DE2644211B2 - Composite solid propellant - Google Patents
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C06B29/00—Compositions containing an inorganic oxygen-halogen salt, e.g. chlorate, perchlorate
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Composit-Festtreibstoff mit stabilem Abbrand aus Ammoniumperchlorat, polymerem Binder, Härter, Weichmacher und Abbrandmoderatoren.The present invention relates to composite solid propellants with stable burn-off from ammonium perchlorate, polymeric binder, hardener, plasticizer and burn-up moderators.
Festtreibstoffe als Energielieferant werden mit weiterer Entwicklung der Raketentechnologie immer wichtiger. Ein bedeutender Nachteil der bekannten Composit-Treibstoffe auf Basis von Ammoniumperchlorat sind die bei der Verbrennung entstehende Salzsäure bzw. Chlorwasserstoffgase. Diese Verbrennungsprodukte führen nicht nur zu korrosiven Erscheinungen an Metallteilen, die im Bereich der Abgase liegen, wie z. B. Werfer, Fahrzeuge, sondern führen auch zu physiologischen Belastungen und Schädigungen von Bedienungspersonal und Personen, die in die vom Wind fortbewegten Abgaswolken geraten. Die Einsatzmöglichkeiten von Composit-Festtreibstoffen ließen sich wesentlich erweitern, wenn eine Reduzierung der Salzsäure- bzw. Chlorwasserstoff-Emission im Abgas erreicht werden könnte.Solid propellants as energy suppliers are becoming more and more as the rocket technology continues to develop more important. A significant disadvantage of the known composite fuels based on ammonium perchlorate are the hydrochloric acid or hydrogen chloride gases produced during combustion. These combustion products not only lead to corrosive phenomena on metal parts in the area of the exhaust gases lie, such as B. launchers, vehicles, but also lead to physiological stress and damage Operating personnel and people who get caught in the clouds of exhaust gases carried by the wind. The possible uses of composite solid propellants could be expanded significantly if the Hydrochloric acid or hydrogen chloride emission in the exhaust gas could be achieved.
Die Auswahl eines Treibstoffs wird von Leistungs-, Sicherheits-, Lebensdauer- und Kostenfaktoren bestimmt. Die Leistungsfaktoren umfassen Impuls, Dichte-, Wärmeausdehnungseigenschaften, mechanische Eigenschaften, Verbrennungsgeschwindigkeit und Erosionsfähigkeit. Bei den Sicherheitsfaktoren sind sowohl Herstellungs- und Verarbeitungsgesichtspunkte als auch Handhabungs- und Beschußsicherheit des fertigen Geräts zu berücksichtigen. Wird ein Gerät in großen Stückzahlen produziert, wie z. B. bei Artillerieraketen, bekommen Materialkosten eine besondere Bedeutung. Die bislang vorgeschlagenen Treibstofftypen können eo einen oder mehrere der obengenannten Faktoren nicht zufriedenstellend erfüllen.The choice of a fuel is determined by performance, safety, life and cost factors. The performance factors include momentum, density, thermal expansion properties, mechanical Properties, rate of burn and erosion ability. The safety factors are both Manufacturing and processing aspects as well as handling and bullet safety of the finished Device to be taken into account. If a device is produced in large numbers, such as B. for artillery missiles, material costs are of particular importance. The fuel types proposed so far can eo do not satisfactorily meet one or more of the above factors.
Daher ist es ein Ziel der Erfindung, einen Composit-Festtreibstoff zu schaffen, dessen Abgase im wesentlichen frei von korrosiven und toxischen Substanzen sind. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Treibstoff unter Berücksichtigung der obengenannten Faktoren, wie hohe Leistung, Sicherheit, Lebensdauer und niedrige Kosten, zu schaffen. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als weiteres Oxydationssalz mindestens ein Alkali- und/oder Erdalkalinitrat anwesend ist und der Binder aus telomeren Polybutadienen oder Copolymeren von Butadien und Acrylnitril mit funktionellen Gruppen besteht.Therefore, it is an object of the invention to provide a composite solid propellant to create whose exhaust gases are essentially free of corrosive and toxic substances. Another object of the invention is to provide a fuel taking the above into account Factors such as high performance, safety, service life and low cost. This goal will according to the invention achieved in that at least one alkali and / or alkaline earth nitrate as a further oxidation salt is present and the binder is made from telomeric polybutadienes or copolymers of butadiene and Acrylonitrile with functional groups consists.
