FI91147C - Kloraattipohjainen rakettiajoaine - Google Patents

Description

1 91147

Kloraattipohjainen rakettiajoaine -Kloratbaserat raketdrivmedel Tåmå keksinto koskee parannusta knnteisiin rakettiajoaineisiin, joita kåytetåån maali-, ilotulitus-, pelastus-, valaisuraketeissa ja miden tapaisissa tai sotilaskåytosså, kuten tykisto- ja lento-konerakettien, ilmatoijunta-, merimaali-, ilmataisteluohjustentai muidensamantapaisten kåyttoai-neena. Mahdollisesti keksinnon mukaisia ajoaineita voisi kåyttaå myos peråvirtausammusten kaa-sunkehittimisså.

Aikaisemmin tunnetaan kiinteitå rakettiajoaineita, jotka perustuvat perkloraattien, nitraattien, pik-raattien, nitramiinien, nitroyhdisteiden, oksidien ja typpihapon estereiden kåyttoon hapettimena. Esimerkkejå nåistå on mainittu runsaasti esimerkiksi seuraavissa låhteisså: George P. Sutton, Rocket Propulsion Elements (1990), 5th Edition, T.Urbanski, Chemistry and Technology of Explosives, vol. 3 (1967) and vol. 4 (1985), US-patentit 3725154, 3756874, 3722421, 3741830, 3779822, 3784422, 3734789, 3797238, 3753813 ja 3671341.

Useimmat nykyisistå ajoaineista perustuvat joko typpihapon estereihin (savuton ruuti) tai am-moniumperkloraattiin hapetusaineina. Sideaine on edellisisså selluloosanitraatti ja jålkimmåisisså jotakin, yleenså elastista polymeeriå, kuten polyuretaania, polyvinyylikloridia, polybutadieenia ja sen kopolymeereja, polysulfideja, polyisopreeniå, polyestereitå ja -eettereita, epoksipolymeerejå, polyamideja, polyvinyyliasetaattia tai -alkoholia, fluoripitoisia polymeerejå, kuten polytetra· fluoroetyleeniå, polyisobuteenia, polypropeenia, polyeteeniå, oksetaanin kopolymeereja, kuten bis-(atsidometyyli)oksetaani-styreeni kopolymeeriå tai muita mahdollisia nestemaisiå, jauhemaisia, plastisia tai termoplastisia polymeerejå.

Yllå mainitut ajoaineet ovat tunnettuja korkeasta paine-eksponentistaan ja herkkyydeståån åkillisille palopaineen muutoksille. Korkean paine-eksponentin vuoksi ajoaine on herkkåå suuttimen poikkipinta-alan muutoksille, jollaisia voi tapahtua suuttimen eroosion tai karstaan- 2 tumisen seurauksena. Tail aiset tapahtumat saattavat johtaa åkillisiin palopaineen muutoksiin, joiden seurauksena yleensa on raketin sammuminen, palon muuttuminen epatasaiseksi (ys-kiminen), resonanssi-ilmiot tai jopa raketin råjåhtåminen.

Tunnusomaista kiinteille ajoaineille on myos minimi palopaine ja siihen liittyva vaikea sytytetta-vyys. Minimi palopainetta alemmassa paineessa palaminen on epåtasaista tai ajoaine sammuu. Sytyttåmiseen tarvitaan siksi erityinen sytytin, jolla raketin kammiopaine nostetaan låhelle toimintapainetta ja samalla kehitetaan suuri måårå kuumia kaasuja ja hiukkasia, jotka sytyttåvåt ajoaineen. Kyseinen sytytin lisåa raketin monimutkaisuutta ja siten kustannuksia sekå vaikeuttaa raketin kåytånnon toteuttamista ja huonontaa raketin toimintavarmuutta.

