate
  • AP ammonium perchlorate
  • KDN potassium dinitramide
  • KN potassium nitrate
  • HAN hydroxylammonium nitrate
  • the metallic combustion modifiers used in identical fibrous form increase the combustion rate, as is qualitatively known as such with powdered, but otherwise identical combustion modifiers, whereby in the case of the ADN used as an oxidizer with the fibrous aluminum/magnesium alloy, a almost double the charring rate compared to the pure mixture of GAP with ADN (upper curve: "- ⁇ -”), while the charring rate for fibrous copper (second-lowest curve: "- ⁇ -”) and for fibrous brass (second-top curve: " ”) at 7 bar is increased by about 30% in the case of the Brass alloy but increases more with increasing pressure.
  • a solid propellant was produced in the above manner from again 67% by mass of ADN, 30% by mass of GAP and 3% by mass of a combustion modifier from the same aluminum/magnesium alloy as is shown in the middle curve of FIG 3 (" ") has been used in particle form, but the combustion modifier in the form of chopped fibers with an average fiber cross-section of 90 ⁇ m and an average fiber length of 1 mm, corresponding to a ratio the average fiber length to the average fiber cross-section of about 11.1, have been used (upper curve of the 3 : "- ⁇ -").
  • the proportion of (semi)metallic combustion modifiers in the solid propellant according to the invention can be significantly reduced purely due to the geometry of its fiber shape compared to particulate combustion modifiers of the prior art, which is accompanied by a corresponding weight saving and a reduction in solid combustion residues, or it can be corresponding proportion of fibrous combustion modifier compared to the same particulate combustion modifier of the prior art, a significantly higher combustion rate can be achieved, which would otherwise not be achievable with a generic solid propellant according to the prior art.
  • a significant increase in the burning rate of the solid propellant already occurs at a ratio of average fiber length to average fiber cross section or diameter of about 5:1, with the burning rate increasing with an increasing ratio of average fiber length to average fiber cross section or with increasing fiber length.

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Abstract

Es wird ein schnellbrennender Festtreibstoff nach Art eines Komposit-Treibstoffes, insbesondere für Raketen, vorgeschlagen, welcher die folgenden Bestandteile enthält:(a) einen Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN);(b) einen energetischen Binder aus der Gruppe der Glycidyl-Azidpolymere (GAP), der Poly(3,3-bis-azidomethyl-oxe-tane) (poly-BAMO), der Poly(glycidyl)-nitrate (poly-GLYN), der Poly(3-nitratomethyl-3-methyl-oxetane) (poly-NIMMO) und der Poly(3-acidomethyl-3-methyl-oxe-tane (poly-AMMO) einschließlich deren Derivaten und Mischungen; und(c) einen Abbrandmodifikator aus der Gruppe der Metalle und Halbmetalle einschließlich deren Legierungen und Hydriden.Um die Abbrandgeschwindigkeit eines solchen Festtreibstoffes zu erhöhen, sieht die Erfindung vor, dass der Abbrandmodifikator in Form von Fasern vorliegt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Festtreibstoffes auf der Basis von ADN.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Festtreibstoff, enthaltend
    1. (a) wenigstens einen Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN);
    2. (b) wenigstens einen energetischen Binder aus der Gruppe der Glycidyl-Azidpolymere (GAP), der Poly(3,3-bis-azidomethyl-oxetane) (poly-BAMO), der Poly(glycidyl)-nitrate (poly-GLYN), der Poly(3-nitratomethyl-3-methyl-oxetane) (poly-NIMMO) und der Poly(3-acidomethyl-3-methyl-oxetane (poly-AMMO) einschließlich deren Derivaten und Mischungen; und
    3. (c) wenigstens einen Abbrandmodifikator aus der Gruppe der Metalle und Halbmetalle einschließlich deren Legierungen und Hydriden,
    sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Schnellbrennende Festtreibstoffe mit einem Oxidator und einem energetischen Binder der vorgenannten Art sind bekannt und werden auch als Komposit-Treibstoffe bezeichnet. Im Gegensatz zu relativ langsam und insbesondere bei möglichst tiefen Temperaturen abbrennenden Treibsätzen, wie sie vornehmlich in Gasgeneratoren für Airbags eingesetzt werden und welchen häufig Kühlmittel zugesetzt sind, zeichnen sich gattungsgemäße schnellbrennende Festtreibstoffe dadurch aus, dass beim Zünden derselben infolge ihrer Verbrennung ein großes Gasvolumen spontan freigesetzt wird. Gattungsgemäße Festtreibstoffe finden sowohl im zivilen als auch im militärischen Bereich vielfältigen Einsatz, wie insbesondere als Festtreibstoffe für Raumflugkörper (Raketen) und strategische Waffensysteme, als Treibsätze für Rohrwaffen oder auch als Sprengstoffsysteme. Während sich als energetische Binder vornehmlich stickstoffreiche und kohlenstoffarme Brennstoffe bewährt haben, welche größtenteils ungiftige Gase, insbesondere Stickstoff, freisetzen, kommen als Oxidatoren vornehmlich Oxidatorsalze, wie Ammoniumdinitramid (ADN), aber auch Ammoniumnitrat (AN), Ammoniumperchlorat (AP), Kaliumdinitramid (KDN), Kaliumnitrat (KN) und Hydroxylammoniumnitrat (HAN), zum Einsatz.
  • Die Herstellung gattungsgemäßer Festtreibstoffe geschieht in der Regel durch Einbringen der pulver- oder partikelförmigen Oxidatoren in eine zu der energetischen Bindermatrix aushärtbare, flüssige oder viskose Reaktionsmischung, wonach die Reaktionsmischung z.B. gegossen und zu dem Binder ausgehärtet wird, wie beispielsweise unter Einsatz von Di- oder - je nach gewünschtem Vernetzungsgrad des Binders - Tri- und/oder Polyisocyanaten. Lediglich exemplarisch sei in diesem Zusammenhang für einen energetischen Binder in Form von Glycidyl-Azidpolymeren (GAP) erwähnt, dass z.B. das entsprechende GAP-Diol (HO-(CH2-CH(CH2N3)O)n-H) mit entsprechenden Di- oder Polyisocyanaten zu dem GAP ausgehärtet werden kann. Gegenüber einem Verpressen, welches einen Binderanteil von bis zu etwa 10 Mass.-% ermöglicht, erweist sich hierbei im Hinblick auf einen erhöhten Binderanteil insbesondere ein Gießen der mit den festen Oxidatoren versetzten Bindermatrix als vorteilhaft, zumal die Oxidatoren verhältnismäßig reib- und schlagempfindlich sind und somit ein Sicherheitsrisiko während der Verarbeitung darstellen.
