NL8901641A

NL8901641A - Drijfmiddel voor hybridewapen.

Info

Publication number: NL8901641A
Application number: NL8901641A
Authority: NL
Original assignee: Diehl Gmbh & Co
Priority date: 1988-09-10
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1992-04-01
Also published as: GB8913727D0; GB2250739A; DE3830902C1; IT1235778B; US5188682A; FR2672047A1; IT8921631A0

Description

Drijfmiddel voor hybridewapen.

De uitvinding heeft betrekking op een drijfmiddel voor een vuurwapen met elektrisch ondersteunde vloeistof-aandrijving, in het bijzonder voor chemisch-elektrische hybride-aandrijving met regeneratieve drijfmiddelinspuiting.

Bij de elektrothermische wapens wordt, zoals bekend, door het aanleggen van een spanning aan de elektroden van de plasmabrander een lichtboog ontstoken, die het tussen de elektroden ingebrachte materiaal, bijvoorbeeld polyethyleen, verdampt en tot een hoge druk opwekkend plasma verhit.

De versnelling van het projectiel geschiedt door de druk van dit verhitte plasma.

De elektrische energie voor de projectielver-snelling wordt in het geval van elektrothermische projec-tielaandrijving niet direkt omgezet in kinetische energie, maar pas via de omweg van de energetische tussenvorm warmte-energie. Voorbedinging voor het verkrijgen van een hoge rendementsgraad bij de omzetting van de elektrische respectievelijk elektromagnetische energie in kinetische energie, is daarom in de eerste plaats de effektvolle opwekking van het plasma door warmte-energie.

Bij het gebruikmaken van inerte stoffen, zoals bijvoorbeeld polyethyleen voor het opwekken van een onder hoge spanning gebracht plasma moeten deze door de lichtboog in de plasmabrander eerst worden verdampt en dan thermisch zodanig worden gesplitst in radicalen, dat na de dissociatie ervan overwegend koolstof en waterstof aanwezig zijn. Dit betekent, dat een niet onaanzienlijke hoeveelheid van de ingekoppelde elektrische energie moet worden gebruikt voor de splitsing van de inerte stof, waardoor de effektiviteitsgraad in nadelige zin wordt beïnvloed.

Het is daarom het doel van de uitvinding een drijfmiddel van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarbij door middel van een in verregaande mate onafhankelijk van de ingekoppelde elektrische energie beschikbare extra energie door exotherm chemisch reactiever loop het rendement aanzienlijk wordt verhoogd en het elektrische energieverbruik aanzienlijk wordt verminderd.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt, doordat organische verbindingen van een combinatie van koolstof en waterstof met ëén of meer reactieve groepen aanwezig zijn in een verhouding, die bij goede exotherme reactie van het drijfmiddel (koolwaterstof) de afsplitsing van moleculen of atomen van lagere molecuulmassa mogelijk maken. Daarbij kan een drijfmiddelcomponent uit gespannen koolwaterstofringsystemen met reactieve groepen zijn gevormd.

Terwijl bij de omzetting van polyethyleen of dergelijke inerte stoffen voor de verdamping en dissociatie ervan continu elektrische energie moet worden toegevoerd, teneinde een plasma op te wekken, biedt het gebruik van reactieve vloeibare drijfmiddelen het voordeel, dat na het inkoppelen van een bepaalde activeringsenergie als gevolg van het exotherme reactievermogen van het drijfmiddel een extra chemisch energieoverschot kan worden verkregen.

Men bereikt zodoende verregaand onafhankelijk van de ingekoppelde elektrische energie een extra energie door chemisch reactieverloop. Bovendien kunnen substanties worden gebruikt, die gemakkelijker ontleden dan inerte stoffen (zoals bijvoorbeeld polyethyleen) en reeds bij hun ontledingsreactie energie afgeven. De verdere chemische energiewinst geschiedt op grond van de chemische reactie van de bij de ontleding van het drijfmiddel ontstane radicalen.

Voor het verdere vertonen de reactieprodukten van het drijfmiddel een duidelijk kleinere gemiddelde molecuulmassa van het drijfgas respectievelijk plasma, waardoor in vergelijking tot poederhybridewapens de snelheid aan de vuurloopuitmonding aanzienlijk kan worden verhoogd.