Tunnetut ajoaineet sisåltåvåt myos poikkeuksetta palokatalysaattoreita ja ballistisia lisåaineita, joilla såådellåån palonopeutta ja sen paine- sekå låmpotilariippuvuuksia. Ajoaineen ominaisuudet ovat erityisen herkkiå juuri nåiden aineosien måarille, raekoolle, jopa niiden partikkelien muodolle. Nykyisin kåytetyt ballistiset lisåaineet ovat energiantuoton kannalta epåedullisia ja alentavat ajoaineen ominais- ja tilavuusimpulssia. Tunnetut lisåaineet tuottavat palamisessa vain murto-osan siitå energiasta, jonka hapettimen ja sideaineen reaktio tuottaa.

On tunnettua, ettå riittåvån palonopeuden aikaan saamiseksi on nykyisisså ajoaineissa kåytettåvån hapettimen raekoon oltava pieni tai hyvin pieni, tyypillisesti alle 25-50 mikrometriå. Pienestå raekoosta aiheutuu suuria vaikeuksia sekoittamisessa, sillå polymeerin ja hienojakoisen, kiinteån hapettimen seoksella on erittåin suuri viskositeetti. Raekoon pienuus aiheuttaa myos jauhatuksen tarpeen; yleisimman hapettimen, ammoniumperkloraatin, jauhatus puolestaan on råjåhdysvaarallinen toimenpide. Edelleen, hienojakoisesta hapettimesta sekoitettujen ajoaineiden sekoitus- ja palo-ominaisuudet ovat herkkiå raekoolle ja sen jakautumalle. Valmistusprosessi on siten tarkkaan kontrolloitava ja kåytånnosså vaikea suorittaa sekå komposiittiajoaineiden ettå my5s savuttomien ruutien tapauksessa.

Useimmin kåytetyille ajoaineille tunnusomaista on melko alhainen tiheys, joka vaihtelee useimmiten 1400 kg/m3:sta 1750 kg/m3:iin. Seurauksena saavutettava lataustiheys on varsin pieni, kun otetaan vielå huomioon, ettå palokaasujen virtauksellekin on jåtettåvå tilaa palokanavan muo-dossa tai ajoaineen ja astian våliin.

II

3 91147

Tunnettujen ajoaineiden epåkohtina ovat epåilemåttå hankalasti hallittava sisåballistiikka ja vaikea sytytettåvyys sekå vaativa valmistusprosessi. Keksinndn mukaisen ajoaineen avulla saadaan par annus tai ratkaiseva par annus kaikkiin edellå esitettyihin epåkohtiiiL Tåmån toteuttamiseksi keksinnon mukaiselle ajoaineelle on tunnusomaista se, mitå on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinndn mukaisen ajoaineen tårkeimmåt edut ovat parantuneet palo· ja syttymisominaisuudet, yksinkertaistunut ja helpottunut valmistusprosessi, suurempi tiheys ja tilavuusimpulssi sekå mekaaninen ja terminen epåherkkyys verrattuna tunnettuihin seoksiin.

Palamisominaisuuksiensa suhteen keksinnon mukaisella ajoaineella saavutetaan selviå etuja tunnettuihin ajoaineisiin verrattuna. Keksinndn mukainen ajoaine ei pyri tunnettujen tapaan sammumaan, jos kammiopaine vaihtelee, esimerkiksi suuttimen vaurioitumisen seurauksena. Nykyiset ajoaineet sammuvat, pyrldvåt yskimåån tai resonoimaan tai jopa detonoivat, jos paine vaihtelee nopeasti. Keksinndn mukaisella ajoaineella on tunnettuihin perkloraattiajoaineisiin verrattuna alempi tai sama paine-eksponentti, kuten esimerkkien 1 ja 2 sekå 3 ja 4 seoksia vertaamalla voidaan havaita. Esimerkeistå selviåå myds, ettå jo karkeallakin hapettimella saavutetaan suuri palonopeus. Palonopeutta on mahdollista kohottaa ainakin kaksinkertaiseksi pelkåståån hapettimen raekokoa pienentåmållå, jolloin tosin menetetåån etu helposta sekoitettavuudesta.