Beispiele für das weitere Oxydationssalz sind Lithium-, Natrium- und Kaliumnitrat Als polymere Binder werden solche mit funktionellen Gruppen bevorzugt die entweder endständig oder statistisch entlang der Kette verteilt sein können. Typische Beispiele sind carboxylterminierte Polybutadiene, hydroxylterminierte Polybutadiene oder Copolyme·. e von Butadien/Acrylsäure (PBAA) sowie Terpolymere von Butadien/Acrylsäure/ Acrylnitril (PBAN).Examples of the further oxidation salt are lithium, sodium and potassium nitrate as polymer Binders are those with functional groups, either terminally or randomly can be distributed along the chain. Typical examples are carboxyl-terminated polybutadienes, hydroxyl-terminated ones Polybutadienes or copolymers. e of butadiene / acrylic acid (PBAA) and terpolymers of Butadiene / Acrylic Acid / Acrylonitrile (PBAN).
Von besonderer Bedeutung für die Verbrennungsprodukte der Composit-Treibstoffe mit gemischten Oxydatoren ist das Mischungsverhältnis. Zur Vermeidung von korrosiven und toxischen Abgasen werden daher die Oxydatoren im nahezu stöchiometrischen Verhältnis eingesetzt d. h. bei Verwendung von 1 Mol Ammoniumperchlorat muß mindestens 1 Mol Alkalinitrat beigemischt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis der Äquivalentgewichte Perchlorat zu Nitrat 1 :1 bis 1 :1,2, vorzugsweise 1 :1 bis 1 :1,05. Die Oxydatoren können gemahlen und/oder ungemahlen eingesetzt werden.Of particular importance for the combustion products of composite fuels with mixed oxidizers is the mixing ratio. To avoid corrosive and toxic exhaust gases, the Oxidators used in a nearly stoichiometric ratio d. H. when using 1 mole of ammonium perchlorate at least 1 mole of alkali nitrate must be added. According to a preferred embodiment of the invention, the ratio is Equivalent weights of perchlorate to nitrate 1: 1 to 1: 1.2, preferably 1: 1 to 1: 1.05. The oxidizers can ground and / or unground are used.
Besteht die funktionelle Gruppe des Binders aus einer Carboxylgruppe, so können diese Polymere mit den verschiedenen Aziridinen, Epoxiden oder Aminen gehärtet werden. Polymere mit Hydroxylgruppen werden mit aromatischen oder aliphatischen Di- oder Polyisocyanaten ausgehärtet. Je nach Reaktivität des verwendeten Isocyanats werden Härtungsbeschleuniger bzw. Härtungsinhibitoren zugegeben.If the functional group of the binder consists of a carboxyl group, these polymers can with the different aziridines, epoxides or amines. Polymers with hydroxyl groups are cured with aromatic or aliphatic di- or polyisocyanates. Depending on the reactivity of the Curing accelerators or curing inhibitors are added to the isocyanate used.
Das Bindersystem kann naturgemäß auch durch Komponenten modifiziert werden, die nicht direkt am Härtungsprozeß beteiligt sind, wie aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe und Ester mit Weichmacherfunktion, Prozeßhilfen, Antioxydationsmittel usw.The binder system can of course also be modified by components that are not directly on the Hardening process are involved, such as aliphatic or aromatic hydrocarbons and esters with a plasticizer function, Process aids, antioxidants, etc.
In weiterer Ausbildung der Erfindung enthält der Treibstoff zur Leistungssteigerung ein oder mehrere Leichtmetalle und/oder deren Legierungen in feinverteilter Form in Mengen von 0 bis 25 Gew.-°/o, vorzugsweise 16 bis 20 Gew.-%. Geeignete Leichtmetalle sind z. B. Aluminium, Magnesium, Beryllium. Statt der Leichtmetalle oder zusätzlich kann auch ein Halbmetall, wie z. B. Bor, verwendet werden.In a further embodiment of the invention, the fuel contains one or more to increase performance Light metals and / or their alloys in finely divided form in amounts of 0 to 25% by weight, preferably 16 to 20% by weight. Suitable light metals are, for. B. aluminum, magnesium, beryllium. Instead of the light metals or, in addition, a semi-metal, such as. B. boron can be used.
Das oder die Leichtmetalle bzw. deren Legierungen weisen eine Korngröße von 5 bis 30 μπι, vorzugsweise 5 bis 15 μίτι, auf.The light metal or metals or their alloys have a grain size of 5 to 30 μm, preferably 5 to 15 μίτι, on.
Die Treibstoffzusammensetzung besitzt folgende Rahmenrezeptur:The fuel composition has the following basic formula:
60 bis 90% Oxidatorgemisch,60 to 90% oxidizer mixture,
0 bis 25% Metallzusatz,0 to 25% metal addition,
10 bis 20% Binder,10 to 20% binder,
0 bis 5% Abbrandmoderatoren.0 to 5% burn moderators.
