NO139916B - Roekfritt, stabiltbrennende drivmiddel - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår stabiltbrennende, røkfrie drivmidler, mer spesielt, høy-energetiske ammonium-perklorat-drivmidler basert på et polybutadien-bindemiddel.

Et fravær av synlig eksos fra en rakettmotor er meget ønskelig, spesielt for militære formål. Et slikt fravær er mulig å oppnå ved at man fra drivmidlet eliminerer ethvert materiale som ved forbrenning vil danne et fast partikkelformet materiale (primærrøk). Dobbelt-baserte (nitrocellulose-nitroglycerin) drivmidler har vært de vanlige drivmidler som har vært anvendt for dette formål. Høy-energetiske sammensatte drivmidler basert på ammonium-perklorat i et organisk bindemiddel har brukt forskjellige forbindelser som danner faste partikler, da spesielt aluminium, for å eliminere forbrenningsustabiliteten og få en maksimal spesifikk impuls. Ved å eliminere aluminium fra systemet eliminerer man den primære røken, men får isteden et problem med en ustabil forbrenning når drivmidlene sammen-settes med høyt innhold av oksydasjonsmiddel, for derved å få høy spesifikk impuls.

Undersøkelser har vist at røkfrie ammonium-perklorat-drivmidler (AP) hvor man bruker en hydroksy-terminert polybutadien (HTPB) vil gi en røkfri eksos (primærrøk) og brenne stabilt i en motor hvis brennhastigheten er ca. 1,0 cm/sek. eller lavere ved et trykk på ' JO kg/cm 2. Ved brennhastigheter over forannevnte nivå, har forbrenningsustabiliteten begrenset bruken av slike sammensetninger.

Røk er definert som fast drivmiddel-eksos og innbefatter alle synlige effekter med unntak av flamme- eller lyseffekter. Røk kan imidlertid strengt tatt deles i to generelle kategorier: Den kan være primær, hvor faste partikler i eksosen påvirker lysets gjennom-gang i selve eksosen, uavhengig av omgivelsene, eller sekundær (indu-sert), hvor noen av gasskomponentene i eksosen, såsom HC1, HF, NOg eller kondenserbar vanndamp påvirker den omkringliggende luft, slik at man får frembragt synlige aerosoler av faste partikler eller av væske-partikler. Kilder for primær røk fra drivmidlet innbefatter uforbrent karbon eller metall-oksyder.

Et valg av ethvert drivmiddel innbefatter et valg mellom drivfaktorer, sikkerhetsfaktorer, lagringsfaktorer og økonomiske faktorer. Drivfaktorene innbefatter spesifikk impuls, tetthet og varmeutvidelseskarakteristika, mekaniske egenskaper, brennhastighet,

forbrenningsstabilitet, kammertrykkets følsomhet overfor korntempera-tur samt drivmidlets erosjonsevne. Sikkerhetsfaktorer innbefatter følsomhet overfor slag, friksjon, fall, brann og gnister. Videre, kan man som sikkerhetsfaktorer angi varmestabilitet eller selvantenn-elsestemperatur, risiko ved bearbeiding og fremstilling, toksisitet og eventuell toksisitet på eksosprodukter. Lagringsfaktorer innbefatter polymer-nedbrytning, følsomhet overfor fuktighet, vandring av mykningsmidler og katastrofe-fenoméner forbundet med korn-oppsprekk-ing og nedbrytning av bindingene i drivmidlet. Hvis man tidligere utviklet røkfrihet hos drivmidlet, resulterte dette vanligvis i at én eller flere av ovennevnte faktorer ikke kunne oppfylles i ønskelig grad.

Forbrenningsustabilitet er et komplekst fenomen som innbefatter en kombinasjon av motorens indre konfigurasjon og dimen-sjoner, såvel som drivmidlet. En motor viser ustabilitet når drivmidlets forbrenningsreaksjoner overfor trykk og hastighetsvariasjoner samvirker med de akustiske egenskaper i kammeret på en slik måte at man ved In eller flere frekvenser får tillagt den akustiske energi til den energi som utvikles av selve drivmidlet, og hvor denne samlede energi overstiger den som ledes vekk ved friksjonsdempning eller føres ut av kammeret ved konveksjon. Fordi nevnte fenomener innbefatter en samvirkning mellom motor-konfigurasjonen og drivmidlets egenskaper og fordi disse samvirkninger ikke fullt ut er forstått, er det ikke alltid mulig å utforme drivmidler og forbrenningskamre som vil garan-tere en stabil forbrenning.

