ES2218106T3 - Masa activa pirotecnica destinada a la produccion de un aerosol fuertemente emisivo en la region espectral de infrarrojos e impenetrable en la region espectral visible. - Google Patents

Abstract

Masa activa pirotécnica impenetrable en la región espectral visible y fuertemente emisiva en la región de los infrarrojos para finalidades de camuflaje y ocultación, que como ingredientes principales contiene fósforo rojo, un nitrato de metal alcalino o una mezcla de nitratos de metales alcalinos, y que como ingredientes secundarios contiene por lo menos un metal de transición, o un compuesto rico en metales o una aleación del mismo, por lo menos un metaloide, así como un agente aglutinante, caracterizada porque se presentan unos contenidos de 55 % a 62 % de fósforo rojo, de 18 % a 23 % de nitratos de metales alcalinos, de 10 a 18 % de ingredientes secundarios a base de metales de transición y metaloides y de 5 a 7 % de un agente aglutinante.

Description

Masa activa pirotécnica destinada a la producción de un aerosol fuertemente emisivo en la región espectral de infrarrojos e impenetrable en la región espectral visible.

Es objeto del presente invento una masa activa pirotécnica tolerable desde puntos de vista toxicológicos humanos y ecológicos, que consta de fósforo rojo, de un combustible metálico seleccionado entre el conjunto formado por los metales de transición, de modo preferido titanio, zirconio o hierro, de un moderador seleccionado entre el conjunto de los metaloides boro y silicio, de un agente de oxidación seleccionado entre el conjunto de los nitratos de metales alcalinos, de modo preferido nitrato de cesio y nitrato de potasio, que se adecua para la producción de un aerosol fuertemente emisivo en la región espectral de infrarrojos (3-5, 8-14 \mum) e impenetrable en la región espectral visible.

Los aerosoles producidos por vía pirotécnica se emplean hoy en día predominantemente en el sector militar para enmascarar, camuflar, confundir, deslumbrar, simular y marcar.

Mientras que para los casos de aplicación que comprenden marcar y simular pasan a emplearse de modo preferente aerosoles coloreados sobre la base de colorantes azoicos orgánicos (de colores blanco, anaranjado, rojo, violeta, verde, azul) que absorben solamente en la región espectral visible, para camuflar, confundir y deslumbrar se emplean preferiblemente aerosoles que, mediante diferentes mecanismos, interrumpen también la región de infrarrojos del espectro electromagnético, especialmente en la región de la ventana de transmisión atmosférica a 0,3 - 1,5; 1,6 - 1,8; 2,0 -2,5; 3,0 - 5,0 y 8,0 - 14 \mum. Entre estos mecanismos se cuentan la dispersión, la absorción y la emisión de radiación.

La dispersión y la absorción de radiación son descritas por la ley de Lambert-Beer.

(1)I= I_{0} exp^{-\alpha \ ci}

Realizándose en ella que I describe la intensidad de radiación debilitada por las interacciones, I_{0} representa la intensidad inicial. c corresponde a la concentración del aerosol por unidad de volumen, i es la densidad isótropa por la longitud del camino adoptado por la nube de aerosol. \alpha es el coeficiente de extinción de masa, dependiente de la longitud de onda, de las partículas de aerosol, que en el caso de una sustancia dada se compone como suma de los coeficientes de dispersión (en alemán Streuung) \alpha_{str} y de absorción \alpha_{abs}:

(2)\alpha (\lambda)= \alpha_{str} (\lambda)+ \alpha_{abs} (\lambda)

Mientras que el proceso de dispersión depende predominantemente de la morfología de las partículas y del tamaño de estas partículas, la absorción es determinada solamente por la composición química de las partículas. Solamente el índice de refracción m de un aerosol, que es determinado por las propiedades tanto físicas como químicas, influye tanto sobre el comportamiento de dispersión como también sobre el de absorción.

Para que los aerosoles puedan dispersar una radiación, de acuerdo con Rayleigh deben ser iguales el diámetro de las partículas, suponiéndose una determinada morfología esférica de las partículas, y la longitud de onda de la radiación que se ha de dispersar. Esto significa que para una dispersión óptica de radiación en el intervalo de los micrómetros, deben presentarse partículas con unos diámetros corpusculares de 0,3 - 14 \mum.