Zur Überprüfung des vorgeschlagenen Konzeptes wurden thermodynamische Berechnungen mit Hilfe des NASA-Programms durchgeführt. Berechnet wurden zwei Rezepturen, die sich vor allem im Molverhältnis Ammoniumperchlorat zu Natriumnitrat unterscheiden. Bei der ersten Rezeptur wurde mit einem Molverhältnis NH4CIO4ZNaNO3=I :1 gerechnet; aus Tabelle I läßt sich entnehmen, daß die HCl-Bildung nur noch 1,44 Gew.-% bei einer Entspannung von 69/1 bar bzw. 0,964To check the proposed concept, thermodynamic calculations were carried out with the help of the NASA program. Two recipes were calculated, which differ mainly in the molar ratio of ammonium perchlorate to sodium nitrate. In the first formulation, a molar ratio of NH 4 CIO 4 ZNaNO 3 = 1: 1 was used; from Table I it can be seen that the formation of HCl is only 1.44% by weight at an expansion of 69/1 bar or 0.964
Gew.-% HC! bei einer Entspannung von 130/1 bar beträgtWt .-% HC! at a relaxation of 130/1 bar
Thermodynamische Berechnungen bei einem Nr^CKVNaNCb-Molverhältnis von 1 :1Thermodynamic calculations at a Nr ^ CKVNaNCb molar ratio of 1: 1
AJAdAJAd
Ivak UpIvak Up
bar
bar
K
Kbar
bar
K
K
m/s
m/s
m/sm / s
m / s
m / s
69,08369.083
1,0001,000
33983398
21912191
36,64836.648
1,1611.161
10,76910.769
1395,41395.4
2504,52504.5
2286,72286.7
130,000130,000
1,0001,000
34423442
20232023
36,85336.853
1,16291.1629
17,54917,549
1399,01399.0
2606,52606.5
2418,22418.2
IOIO
Hauptverbrennungsprodukte in MolfraktionenMain combustion products in mole fractions
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CO 0,28765 0,28691CO 0.28765 0.28691
CO3 0,01196 0,01355CO 3 0.01196 0.01355
HCl 0,00571 0,00268HCl 0.00571 0.00268
H2 0,34393 0,34818H 2 0.34393 0.34818
H2O 0,06287 0,06161H 2 O 0.06287 0.06161
N2 0,09449 0,09473N 2 0.09449 0.09473
NaCl 0,08395 0,08530NaCl 0.08395 0.08530
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CO2 0,01527 0,01657CO 2 0.01527 0.01657
HCl 0,01298 0,00868HCl 0.01298 0.00868
H2 0,24514 0,25005H 2 0.24514 0.25005
H2O 0,05688 0,05605H 2 O 0.05688 0.05605
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NaCl 0,09220 0,09701NaCl 0.09220 0.09701
1515th
2020th
2525th
3030th
Tabelle H zeigt die thermodynamischen Berechnungen einer Treibstoffrezeptur mit einem Molverhältnis NH4CIO/NaNO3 von 1 :1,05, man erkannt, daß die HCl-Konzentration in den Abgasen noch weiter gesenkt werden konnte.Table H shows the thermodynamic calculations of a fuel formulation with a molar ratio NH 4 CIO / NaNO 3 of 1: 1.05, it can be seen that the HCl concentration in the exhaust gases could be reduced even further.
Thermodynamische Berechnungen bei einem NH4ClO4/NaNO3-Molverhältnis von 1 :1,05Thermodynamic calculations with an NH 4 ClO 4 / NaNO3 molar ratio of 1: 1.05
4545
5050
5555
Begriffserläuterungen zu den Tabellen I und IIExplanation of terms for Tables I and II
Pk Brennkammerdruck (K= Kammer) Pk combustion chamber pressure (K = chamber)
Pa Druck nach Entspannung (a = Ausgang) P a pressure after relaxation (a = exit)
Tk Flammentemperatur in der Brennkammer Tk flame temperature in the combustion chamber
T8 Flammentemperatur nach Entspannung T 8 flame temperature after relaxation
SJ Mittleres Molekulargewicht der Verbrennungsprodukte SJ Average molecular weight of the combustion products
γ Verhältnis der spez. Wärme bei p=const, bzw. γ ratio of the spec. Heat at p = const, resp.
b0b0
Cp/CVCp / CV
Flächenverhältnis von Düsenquerschnitt zum engsten DüsenhaisquerschnittArea ratio of the nozzle cross-section to the narrowest nozzle shark cross-section
(a = Ausgang, D= Düsenhaisquerschnitt) c* Charakteristische Geschwindigkeit (a = exit, D = nozzle shark cross section) c * Characteristic speed
Ivak spez. Impuls im Vakuum
Isp spez. Impuls bei Entspannung auf I bar
Zur weiteren Verdeutlichung der ERfindung dienen die folgenden Ausführungsbeispiele. Ivak spec. Momentum in vacuum
Isp spec. Impulse upon relaxation to I bar The following exemplary embodiments serve to further clarify the invention.