Forbrenningsustabilitet er for tiden det primære problem ved anvendelse av røkfrie drivmidler. Man har nå i mange år brukt store mengder aluminium i faste drivmidler fordi dette nesten fullstendig hemmer forbrenningsustabilitet. Hvis man fjerner aluminiumen ved derved å gjøre drivmidlet røkfritt, så gjør dette at selve drivmidlet viser helt uakseptable tendenser mot ustabil forbrenning.

Det er følgelig en hensikt ved foreliggende oppfinnelse

å tilveiebringe et røkfritt dri-vmiddel hvor man i alt vesentlig undertrykker forbrenningsustabilitet.

Videre, er det en hensikt ved foreliggende oppfinnelse

å tilveiebringe et drivmiddel som i alt vesentlig er fritt for primær røk i eksosen og som samtidig har høy spesifikk impuls og brennhastighet uten å vise forbrenningsustabilitet.

Videre, er det en hensikt å tilveiebringe et ammonium-perklorat-inneholdende drivmiddel uten aluminium og som opprettholder forbrenningsstabilitet ved brennhastigheter på mer enn 1 cm/sek. ved

o

et trykk på ca. 70 kg/cm .

Man har nå oppdaget at ved å tilsette små mengder av additiver valgt fra gruppen bestående av ildfaste metallkarbider eller oksyder, vil gi et stabilitbrennende, røkfritt drivmiddel for visse kammer-drivmiddelinteraktive resonansefrekvenser og ved brennhastigheter over ca. 1 cm/sek. Når man tilsetter små mengder karbon i form av hule, tynnveggede kuler, hele eller ødelagte, eller i form av flak, så utvider man også resonansfrekvensområdet for stabil forbrenning. Forbrenningsstabilitet i et enda bredere om-

råde med hensyn til resonansfrekvenser, oppnås når man tilsetter små mengder karbonpulver sammen med metallkarbider eller oksyd og karbonkuler eller flak.

Disse og flere andre hensikter og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse,

hvor det henvises blant annet til de vedlagte tegninger, hvor

figur 1 er et diagram som viser avfyringskurven for en dobbel reaksjonsmotor hvor drivmidlet inneholder additiver ifølge foreliggende oppfinnelse, og

figur 2 er et diagram som viser forbrenningskurven for

et drivmiddel uten slike additiver.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt

et stabiltbrennende, røkfritt fast drivmiddel som inneholder en

herdet intim blanding av:

en større mengde av et fast uorganisk oksyderende salt, en mindre mengde av en forbrennbar syntetisk hydrokarbonelastomer dannet ved kjedeforlengelse og kryssbinding av funksjonelt-terminert, væskeformige butadienpolymerer, og 0,2-5 vekt-# av drivmidlet av et forbrenningsstabili-serende additiv, kjennetegnet ved at additivet vesentlig utgjøres av en kombinasjon av: (1) et oksyd eller karbid med smeltepunkt på minst 2000°C valgt fra torium-, wolfram-, silisium-, molybden-, aluminium-, hafnium-, zirkonium- og vanadiumoksyd og -karbid, og (2) partikkelformet karbon i form av små plater eller hule kuler med en tykkelse, respektiv veggtykkelse, på mellom 1 og 10 mikron og en lengde, respektivt diameter, på mellom 25 og 400 mikron.

Drivmidlet inneholder vanligvis en høy mengde for-brennbare, faste stoffer, typisk over 65 vekt-/?, og en mengde av det elastomere bindemiddel som vanligvis er under 15 vekt-#. Det benyttes også en mindre mengde brennhastighetsakseleratorer, vanligvis under 3 vekt-%. Oksydasjonsmidlet er fortrinnsvis ammonium-perklorat, idet andre muligheter er HMX og RDX.