Tales partículas se pueden producir de una manera establecida mediante los siguientes procesos:

a)

Combustión de cargas pirotécnicas deficientes en oxígeno y ricas en carbono. Al producirse la combustión, resulta entonces, como consecuencia del mal balance de oxígeno, mucha cantidad de hollín con unos diámetros de partículas en el relevante intervalo de tamaños (documento de patente de la República Democrática Alemana DD 301.646 A7 y documento de patente alemana DE 3326884 C2).

b)

Diseminación explosiva de partículas previamente confeccionadas, de modo preferido polvo de latón en el apropiado intervalo de tamaños.

Los aerosoles descritos en los párrafos a) y b) contribuyen mediante su composición química a la absorción de una radiación de infrarrojos. Tanto el hollín como también el polvo de latón son capaces de conducir la electricidad, y por lo tanto son apropiados para el acoplamiento de radiación de infrarrojos.

Las desventajas de los métodos antes descritos para la producción de una nube de aerosol, que protege y apantalla a una radiación de infrarrojos, consisten, en el caso a), en la contaminación de las partículas producidas de hollín con hidrocarburos poliaromáticos (PAH) en parte cancerígenos, y en el caso de componentes energéticos con un contenido de halógenos en tales cargas pirotécnicas, en la contaminación de las partículas de hollín con oxiarenos polihalogenados tales como p.ej. dibenzofuranos polihalogenados y dibenzodioxinas polihalogenadas o también bifenilos polihalogenados.

En el caso de la dispersión explosiva de partículas previamente confeccionadas se llega siempre al denominado fenómeno de Bird-nesting (anidamiento de pájaros). Por tal expresión se entiende que el agujero provocado por el proceso de explosión en la nube de aerosol con una densidad muy baja de partículas. En este sitio de la nube no se bloquea la línea de visión [del inglés Line of sight (LOS)]. Además, el polvo de zinc desciende muy rápidamente hasta el suelo, por lo que se pueden conseguir solamente unos insatisfactorios períodos de tiempo de cubrimiento. También, son muy considerables los efectos tóxicos del polvo de latón sobre los seres humanos y el medio ambiente, por lo que se debe de prescindir de una aplicación a gran escala, en especial también para finalidades de ejercicios.

En el documento de patente europea EP 1063394 se describen masas activas, que contienen fósforo rojo, CsNO_{3}, B, Ti o una aleación de Zr y Ni, y un agente aglutinante.

En el documento de patente alemana DE 40.30.430 se describe una masa activa, que se caracteriza por una relación cuantitativa adaptada de polvo de magnesio, de un polímero orgánico fluorado, de una cloroparafina y de un compuesto aromático, en particular antraceno o anhídrido de ácido ftálico, que al quemarse genera radicales aromáticos, que reaccionan para formar compuestos poliaromáticos, que como aglomerados voluminosos con estructura fibrosa presentan unos diámetros comprendidos en el intervalo de 1 - 20 \mum, que son apropiados para la dispersión y absorción de rayos IR (infrarrojos) y que a pesar de todo flotan en el aire por causa de la gran superficie específica. Con el fin de reprimir la formación de hollín finamente dividido en lugar de compuestos poliaromáticos, se debe mantener una velocidad de combustión de aproximadamente 15 g/s (gramos por segundo), de manera tal que el efecto cubriente se inicia tan solo relativamente tarde. Por lo tanto, en esta patente se propone adicionalmente añadir una masa que se quema con rapidez, a base de un polímero que contiene flúor, un polvo de magnesio y un agente aglutinante orgánico, que al quemarse genera en corto plazo una intensa emisión de rayos IR y por consiguiente cierra la brecha o laguna inicial de cubrimiento.

Es desventajoso en este procedimiento el hecho de que los compuestos poli-aromáticos formados contienen también todavía sustancias cancerigenas, y que el efecto emisivo se extingue muy rápidamente a causa de la utilización de magnesio.

El problema principal de los habituales aerosoles impenetrables del tipo antes descrito consiste en la inactividad para proteger activamente a dianas calientes móviles (seres humanos, plataformas blindadas) contra armas dirigidas CLOS y SACLOS (p. ej. Milan, TOW, etc.). Estas armas dirigidas se controlan mediante un alambre o una fibra de vidrio por un usuario, que apunta hacia la diana a través de una cámara para imágenes térmicas (8 - 14 \mum). Después de haberse efectuado la interpretación de la diana, un usuario puede estimar, a partir del último movimiento apreciado, la posición aproximada y puede seguir ulteriormente la diana emisiva a través de los agujeros de transmisión que se encuentran típicamente en las nubes de aerosoles, y dirigir a los cuerpos volantes hacia la diana.