  • Um bei sogenannten "high-velocity-Anwendungen", wie beispielsweise in Festtreibstoffen für Raketenantriebssysteme, für eine hohe Abbrandgeschwindigkeit, aber gleichwohl für einen möglichst umweltfreundlichen, raucharmen Festtreibstoff zu sorgen, ist es bekannt, dem Festtreibstoff Abbrandmodifikatoren in Form von feinen Metall- und/oder Halbmetallpulvern zuzusetzen, wie beispielsweise in Form von Aluminium, Magnesium, Beryllium, Bor, Kupfer, Blei etc. ( US 5 498 303 A , US 2005/0115651 A1 , RU 2 516 711 C oder RU 2 582 712 C ).
  • Die US 2018/0179119 A1 beschreibt einen Festtreibstoff mit einem in einen Binder eindispergierten Oxidator mit einem Anion aus der Gruppe der Nitrate, der Perchlorate, der Chlorate, der Permanganate oder der Peroxide sowie Mischungen hieraus. Das Kation des Oxidators ist insbesondere aus der Gruppe der Alkalimetalle, wie Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium, der Erdalkalimetalle, wie Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium, der Übergangsmetalle, Ammonium und der quartären Amine gewählt, wobei der Oxidator beispielsweise in Form von Ammoniumperchlorat (AP), Kaliumnitrat (KN) und Ammoniumnitrat (AN) vorliegen kann. Bei dem Binder kann es sich unter anderem um einen energetischen Binder, z.B. um einen solchen aus der Gruppe der Glycidyl-Azidpolymere (GAP), handeln. Darüber hinaus kann der bekannte Festtreibstoff ein Metall, z.B. aus der Gruppe der Alkali-, Erdalkali- und Übergangsmetalle enthalten. Das Metall, welches mit einem Anteil von bis zu 20 Mass.-% zugesetzt sein kann und als Elektronendonator und/oder Sauerstoffakzeptor für die Oxidationsreaktion dient, kann in beliebiger geometrischer Form, wie beispielsweise in Form von sphärischen, abgerundeten, zylindrischen, würfelförmigen, plättchen- oder flockenförmigen Partikeln oder in Form von Metallstrukturen, wie Metallfäden, -stäbchen oder -netzwerken, vorliegen, wobei die Oberfläche der Metallpartikel als für die Abbrandgeschwindigkeit maßgeblich erachtet wird.
  • Als nachteilig erweist sich allerdings einerseits, dass derartige Abbrandmodifikatoren auf der Basis von Metallen oder Halbmetallen eine sowohl gegenüber dem Oxidator als auch gegenüber dem Binder hohe Masse besitzen, wohingegen das Treibstoffgewicht insbesondere im Falle des Einsatzes des Festtreibstoffes für Raketen oder andere Flugkörper möglichst gering gehalten werden sollte. Andererseits fallen die Abbrandmodifikatoren nach dem Abbrand des Festtreibstoffes als Feststoffrest - sei es in Form von (Halb)metalloxiden oder sei es in Form von zumindest teilweise noch elementaren (Halb)metallen - an, wohingegen die übrigen Treibstoffbestandteile zu gasförmigen und somit flüchtigen Komponenten umgesetzt werden können. Zudem ist die Wirkung von (Halb)metallen als Abbrandmodifikator insbesondere im Falle von Ammoniumdinitramid (ADN) als Oxidator begrenzt, welches aufgrund seiner guten Sauerstoffbilanz und hohen Bildungsenthalpie und nicht zuletzt aufgrund seiner höheren Umweltverträglichkeit, z.B. gegenüber Perchloraten, als Oxidationsmittel für Raketenfesttreibstoffe von Vorteil ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter zumindest weitgehender Vermeidung der vorgenannten Nachteile einen Festtreibstoff auf der Basis von Ammoniumdinitramid (ADN) der eingangs genannten Art auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, dass seine Abbrandgeschwindigkeit erhöht wird. Sie ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Festtreibstoffes gerichtet.
  • Der erste Teil dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Festtreibstoff auf der Basis von Ammoniumdinitramid (ADN) der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der wenigstens eine Abbrandmodifikator in Form von Fasern vorliegt.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei welcher der wenigstens eine Abbrandmodifikator aus der Gruppe der Metalle und Halbmetalle einschließlich deren Legierungen und Hydriden in Form von einer Mehrzahl an Fasern in die Matrix aus dem wenigstens einen energetischen Binder mit dem hierin eingebrachten, wenigstens einen Oxidator in Form von ADN eindispergiert ist, zu einer signifikant erhöhten Abbrandgeschwindigkeit gegenüber derselben Menge an Abbrandmodifikator in Form von im Wesentlichen sphärischen, kantigen, plättchenförmigen oder andersartigen Partikeln führt, wobei vermutet wird, dass hierbei einerseits die hohe Wärmeleitfähigkeit der faserförmigen Abbrandmodifikatoren eine Rolle spielt, welche die anlässlich des Abbrandes des Festtreibstoffes entstehende Wärme in Erstreckungsrichtung der Fasern schnell in benachbarte Bereiche des Festtreibstoffes weiterleiten zu vermögen. Andererseits wird vermutet, dass die gegenüber weitgehend sphärischen Partikeln zwar geringere, aber immer noch sehr große Oberfläche der (halb)metallischen Faserstrukturen der Abbrandmodifikatoren infolge bei ihrem Abbrand entstehender Poren mit länglicher Porenform zu der erhöhten Abbrandgeschwindigkeit beiträgt. Auf diese Weise lässt sich der Anteil an Abbrandmodifikator gegenüber dem Stand der Technik verringern, oder es kann bei entsprechendem Anteil an Abbrandmodifikator eine höhere Abbrandgeschwindigkeit erreicht werden, wie sie andernfalls mit einem gattungsgemäßen Festtreibstoff auf der Basis von ADN gemäß dem Stand der Technik nicht erzielbar wäre. Der Querschnittsform der Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators sind dabei keine Grenzen gesetzt, wobei die Fasern beispielsweise einen im Wesentlichen runden, z.B. etwa kreisrunden oder ovalen, Querschnitt besitzen können, oder die Fasern können beispielsweise auch einen flachen, z.B. im Wesentlichen rechteckförmigen, Querschnitt aufweisen, was zu einer noch größeren Oberfläche und einer noch besseren Wärmeleitung an die umgebende energetische Bindermatrix, welche mit dem wenigstens einen Oxidator in Form von ADN versetzt ist, führen kann.
