WO2016075091A1 - Pyrotechnisches verzögerungselement - Google Patents

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Dirk FUNKE
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
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    • C06B33/12—Compositions containing particulate metal, alloy, boron, silicon, selenium or tellurium with at least one oxygen supplying material which is either a metal oxide or a salt, organic or inorganic, capable of yielding a metal oxide the material being two or more oxygen-yielding compounds

Definitions

  • the invention relates to a pyrotechnic retarding element for use in pyrotechnic igniter chains, and more particularly to a retarder set therein.
  • the delay element is characterized by a flexible and easy adjustment of the burning speed over a wide range.
  • the triggering takes place via ignition chains, which can consist of several igniters.
  • the task of this ignition chain is to convert an external trigger pulse into a pyrotechnic reaction and to react the effective charge at the desired time. Often it is necessary to keep a certain time interval between the external trigger and the reaction of the active charge. Since the times for external triggering and reaction of the active charge are generally fixed uninfluenced, a so-called delay element must ensure the necessary time interval (delay time) within the ignition chain. This delay time can be between a few milliseconds and several seconds, depending on the application.
  • the ignition retarder (1) consists of a cylindrical metal tube (2) and usually contains three pyrotechnic sets.
  • Metal tube (2) is preferably made of steel, brass or aluminum.
  • the flame-sensitive Anakiungssatz (3) which is ignited by the upstream ignition means and has the task to safely ignite the following usually less sensitive delay set (4).
  • the firing set (5) On the output side, after the delay set, there is the firing set (5) which ensures the transmission of the reaction to the following firing means.
  • the pyrotechnic reaction thus runs linearly through the ignition retarder. All sets are introduced by one or more parts loading and pressing processes in the metal body. From a design point of view of the ammunition, it is desirable to realize the different delay times with a fixed length of the ignition retarder.
  • the control of the delay time is preferably realized by the composition of sentences. What is needed, therefore, is a delay set system that can be fine-tuned within its composition allows the setting of the desired delay time.
  • Pyrotechnic delay sets have been known for decades and are also used in civil blasting technology in so-called explosive detonators. They usually consist of a mixture of fuel and oxidant. Compared to civil applications, additional requirements are added when used in pyrotechnic ammunition.
  • the burn - through capability ie the reliable linear burnup of the
  • Delay rate must be given over a wide temperature range (at least -54 ° C to +71 ° C) and largely independent of the pressure conditions.
  • the burning rate should ideally have no or only a small dependence on the temperature and the external pressure. It is distinguished between ignition retardants in "closed” and “open” construction. When the construction is closed, a triggering element (for example a primer cap) and a cover of the firing kit are integrated. In open design, the surfaces of the firing and firing are free. The open design requires from the used pyrotechnic sets a high degree of independence of the burning speed from the external pressure. In addition, a high stability of the delay rates and compatibility with the
  • Pyrotechnic delay sets can be prepared as a dry mixture of the starting materials or in a wet process with the addition of a binder as granules of the starting materials.
  • pyrotechnic delay sets are often used in open fire retardants for military applications, which on the one hand contain SVHC substances (Substances of Very High Concern) and, on the other hand, a comparatively clear one
  • the temperature response in the processed state in the ignition retarder is approximately 10 to 20% of the nominal value of the delay time (temperature range: -54 ° C to +71 ° C).
  • the present invention has for its object to provide a pyrotechnic delay element for pyrotechnic ignition chains. This should:
  • a retarding element which contains in a metal sleeve a Anakiungssatz-, a Verzögerungssatz- and a Feuerungssatz mixture, wherein the starting and Feuerungssatz mixture at least 35 parts by weight of boron, at least 15 parts by weight of iron (III) oxide and at least 5 parts by weight of potassium perchlorate are in each case contained in addition to 100 wt .-% and in the mixture of the delay rate at least 5 parts by weight of potassium perchlorate, at least 10
  • titanium (IV) oxide Parts by weight of titanium (IV) oxide, at least 25 parts by weight of tungsten and at least 1 part by weight of aluminum are contained. Components listed in the mixtures with a minimum content and optionally at least one further component supplement each other to 100 parts by weight.
  • a retarding element in which the starting and firing rate mixture consist of at least 70 parts by weight of red lead and at least 20 parts by weight of silicon.
  • Delay rate still contain 0.1 - 3% by weight of a binder as a surcharge.