Koska keksinndn mukainen ballistinen lisåaine itsessåån on tehokas hapetin, ei ominaisimpulssi juurikaan alene lisåyksestå toisin kuin kåytettåesså tunnettuja ballistisia lisåaineita, joita ovat esimerkiksi rauta(in)oksidi,lyijykromaatti,rauta(in)asetonyyliasetaatti,kuparikromiitti,raskasme-tallien, erityisesti kromin, lyijyn ja koboltin bentsoaatit, salisylaatit, naftaleenikarboksylaatit ja ftalaatit. Keksinndn mukaista lisåainetta kåytettåesså ajoaineen ominaisuudet eivåt ole herkkiå lisåaineen raekoolle tai pienille pitoisuuden muutoksille, sillå lisåainetta voidaan kåyttåa suurinakin pitoisuuksina. Kun lisåainetta on seoksessa paljon, aineen ominaisuuksien vaihtelu vaikuttaa suhteellisesti hyvin våhån seoksen ominaisuuksiin.

Palonopeus esimerkin 1 mukaisella ajoaineella on 17 mm/s 70 bar paineessa. Paine-eksponentti on 0,44 kåytettåesså polyuretaania sideaineena. Kåyttåmållå tunnettuja ballistisia lisåaineita voidaan palonopeutta tåståkin vielå kasvattaa ja paine-eksponenttia jonkin verran laskea. Yleisimmin kåytetyllå hapettimella, ammoniumperkloraatilla, vastaavan palonopeuden saavuttaminen 4 esimerkisså kåytetyn sideaineen kanssa on vaikeaa ja vaatii hyvin hienojakoisen hapettimen kåyttåmistå. Esimerkkiå 1 vastaavan, tunnetun seoksen 2 palonopeus on 6 mm/s 70 bar paineessa ja paine-eksponentti 0,68.

Valmistusprosessi yksinkertaistuu, sillå apuaineita ja hapettimen jauhamista ei vålttåmåttå tarvita, ellei haluta erittain nopeasti palavaa ajoainetta. Edelleen, keksinnon mukaisessa ajoaineessa kåytettåvån lisåaineen kidemuoto on hyvin edullinen sekoituksen kannalta. Lisaksi aineen kidetiheys on suuri, joten sen tilavuusosuus valmiissa seoksessa jåå pieneksi. Tålloin ajoaineseos on valuvaa ja helposti valettavaa, vaikka ajoaine sisåltåisi runsaastikin kiintoaineita. Samalla ajoaineen tiheys kasvaa, mika on hyvin edullista tilavuusimpulssin kannalta. Kostutusaineita tai hapettimen tiukkaa raekokojakautumaa ei sekoittamisen helpottamiseksi tarvitse kayttaa, ellei kiintoaineiden pitoisuus ole erittain suuri tai hapetin hyvin hienoksi jauhettua. Sekoittaminen on nåin olien helppoa, sillå seoksen viskositeetti pysyy pienenå. Esimerkin 1 mukainen ajoaine on tåysin juoksevaa vielåpå 86 %:n kiintoainepitoisuudellakin ilman kostutusaineiden kåyttoå. Jopa yli 90 %:n kiintoainepitoisuutta voidaan kåyttåa, mutta tålldin seos ei enåå ole vapaasti juoksevaa ja kostutusaineiden kaytto tulee tarpeelliseksi. Suuri lriintoainepitoisuus ja tiheå kiintoaine hel-pottavat myos kaasujen poistoa seoksesta.

Keksinnon mukainen ajoaine on hyvin syttyvåå kåytettåesså sitå raketissa. Keksinndn mukaisesta ajoaineesta, kuten esimerkkien 1 ja 3 seoksista, valmistettu raketti ei vaadi erityistå sytytinta, vaan kåynnistyy luotettavasti pienellå maarållå jotakin sytytysmassaa, esimerkiksi mustaa ruutia. Myos-kåån paineen kohottamista tyopaineeseen ei vålttåmatta tarvitse suorittaa, sillå keksinndn mukaisella ajoaineella ei haluttaessa ole palamispaineen alarajaa, toisin kuin tunnetuilla ajoai-neilla. Ajoaine palaa stabiilisti normaalipaineesta alkaen. Ajoaineella ei myoskåån esiinny yskimistå kåynnistyksesså tai resonanssi-ilmioitå palamisen aikana låheskåån yhtå helposti kuin tunnetuilla ajoaineilla.