  • Hierbei hat sich insbesondere die Fasergeometrie der Abbrandmodifikatoren als entscheidend erwiesen, wobei die Fasern einerseits nicht zu "kurz" sein dürfen, um ihre erfindungsgemäße Funktion zu erfüllen, andererseits aber auch nicht zu "lang" sein dürfen, um bei einer einfachen Verarbeitung einen Faserbruch und somit eine Beeinträchtigung der Reproduzierbarkeit zu vermeiden und insbesondere für einen geregelten Abbrand des schnellbrennenden Festtreibstoffes auf der Basis von ADN zu sorgen. Darüber hinaus darf der Querschnitt der Fasern nicht zu "klein" sein, damit die Fasern ihre erfindungsgemäße Funktion zu erfüllen vermögen, wohingegen der Querschnitt der Fasern auch nicht zu "groß" sein darf, um wiederum für eine einfache Verarbeitung des Festtreibstoffes und insbesondere für einen geregelten, möglichst rückstandsarmen Abbrand zu sorgen.
  • In diesem Zusammenhang wurde gefunden, dass die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators zweckmäßigerweise
    • ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von wenigstens etwa 5:1, insbesondere von wenigstens etwa 10:1, vorzugsweise von wenigstens etwa 15:1, beispielsweise von wenigstens etwa 20:1; und/oder
    • ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von höchstens etwa 600:1, insbesondere von höchstens etwa 550:1, vorzugsweise von höchstens 500:1, beispielsweise von höchstens etwa 450:1,
    aufweisen. Als besonders bevorzugt hat sich hierbei ein Bereich des Verhältnisses von mittlerer Faserlänge zu mittlerem Faserquerschnitt von etwa 10:1 bis etwa 500:1, insbesondere von etwa 10:1 bis etwa 450:1, erwiesen.
  • Darüber hinaus wurde in diesem Zusammenhang gefunden, dass die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators zweckmäßigerweise
    • einen mittleren Querschnitt von höchstens etwa 200 pm, insbesondere von höchstens etwa 170 pm, vorzugsweise von höchstens etwa 140 pm, beispielsweise von höchstens etwa 110 pm; und/oder
    • einen mittleren Querschnitt von mindestens etwa 1 pm, insbesondere von mindestens etwa 5 pm, vorzugsweise von mindestens etwa 10 pm; und/oder
    • eine mittlere Länge von wenigstens etwa 250 pm, insbesondere von wenigstens etwa 500 pm, vorzugsweise von wenigstens etwa 750 pm, beispielsweise von wenigstens etwa 1 mm; und/oder
    • eine mittlere Länge von höchstens etwa 10 mm, insbesondere von höchstens etwa 7,5 mm, vorzugsweise von höchstens etwa 5 mm,
    aufweisen. Auf diese Weise ergibt sich eine für eine signifikante Erhöhung der Abbrandgeschwindigkeit hinreichende Faserlänge bei gleichwohl homogenem und praktisch vollständigem Abbrand des schnellbrennenden Festtreibstoffes auf der Basis von ADN unter Gewährleistung einer einfachen Verarbeitung. Der Faserquerschnitt in den vorgenannten Intervallen erweist sich dabei einerseits in Bezug auf eine hinreichende Faserstabilität, andererseits in Bezug auf die Möglichkeit eines nur verhältnismäßig geringen Anteils an Abbrandmodifikatoren als vorteilhaft.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators in Form von einer Mehrzahl an losen Schnittfasern vorliegen, so dass sie - ähnlich wie der pulver- bzw. partikelförmige Oxidator auf der Basis von ADN -, vorzugsweise weitestgehend homogen, in die energetische Bindermatrix eindispergiert sind. Alternativ oder zusätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators in Form eines textilen Flächen- oder Raumgebildes mit einer Mehrzahl an Fasern, insbesondere aus der Gruppe Vlies, Gewirke, Gelege, Gestricke oder Gewebe, in der Bindermatrix vorliegen, wobei die mit dem pulver- bzw. partikelförmigen Oxidator auf der Basis von ADN versetzte energetische Bindermatrix das textile Flächen- oder Raumgebilde umgibt bzw. letzteres mit der mit dem pulver- bzw. partikelförmigen Oxidator auf der Basis von ADN versetzten energetischen Bindermatrix imprägniert ist.
  • Je nach Einsatzzweck kann der erfindungsgemäße Festtreibstoff vorteilhafterweise
    1. (a)
      • wenigstens etwa 40 Mass.-%, insbesondere wenigstens etwa 50 Mass.-%, beispielsweise wenigstens etwa 55 Mass.-%, und/oder
      • höchstens etwa 90 Mass.-%, insbesondere höchstens etwa 80 Mass.-%, vorzugsweise höchstens etwa 75 Mass.-%, des wenigstens einen Oxidators in Form von Ammoniumdinitramid (ADN);
    2. (b)
      • wenigstens etwa 5 Mass.-%, insbesondere wenigstens etwa 10 Mass.-%, vorzugsweise wenigstens etwa 15 Mass.-%, und/oder
      • höchstens etwa 40 Mass.-%, insbesondere höchstens etwa 30 Mass.-%, vorzugsweise höchstens etwa 35 Mass.-%,
      des wenigstens einen energetischen Binders; und
    3. (c)
      • wenigstens etwa 0,5 Mass.-%, insbesondere wenigstens etwa 1 Mass.-%, vorzugsweise wenigstens etwa 1,5 Mass.-%, und/oder
      • höchstens etwa 12,5 Mass.-%, insbesondere höchstens etwa 10 Mass.-%, vorzugsweise höchstens etwa 7,5 Mass.-%,
      des wenigstens einen Abbrandmodifikators,
      jeweils bezogen auf die Masse des gesamten Festtreibstoffes, enthalten oder im Wesentlichen gänzlich hieraus bestehen.
