DE1150914B - Low-oxygen propellant - Google Patents

Description

Sauerstoffarmes Treibmittel Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Treibmittelkombination, insbesondere als Treibmittel für Geschosse und Raketen, die bei niedriger Verbrennungstemperatur eine relativ höhere Leistung aufweist als die bisher üblichen Pulver.Low-oxygen propellant The invention relates to a method for Production of a propellant combination, in particular as a propellant for projectiles and missiles, which have a relatively higher power at a lower combustion temperature than the conventional powders.

Die bisherige Entwicklung sei kurz skizziert: Der Wunsch zur Erhöhung der Leistung bei gleicher Lademenge führte zwangläufig zur Entwicklung von Pulvern mit steigendem Sauerstoffanteil. Diese Sauerstoffanreicherung hatte zur Folge, daß auch die ExplosiGnstemperatur anstieg entsprechend der höheren Exothermie der Reaktion. Da die Lebensdauer der Rohre bzw. der Raketendüsen und Brennkammern von der Temperatur der Zerfallgase abhängig ist, brachten die »heißen« Pulver nicht den erhofften Erfolg. Die ständig steigenden Anforderungen an die Leistung vor allem .der konventionellen Artillerie und die damit zwangläufig verbundene starke Rohrabnutzung, führte zu den sogenannten »kalten« Pulvern, die bei relativ niedrigen Temperaturen (unter anderem durch Erhöhung des Gasvolumens) doch gute Energieleistungen aufwiesen. Als Beispiele seien hier die Diglykol- bzw. Nitroguanidinpulver erwähnt.The development so far is briefly outlined: The desire to increase the performance with the same charge amount inevitably led to the development of powders with increasing oxygen content. This oxygen enrichment had the consequence that The explosion temperature also rose in accordance with the higher exothermic nature of the reaction. Since the service life of the pipes or the rocket nozzles and combustion chambers depends on the temperature depends on the decomposition gases, the "hot" powders did not bring the hoped-for success. The constantly increasing demands on the performance, especially the conventional ones Artillery and the inevitably associated heavy pipe wear led to the so-called "cold" powders, which are produced at relatively low temperatures (below e.g. by increasing the gas volume) but had good energy performance. as Examples are diglycol and nitroguanidine powders.

Auch wurde bereits vorgeschlagen, ein Nitrocellulose-Kolloid-Pulver, das während seiner Verbrennung Gase mit verminderter Temperatur gegenüber normalem Kolloidpulver entwickelt und dessen Gelatinierung mit einem Äther-Alkohol-Gendsch (2t3:1/3) bewirkt wird, herzustellen, das mindestes 15 bis 20% eines Kohlenwasserstoffes enthält, der im gelatinierenden Alkohol-Äther-Gemisch gelöst ist und der bei der pyrogenen Zersetzung ein größeres Gasvolumen als Nitrocellulose entwickelt. Dieser Zusatz soll durch seinen hohen Kohlenstoffgehalt den Wärmeinhalt der entstehenden Gase senken. Die Erfahrung und die Theorie zeigen aber, daß man auf keinem dieser Wege bei der Artillerie zu einer wesentlichen Leistungssteigerung über 1100 m/sec hinauskommt.It has also been proposed to use a nitrocellulose colloid powder, that during its combustion gases with reduced temperature compared to normal Colloid powder developed and its gelatinization with an ether-alcohol gendsch (2t3: 1/3) is effected to produce at least 15 to 20% of a hydrocarbon which is dissolved in the gelatinizing alcohol-ether mixture and which in the Pyrogenic decomposition develops a larger volume of gas than nitrocellulose. This Due to its high carbon content, the addition should reduce the heat content of the resulting Lower gases. Experience and theory show, however, that none of these Ways in the artillery to a significant increase in performance over 1100 m / sec comes out.