Fue misión del presente invento, por lo tanto, desarrollar una nueva niebla de camuflaje, que junto a la impenetrabilidad en la región visible, haga posible también un cubrimiento largamente persistente en la región espectral de los IR.

La solución del problema planteado por esta misión se consigue mediante las características de la reivindicación principal y se favorece mediante las de la reivindicación subordinada.

Las cargas de niebla conformes al invento contienen como ingredientes principales fósforo rojo, un nitrato de un metal alcalino tal como por ejemplo nitrato de litio, nitrato de sodio, nitrato de potasio, nitrato de rubidio y nitrato de cesio, o bien a una mezcla de éstos, así como, en calidad de ingredientes secundarios, un combustible metálico seleccionado entre el conjunto de los metales de transición, tales como por ejemplo titanio, zirconio o hierro, o bien una aleación rica en metales o un compuesto de estos elementos, tales como por ejemplo TiH, Zr/Ni, ZrFe o ZrSi_{2}, por lo menos un metaloide tal como por ejemplo boro o silicio, o bien un compuesto de estos elementos, que es donante de electrones, así como un agente aglutinante orgánico polimérico.

El hecho de que el fósforo rojo sirve como soporte del efecto amortiguador de la transmisión en la región espectral visible, era conocido hasta ahora, pero por el contrario es nuevo el reconocimiento de que el fósforo rojo, en determinadas circunstancias, actúa también como soporte del efecto emisivo en la región espectral de los infrarrojos. El fósforo rojo, en el caso de la reacción de los componentes energéticos, el nitrato, el metal y el metaloide, se evapora ampliamente (ecuación 3) y se quema en presencia del oxígeno de acuerdo con la ecuación (4), para dar pentóxido de fósforo.

(3)P_{(rojo)} + calor \ de \ combustión \rightarrow P _{4(g)}

(4)P_{4(g)} + 5 O_{2} \rightarrow 2 P_{2}O_{5} + calor

El pentóxido de fósforo reacciona con la humedad del aire de acuerdo con la ecuación 5, para dar ácido fosfórico.

(5)P_{2}O_{5} + 3H_{2}O \rightarrow 2 H_{3}PO_{4} + calor

La utilización conforme al invento de nitratos de metales alcalinos como agentes de oxidación proporciona, al producirse la combustión, óxidos de metales alcalinos, que en presencia de la humedad del aire reaccionan de acuerdo con la ecuación 6, para dar los hidróxidos.

(6)M_{2}O_{(s)} + H_{2}O \rightarrow 2 MOH _{(acuoso)} + calor

M = Na, K, Rb, Cs.

Estas gotitas de aerosol proporcionan con las gotitas de ácido fosfórico, en una reacción fuertemente isotérmica, los correspondientes dihidrógeno-fosfatos.

(7)MOH + H_{3}PO_{4(acuoso)} \rightarrow 2 MH_{2}PO_{4} + H_{2}O + calor

La hidratación de los dihidrógeno-fosfatos es asimismo una reacción exotérmica y proporciona nuevamente calor.

(8)MH_{2}PO_{4} + n H_{2}O \rightarrow MH_{2}PO_{4} \cdot (H_{2}O) _{n} + calor

Las gotitas de aerosol que se han formado poseen un tamaño de 0,01 - 2 \mum y con ello unos altos coeficientes de absorción y dispersión en las regiones espectrales visible y de infrarrojos de onda corta de 0,3 - 1,9 \mum y unos bajos valores de amortiguación en los infrarrojos intermedios y de onda larga de 2 - 14 \mum. Sin perjuicio de esto, el calor formado por las reacciones 4 - 6, pero en particular en las etapas 7 y 8, procura una fuerte emisión de las gotitas de aerosol en la región del infrarrojo de longitud de onda intermedia y larga, y compensa de esta manera los bajos coeficientes de dispersión y absorción en esta región espectral. Al contrario que la conocida emisión fuerte de masas activas que contienen magnesio, que aparece directamente durante la combustión y después de ello se extingue con rapidez, el desprendimiento de calor conforme al invento aparece parcialmente por medio de procesos químicos, que son posibles tan sólo mediante la formación de las gotitas de aerosol, que se inicia de modo retardado, por lo que este efecto emisivo dura 50 - 200 s (segundos), es decir durante el tiempo necesario para un camuflaje.