Hydrokarbonelastomeren kan være karboksyterminert polybutadien herdet med aminer eller epoksyder, polybutadien-akrylo-nitril-akryliske terpolymerer herdet med epoksyder, samt hydroksy-terminerte polybutadiener herdet med diisocyanater. Det er foretrukket å bruke hydroksy-terminerte polybutadiener av økonomisk grunn, reaktivitet, de er lett tilgjengelige og har gode mekaniske, egenskaper. Butadienen kan være fremstilt ved såkalt litium-initiert polymerisering (Li-HTPB) eller en friradikal-initiert polymerisering

(FR-HTPB).

Drivmidlet kan videre inneholde en mindre mengde, dvs. vanligvis under 10%, av forskjellige additiver, såsom herdningsfremmende midler, stabilisatorer eller tiksotrope reguleringsmidler eller reaktive polymere modifiserende forbindelser, såsom én eller flere dioler eller polyoler. Isocyanatet er vanligvis tilstede i en mengde som minst er ekvivalent til den som er nødvendig for å reagere med hydroksy-prepolymeren og hydroksyl-substituerte modifiserende forbindelser. Ekvivalent-vekten av den flytende prepolymer er minst

7,.iS.

1.000, vanligvis ikke mer enn 5.000. Funksjonaliteten pa polymeren

er fordelaktig fra 1,7 til 3,0, fortrinnsvis fra 1,9 til 2,3, slik at man ved., tverrbinding og kjedeforlengelse får dannet elastomere polymerer med en molekylvekt på minst 3.000. Ettersom pre-polymerer med høy molekylvekt kan kreve varme for å redusere viskosi-teten, er molekylvekten fortrinnsvis fra 1.000 til 4»000.

Pdlyisocyanatet for herding av prepolymeren kan velges fra de med generell formel R(NC0)m hvor R er et di- eller polyvalent organisk radikal med fra 2 til 30 karbonatomer, og hvor m er 2, 3 eller 4* R kan være alkylen, arylen, aralkylen eller cykloalkylen. Det er foretrukket at det organiske radikal i alt vesentlig er et hydrokarbon av karakter, skjønt et nærvær av ureaktive grupper inneholdende elementer forskjellig fra karbon og hydrogen kan tillates, noe som også er tilfelle med reaktive grupper som ikke er istand til å reagere med isocyanat-grupper som eventuelt er istand til å danne urea eller karbamat-bindinger,noe som vil påvirke den forønskede reaksjon.

Eksempler på egnede forbindelser av denne type innbefatter benzen-l,3-diisocyanat, heksan-l,6-diisocyanat, toluen-2,4-diisocyanat (TDI), toluen-2,3-diisocyanat, difenyl-metan-4,4'-diisocyanat, naftylen-1,5-diisocyanat, difenyl-3,3'-dimetyl-4,4'-diisocyanat, difenyl-3,3'-dimetoksy-4,4'-diisocyanat, butan-1,4-diisocyanat, cykloheks-4-ene-l,2-diisocyanat, benzen-1,3,4-triisocyanat, naftylen-1, 3 > 5 >7-tetraisocyanat, metafenylen-diisocyanat (MDI), isocyanat-terminerte prepolymere, poly-aryl-polyisocyanater og lignende.

Polyolene er fortrinnsvis, men ikke begrenset til, dioler eller trioler og kan enten være mettede eller umettede alifatiske, aromatiske eller visse polyester eller polyeter-produkter. Eksempler innbefatter glycerol, etylen-glykol, propylen-glykol, neopentylglykol, pentaerytritol, trimetyloletan, glycerol triricineolat eller alkylen-oksyd-addukter av anilin, såsom Isonol som er N,N-bis-(2-hydroksy-propyl)-anilin og mange andre velkjente polyoler som kan tilsettes bindemiddelsammensetningen for å regulere graden av tverrbinding.

Den spesielle forbindelse samt den mengde denne forbindelse anvendes i, er avhengig av funksjonaliteten og naturen på den hydroksyltermi-nerte prepolymer og det polyisocyanat som brukes i bindemiddelsammensetningen.