29,387% NaNO3 29.387% NaNO 3
40,613% Ammoniumperchlorat 16,000% Aluminium-Magnesium (10 :90) 9,018% carboxylterminiertes Polybutadien 4,508% Dioctylsebacat40.613% ammonium perchlorate 16.000% aluminum-magnesium (10:90) 9.018% carboxyl terminated polybutadiene, 4.508% dioctyl sebacate
0,474% Epoxid/Aziridin-Härter0.474% epoxy / aziridine hardener
Die Komponenten werden bei 700C zu einer gießbarer· Masse gemischt, die nach 10 Tagen bei 800C zu einer gummielastischen Masse ausgehärtet ist. Die Brenngeschwindigkeit bei 200C und 120 bar beträgt 7,0 mm/s.The components are mixed at 70 ° C. to form a pourable mass which, after 10 days at 80 ° C., has hardened to form a rubber-elastic mass. The burning rate at 20 ° C. and 120 bar is 7.0 mm / s.
27,875% Natriumnitrat
38,525% Ammoniumperchlorat 18,000% Aluminium27.875% sodium nitrate
38.525% ammonium perchlorate 18.000% aluminum
9,944% carboxylterminiertes Polybutadien 3,508% Isodecylpelargonat9.944% carboxyl terminated polybutadiene, 3.508% isodecyl pelargonate
0,548% Epoxid/Aziridin-Härter 1,600% Abbrandmoderator0.548% epoxy / aziridine hardener 1.600% burn moderator
Die Verarbeitung erfolgt wie in Beispiel 1, und man erhält einen gummielastischen Composit-Treibstoff mit einer Brenngeschwindigkeit bei 200C und 120 bar von 10,8 mm/s. Der Druckexponent über den Druckbereich von 70 bis 250 bar beträgt 0,36.Processing takes place as in Example 1, and a rubber-elastic composite fuel is obtained with a burning rate at 20 ° C. and 120 bar of 10.8 mm / s. The pressure exponent over the pressure range from 70 to 250 bar is 0.36.
27,708% Natriumnitrat
38,292% Ammoniumperchlorat 20,000% Magnesium27.708% sodium nitrate
38.292% ammonium perchlorate 20.000% magnesium
9,018% carboxylterminiertes Polybutadien 4,508% Dioctylsebacat9.018% carboxyl terminated polybutadiene, 4.508% dioctyl sebacate
0,474% Epoxid/Aziridin-Härter0.474% epoxy / aziridine hardener
Die Abbrandgeschwindigkeit des Treibstoffs beträgt 7,0 mm/s bei 20° C und 120 bar.The burn rate of the fuel is 7.0 mm / s at 20 ° C and 120 bar.
28,422% Natriumnitrat
39,278% Ammoniumperchlorat 18,000% Aluminium28.422% sodium nitrate
39.278% ammonium perchlorate 18.000% aluminum
7,961% hydroxylterminiertes Polybutadien 4,402% Weichmacher7.961% hydroxyl terminated polybutadiene, 4.402% plasticizer
1,637% Diisocyanat1.637% diisocyanate
0,300% Kupferchromit0.300% copper chromite
Die Komponenten werden in geeigneten Mischern bei 400C gemischt und ergeben eine gießbare Masse, die nach 12 Tagen bei 500C zu einer gummielastischen Masse ausgehärtet ist. Die Brenngeschwindigkeit bei 20° C und 120 bar beträgt 9,0 mm/s.The components are mixed in suitable mixers at 40 ° C. and result in a pourable mass which, after 12 days at 50 ° C., has hardened to form a rubber-elastic mass. The burning rate at 20 ° C and 120 bar is 9.0 mm / s.
28,664% Natriumnitrat28.664% sodium nitrate
37,736% Ammoniumperchlorat37.736% ammonium perchlorate
18,000% Aluminium18,000% aluminum
8,874% hydroxylterminiertes Polybutadien8.874% hydroxyl terminated polybutadiene
3,503% Weichmacher3.503% plasticizer
1,723% Diisocyanat1.723% diisocyanate
1,500% Abbrandmoderator1,500% burn moderator
Die Verarbeitung des Treibstoffs erfolgt wie in Beispiel 4. Die Abbrandgeschwindigkeit bei 20° C und 120 bar beträgt 10,5 mm/s und der Druckexponent 0,37.The processing of the fuel is carried out as in Example 4. The burn rate at 20 ° C and 120 bar is 10.5 mm / s and the pressure exponent is 0.37.