Etua keksinndn mukaisella ajoaineella saavutetaan myds lataustiheydesså, sillå ajoaine on tunnettuja tiheåmpåa. Esimerkin 1 ajoaineen tiheys on 1910 kg/m3, esimerkin 3 ajoaineen 2090 kg/m3, kun vastaavien, tunnettujen seosten 2 ja 4 tiheydet ovat 1680 kg/m3 ja 1840 kg/m3. Mikåli kåytetåån raekooltaan sopivasti jakautunutta hapetinta ja våhemmån sideainetta, saadaan tiheyttå vielå suuremmaksi ja samalla sekoittaminenkin helpottuu. Kåytettåesså esimerkkien 1 ja 2 I! 5 91147 mukaista hapetinta ominaisimpulssi on suunnilleen sama kuin yleensåkin ammoniumperkloraatti-ajoaineilla , 2300 - 2600 Ns/kg. Tilavuusimpulssi on kuitenkin n. 10 % suurempi suuremman tiheyden ansiosta. Suuren tilavuusimpulssin merkitys korostuu erityisesti hitaasti lentåvisså raketeissa, kuten merimaaliohjuksissa, tykistdraketeissa ja monivaiheisen raketin ensimmåisisså vaiheissa. Keksinnon mukaista litiumsuolaa kåytettåesså saadaan suurempi ominaisimpulssi, 2400 -2800 Ns/kg sideaineen mukaan. Tilavuusimpulssi kasvaa myos samassa suhteessa, sillå tiheys li· tiumyhdistettå kåytettåesså on jokseenkin sama kuin esimerkkien 1 ja 2 hapettimellakin. Todellista impulssia lisåå myos palokaasujen sisal tåmån metallikloridin tiivis tyminen suuttimen låpi kulkiessaan, jolloin suolan latenttia låmpoenergiaa saadaan kåyttoon. Vastaavaa ilmiotå ei synny, jos virtaus on tåysin kaasumainen, kuten savuttomilla ruudeilla ja useilla tunnetuilla komposiittiajoaineilla.

Toisin kuin hyvå syttyvyys antaisi olettaa, keksinnon mukainen ajoaine on epåherkempåå syttymåån mekaanisesta årsykkeestå kuin tunnetut ammoniumperkloraattiseokset tai muut ajoaineet, kuten savuttomat ruudit. Ajoaineen sekoittaminen voidaan siten suorittaa samoilla tai samanlaisilla vålineillå kuin tåhånastistenkin seosten. Termisesti keksinnon mukaiset ajoaineet ovat myos ruuteja ja tunnettuja perkloraattiajoaineita epåherkempiå, joten keksinnon mukaiset ajoaineet soveltuvat erinomaisesti myos nk. plastisolmenetelmållå valmistettaviksi. BAM:n (Bundesanstalt fur Materialpriifimg) mukaisella iskukokeella on saatu tunnetulle, ammoniumper-kloraatista, polybutadieenista ja alumiinijauheesta valmistetulle ajoaineelle iskuherkkyydeksi 25 cm yhden kilogramman vasaralla. Esimerkin 1 mukaisella seoksella iskuherkkyys yhden kilogramman vasaralla on 40 cm. BAM:n mukaisen hankausherkkyyskokeen kuormitus samalla ammoniumperkloraattiajoaineella on 18 kp, esimerkin 1 ajoaineella 22 kp. BAM:n mukainen humahduspiste ammoniumperkloraattiajoaineella on 260 °C, esimerkin 1 ajoaineella 330 °C. Savuttomien ruutien iskuherkkyydet vaihtelevat 5 cm:stå 20 cm:iin yhden kilogramman vasaralla, hankausherkkyydet 8 kp:sta 18 kp:iin ja humahduspisteet 160 °C:sta 190 °C:een BAM:n mukaisissa kokeissa. Suuren tiheyden ansiosta keksinndn mukaista ajoainetta on myos hyvin vaikea saada de-tonoimaan, mika edelleen lisåa sen kåyttdturvallisuutta.