  • the length of the metal sleeve is 19 mm with an outer diameter of 6 mm and an inner diameter of 3.6 mm.
  • the height of the delay rate column is 9 mm in all examples. Firing and firing have a height of 5 mm each.
  • the delay time is then defined as the time between the initiation of the firing charge and the firing charge reaction ( Figure 2).
  • the preferred delay time of 2.25 seconds, for example, with the following
  • Potassium perchlorate 10% The desired good burn through capability could be proven by testing about 1000 ignition restraints of this design. Based on 1000 error-free tests, a minimum reliability of 99.7% (confidence level 95%) results, which clearly exceeds the usual military requirements for such components of 99%.
  • the dependence of the firing time on the temperature was determined by the delay time in the firing delay in the temperature range between -54 ° C and +71 ° C. In the temperature range considered, it is about 8%, based on the firing rate at room temperature, and is thus clearly below the value of about 10-20% in conventional typesetting systems (for example potassium perchlorate / lead chromate / antimony).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein pyrotechnisches Verzögerungselement für die Verwendung in pyrotechnischen Anzündketten, welches ein Anfeuerungssatz-, ein Verzögerungssatz- und ein Abfeuerungssatz-Gemisch enthält, wobei das An- und Abfeuerungssatz-Gemisch mindestens 40 Gewichtsanteile Bor, mindestens 20 Gewichtsanteile Eisen(III)-oxid und mindestens 5 Gewichtsanteile Kaliumperchlorat sich jeweils ergänzend zu 100 Gew.-% enthalten sind und in der Mischung des Verzögerungssatzes mindestens 5 Gewichtsanteile Kaliumperchlorat, mindestens 10 Gewichtsanteile Titan(IV)-oxid, mindestens 30 Gewichtsanteile Wolfram und mindestens 2 Gewichtsanteile Aluminium enthalten sind.

Description

Pyrotechnisches Verzögerungselement
Die Erfindung betrifft ein pyrotechnisches Verzögerungselement für die Verwendung in pyrotechnischen Anzündketten und insbesondere einen Verzögerungssatz darin. Das Verzögerungselement zeichnet sich durch eine flexible und einfache Einstellung der Brenngeschwindigkeit über einen weiten Bereich aus.
Bei pyrotechnischer Munition erfolgt die Auslösung über Anzündketten, die aus mehreren Anzündmitteln bestehen können. Aufgabe dieser Anzündkette ist es, einen externen Auslöseimpuls in eine pyrotechnische Reaktion umzuwandeln und die Wirkladung zum gewünschten Zeitpunkt zur Reaktion zu bringen. Oftmals ist es notwendig, ein bestimmtes Zeitintervall zwischen dem externen Auslöseimpuls und der Reaktion der Wirkladung einzuhalten. Da die Zeitpunkte für externe Auslösung und Reaktion der Wirkladung in der Regel unbeeinflussbar feststehen, muss innerhalb der Anzündkette ein sogenanntes Verzögerungselement den notwendigen Zeitabstand (Verzögerungszeit) sicherstellen. Diese Verzögerungszeit kann in Abhängigkeit von der Anwendung zwischen einigen Millisekunden und mehreren Sekunden liegen.
Eine typische Ausführungsform eines Verzögerungselementes (auch Anzündverzögerer genannt) zeigt Abbildung 1 . Der Anzündverzögerer (1 ) besteht aus einem zylindrischen Metallröhrchen (2) und enthält in der Regel drei pyrotechnische Sätze. Das zylindrische
Metallröhrchen (2) besteht vorzugsweise aus Stahl, Messing oder Aluminium. Eingangsseitig befindet sich der flammempfindliche Anfeuerungssatz (3), der durch das vorgeschaltete Anzündmittel angezündet wird und die Aufgabe hat, den nachfolgenden in der Regel unempfindlicheren Verzögerungssatz (4) sicher anzuzünden. Ausgangsseitig befindet sich nach dem Verzögerungssatz der Abfeuerungssatz (5), der die Übertragung der Reaktion auf das folgende Anzündmittel sicherstellt. Die pyrotechnische Reaktion läuft also linear durch den Anzündverzögerer hindurch. Alle Sätze werden durch ein- oder mehrteilige Lade- und Pressprozesse in den Metallkörper eingebracht. Aus konstruktionstechnischer Sicht der Munition ist es wünschenswert, die unterschiedlichen Verzögerungszeiten mit einer festen Länge des Anzündverzögerers zu realisieren. Da die Menge des Abfeuerungssatzes (5) konstant gehalten werden muss (Sicherstellung einer gleichmäßigen Ausgangsleistung) und auch die Länge der Anfeuerung nur in begrenztem Umfang variiert werden kann, ist die Steuerung der Verzögerungszeit vorzugsweise durch die Satzzusammensetzung zu realisieren. Notwendig ist daher ein Verzögerungssatzsystem, dass durch Feinabstimmung innerhalb seiner Zusammensetzung die Einstellung der gewünschten Verzögerungszeit ermöglicht.