Terwijl tot nog toe de bij de verbranding van het drijfmiddel ontstane dampen respectievelijk de reactieprodukten door de elektrische energiekoppeling verder werden verhit, dissociëren de afzonderlijke gassen tot laag moleculaire respectievelijk atomaire ontledingsproduk- ten. Door het geringe molecuulgewicht wordt het mol getal verhoogd en daardoor bij gelijk volume de druk. Bovendien wordt de geluid-snelheid door de lagere mol massa en hogere temperatuur verhoogd. De in een plasma optredende temperaturen kunnen worden aangegeven met 10 000 - 20 000 K. Indien een volledige dissociatie van de moleculen van het drijfgas wordt aangenomen, kan de gemiddelde mol massa van het drijfgas van drijfladingspoeders voor antitank geschut van circa 20-25 g tot circa 10 g worden gereduceerd. Bij gebruik van conventionele vloeibare drijfmiddelen bedraagt de gemiddelde mol massa van het drijfgas al naar drijfstofmengsel circa 15-17 g, hetgeen door middel van volledige dissociatie kan worden gereduceerd tot waarden beneden 5-7 g. In vergelijking tot een poeder-hybrideaandrijving wordt zodoende bij een elektrisch ondersteunde vloeistofaandrijving al naar drijfstofmengsel een reducering van de mol mass tussen 30-40 % en een verhoging van de geluidssnelheid van het drijfgas bij gelijke plasmatemperatuur tussen 20-30 %. Deze waarden kunnen door het gebruik van een op het toepassings-doel ervan geoptimaliseerde drijfstofmenging nog worden verhoogd.

Door het inkoppelen van extra elektrische energie wordt daardoor de mogelijkheid geboden vloeibare drijfmiddelen te gebruiken, die vanwege hun iets lagere soortelijke energie (Forca ca. 1000 J/g) voor toepassing bij een hoog-vermogenswapen met zuiver vloeistofaandrijving minder geschikt lijken te zijn. Anderzijds bezitten deze drijfmiddelen twee beslissende voordelen: 1. De drijfmiddelen leveren reactieprodukten met laag moleculair gewicht, waardoor de vuurloopmondsnelheid kan worden verhoogd.

2. De drijfmiddelen zijn vanwege hun hoge ontstekings-drempel te rekenen tot de zgn. LOVA (Low Vulnerability Ammunitions) drijfmiddelen resp. "Insensitive Ammunitions".

De selectie van de geschikte drijfstofcomponenten gebeurt onder het gezichtspunt, dat een optimalisering van tegen elkaar ingaande effekten plaatsvindt. Reactieve groepen leiden tot chemische omzettingen met een energie- opbrengst, evenwel met het nadeel van een relatief hoge mol massa van de reactieprodukten. De splitsing van zuivere koolwaterstof-molecuulketens leidt tot laag-moleculaire produkten met lagere mol massa, echter met het nadeel, dat deze processen sterk endotherm verlopen. Bij de combinatie van koolstof-waterstofresten met ëên of meer reactieve groepen, wordt een hoge soortelijke energie, een hoge explosietemperatuur en een lage mol massa van de reactieprodukten bij hoog covolume en hoge soortelijke warmte bereikt. In overeenstemming met conclusies 3 tot 9 kunnen als reactieve groepen verschillende groepen worden gebruikt. Volgens de verdere conclusies kunnen deze stoffen onderling worden gemengd, zodat het drijfmiddel uit een mengsel van meerdere van dergelijke stoffen bestaat. i Naar behoefte kunnen aan de reactieve groepen voor het flegmatiseren ook relatief inerte additieven, de bijvoorbeeld langer-ketige koolwaterstoffen of alcoholen worden toegevoegd.

Als reactieve groepen komen voor het drijfmiddel in het bijzonder in aanmerking: 1) Nitroalkanen met een of meer nitrogroepen in overeenstemming met de chemische formule H^C - Cn^n - NC>2 (nitroalkaan met één nitrogroep) r\ Έ

(dinitroalkanen of polynitroalkanen).

2) Alkanoxyden met één of met meerdere oxydegroepen volgens de chemische formule

(ethyleenoxyde) of

(polyoxydealkaan) 3) Zuuranhydriden volgens de chemische formule

(anhydride van een butaandicarbonzuur) 4) Eén of meer ethyleengroepen of acetyleen-bevattende alkenen of alkinen volgens de chemische formule R - C = C - R (alkine) of R-C^C-R-C C-R (meervoudig alkine).

5) Cyclische stikstofverbindingen volgens de chemische formule

6) Aciden volgens de chemische formule R - CI^N^ (acide) 7) Azoverbindingen.

De bijzondere voordelen van de nieuwe drijfmiddelen zijn gelegen in de eigenschappen en in het gedrag van de ingezette stoffen. Om het bijzonder is daarbij te vermelden: - een reproduceerbare verbranding; - een snel aflopende reactie bij de omzetting, die evenwel niet detonatief plaatsvindt; - een grotere chemische energiepotentiaal bij voldoende chemische stabiliteit; - voorhanden als vloeistof in het totale temperatuur-gebied van -45°C tot +80°C; - niet corrosief werkend; - in verregaande mate niet toxisch, dit betekent, dat de stoffen niet in sterke mate schadelijk voor de gezondheid zijn; - bij onderling mengen van de verschillende stoffen treden in het vereiste temperatuurgebied geen meng-hiaten op; - de te mengen componenten zijn onderling verdraagbaar; - lage dampdruk en hoog vlampunt; - gering brand- en explosiegevaar; - goede opslaggeschiktheid; - een gunstige inschaling volgens de verordeningen voor gevaarlijke materialen voor straten, wegen, water en lucht; - zo weinig mogelijk mileuschadelijke eigenschappen en eenvoudige vervaardiging bij geringe aanschaffings-kosten; - een probleemloos gedrag bij ongevallen en bij beschieting, aangezien in het bijzonder een detonatieve omzetting niet optreedt; - veiligheid ten opzichte van zelfontsteking en zelfontleding of detonatie bij hoog-dynamische compressie van de vloeibare stoffen, bij adiabatische compressie van bellen in de vloeistof, bij wrijving en kortstondige "Hot Spots", bij contact met hete vlakken en bij cavitatie; - een goede ontsteekbaarheid onder wapencondities, en - zo laag mogelijke mol massa's van de ontledings-en reactieprodukten.