Ettersom funksjonaliteten på Li-HTPB vanligvis er noe under 2, er polyolen fortrinnsvis en triol, slik at man får en tverrbinding mellom polymere kjeder ved en reaksjon med isocyanater.

Som eksempler på polyoler, kan man nevne glycerol-triricinoleat (GTRO) og Isonol (et propylen-oksyd-addukt av anilin), N,N-bis-(2-hydroksy-propyl)-anilin. Polyisocyanatet er tilstede i en tilstrekkelig mengde til å tilfredsstille støkiometrien, dvs. funksjonaliteten på HTPB og andre tilstedeværende polyoler. Polyisocyanatet kan være di-, tri-eller høyere funksjonelt og kan være alifatisk av natur, såsom heksan-diisocyanat, men er fortrinnsvis et aromatisk polyisocyanat såsom TDI. Man kan bruke et analytisk herdningsfremmende middel. Disse midler kan være metallsalter, såsom metall-acetylacetonater, fortrinnsvis torium-acetylacetonat (ThAA) eller jern-acetylacetonat (FeAA).

De forbrenningsstabilitetsfremmende additiver kan

brukes alene, men blir fortrinnsvis brukt i kombinasjoner og anvendes i konsentrasjoner på 0,2-5 vekt-# av drivmidlet som enkelt-ingredienser eller kombinert.

Bruken av karbon i de ildfaste metall-forbindelser, såsom zirkoniumkarbid, vil ha en minimal effekt på røkfriheten. Karbon vil selvsagt brenne fullstendig til CO og C02, mens zirkon-karbid i mengde på 0,5$ vil fremstille 0,7 g fast Zr02 pr. 100 g for-brent drivmiddel. Røkmålinger ved avfyringer av drivmidler fremstilt med additiv og et uten, viste at lystransmisjonen gjennom eksos-strålen var den samme for begge drivmidler, noe som viser at nevnte ZrC ikke hadde noen målbar effekt på mengden av den fremstilte primærrøk.

Man antar at både karbonet og ZrC funksjonerer via en spesiell dempningsmekanisme. Det tilstedeværende karbon og ZrC repre-senterer dessuten to forskjellige klasser av forbindelser. Én virker som en partikkelformet demper nær den forbrennende overflate. Karbon blir fullstendig forbrukt under forbrenningen og kan ikke virke slik at den tilveiebringer partikkelformet demping hele tiden mens gassen er tilstede i motoren. Det annet middel, nemlig ZrC er partikkelformet og er tilstede i gassfasen enten som ZrC eller ZrOg, mest sann-synlig som ZrC.

Som karbon kan anvéndes "Thumax" (0,3v0, og når pro-duktet brukes i form av flak eller små plater, er den foretrukne størrelse fra 10 til 150 u x 1 til 8 p tykt. Hele kuler gir forbedret effektivitet sammenlignet med ødelagte kuler, idet man eliminerer en ustabilitet som opptrer omkring 2200 Hz. En elimina-sjon av frekvenser over 5-000 Hz kan tilveiebringes ved ytterligere å tilsette karbonpulver.

Karbonkuler som har vist seg effektive i foreliggende oppfinnelse, er nedenforstående karbonkuler.

Teoretisk, er forbrenningshastigheten for et drivmiddel kun avhengig av kammertrykket. I virkeligheten er den også avhengig av hastigheten på den gass-strøm som går over den brennende overflaten. Jo høyere gass-hastighet på tvers av et punkt på et korn, jo høyere vil forbrenningshastigheten være på dette punkt. Noen drivmidler er mer følsomme overfor eroderende brenning enn andre. Imidlertid er eroderende brenning mer fremherskende hos drivmidler med lav forbrenningshastighet enn hos de som har høye forbrenningshastigheter.