  • Während als faserförmige Abbrandmodifikatoren des erfindungsgemäßen Festtreibstoffes grundsätzlich beliebige, aus dem Stand der Technik als solche bekannte Metalle und Halbmetalle einschließlich deren Legierungen und Hydriden in Betracht kommen, wie z.B. Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Zinn (Sn), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Titan (Ti), Silicium (Si), Blei (Pb) und dergleichen, kann der Festtreibstoff auf der Basis von ADN vorzugsweise wenigstens einen Abbrandmodifikator aus der Gruppe Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Zink (Zn) einschließlich deren Legierungen und Hydriden enthalten.
  • Wie ebenfalls bereits erwähnt, kann der wenigstens eine Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) in Pulver- oder Partikelform in die Bindermatrix des schnellbrennenden Festtreibstoffes eindispergiert sein, wie es als solches aus dem Stand der Technik von Komposit-Treibstoffen als solches bekannt ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Festtreibstoffes kann überdies vorgesehen sein, dass er ferner wenigstens ein energetisches Plastifizierungsmittel enthält, welches insbesondere aus der Gruppe der Nitratester und der Azido-Weichmacher gewählt sein kann. Vorteilhafte Vertreter geeigneter energetischer Weichmacher umfassen beispielsweise Alkylnitratoethylnitramine (NENA), Ethylenglycoldinitrate (EGDN), Metrioltrinitrate (MTN), Butan-1,2,4-trioltrinitrate (BTTN), Dinitrodiazaalkane (DNDA), Trimethylolethan-Trinitrate (TMETN), Ethylenglycol-bis-(azidoacetate) (EGBAA, auch als "A17" bezeichnet) sowie 1,2-Bis-(2-azidoethoxy)ethane (TEGDA, auch als Bis-azido-triethylenglycole bzw. BATEG bezeichnet) einschließlich deren Derivaten und Mischungen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann bedarfsweise vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Festtreibstoff wenigstens einen weiteren Oxidator, beispielsweise aus der Gruppe Ammoniumnitrat (AN), Ammoniumperchlorat (AP), Kaliumdinitramid (KDN), Kaliumnitrat (KN), Hydroxylammoniumnitrat (HAN) und dergleichen, enthält, wobei er anstelle einer solchen Mischung aus ADN mit einem oder mehreren anderen, zweckmäßigerweise gleichfalls etwa pulver- oder partikelförmigen, Oxidatorsalzen selbstverständlich auch im Wesentlichen ausschließlich ADN als Oxidator enthalten kann.
  • Zur Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems sieht die Erfindung neben einem schnellbrennenden Festtreibstoff der vorbeschriebenen Art ein Verfahren zu dessen Herstellung vor, welches die folgenden Schritte umfasst:
    1. (a) Bereitstellen wenigstens eines Oxidators in Form von Ammoniumdinitramid (ADN);
    2. (b) Bereitstellen einer zu einem energetischen Binder aus der Gruppe der Glycidyl-Azidpolymere (GAP), der Poly-(3,3-bis-azidomethyl-oxetane) (poly-BAMO), der Poly-(glycidyl)-nitrate (poly-GLYN), der Poly(3-nitratomethyl-3-methyl-oxetane) (poly-NIMMO) und der Poly(3-acidomethyl-3-methyl-oxetane (poly-AMMO) einschließlich deren Derivaten und Mischungen aushärtbaren, flüssigen oder viskosen Reaktionsmischung;
    3. (c) Bereitstellen wenigstens eines Abbrandmodifikators aus der Gruppe der Metalle und Halbmetalle einschließlich deren Legierungen und Hydriden in Form von Fasern;
    4. (d) Eindispergieren des wenigstens einen Oxidators in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) in Pulver- oder Partikelform in die zu dem energetischen Binder aushärtbare, flüssige oder viskose Reaktionsmischung;
    5. (e)
      • Eindispergieren der Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators in Form loser Schnittfasern in die mit dem wenigstens einen Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) versetzte, zu dem energetischen Binder aushärtbare, flüssige oder viskose Reaktionsmischung, oder
      • Imprägnieren der Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators in Form eines textilen Flächen- oder Raumgebildes, insbesondere aus der Gruppe Vlies, Gewirke, Gelege, Gestricke oder Gewebe, mit der mit dem wenigstens einen Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) versetzten, zu dem energetischen Binder aushärtbaren, flüssigen oder viskosen Reaktionsmischung; und
    6. (f) Aushärten der Reaktionsmischung zu dem energetischen Binder unter Erhalt des Festtreibstoffes.
  • Aus den weiter oben genannten Gründen erweist es sich hierbei als zweckmäßig, wenn die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators gemäß Schritt (c) derart bereitgestellt werden, dass sie
    • ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von wenigstens etwa 5:1, insbesondere von wenigstens etwa 10:1, vorzugsweise von wenigstens etwa 15:1, beispielsweise von wenigstens etwa 20:1; und/oder
    • ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von höchstens etwa 600:1, insbesondere von höchstens etwa 550:1, vorzugsweise von höchstens etwa 500:1, beispielsweise von höchstens etwa 450:1,
    aufweisen.
  • Darüber hinaus erweist es sich aus den oben genannten Gründen als zweckmäßig, wenn die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators gemäß Schritt (c) derart bereitgestellt werden, dass sie
    • einen mittleren Querschnitt von höchstens etwa 200 pm, insbesondere von höchstens etwa 170 pm, vorzugsweise von höchstens etwa 140 pm; beispielsweise von höchstens etwa 110 pm, und/oder
    • einen mittleren Querschnitt von mindestens etwa 1 pm, insbesondere von mindestens etwa 5 pm, vorzugsweise von mindestens etwa 10 pm; und/oder
    • eine mittlere Länge von wenigstens etwa 250 pm, insbesondere von wenigstens etwa 500 pm, vorzugsweise von wenigstens etwa 750 pm, beispielsweise von wenigstens etwa 1 mm; und/oder
    • eine mittlere Länge von höchstens etwa 10 mm, insbesondere von höchstens etwa 7,5 mm, vorzugsweise von höchstens etwa 5 mm,
    aufweisen.