Etuina mainittakoot myos keksinnon mukaisen ajoaineen kotimaiset raaka-aineet. Savutonta ruutia lukuun ottamatta tunnettujen ajoaineiden raaka-aineet ovat tuonnin varassa. Keksinndn mukaisessa ajoaineessa kåytettåvå lisåaine on kotimaista. Lisåksi aine on halpaa, sen hinta on 6 1/2..1/10 tavallisesti kaytettavien materiaalien hinnasta. Jos lisaainetta kaytetaan suurina pitoisuuksina, myos ajoaine tulee edullisemmaksi. Esimerkkiseos 1 on alumiinia ja am-moniumperkloraattia lukuun ottamatta kotimaisista materiaaleista valmistettu, kun sideaine on polyuretaania.

Esimerkkeja keksinnon mnkaisista ja tunnetuista ajoaineista: 1. ammoniumperidoraatti 56,3 painoprosentda natriumkloraatti 10,7 alumiini 17,0 ” polyuretaani tai ΗΓΡΒ 15,5 "

Natriumkloraatin raekokojakautuma: yli 2 mm 35 painoprosenttia 1 - 2 mm 55 alle 1 mm 10

Ammoniumperkloraatin raekokojakautuma: yli 1 mm 2 painoprosenttia 0,5 - 1 mm 13 0,25 - 0,5 mm 31 0,125 - 0,25 mm 42 0,067 - 0,125 mm 9 alle 0,067 mm 3

Alumiinijauhe on noin 50 mikrometrin raekokoon jauhettua.

Esimerkin 1 seoksen palonopeus 70 bar paineessa on 17 mm/s ja paine-eksponentti polyuretaania kaytettaesså 0,44 ja HTPB:ta kaytettaesså 0,06. Minimi palopaine on noin 3 bar polyuretaani sideaineena ja noin 2 bar HTPB sideaineena. Seoksen tiheys on 1910 kg/m3.

II

7 91147

Huomautettakoon, ettå esimerkin 1 seoksessa natriumkloraatti ja ammoniumperkloraatti eivåt ole keskenåan yhteensopivia aineita. Siitå ei kuitenkaan ole haittaa, kunhan huolehditaan, etteivåt kyseiset aineet pååse keskenåan sekaisin, ts. niita ei lisåtå samanaikaisesti seokseen. Valmiin seoksen on erillisten ainesten yhteensopimattomuudesta huolimatta havaittu olevan hyvin pysyvåa, mita osoittavat aikaisemmin mainitut herkkyyskokeiden tuloksetkin.

Tunnettu seos: 2. ammoniumperkloraatti 65,0 painoprosenttia polyuretaani tai HTPB 18,5 "

alumiini 16,0 M

kuparioksidi 0,4 " kaliumdikromaatti 0,6 "

Esimerkin 2 ajoaineen palonopeus 70 bar paineessa on 6 mm/s ja paine-eksponentti on 0,68 kay-tettåesså polyuretaania ja 0,31 kåytettåesså HTPB:a. Alumiinin ja ammoniumperkloraatin raekoot ovat samat kuin edellå. Seoksen minimi palopaine on noin 15 bar polyuretaani sideaineena ja noin 10 bar HTPB sideaineena. Tiheys on 1680 kg/m3.

3. kaliumperkloraatti 38,0 painoprosenttia natriumkloraatti 35,0 " alumiini 9,0 " epoksihartsi 18,0 "

Kaliumperkloraatin raekokojakautuma: yli 0,25 mm 6 painoprosenttia 0,25 - 0,125 mm 28 0,067 - 0,125 mm 54 alle 0,067 mm 12

Esimerkin 3 seos palaa 32 mm/s 70 bar paineessa ja seoksen paine-eksponentiksi on saatu 0,72. Minimi palopaine on noin 5 bar ja tiheys 2090 kg/m3. Natriumkloraatin raekokojakautuma on 8 s ama kuin edellåkin.