Ustabil forbrenning er et fenomen som er vanlig i alle drivmiddelsystemer, dog ikke for alle spesifikke drivmidler innen ett enkelt system. Videre, er det slik at additiver som i ett system kan regulere forbrenningsustabiliteten, kan ha ingen effekt eller skadelig effekt på et annet drivmiddel eller annet bindemiddelsystem. Tilsyne-latende er ustabil forbrenning mer vanlig hos drivmidler med høy energi enn lav-energetiske drivmidler. Prøver indikerer at ustabil forbrenning skyldes at det oppstår transverse eller langsgående akustiske svingninger i forbrenningsgassen under forbrenningen. Disse svingninger resulterer i områder med høy og lav hastighet omkring og langs kornene, og dette har en markert effekt på den lokale forbrenningshastigheten. I områder med høy hastighet stiger forbrenningshastigheten meget raskt, noe som frembringer en ytterligere økning i trykket. I områder med lav hastighet eller i knutepunktene vil forbrenningshastigheten være meget lav. Man kan i slike tilfeller se at en ujevn forbrenning av kornene kan frembringe en for tidlig oppbryt-ning, selv om det midlere kammertrykk ikke overstiger det maksimale kammertrykk. Ekstremt uregelmessig drift og kammersammenbrudd er vanligvis forbundet med forverret og uregulerbar resonans eller ustabil forbrenning, skjønt man i visse raketter bare kan påvise dette ved hjelp av høyfrekvensapparatur. Det synes som om eroderende og ustabil forbrenning er nær sammenknyttede fenomener.

Forbrenningsustabilitet i røkfrie drivmidler i overens-stemmelse med foreliggende oppfinnelse ble studert i nT,,-brenner som er en standardanordning for eksperimentell måling av forbrenningsustabilitet. Nevnte brenneranordning bruker motstående sylindriske korn og blir vanligvis brukt ved trykk fra 35 til " JO kg/cm . Kammer-lengden ble variert for å få fundamentale akustiske frekvenser nær 3-000 og 4.000 Hz. Disse prøvene ble utført.for å bestemme følgende parametre:

otg = vekstkonstant for akustisk trykk

AP = amplitude for akustiske trykk-svingninger

Rk = responsfunksjon, forbrenningshastighetsforandringer

i forhold til trykkforandringer

Det ble fremstilt sylindriske korn med 12 deler av et hydroksy-terminert polybutadien-bindemiddelsystem inneholdende en støkiometrisk mengde TDI og en passende mengde av ammonium-perklorat og forskjellige additiver. Preparatet ble opparbeidet til sylindriske korn som var egnet for nevnte "T'*-brennerprøve, og resultatene av prøven er angitt i den følgende tabell.

Drivmidlet med høy forbrenningshastighet og uten additiv, dvs. Eksempel nr. 2, er mer ustabilt ved 3.000 Hz, dvs. høyere a AP og 11^. De drivmidler som inneholdt oppbrukne karbonkuler (Eksempel 5) eller zirkon-karbid (Eksempel 8) eller disse additiver i kombinasjon (Eksempel 7) eliminerer ustabiliteten ved 3«000 Hz, samtidig som man fikk en viss fordel ved 2.000 Hz, spesielt med hensyn til redusert responsfunksjon (R^). Drivmiddel nr. 6 som innbefattet standard amorft, karbonpulver av gummi-kvalitet, betegnelse P-33> viser noen reduksjon med hensyn til ustabilitet ved 3-000 Hz, men er ikke så effektivt som karbon i form av oppbrukne, hule kuler (Eksempel 5)-

Denne nedsetning i forbrenningsustabilitetén som ble vist i "T,,-brennerne er blitt verifisert i motorforbrenninger i en dobbelt reaksjonsmotor hvor kornene var sammensatt av 88% ammonium-perklorat (AP) i et HTPB-bindemiddel med 0,5% zirkonkarbid (ZrC). Skjønt man kunne observere noen ustabilitet på grunn av DC-forskyvningen, så var denne forskyvningen bare 10% av det som ble vist ved drivmidlet uten additiv. Videre, var begynnelsen av forskyvningen forsinket inntil slutten av forbrenningsfasen.

Det ble avfyrt en annen motor hvor man brukte kombinasjonen av 0,5% ZrC og 0,5% delvis oppbrudte karbonkuler, dvs. sammensetning nr. 8. Resultatene var endog bedre med denne motor. DC-forskyvningen ble eliminert fullstendig, og man fikk et residualt trykk koplet med en maksimal amplityde på bare 0,07 kg/cm ved et driftstrykk på 84 kg/ cm 2. Denne mindre ustabilitet er helt akseptabel innenfor de vanlige driftsgrenser man opererer med i faste rakettmotorer.. Avfyringskurven for denne dobbelte reaksjonsmotor er vist i figur 1, hvor man brukte sammensetning nr. 8 i selve avfyringsfasen. Figur 2 viser et drivmiddel av samme sammensetning, men uten additiver, og viser store trykkvariasjoner, noe som er et resultat av forbrenningsustabilitet.