27,301% Calciumnitrat27.301% calcium nitrate
39,099% Ammoniumperchlorat39.099% ammonium perchlorate
18,000% Aluminium18,000% aluminum
8,874% hydroxylterminiertes Polybutadien8.874% hydroxyl terminated polybutadiene
3,503% Weichmacher3.503% plasticizer
1,723% Diisocyanat1.723% diisocyanate
1,500% Abbrandmoderator1,500% burn moderator
Zur Verdeutlichung der Qualität und Handhabungssicherheit der vorgeschlagenen Treibstoffe werden in Tabelle III ihre mechanischen Eigenschaften und in Tabelle IV ihre Sicherheitswerte wiedergegeben.To clarify the quality and handling safety of the proposed fuels are given in Table III for their mechanical properties and in Table IV shows their safety values.
Mechanische Eigenschaften von CTPB- bzw. HTPB-FesttreibstoffenMechanical properties of CTPB or HTPB solid propellants
Erläuterung:Explanation:
CTPB = Carboxylterminiertes Polybutadien.CTPB = carboxyl-terminated polybutadiene.
HTPB = Hydroxylterminiertes Polybutadien.HTPB = hydroxyl terminated polybutadiene.
FTS = Raketenfesttreibstoff.FTS = solid rocket propellant.
Eo = Elastizitätsmodul in N/mm2 bei 0% Dehnung. Eo = modulus of elasticity in N / mm 2 at 0% elongation.
ο = Zugfestigkeit R bei Bruch in N/mm2. ο = tensile strength R at break in N / mm 2 .
ε = Dehnung B bei maximaler Zugfestigkeit in %ε = elongation B at maximum tensile strength in%
Sicherheitskennwerte von CTPB- bzw. HTPB-Festtreibstoffen (an je dreimaligen Versuchen)Safety values of CTPB or HTPB solid propellants (on three tests each)
Reibempfindlichkeit 4 kg 6 kgSensitivity to friction 4 kg 6 kg
8 kg Schlagempfindlichkeit8 kg impact sensitivity
24.5 J 29.4 J 36.8 J24.5 J 29.4 J 36.8 J
39.239.2
49,0 ]49.0]
CTPB-FTS
(gem. Beispiel 2)
HTPB-FTS
(gem. Beispiel 4)
Vergleichs-FTS*) keineCTPB-FTS
(according to example 2)
HTPB-FTS
(according to example 4)
Comparison AGVs *) none
Reaktionreaction
keine Reaktion keine Reaktionno reaction no reaction
KnisternCrackle
Knistern keine Reaktion Knistern keine ReaktionCrackle no reaction Crackle no reaction
keine Explo-no explo-
Reaktion sionReaction sion
Explosionexplosion
Explosionexplosion
·) Bestehend aus 66,4% Ammoniumperchlorat, 9,9% carboxylterminiertem Polybutadien, 18.0% Aluminium. 3,5% Weichmacher, 0,5% Härter und 1,6% Abbrandmoderator.·) Consists of 66.4% ammonium perchlorate, 9.9% carboxyl-terminated polybutadiene, 18.0% aluminum. 3.5% plasticizer, 0.5% hardener and 1.6% combustion moderator.
Die mechanischen Eigenschaften in Tabelle III stellen Werte für Treibstoffe, wie sie in den Beispielen beschrieben sind, dar; sie können selbstverständlich in weiten Bereichen, entsprechend den jeweiligen Anforderungen, variiert werden.The mechanical properties in Table III represent values for fuels as in the examples are described, represent; You can of course in wide areas, according to the respective requirements, can be varied.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Composit-Treibstoffe wurden in Motoren verschiedener Größe abgebrannt. Neben dem Nachweis eines stabilen Abbrands und der Erosionsfähigkeit des Treibstoffs konnte mit verschiedenen analytischen Methoden, wie Infrarotspektroskopie (I R), kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR) und naßchemische Analyse, keine Salzsäure bzw. Chlorwasserstoffgas gefunden werden.The composite fuels on which the invention is based have been used in engines of various sizes burned down. In addition to the proof of a stable burn and the erosibility of the fuel was able to use various analytical methods, such as infrared spectroscopy (I R), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and wet chemical analysis, no hydrochloric acid or hydrogen chloride gas can be found.
Claims (4)
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