  • Je nach Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Festtreibstoffes kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass
    1. (a) der wenigstens eine Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) gemäß Schritt (a) mit einem Anteil von
      • wenigstens etwa 40 Mass.-%, insbesondere wenigstens etwa 50 Mass.-%, beispielsweise wenigstens etwa 45 Mass.-%, und/oder
      • höchstens etwa 90 Mass.-%, insbesondere höchstens etwa 80 Mass.-%, beispielsweise höchstens etwa 75 Mass.-%;
    2. (b) der wenigstens eine energetische Binder gemäß Schritt (b) mit einem Anteil von
      • wenigstens etwa 5 Mass.-%, insbesondere wenigstens etwa 10 Mass.-%, beispielsweise wenigstens etwa 15 Mass.-%, und/oder
      • höchstens etwa 40 Mass.-%, insbesondere höchstens etwa 30 Mass.-%, beispielsweise höchstens etwa 35 Mass.-%; und
    3. (c) der wenigstens eine Abbrandmodifikator gemäß Schritt (c) mit einem Anteil von
      • wenigstens etwa 0,5 Mass.-%, insbesondere wenigstens etwa 1 Mass.-%, beispielsweise wenigstens etwa 1,5 Mass.-%, und/oder
      • höchstens etwa 12,5 Mass.-%, insbesondere höchstens etwa 10 Mass.-%, beispielsweise höchstens etwa 7,5 Mass.-%,
      jeweils bezogen auf die Masse des gesamten Festtreibstoffes, bereitgestellt wird.
  • Während als faserförmige Abbrandmodifikatoren des erfindungsgemäßen Festtreibstoffes auf der Basis von ADN grundsätzlich beliebige Metalle und Halbmetalle einschließlich deren Legierungen und Hydriden eingesetzt werden können, wie beispielsweise solche der weiter oben genannten Art, kann vorzugsweise wenigstens ein Abbrandmodifikator gemäß Schritt (c) aus der Gruppe Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Zink (Zn) und deren Legierungen und Hydriden bereitgestellt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass der zu dem energetischen Binder aushärtbaren Reaktionsmischung ferner wenigstens ein energetisches Plastifizierungsmittel, insbesondere aus der Gruppe der Alkylnitratoethylnitramine (NENA), der Ethylenglycoldinitrate (EGDN), der Metrioltrinitrate (MTN), der Butan-1,2,4-trioltrinitrate (BTTN), der Dinitrodiazaalkane (DNDA), der Trimethylolethan-Trinitrate (TMETN), der Ethylenglycol-bis-(azidoacetate) (EGBAA, auch als "A17" bezeichnet) sowie der 1,2-Bis-(2-azidoethoxy)ethane (TEGDA, auch als Bis-azido-triethylenglycole bzw. BATEG bezeichnet) einschließlich deren Derivaten und Mischungen, zugesetzt wird.
  • Während gemäß Schritt (a) im Wesentlichen ausschließlich ADN als Oxidator eingesetzt werden kann, kann überdies vorgesehen sein, dass wenigstens ein weiterer Oxidator, zweckmäßigerweise gleichfalls in Pulver- oder Partikelform, zugesetzt wird, wobei es sich bei dem wenigstens einen weiteren Oxidator beispielsweise um Ammoniumnitrat (AN), Ammoniumperchlorat (AP), Kaliumdinitramid (KDN), Kaliumnitrat (KN) und Hydroxylammoniumnitrat (HAN) und dergleichen handeln kann.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    ein Schaubild der Abbrandgeschwindigkeit (rb) über den Druck (p) verschiedener Zusammensetzungen eines Festtreibstoffes mit einerseits - 70 Mass.-% des Oxidators Ammoniumdinitramid (ADN) und 30 Mass.-% eines energetischen Binders auf der Basis eines Glycidyl-Azidpolymers (GAP), erhalten durch Aushärten von GAP-Diol mit einem Diisocyanat, ohne Abbrandmodifikator als Referenz (untere Kurve: "
    Figure imgb0001
    "), andererseits - jeweils 67 Mass.-% des Oxidators ADN und jeweils 30 Mass.-% desselben energetischen Binders auf der Basis des GAP, mit jeweils 3 Mass.-% eines erfindungsgemäßen Abbrandmodifikators in Form von Schnittfasern mit einem mittleren Faserquerschnitt von 90 µm und einer mittleren Faserlänge von 1 mm aus Kupfer (Cu; zweitunterste Kurve: "-◆-"), einer Messinglegierung aus 66 bis 68 Mass.-% Kupfer (Cu) und 31 bis 35 Mass.-% Zink (Zn; zweitoberste Kurve: "
    Figure imgb0002
    ") und einer Aluminium-/Magnesiumlegierung mit 93 Mass.-% Aluminium (Al) und 5 Mass.-% Magnesium (Mg) sowie Spuren an Silicium (Si), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu; obere Kurve: "-●-");
    Fig. 2
    ein Schaubild der Abbrandgeschwindigkeit (rb) über den Druck (p) verschiedener Zusammensetzungen eines erfindungsgemäßen Festtreibstoffes mit jeweils 67 Mass.-% des Oxidators ADN, jeweils 30 Mass.-% des energetischen Binders auf der Basis des GAP gemäß Fig. 1 sowie jeweils 3 Mass.-% eines erfindungsgemäßen Abbrandmodifikators in Form einer Aluminium-/Magnesiumlegierung mit 93 Mass.-% Aluminium (Al) und 5 Mass.-% Magnesium (Mg) sowie Spuren an Silicium (Si), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu), jeweils in Form von Schnittfasern mit einem mittleren Faserquerschnitt von 90 µm und einer mittleren Faserlänge von - 0,5 mm (untere Kurve: "-●-"), - 1,0 mm (mittlere Kurve: "-■-") und - 3,0 mm (obere Kurve: "-▲-") ;
    Fig. 3
    ein Schaubild der Abbrandgeschwindigkeit (rb) über den Druck (p) verschiedener Zusammensetzungen eines Festtreibstoffes mit einerseits - jeweils 67 Mass.-% des Oxidators ADN und jeweils 30 Mass.-% des energetischen Binders auf der Basis des GAP gemäß Fig. 1 und 2 sowie jeweils 3 Mass.-% eines Abbrandmodifikators in Pulverform mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 µm aus Aluminium (Al; untere Kurve: "-◆-") sowie aus einer Aluminium-/Magnesiumlegierung mit 93 Mass.-% Aluminium (Al) und 5 Mass.-% Magnesium (Mg) sowie Spuren an Silicium (Si), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu; mittlere Kurve: "
    Figure imgb0003
    "), andererseits - 67 Mass.-% des Oxidators ADN und 30 Mass.-% desselben energetischen Binders auf der Basis des GAP sowie jeweils 3 Mass.-% eines erfindungsgemäßen Abbrandmodifikators aus derselben Aluminium-/Magnesiumlegierung mit 93 Mass.-% Aluminium (Al) und 5 Mass.-% Magnesium (Mg) sowie Spuren an Silicium (Si), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu), aber in Form von Schnittfasern mit einem mittleren Faserquerschnitt von 90 µm und einer mittleren Faserlänge von 1,0 mm (obere Kurve: "-●-"); und
    Fig. 4
    eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme der in den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 (obere Kurve: "-●-"), 2 und 3 (obere Kurve: "-●-") eingesetzten Schnittfasern der Aluminium-/Magnesiumlegierung mit 93 Mass.-% Aluminium (Al) und 5 Mass.-% Magnesium (Mg) sowie Spuren an Silicium (Si), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu) mit einem mittleren Faserquerschnitt von 90 pm.