Det ble utført ytterligere forsøk med <n>T<M->brenneren, for å undersøke effekten av 1% ZrC (intet karbon) på stabiliteten på de samme drivmidler som ble brukt for å bedømme 0,5% blandingen med

karbon, dessuten for å undersøke effekten av å bruke et lavere prosent-vis innhold av ammonium-perklorat hvorved man fikk fremstilt et drivmiddel med lavere forbrenningshastighet. Resultatene er vist i den etterfølgende tabell.

Data fra ovennevnte tabell viser at 1% ZrC (Eksempel nr. 9) tilsvarer det drivmiddel som inneholdt blandingen av additiver (Eksempel nr. rJ). En anvendelse av noe karbon anses som betydelig bedre, ettersom dette ikke skaper noen partikkelformet røk. Avfyringer av drivmidlene fra Eksemplene nr. 10 og 11 var begge stabile inntil forholdet S^/S^ var 1 eller mindre, hvoretter avfyringen ble ustabil. Stø angir arealet av brennende drivmiddel, mens Sqq er tverr-snittsarealet i forbrenningskammeret. Langsomt-brennende drivmidler inneholdende en mindre mengde ammonium-perklorat, slik det er vist i Eksempel nr. 12, viser med denne sammensetning en forbedret stabilitet, idet det er stabilt ved frekvensene 2200 og 2600 Hz. Videre <n>T<M->brennerdata er vist i den etterfølgende tabell.

Kontroll-drivmidlene 17 og 18 viser at uten additiver var alle AP-drivmidler ustabile ved 2000 og 3000 Hz, skjønt de ble stabilisert ved en frekvens på 4000 Hz. Det er innlysende at høyere forbrenningshastigheter, dvs. drivmiddel nr. 18, der øker ustabiliteten ved 3000 Hz.

Effekten av forskjellige former av karbon kan sees i drivmidlene 14, 29, 13 og 15- Hverken P-33 (Eksempel 14) eller karbon-fibrene (Eksempel 15) ga en forbedring med hensyn til stabiliteten ved 87% AP. Karbon-kuler A-100 (Eksempel 13) ga bedret stabilitet ved 87% AP og 3000 Hz. Ved 88% AP ga karbonkulene bedret stabilitet både ved 3000 og 4000 Hz.

Zirkon-karbid (Eksempel nr. 16) ga betydelig forbedret stabilitet ved 3000 og 4000 Hz. Ytterligere prøving av karbonkuler,

1% og ZrC, 0,5%, som enkelt-additiver i-en "T"-brenner og også i motorer (Eksemplene 19, 20 og 21) viste at disse sammensetninger var ustabile i <w>T"-brenneren ved 2500 Hz. Motor-avfyringer av drivmidlet fra Eksempel 21 viste også at disse sammensetninger var ustabile når drivmiddelbåndet var brent ut til en diameter som tilsvarer en frekvens på 4000 til 5000 Hz.

I kombinasjon ga ZrC og karbonkulene (Eksemplene 25, 19> 26, 23 og 24) stabil forbrenning i <n>T"-brenneren ved 25OO Hz og var også stabil i 22,5 cm O.D. korn, når drivmidlet ble avfyrt i motorer med en utbrenningsfrekvens på 27OO Hz. Effekten av kombinasjonen gir en forbedring i stabiliteten som er bedre enn den som vises av de enkle ingredienser når disse brukes alene.