Pyrotechnische Verzögerungssätze sind seit Jahrzehnten bekannt und finden auch in der zivilen Sprengtechnik bei sogenannten Sprengzeitzündern Anwendung. Sie bestehen in der Regel aus einem Gemisch von Brennstoff und Oxidationsmittel. Gegenüber den zivilen Anwendungen kommen bei Einsatz in pyrotechnischer Munition zusätzliche Anforderungen hinzu. Das Durchbrennvermögen (also der zuverlässige lineare Abbrand des
Verzögerungssatzes) muss über einen großen Temperaturbereich (mindestens -54°C bis +71 °C) und weitgehend unabhängig von den Druckverhältnissen gegeben sein. Dabei sollte die Brenngeschwindigkeit idealerweise keine oder nur eine geringe Abhängigkeit von der Temperatur und dem äußeren Druck aufweisen. Es wird zwischen Anzünd verzögerern in „geschlossener" und„offener" Konstruktion unterschieden. Bei geschlossener Bauweise sind ein auslösendes Element (beispielsweise ein Anzündhütchen) und eine Abdeckung des Abfeuerungssatzes integriert. In offener Konstruktion liegen die Oberflächen der An- und Abfeuerung frei. Die offene Konstruktion verlangt von den verwendeten pyrotechnischen Sätzen eine weitgehende Unabhängigkeit der Brenngeschwindigkeit vom äußeren Druck. Zudem ist eine hohe Stabilität der Verzögerungssätze und Verträglichkeit mit den
Kontaktmaterialien notwendig, um die lange Lebensdauer zwischen 12 und 20 Jahren zu gewährleisten. In diesem Zeitraum sollte sich die Brenngeschwindigkeit nicht ändern.
Pyrotechnische Verzögerungssätze können als Trockenmischung der Ausgangsstoffe oder in einem Nassverfahren unter Zugabe eines Binders als Granulat der Ausgangsstoffe hergestellt werden. Derzeit werden in offenen Anzündverzögerern für militärische Applikationen oftmals pyrotechnische Verzögerungssätze verwendet, die einerseits SVHC-Stoffe (Substances of Very High Concern) enthalten und andererseits einen vergleichsweise deutlichen
Temperaturgang der Brennzeit aufweisen. Ein typischer Vertreter dieser Verzögerungssätze ist ein System bestehend aus Kaliumperchlorat, Bleichromat, Antimon und einem Bindemittel wie Nitrozellulose. Dieser Verzögerungssatz enthält mit Bleichromat einen SVHC-Stoff, der nach Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 REACH seit Mai 2015 genehmigungspflichtig ist.
Zudem beträgt der Temperaturgang im verarbeiteten Zustand im Anzündverzögerer ca. 10 bis 20% des Nennwertes der Verzögerungszeit (Temperaturbereich: -54°C bis +71 °C). Zur Steigerung der Präzision der pyrotechnischen Munition ist hier eine deutliche Verbesserung wünschenswert. Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein pyrotechnisches Verzögerungselement für pyrotechnische Anzündketten anzugeben. Dieses soll:
• eine Einstellmöglichkeit der Verzögerungszeit von 0,5 bis 5 s innerhalb einer
Rahmenzusammensetzung des Verzögerungssatzes bei vorgegebener Geometrie und Ausführung des Anzünd verzögerers gestatten,
• die Funktionsfähigkeit im Temperaturbereich zwischen -54°C und +71 °C sicherstellen,
• eine geringe Abhängigkeit der Verzögerungszeit von der Umgebungstemperatur und vom äußeren Druck aufweisen sowie
• die Einhaltung der Verzögerungszeit über einen Zeitraum von mindestens 12 Jahren gewährleisten.