    Ausführungsbeispiele:
  • Zur Herstellung der Festtreibstoffe, deren Abbrandgeschwindigkeiten (rb) bei einem Druck (p) von jeweils 7 MPa, 10 MPa, 13 MPa, 18 MPa und 25 MPa ermittelt worden sind, wie es in den Fig. 1 bis 3 dokumentiert ist, wurden jeweils Partikel aus Ammoniumdinitramid (ADN) in ein flüssiges GAP-Diolharz eindispergiert, wonach die Mischung gegossen und in Gegenwart eines Diisocyanates zu dem energetischen Binder auf das Basis eines Glycidyl-Azidpolymers (GAP) ausgehärtet worden ist.
  • Während bei dem Referenzbeispiel ohne Abbrandmodifikatoren gemäß der Fig. 1 70 Mass.-% ADN und 30 Mass.-% GAP eingesetzt worden sind (untere Kurve: "-■-"), sind bei allen anderen Ausführungsbeispielen zum Zwecke der Vergleichbarkeit jeweils 67 Mass.-% ADN, 30 Mass.-% GAP sowie 3 Mass.-% eines metallischen Abbrandmodifikators verschiedenen Typs und verschiedener Geometrie verwendet worden, so im Falle der Fig. 1 geometrisch gleiche Schnittfasern mit einem mittleren Faserquerschnitt von 90 µm und einer mittleren Faserlänge von 1 mm aus Kupfer (Cu; zweitunterste Kurve: "-◆-"), einer Messinglegierung aus 66 bis 68 Mass.-% Kupfer (Cu) und 31 bis 35 Mass.-% Zink (Zn; zweitoberste Kurve: "
    Figure imgb0004
    " und einer Aluminium-/Magnesiumlegierung mit 93 Mass.-% Aluminium (Al) und 5 Mass.-% Magnesium (Mg) sowie Spuren an Silicium (Si), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu; obere Kurve: "-●-")
  • Der Fig. 1 ist zu entnehmen, dass die in identischer Faserform eingesetzten, metallischen Abbrandmodifikatoren die Abbrandgeschwindigkeit erhöhen, wie es qualitativ als solches auch bei pulverförmigen, aber ansonsten identischen Abbrandmodifikatoren bekannt ist, wobei sich im Falle des als Oxidator eingesetzten ADN bei der faserförmigen Aluminium-/Magnesiumlegierung eine knappe Verdopplung der Abbrandgeschwindigkeit gegenüber der reinen Mischung aus GAP mit ADN ergibt (obere Kurve: "-●-"), während die Abbrandgeschwindigkeit bei faserförmigem Kupfer (zweitunterste Kurve: "-◆-") und bei faserförmigem Messing (zweitoberste Kurve: "
    Figure imgb0005
    ") bei 7 bar um etwa 30% erhöht wird, im Falle der Messinglegierung bei zunehmendem Druck aber stärker ansteigt.
  • In der Fig. 2 wurde der Einfluss der Länge von ansonsten identischen Fasern aus einem metallischen Abbrandmodifikator in Form der Aluminium-/Magnesiumlegierung mit 93 Mass.-% Aluminium (Al) und 5 Mass.-% Magnesium (Mg) sowie Spuren an Silicium (Si), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu), jeweils mit einem mittleren Faserquerschnitt von 90 pm, auf die Abbrandgeschwindigkeit des Festtreibstoffes untersucht, wobei die Schnittfasern mit einer mittleren Faserlänge von
    • 0,5 mm, entsprechend einem Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von etwa 5,6 (untere Kurve: "-●-"),
    • 1,0 mm, entsprechend einem Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von etwa 11,1 (mittlere Kurve: "-■-"), und
    • 3,0 mm, entsprechend einem Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von etwa 33,3 (obere Kurve: "-▲-")
    dem Festtreibstoff zugesetzt worden sind. Letzteres kann durch Eindispergieren der Schnittfasern in das GAP-Diolharz gemeinsam mit den ADN-Partikeln und/oder auch separat, vor oder nach dem Eindispergieren der ADN-Partikel geschehen.
  • Aus der Fig. 2 wird deutlich, dass die Fasergeometrie des Abbrandmodifikators einen signifikanten Einfluss auf die Abbrandgeschwindigkeit über den gesamtem Druckbereich von 7 MPa bis 25 MPa besitzt, wobei die Abbrandgeschwindigkeit mit zunehmender Faserlänge bzw. mit zunehmendem Verhältnis von mittlerer Faserlänge zu mittlerem Faserquerschnitt zunehmend erhöht wird.
  • In der Fig. 3 wurden schließlich zur Veranschaulichung des Einflusses der Fasergeometrie von metallischen Abbrandmodifikatoren gegenüber partikelförmigen, aber ansonsten identischen Abbrandmodifikatoren des Festtreibstoffes auf die Abbrandgeschwindigkeit wiederum Festtreibstoffe aus 67 Mass.-% ADN, 30 Mass.-% GAP und einerseits 3 Mass.-% jeweils eines partikelförmigen Abbrandmodifikators mit einer mittleren Partikelgröße von 20 µm aus
    • der Aluminium-/Magnesiumlegierung mit 93 Mass.-% Aluminium (Al) und 5 Mass.-% Magnesium (Mg) sowie Spuren an Silicium (Si), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu; mittlere Kurve: "
      Figure imgb0006
      "), sowie aus
    • im Wesentlichen reinem Aluminium (Al; untere Kurve: "-◆-")
    in der obigen Weise hergestellt. In der Fig. 3 ist erkennbar, dass die Abbrandgeschwindigkeit des Festtreibstoffes im Falle von pulver- bzw. partikelförmigem Aluminium als Abbrandmodifikator mit der pulver- bzw. partikelförmigen Aluminium-/ Magnesiumlegierung vergleichbar ist, wobei sie bei geringen Drücken im Bereich von 7 MPa im Falle von Aluminium etwas geringer ist als im Falle der Aluminium-/Magnesiumlegierung, bei höheren Drücken ab etwa 25 MPa aufgrund stärkeren Anstieges bei zunehmendem Druck im Falle von Aluminium aber weitgehend identisch ist.