En videre bedømmelse av effekten av karbon og ZrC ble prøvet i eksemplene 27, 28 og 29, og viste at både karbonpulvere såvel som kuler ga bedret stabilitet ved 2600 Hz, skjønt alle kombinasjoner var ustabile ved 2200 Hz. De amorfe svarte kullpulverene var stabile i "T"-brenneren, selv ved et S^/S^-forhold så langt ned som 1, dvs. forholdet mellom drivmidlets brennende overflate til tverrsnittarealet i forbrenningskammeret, mens drivmidlet med karbonkuler med ZrC var ustabilt i dette område. Skjønt denne ustabilitet var påvisbar i »»Tn-brennerne, kunne man ikke observere noen ustabilitet i motor-avfyringer, noe som skyldes at man ved S^/S^-forhold på 1 får en avfyring av kornene som flate stykker, og man får intet bidrag fra sideveggfor-brenning, noe som er typisk ved avfyring av korn med nevnte konfigurasjon. Resultatene viser at stabiliteten over 2500 Hz i alt vesentlig skyldes kombinasjonen av karbon og ZrC og er ikke avhengig av formen

på karbonet.

De data som er angitt i Tabell 5» viser en sammenligning mellom <w>T"-brenner-resultatene ved 63 og 175 kg/cm og prøver utført i en normal motor ved 63 og 105 kg/cm ved 21 C. Bindemidlet var i hvert eksempel et myknet HTPB.

Korrelasjonen mellom motor-diameter og motor-resonans-frekvens er vist i den etterfølgende tabell:

De i tabell 5 angitte data viser god korrelering mellom

de resultater som ble oppnådd med en <M>T<M->brenner og motorene. Dette fremgår spesielt tydelig for eksempel nr. 471 hvor ""C-brenneren viser stabilitet ved 2600 Hz, mens motoren viste stabilitet ved 269O Hz, og hvor "TM<->brenneren viste ustabilitet ved lavere frekvenser under 2200 Hz.

Eksempel nr. 36 {89% AP, hastighet =1,03 cm/sek. ved

70 kg/cm 2 ) og som ikke inneholdt noe additiv, var ustabilt båode i wT"-brenneren ved 2500 Hz og i motoren endog ved en høyere frekvens på ca. 4000 Hz.

Eksempel nr. 37 (88% AP, 0,5% Fe^, hastighet = 1,47 cm/sek. ved 70 kg/cm^) var igjen ustabilt ved høyere frekvens i motoren, noe som indikerer en effekt av høyere forbrenningshastighet på ustabiliteten.

Eksempel nr. 38 (87% SP, hastighet = 1,22 cm/sek. ved

70 kg/cm 2 ) som inneholdt 100 karbonkuler og 5 ^ ZrC var stabil båode i <«»>T"-brenneren og i motoren ved avfyringer ned til 48OO Hz, noe som illustrerer effekten av additiv-kombinasjonen.

Eksempel nr. 39 (87% AP, hastighet =1,35 cm/sek. ved

70 kg/cm ) som inneholdt 200 y. karbonkuler og 5 ^ ZrC, var stabilt i "T<n->brenneren, noe som viser at 200 ji karbonkuler var like effektive som 100 ^u-kulene.

Eksempel nr. 4-0 (88% AP, hastighet = 1,40 cm/sek. ved

70 kg/cm ) inneholdt bare 0,5% ZrC og var ustabilt i "T"-brenneren og ved ^5000 Hz i motoren, noe som viser at karbonkulene er nødvendig for stabilitet.

Eksempel nr. 41 (87% AP, hastighet = 1,32 cm/sek. ved

70 kg/cm ) som inneholdt 1% 200 ^1 karbonkuler, var ustabilt i "TM<->brenneren, noe som viser at det er nødvendig med ZrC i kombinasjon.

Eksempel nr. 42 (88% AP, hastighet = 1,03 cm/sek. ved

70 kg/cm ) som inneholdt 1% 200 ^1 karbonkuler, var ustabilt i "TM-brenneren og i motoren ved ^4.000 Hz, noe som igjen viser at kombinasjonen var nødvendig for å oppnå stabilitet.