Mediante la utilización conforme al invento de metales de transición, cuyos óxidos poseen altos calores de formación, tales como por ejemplo zirconio y titanio, así como de metaloides, tales como boro y/o silicio, se consiguen muy altas temperaturas de combustión, y por lo tanto las partículas de aerosol reciben una alta energía térmica, lo cual aumenta la emisión en la región de IR de onda larga.

La utilización conforme al invento de los metales de transición y de sus aleaciones o compuestos ricos en metales reprime además la formación de compuestos que forman fosfanos. Los fosfuros metálicos, formados durante la combustión a causa del déficit de oxígeno (p.ej. el fosfuro de zirconio o el fosfuro de titanio) poseen un carácter no iónico, por lo que con la humedad del aire o con una lluvia ácida no se inicia ninguna hidrólisis o acidolisis con puesta en libertad de fosfanos.

Por lo tanto, las cargas de niebla elaboradas conforme al invento son tolerables desde puntos de vista toxicológicos humanos y ecológicos y son considerablemente más seguras que las cargas de niebla convencionales sobre la base de fósforo rojo y un metal ligero, tal como por ejemplo magnesio o aluminio. También, con esto ya no se presenta la autoinflamabilidad de los residuos de combustión, que aparece típicamente en los casos de cargas de niebla sobre la base la base de fósforo rojo.

El siguiente Ejemplo debe explicar el invento, pero sin limitarlo:

Ejemplo

A partir de 2.750 g de fósforo rojo, 990 g de nitrato de potasio, 220 g de silicio, 220 g de boro, 220 g de zirconio y 990 g de agentes fijadores de macroplastos (con un 30% de cuerpos sólidos) por adición escalonada de los componentes al fósforo rojo, se produce una carga pastosa. La masa humedecida con un disolvente se tamiza (en un tamiz con una anchura de mallas de 7 mm) y se seca durante 20 minutos en vacío a 40ºC y 20 mbar. Los 42 g de material granulado se comprimen con una presión de compresión de 20 toneladas para formar cuerpos comprimidos de forma anular con una altura de aristas de 10 mm, un diámetro externo de 57 mm y un diámetro interno de 15 mm. Una tableta comprimida posee un período de tiempo de combustión de aproximadamente 35 segundos y proporciona una niebla blanca y densa en la región espectral visible.

La medición radiométrica del aerosol resultante a una distancia de 4 m desde la fuente, revela las siguientes intensidades de radiaciones en la región de los infrarrojos:

Banda V (8 - 14 \mum)	Banda II (3 - 5 \mum)
> 100 W/sr > 25 s	> 20 W/sr > 25 s
> 60 W/sr > 75 s	> 10 W/sr > 75 s.

La Figura 1 muestra la intensidad de radiación de las nubes de aerosol que se producen por combustión de un cuerpo comprimido elaborado conforme al invento de los 120 g de masa a una distancia de 5 m desde la fuente. Con las nubes de aerosol producidas conforme al invento se consigue un muy buen deslumbramiento (> 95%) de dianas emisivas, que alcanza la temperatura del color de 300ºC.

Claims (2)

1. Masa activa pirotécnica impenetrable en la región espectral visible y fuertemente emisiva en la región de los infrarrojos para finalidades de camuflaje y ocultación, que como ingredientes principales contiene fósforo rojo, un nitrato de metal alcalino o una mezcla de nitratos de metales alcalinos, y que como ingredientes secundarios contiene por lo menos un metal de transición, o un compuesto rico en metales o una aleación del mismo, por lo menos un metaloide, así como un agente aglutinante, caracterizada porque se presentan unos contenidos de 55% a 62% de fósforo rojo, de 18% a 23% de nitratos de metales alcalinos, de 10 a 18% de ingredientes secundarios a base de metales de transición y metaloides y de 5 a 7% de un agente aglutinante.

2. Masa activa pirotécnica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque se presentan unos contenidos de 58,5% de fósforo rojo, 21,1% de nitrato de potasio, en cada caso 4,7% de boro, de silicio y de zirconio, así como 6,3% de un agente aglutinante a base de policloropreno.