  • Andererseits wurde in der obigen Weise ein Festtreibstoff aus wiederum 67 Mass.-% ADN, 30 Mass.-% GAP und 3 Mass.-% eines Abbrandmodifikators aus derselben Aluminium-/Magnesiumlegierung hergestellt, wie sie gemäß der mittleren Kurve der Fig. 3 ("
    Figure imgb0007
    ") in Partikelform eingesetzt worden ist, wobei der Abbrandmodifikator jedoch in Form von Schnittfasern mit einem mittleren Faserquerschnitt von 90 µm und einer mittleren Faserlänge von 1 mm, entsprechend einem Verhältnis der mittleren Faserlänge zum mittleren Faserquerschnitt von etwa 11,1, eingesetzt worden sind (obere Kurve der Fig. 3: "-●-").
  • In der Fig. 3 ist dabei erkennbar, dass die Abbrandgeschwindigkeit des Festtreibstoffes im Falle des faserförmigen Abbrandmodifikators gegenüber demselben Anteil an demselben partikelförmigen Abbrandmodifikator über den gesamten Druckbereich von hier 7 MPa bis 25 MPa kant - hier etwa auf das Doppelte - erhöht wird, und dies bereits bei einem relativ kleinen Verhältnis von mittlerer Faserlänge zu mittlerem Faserquerschnitt von etwa 11,1.
  • Folglich lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Festtreibstoff der Anteil an (halb)metallischem Abbrandmodifikator rein aufgrund der Geometrie seiner Faserform gegenüber partikelförmigen Abbrandmodifikatoren des Standes der Technik erheblich verringern, was mit einer entsprechenden Gewichtseinsparung sowie mit einer Verringerung der festen Verbrennungsrückstände einhergeht, oder es kann bei einem entsprechendem Anteil an faserförmigem Abbrandmodifikator gegenüber demselben partikelförmigen Abbrandmodifikator des Standes der Technik eine erheblich höhere Abbrandgeschwindigkeit erreicht werden, wie sie andernfalls mit einem gattungsgemäßen Festtreibstoff gemäß dem Stand der Technik gar nicht erzielbar wäre. Eine deutliche Erhöhung der Abbrandgeschwindigkeit des Festtreibstoffes ergibt sich dabei bereits bei einem Verhältnis von mittlerer Faserlänge zu mittlerem Faserquerschnitt bzw. -durchmesser von etwa 5:1, wobei die Abbrandgeschwindigkeit mit zunehmendem Verhältnis von mittlerer Faserlänge zu mittlerem Faserquerschnitt bzw. mit zunehmender Faserlänge ansteigt.
  • In der Fig. 4 ist schließlich eine REM-Aufnahme der faserförmigen Aluminium-/Magnesiumlegierung gezeigt, wie sie in den obigen Fig. 1 bis 3 zum Einsatz gelangt ist, wobei die Schnittfasern eine etwa rechteckig/ovale Querschnittsform besitzen, grundsätzlich aber auch einen beliebigen anderen Querschnitt besitzen, z.B. etwa rund etc. sein können.

Claims (14)

  1. Festtreibstoff, enthaltend
    (a) wenigstens einen Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN);
    (b) wenigstens einen energetischen Binder aus der Gruppe der Glycidyl-Azidpolymere (GAP), der Poly(3,3-bis-azidomethyl-oxetane) (poly-BAMO), der Poly(glycidyl)-nitrate (poly-GLYN), der Poly(3-nitratomethyl-3-methyl-oxetane) (poly-NIMMO) und der Poly(3-acidomethyl-3-methyl-oxetane (poly-AMMO) einschließlich deren Derivaten und Mischungen; und
    (c) wenigstens einen Abbrandmodifikator aus der Gruppe der Metalle und Halbmetalle einschließlich deren Legierungen und Hydriden,
    dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Abbrandmodifikator in Form von Fasern vorliegt.
  2. Festtreibstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators
    - ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von wenigstens 5:1, insbesondere von wenigstens 10:1, vorzugsweise von wenigstens 15:1; und/oder
    - ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von höchstens 600:1, insbesondere von höchstens 550:1, vorzugsweise von höchstens 500:1,
    aufweisen.
  3. Festtreibstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators
    - einen mittleren Querschnitt von höchstens 200 pm, insbesondere von höchstens 170 pm, vorzugsweise von höchstens 140 pm; und/oder
    - einen mittleren Querschnitt von mindestens 1 pm, insbesondere von mindestens 5 pm, vorzugsweise von mindestens 10 pm; und/oder
    - eine mittlere Länge von wenigstens 250 pm, insbesondere von wenigstens 500 pm, vorzugsweise von wenigstens 750 pm; und/oder
    - eine mittlere Länge von höchstens 10 mm, insbesondere von höchstens 7,5 mm, vorzugsweise von höchstens 5 mm,
    aufweisen.
  4. Festtreibstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators in Form loser Schnittfasern oder in Form eines textilen Flächen- oder Raumgebildes, insbesondere aus der Gruppe Vlies, Gewirke, Gelege, Gestricke oder Gewebe, in der Bindermatrix vorliegen.
  5. Festtreibstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er
    (a)
    - wenigstens 40 Mass.-%, insbesondere wenigstens 50 Mass.-%, und/oder
    - höchstens 90 Mass.-%, insbesondere höchstens 80 Mass.-%,
    des wenigstens einen Oxidators in Form von Ammoniumdinitramid (ADN);
    (b)
    - wenigstens 5 Mass.-%, insbesondere wenigstens 10 Mass.-%, und/oder
    - höchstens 40 Mass.-%, insbesondere höchstens 30 Mass.-%,
    des wenigstens einen energetischen Binders; und
    (c)
    - wenigstens 0,5 Mass.-%, insbesondere wenigstens 1 Mass.-%, und/oder
    - höchstens 12,5 Mass.-%, insbesondere höchstens 10 Mass.-%,
    des wenigstens einen in Form von Fasern vorliegenden Abbrandmodifikators,
    jeweils bezogen auf die Masse des gesamten Festtreibstoffes, enthält.