Gjenværende drivmidler illustrerer effekten av kombinasjonen av karbon-kuler og ZrC. Resultatene både fra <M>T<M->brenneren og motoren viser effektiviteten av additiv-kombinasjonen ved at man oppnår stabilitet innen et vidt område med hensyn til forbrenningshastigheter, dvs. fra 1,0 til 1,5 cm/sek. ved 70 kg/cm o ved frekvenser så lavt som 2500 Hz og et innhold av oksydasjonsmiddel fra 87 til 88%. Ved forbrenningshastigheter over 1,5 cm/sek. ved 70 kg/cm 2 var det

en ustabilitet ved 2500 Hz i "T<w->brenneren. Stabiliteten i motoren ble opprettholdt i temperaturer fra -39,6° til 57i2°C noe som er vist ved den motor som ble avfyrt med drivmiddel fra Eksempel 47*

Det er således innlysende at faste additiver, såsom ildfaste metallkarbider alene, uregelmessige tynne karbon-partikler, såsom oppbrudte karbon-kuler eller kombinasjonen av ildfaste metall-forbindelser med diverse former for karbon, er istand til å tilveiebringe stabilt-brennende, høy-energetiske, røkfrie drivmidler uten betydelig tap av spesifikk impuls, selvom aluminium er fullstendig eliminert fra drivstoffet.

Det er i den etterfølgende tabell angitt en serie prøver utført med en <M>T<n->brenner for drivstoffer inneholdende andre ildfaste forbindelser, såsom 0,5 vekt-% hafnium-oksyd, niob-karbid eller tantal-karbid i kombinasjon med 0,5 vekt-% 200 mikron karbon-kuler og 87% ammonium-perklorat (AP).

Eksempel 5^

Et drivmiddel ble fremstilt med følgende ingredienser: 19 kg av drivmidlet ble avfyrt i en normal motor. Motoren utviklet en kraft på fra l80 til 360 kg, og man fant ingen frekvenser over 5.000 Hz.

Drivmidler som ikke inneholder additiver ifølge foreliggende oppfinnelse, vil ikke forbrenne stabilt hvis ikke ammonium-perklorat-innholdet er under 80 vekt-/?. Dette vil senke både drivmidlets impuls og tetthet. Drivmidlet ifølge foreliggende oppfinnelse inneholdende stabiliserende, røkfrie additiver, gjør at man kan opparbeide drivmidler inneholdende over 85$ ammonium-perklorat, hvorved man kan få fremstilt et fast drivmiddel med høy tetthet og som brenner stabilt med høy spesifikk impuls og uten synlig røk.

Claims (5)

1. Stabiltbrennende, røkfritt fast drivmiddel som inneholder en herdet intim blanding av: en større mengde av et fast uorganisk oksyderende salt, en mindre mengde av en forbrennbar syntetisk hydrokarbonelastomer dannet ved kjedeforlengelse og kryssbinding av funksjonelt-terminerte, væskeformige butadienpolymerer, og 0,2-5 vekt-% av drivmidlet av et forbrenningsstabili-serende additiv, karakterisert ved. at additivet vesentlig utgjøres av en kombinasjon av: (1) et oksyd eller karbid med smeltepunkt på minst 2000°C valgt fra torium-, wolfram-, silisium-, molybden-, aluminium-, hafnium-, zirkonium- og vanadiumoksyd og -karbid, og (2) partikkelformet karbon i form av små plater eller hule kuler med en tykkelse, respektiv veggtykkelse, på mellom 1 og 10 mikron og en lengde, respektivt diameter, på mellom 25 og HOO mikron.

2. Drivmiddel ifølge krav 1, karakterisert ved at den som bindemiddel benyttede hydrokarbonelastomer er tilstede i en mengde på høyst 15 vekt-%, og ved at additivet er tilstede i en mengde på 0,1-4 vekt-%.

3- Drivmiddel ifølge krav 2, karakterisert ved at bindemidlet er en kjedeforlenget og herdet, væskeformig polybutadienpolymer med en ekvivalentvekt på mellom 1000 og 5000 og en funksjonalitet på mellom 1,7 og 3,0.

4. Drivmiddel ifølge krav 35karakterisert ved at det oksyderende salt er ammoniumperklorat i en mengde på mellom 85 og 90 vekt-%.

5. Drivmiddel ifølge krav 1, karakterisert ved at additivet omfatter 0,2-1 vekt-% av et metallkarbid med en partikkelstørrelse i området 2-10 mikron.