Door de bijzondere verhouding van koolwaterstof skelet en reactieve groepen bij elk drijfmiddel, dat uit slechts één bepaalde stof bestaat, waardoor de chemische samenstelling van de betreffende stof op geheel bepaalde waarden is vastgelegd, worden optimale waarden in het bijzonder met drijfstofmengsels verkregen.

Een voordelige drijfmiddelcomponent bij de voorgestelde drijfmiddelsoorten, welke tot een zo hoog mogelijke energieopbrengst leidt, bestaat volgens de kenmerken van de uitvinding uit gespannen koolwaterstof-ringsystemen met reactieve groepen zoals bijvoorbeeld nitrogroepen of azogroepen.

Het te gebruiken vloeibare drijfmiddel moet volgens de uitvinding ëën of meer reactieve groepen zoals waterstof en koolstof bevatten in een zodanige verhouding, dat een relatief energierijke, exotherme reactie wordt verkregen, en de hierbij ontstane, gedeeltelijk reeds gedissocieerde reactieprodukten door middel van een elektrische energie-inkoppeling goed in moleculen van zeer geringe mol massa gesplitst respectievelijk gedissocieerd kunnen worden.

Er is gebleken, dat daaraan beantwoordende stoffen met de vereiste eigenschappen voor een dergelijk drijfmiddel bestaan. Deze drijfmiddelcomponenten vertonen in het algemeen naast een koolwaterstofskelet reactieve groepen, die speciaal voor een verdere elektrisch geïnitieerde dissociatie geschikt zijn.

Claims

1. Drijfmiddel voor een vuurwapen met elektrisch ondersteunde vloeistofaandrijving, in het bijzonder voor chemisch-elektrische hybrideaandrijving met regeneratieve drijfmiddelinspuiting, met het kenmerk, dat organische verbindingen van een combinatie van koolstof en waterstof met één of meer reactieve groepen aanwezig zijn in een verhouding, die bij goede exotherme reactie van het drijfmiddel (koolwaterstof) de afsplitsing van moleculen of atomen van lagere mol massa mogelijk maakt.

2. Drijfmiddel volgens conclusie l,met het kenmerk, dat een drijfmiddelcomponent uit gespannen koolwaterstofringsystemen met reactieve groepen is gevormd.

3. Drijfmiddel volgens de conclusies 1 en 2, met het kenmerk, dat als reactieve groep nitroalkanen met één of meer nitrogroepen zijn gebruikt.

4. Drijfmiddel volgens conclusies 1 en 2, m e t het kenmerk, dat als reactieve groep alkaanoxyden met éên of meer oxydegroepen zijn gebruikt.

5. Drijfmiddel volgens conclusies 1 en 2, m e t het kenmerk, dat als reactieve groep zuuranhydriden, naar keuze met een butaandicarbonzuur, zijn gebruikt.

6. Drijfmiddel volgens conclusies 1 en 2, m e t het kenmerk, dat als reactieve groep alkinen gebruikt zijn, die één of meer ethyleengroepen bevatten.

7. Drijfmiddel volgens conclusies 1 en 2, m e t het kenmerk, dat als reactieve groep cyclische stikstofverbindingen aanwezig zijn.

8. Drijfmiddel volgens conclusies 1 en 2, m e t het kenmerk, dat als reactieve groep azoverbin- dingen aanwezig zijn.

9. Drijfmiddel volgens conclusie 1 en 2, m e t het kenmerk, dat als reactieve groep aciden zijn gebruikt.

10. Drijfmiddel volgens conclusies 1 tot 9, m e t het kenmerk, dat als reactieve groep een combinatie van twee of meer van de in de conclusies 3 tot 9 genoemde stoffen in één molecuul zijn aangebracht.

11. Drijfmiddel volgens conclusies 1 tot 10, me t het kenmerk, dat aan de stoffen van de reactieve groepen relatief inerte additieven zijn bijgevoegd.

12. Drijfmiddel volgens conclusies 1 tot 10, me t het kenmerk, dat aan de stoffen van de reactieve groepen langer-ketige koolwaterstoffen of alcoholen zijn toegevoegd.