Die vorgenannten Ziele werden durch ein Verzögerungselement gelöst, welches in einer Metallhülse ein Anfeuerungssatz-, ein Verzögerungssatz- und ein Abfeuerungssatz-Gemisch enthält, wobei im An- und Abfeuerungssatz-Gemisch mindestens 35 Gewichtsanteile Bor, mindestens 15 Gewichtsanteile Eisen(lll)-oxid und mindestens 5 Gewichtsanteile Kalium- Perchlorat sich jeweils ergänzend zu 100 Gew.-% enthalten sind und in der Mischung des Verzögerungssatzes mindestens 5 Gewichtsanteile Kaliumperchlorat, mindestens 10
Gewichtsanteile Titan(IV)-oxid, mindestens 25 Gewichtsanteile Wolfram und mindestens 1 Gewichtsanteil Aluminium enthalten sind. In den Mischungen mit einem Mindestgehalt aufgeführte Komponenten und gegebenenfalls mindestens einer weiteren Komponente ergänzen sich zu 100 Gewichtsanteilen.
Die vorgenannten Ziele werden auch durch ein Verzögerungselement gelöst, bei dem An- und Abfeuerungssatz-Gemisch aus mindestens 70 Gewichtsanteilen Bleimennige und mindestens 20 Gewichtsanteilen Silizium bestehen.
Vorzugsweise sind in den Mischungen des An- und Abfeuerungssatzes und des
Verzögerungssatzes noch 0,1 - 3 % Gewichtsanteile eines Bindemittels als Zuschlag enthalten.
Besonders bevorzugt sind in den Mischungen des An- und Abfeuerungssatzes und des Verzögerungssatzes als Bindemittel 0,1 - 3 % Gewichtsanteile Celluloseether (Tylose), Nitrozellulose oder Polyvinylalkohol als Zuschlag enthalten. Die hohe Flexibilität des vorgeschlagenen Verzögerungssatzsystems lässt sich durch
Messungen der Verzögerungszeit in Anzünd verzögerern nachweisen. Dazu werden der Verzögerungssatz sowie An- und Abfeuerungssatz in Anzünd verzögerer gemäß Abbildung 1 eingebracht und verdichtet. Dabei bezeichnet (2) die Metallhülse zur Aufnahme der Sätze, (3) den Anfeuerungssatz, (4) den Verzögerungssatz und (5) den Abfeuerungssatz.
Beispielsweise beträgt die Länge der Metallhülse 19 mm bei einem Außendurchmesser von 6 mm und einem Innendurchmesser von 3,6 mm. Die Höhe der Verzögerungssatzsäule beträgt in allen Beispielen 9 mm. An- und Abfeuerung haben eine Höhe von jeweils 5 mm. Die Verzögerungszeit ist dann definiert als Zeit zwischen der Anzündung der Anfeuerungsladung und der Reaktion der Abfeuerungsladung (Abbildung 2).
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Beispiel 1
Die bevorzugte Verzögerungszeit von 2,25 s kann beispielsweise mit folgenden
pyrotechnischen Sätzen erzielt werden:
Anfeuerungssatz:
Satzmenge: ca. 100 mg
Zusammensetzung:
Bor 65%
Eisen(lll)-oxid 25%
Kaliumperchlorat 10%
Verzögerungssatz
• Satzmenge: ca. 320-370 mg
• Zusammensetzung:
Wolfram 40%
Titan(IV)-oxid 45%
Aluminium 5%
Kaliumperchlorat 10%
Abfeuerungssatz:
• Satzmenge
Zusammensetzung:
Bor 45%
Eisen(lll)-oxid 45%
Kaliumperchlorat 10% Das gewünschte gute Durchbrennvermögen konnte durch die Prüfung von ca. 1000 Anzünd- verzögerern dieser Ausführung nachgewiesen werden. Basierend auf 1000 fehlerfreien Versuchen ergibt sich eine Mindestzuverlässigkeit von 99,7 % (Vertrauensniveau 95 %), welches die üblichen militärischen Anforderungen an solche Komponenten von 99 % deutlich übertrifft.
Die Abhängigkeit der Brennzeit von der Temperatur wurde anhand der Verzögerungszeit im Anzünd verzögerer im Temperaturbereich zwischen -54°C und +71 °C ermittelt. Sie beträgt im betrachteten Temperaturbereich ca. 8 % bezogen auf die Brenngeschwindigkeit bei Raumtemperatur und liegt damit deutlich unter dem Wert von ca. 10 - 20 % bei bisher üblichen Satzsystemen (z.B. Kaliumperchlorat/Bleichromat/Antimon).