Tunnettu seos: 4. kaliumperkloraatti 69,0 painoprosenttia alumiini 9,0 " epoksihartsi 22,0 "

Esimerldn 4 seoksen palonopeus on n. 25 mm/s 70 bar paineessa ja paine-eksponentti 1,0 tai enemmån. Tarkkoja arvoja ei ole saatavissa, sillå niiden mittaaminen on erityisen hankalaa korkean paine-eksponentin ja minimin palopaineen takia. Minimi palopaine on n. 30 bar ja tiheys 1840 kg/m1.

Esimerkkien polyuretaanina voidaan kåyttåå Neste Oy:n valmistamaa Civiol 7007 polyolia ja MDI:tå (metyleenibis(fenyyli-isosyanaatti)). HTPBmå voidaan kåyttåa esimerkiksi Arco:nPolyBD-resin R-45M:åå. Epoksihartsina kåy esimerkiksi Dow Chemicalin valmistama hartsi DER-332, jonka kovettimena toimii polyamiini ja pehmittimenå dibutyyliftalaatti.

Erityisesti on huomattava, ettå keksinnon mukaisessa ajoaineessa voidaan kåyttåa myos muita kuin esimerkeisså mainittuja ballistisia lisåaineita, jotka kuuluvat patenttivaatimuksen 1 tunnus-merkkiosan mååritelmåån. Lisåksi seoksissa voi olla muita kuin esimerkeisså mainittuja sideaineita ja hapettimia, ainakin niitå, joita on lueteltu tekniikan tason kuvauksen yhteydesså tåmån liitteen alussa. Edelleen, seokset voivat sisåltåå ajoaineena metallia sopivassa muodossa, stabilisaattoreita, flegmatointiaineita, tunnettuja ballistisia lisåaineita, kuten paine-eksponentin, palonopeuden låmpotilariippuvuuden ja eroosioilmioiden sååtelyaineita, pehmittimiå, kostutusaineita ja muita mahdollisia lisåaineita. Tållå ja mainituilla esimerkeillå ei haluta millåån tavoin rajoittaa keksintoå vain esimerkkejå koskevaksi, vaan keksinnon monet, mainitsemattomatkin muunnelmat ovat mahdollisia seuraavien patenttivaatimusten måårittelemån keksinnollisen ajatuksen puitteissa.

Il

Claims (2)

91147

1. Raketteja vårten ajoaine, jonka muodostaa tunnettujen hapettimien, sideaineiden, metallien, kostutusaineiden, ballistisisten lisåaineiden, stabilisaattorien, palokatalysaattorien, flegmatointiai-neiden, pehmittimien ja mahdollisten muiden tunnettujen lisåaineiden seos, tunnettu siitå, etta ajoaine sisåltaå palokatalysaattorina, paine-eksponentin tai syttymisominai-suuksien saatelijåna tai muuna ajoaineen sisaballistiikkaan vaikuttavana lisaaineena 1,5-40 paino-prosenttia litium-, natrium-, barium- tai muuta metallikloraattia.

2. Patenttivaatimusten 2 tai 3 mukainen ajoaine, tunnettu siita, etta se muodostuu seuraavien aineiden seoksesta: 1. am moniu mperkloraatti noin 55 painoprosenttia natriumkloraatti "10 " alumiini " 17 polyuretaani tai HTPB "18 " Patgntkrayi . 1. Ett raketdrivmedel, som består av kanda oxidanter, bindåmnen, metaller, anfuktningsmedel, ballistiska tillsatsamnen, brannkatalysatorer, stabilisatorer, flegmateiingsmedel, mjukgdringsamnen och andra mojliga, kanda tillsatsamnen, kånnetecknatav, att drivmediet innehåller 1,5 -40 viktprocent av litium-, natrium-, bariumklorat eller klorater av andra metaller som brån-nkatalysator, som en reglare av tryckexponent eller antåndningsegenskaper eller som ett annat tillsatsåmne påverkande drivmediets innerballistik.

2. Ett drivmedel enligt patentkrav 1, k å η n e t e c k n a t av, att det består av blandning av foljande åmnen: 1 ammoniumperklorat ca. 55 viktprocent natriumklorat ”10 ” aluminium "17 " polyuretan eller HTPB "18 "