  6. Festtreibstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens einen Abbrandmodifikator aus der Gruppe Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Zink (Zn) einschließlich deren Legierungen und Hydriden enthält.
  7. Festtreibstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) in Pulver- oder Partikelform in die Bindermatrix eindispergiert ist.
  8. Festtreibstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner
    - wenigstens ein energetisches Plastifizierungsmittel, insbesondere aus der Gruppe der Alkylnitratoethylnitramine (NENA), der Ethylenglycoldinitrate (EGDN), der Metrioltrinitrate (MTN), der Butan-1,2,4-trioltrinitrate (BTTN), der Di-nitrodiazaalkane (DNDA), der Trimethylolethan-Trinitrate (TMETN), der Ethylenglycol-bis-(azidoacetate) (EGBAA) und der 1,2-Bis-(2-azidoethoxy)ethane (TEGDA) einschließlich deren Derivaten und Mischungen, und/oder
    - wenigstens einen weiteren Oxidator, insbesondere aus der Gruppe Ammoniumnitrat (AN), Ammoniumperchlorat (AP), Kaliumdinitramid (KDN), Kaliumnitrat (KN) und Hydroxylammoniumnitrat (HAN),
    enthält.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Festtreibstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die folgenden Schritte:
    (a) Bereitstellen wenigstens eines Oxidators in Form von Ammoniumdinitramid (ADN);
    (b) Bereitstellen einer zu einem energetischen Binder aus der Gruppe der Glycidyl-Azidpolymere (GAP), der Poly(3,3-bis-azidomethyl-oxetane) (poly-BAMO), der Poly(glycidyl)-nitrate (poly-GLYN), der Poly(3-nitratomethyl-3-methyl-oxetane) (poly-NIMMO) und der Poly(3-acidomethyl-3-methyl-oxetane (poly-AMMO) einschließlich deren Derivaten und Mischungen aushärtbaren, flüssigen oder viskosen Reaktionsmischung;
    (c) Bereitstellen wenigstens eines Abbrandmodifikators aus der Gruppe der Metalle und Halbmetalle einschließlich deren Legierungen und Hydriden in Form von Fasern;
    (d) Eindispergieren des wenigstens einen Oxidators in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) in Pulver- oder Partikelform in die zu dem energetischen Binder aushärtbare, flüssige oder viskose Reaktionsmischung;
    (e)
    - Eindispergieren der Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators in Form loser Schnittfasern in die mit dem wenigstens einen Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) versetzte, zu dem energetischen Binder aushärtbare, flüssige oder viskose Reaktionsmischung, oder
    - Imprägnieren der Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators in Form eines textilen Flächen- oder Raumgebildes, insbesondere aus der Gruppe Vlies, Gewirke, Gelege, Gestricke oder Gewebe, mit der mit dem wenigstens einen Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) versetzten, zu dem energetischen Binder aushärtbaren, flüssigen oder viskosen Reaktionsmischung; und
    (f) Aushärten der Reaktionsmischung zu dem energetischen Binder unter Erhalt des Festtreibstoffes.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators gemäß Schritt (c) derart bereitgestellt werden, dass sie
    - ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von wenigstens 5:1, insbesondere von wenigstens 10:1, vorzugsweise von wenigstens 15:1; und/oder
    - ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrem mittleren Querschnitt von höchstens 600:1, insbesondere von höchstens 550:1, vorzugsweise von höchstens 500:1, aufweisen.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des wenigstens einen Abbrandmodifikators gemäß Schritt (c) derart bereitgestellt werden, dass sie
    - einen mittleren Querschnitt von höchstens 200 pm, insbesondere von höchstens 170 pm, vorzugsweise von höchstens 140 pm; und/oder
    - einen mittleren Querschnitt von mindestens 1 pm, insbesondere von mindestens 5 pm, vorzugsweise von mindestens 10 pm; und/oder
    - eine mittlere Länge von wenigstens 250 pm, insbesondere von wenigstens 500 pm, vorzugsweise von wenigstens 750 pm; und/oder
    - eine mittlere Länge von höchstens 10 mm, insbesondere von höchstens 7,5 mm, vorzugsweise von höchstens 5 mm,
    aufweisen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
    (a) der wenigstens eine Oxidator in Form von Ammoniumdinitramid (ADN) gemäß Schritt (a) mit einem Anteil von
    - wenigstens 40 Mass.-%, insbesondere wenigstens 50 Mass.-%, und/oder
    - höchstens 90 Mass.-%, insbesondere höchstens 80 Mass.-%;
    (b) der wenigstens eine energetische Binder gemäß Schritt (b) mit einem Anteil von
    - wenigstens 5 Mass.-%, insbesondere wenigstens 10 Mass.-%, und/oder
    - höchstens 40 Mass.-%, insbesondere höchstens 30 Mass.-%; und
    (c) der wenigstens eine Abbrandmodifikator gemäß Schritt (c) mit einem Anteil von
    - wenigstens 0,5 Mass.-%, insbesondere wenigstens 1 Mass.-%, und/oder
    - höchstens 12,5 Mass.-%, insbesondere höchstens 10 Mass.-%,
    jeweils bezogen auf die Masse des gesamten Festtreibstoffes, bereitgestellt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Schritt (c) wenigstens ein Abbrandmodifikator aus der Gruppe Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Zink (Zn) einschließlich deren Legierungen und Hydriden bereitgestellt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zu dem energetischen Binder aushärtbaren Reaktionsmischung ferner
    - wenigstens ein energetisches Plastifizierungsmittel, insbesondere aus der Gruppe der Alkylnitratoethylnitramine (NENA), der Ethylenglycoldinitrate (EGDN), der Metrioltrinitrate (MTN), der Butan-1,2,4-trioltrinitrate (BTTN), der Di-nitrodiazaalkane (DNDA), der Trimethylolethan-Trinitrate (TMETN), der Ethylenglycol-bis-(azidoacetate) (EGBAA) und der 1,2-Bis-(2azidoethoxy)ethane (TEGDA) einschließlich deren Derivaten und Mischungen, und/oder
    - wenigstens ein weiterer Oxidator in Pulver- oder Partikelform, insbesondere aus der Gruppe Ammoniumnitrat (AN), Ammoniumperchlorat (AP), Kaliumdinitramid (KDN), Kaliumnitrat (KN) und Hydroxylammoniumnitrat (HAN),
    zugesetzt wird.
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