Die Langzeitstabilität wurde durch stoffliche Untersuchungen und Umweltsimulationsprogramme mit geladenen Anzündverzögerern nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen lassen eine positive Prognose für den Einsatz über mehr als 12 Jahren zu.
Beispiel 2
Die Einstellung einer weiteren bevorzugten Verzögerungszeit von 0,6 s ist unter Beibehaltung von An- und Abfeuerung sowie der Höhe der Verzögerungssatzsäule von 9 mm mit folgender Zusammensetzung des Verzögerungssatzes möglich:
• Satzmenge: ca. 320-370 mg
• Zusammensetzung:
Wolfram 50%
Titan(IV)-oxid 30%
Aluminium 10%
Kaliumperchlorat 10%
Beispiel 3
Die Einstellung einer weiteren bevorzugten Verzögerungszeit von 3,5 s ist unter Beibehaltung von An- und Abfeuerung sowie der Höhe der Verzögerungssatzsäule von 9 mm mit folgender Zusammensetzung des Verzögerungssatzes möglich:
• Satzmenge: ca. 320-370 mg Zusammensetzung
Wolfram 44%
Titan(IV)-oxid 41 ,5%
Aluminium 2%
Kaliumperchlorat 12,5%

Claims

Patentansprüche
1 . Pyrotechnisches Verzögerungselement, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Anfeuerungssatz-, ein Verzögerungssatz- und ein Abfeuerungssatz-Gemisch enthält, wobei im An- und Abfeuerungssatz-Gemisch mindestens 35 Gewichtsanteile Bor, mindestens 15 Gewichtsanteile Eisen(lll)-oxid und mindestens 5 Gewichtsanteile Kaliumperchlorat sich jeweils ergänzend zu 100 Gew.-% enthalten sind und in der Mischung des Verzögerungssatzes mindestens 5 Gewichtsanteile Kaliumperchlorat, mindestens 10 Gewichtsanteile Titan(IV)-oxid, mindestens 25 Gewichtsanteile Wolfram und mindestens 1 Gewichtsanteil Aluminium enthalten sind.
2. Pyrotechnisches Verzögerungselement bei dem An- und Abfeuerungssatz-Gemisch aus mindestens 70 Gewichtsanteilen Bleimennige und mindestens 20 Gewichtsanteilen Silizium bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischung des Verzögerungssatzes mindestens 5 Gewichtsanteile Kaliumperchlorat, mindestens 10 Gewichtsanteile Titan(IV)-oxid, mindestens 25 Gewichtsanteile Wolfram und mindestens 1 Gewichtsanteil Aluminium enthalten sind.
3. Pyrotechnisches Verzögerungselement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im An- und Abfeuerungssatz-Gemisch Bor im Gewichtsanteil-Bereich von 35 bis 75 %, Eisen(lll)-oxid im Gewichtsanteil-Bereich von 15 bis 55 % und Kaliumperchlorat im Gewichtsanteil-Bereich von 5 bis 15 % sowie in der Mischung des Verzögerungssatzes 5 - 15 Gewichtsanteile Kaliumperchlorat, 20 - 55 Gewichtsanteile Titan(IV)-oxid, 25 - 55 Gewichtsanteile Wolfram sowie 1 - 10 Gewichtsanteile Aluminium enthalten sind.
4. Pyrotechnisches Verzögerungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischung des Verzögerungssatzes 5 - 15 Gewichtsanteile Kaliumperchlorat, 20 - 55 Gewichtsanteile Titan(IV)-oxid, 25 - 55 Gewichtsanteile Wolfram sowie 1 - 10 Gewichtsanteile Aluminium enthalten sind.
5. Pyrotechnisches Verzögerungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischung des An- und Abfeuerungssatzes und/oder des Verzögerungssatzes 0,1 - 3 % Gewichtsanteile eines Bindemittels enthalten sind.
6. Pyrotechnisches Verzögerungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel 0,1 - 3 % Gewichtsanteile Polyvinylalkohol enthalten sind. Pyrotechnisches Verzögerungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischung des Verzögerungssatzes als Bindemittel 0,1 - 3 % Gewichtsanteile Celluloseether enthalten sind.
Pyrotechnisches Verzögerungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel 0,1 - 3 % Gewichtsanteile Nitrozellulose enthalten sind.
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