Weiterhin ist bekannt, daß versucht wurde, ein Treibmittel zu entwickeln, das gemischt ist aus einem sehr feinteiligen, bei der Verbrennung wenig Wärme, jedoch viel Gas entwickelnden Stoff und einem grobförmigen, mehr Wärme und weniger Gas entwickelnden Treibmittel, wobei sich die beiden Komponenten vor allem durch die Formgebung unterscheiden. Da die Verbrennungsgeschwindigkeit eines Pulvers unter anderem auch von der Größe der Oberfläche abhängig ist, sollte auf diese Weise eine bessere Leistung erzielt werden.It is also known that attempts have been made to develop a propellant this is mixed from a very finely divided, little heat when burned, however a lot of gas evolving substance and a coarse, more heat and less gas developing propellant, the two components mainly through the Distinguish shape. Since the burning rate of a powder is below also depends on the size of the surface, in this way a better performance can be achieved.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde nun ein völlig anderer Weg gesucht, um Treibmittel mit erhöhter Leistung herzustellen, die frei von den bisherigen Nachteilen sind und grundsätzlich sowohl für die klassischen Waffen wie insbesondere auch für die Raketenantriebe eingesetzt werden können.With the present invention, a completely different way was sought, to produce propellants with increased performance that are free from the previous disadvantages are and in principle both for classic weapons and especially for the rocket engines can be used.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, als wesentlichen Bestandteil einer Treibmittelkombination Stoffe, die endotherm sind und eine negative Bildungswärme aufweisen, zu wählen und beim Zerfall des Treibmittels einen großen Teil der Energie nicht mehr ans der Reaktion mit Sauerstoff zu gewinnen, sondern vorteilhaft aus dem endothermen labilen Aufbau der Treibmittelkomponenten, wobei als Komponente vorzugsweise solche gewählt werden, deren Zerfallsprodukt reich an Gasen sind, die eine hohe Gaskonstante R- .(gemessen in kgm - Grad-' - kg-') bzw. ein niedriges mittleres Molekulargewicht aufweisen.According to the invention it is proposed as an essential part of a Propellant combination substances that are endothermic and have a negative heat of formation have to choose and a large part of the energy when the propellant disintegrates no longer to gain from the reaction with oxygen, but to gain from it the endothermic unstable structure of the propellant components, with as a component preferably those are selected whose decomposition products are rich in gases that a high gas constant R-. (measured in kgm - degree- '- kg-') or a low one have an average molecular weight.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß eine kombinierte Treibladung aus einer die Leistung bestimmenden Komponente A und einer weiteren als Initiale dienende Komponente B, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Komponente A aus einer oder mehreren im wesentlichen sauerstofffreien und endotherrn zerfallenden. Verbindungen) besteht, deren Zerfallsprodukte Gase mit hoher Gaskonstante sind, und die Komponente B ein übliches Treibmittel, einen üblichen Sprengstoff oder ein übliches Initüermittel darstellt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Anteil der Komponente A mindestens 60 Gewichtsprozent der gesamten Ladung beträgt. Die erfindungsgemäßen Treibladungen können so aufgebaut sein, daß die Komponente A und die Komponente B als selbständige getrennte Ladungen in unmittelbarem Kontakt zueinander angeordnet sind. Sofern die Komponenten A und B beide in festem Zustand vorliegen, können sie in Form von zwei oder mehreren selbständigen Formkörpern über- und/oder nebeneinander angeordnet sein.The invention accordingly relates to a combined propellant charge from a component A, which determines the performance, and another as an initial Serving component B, which is characterized in that component A consists of one or more essentially oxygen-free and endothermic decomposing. Compounds) whose decomposition products are gases with a high gas constant, and component B is a customary propellant, a customary explosive or a the usual initiation agent. It is particularly advantageous if the proportion of component A is at least 60 percent by weight of the total charge. the Propellant charges according to the invention can be constructed so that the component A and component B as independent separate charges in direct contact with one another are arranged. If components A and B are both in a solid state, can they are in the form of two or more independent moldings one above the other and / or next to one another be arranged.

Als Komponente A lassen sich ungesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, Alkene, Alkine, wie 1,3-Butadien und Cyclopentadien, Hydrazin, Borhydride, Metallhydride, wie Lithiumhydride, Lithiumborhydride, oder. Mischungen von zwei oder mehreren dieser Substanzen mit Vorteil einsetzen. Besonders vorteilhafte Ergebnisse erzielt man mit Hydrazin als Komponente A, das mit dem Funken einer elektrischen Entladung als Komponente B initiiert wird. Die Komponenten A und/oder B können zusätzlich ferner an sich bekannte-Stabilisatoren enthalten.As component A, unsaturated aliphatic hydrocarbons, Alkenes, alkynes, such as 1,3-butadiene and cyclopentadiene, hydrazine, borohydrides, metal hydrides, such as lithium hydrides, lithium borohydrides, or. Mixtures of two or more of these Use substances with advantage. Particularly advantageous results are achieved with hydrazine as component A, which is called an electrical discharge with the spark Component B is initiated. The components A and / or B can additionally further contain stabilizers known per se.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Komponenten A benötigen Anregung von außen, um beim Zerfall ihre Energie freizugeben. Als besonders geeignet hierfür hat sich als Aufheizsatz (Komponente B) ein energiereiches Nitroglycerinpulver erwiesen, von dem eine kleine Menge genügt, um bei normaler Zündung die notwendige Aktivierungsenergie für den Zerfall der endothermen Komponente aufzubringen. Es erweisen sich aber auch andere Pulver als zweckmäßig, je nach Art der Komponenten A, da deren Zerfallstemperaturen unterschiedlich sind. Ferner besteht die Möglichkeit, die Aktivierungsenergie auch mit Hilfe eines anderen üblichen Zündelements aufzubringen. So ist es möglich, durch die Wahl einer geeigneten Anregung die Zerfallsgeschwindigkeit in dem gewünschten Temperaturbereich zu steuern.The components A proposed according to the invention require stimulation from the outside to release their energy when they decay. As particularly suitable for this A high-energy nitroglycerin powder has proven to be the heating element (component B), of which a small amount is enough to generate the necessary activation energy with normal ignition to apply for the disintegration of the endothermic component. But it also turn out to be other powders than appropriate, depending on the type of component A, because of their decomposition temperatures are different. There is also the possibility of the activation energy as well to be applied with the help of another conventional ignition element. So it is possible through the choice of a suitable excitation increases the rate of decay in the desired Control temperature range.

Die obengenannten Stoffe zerfallen erst bei geeigneter Anregung, sie sind daher bequem zu handhaben, weder ihre Herstellung noch ihr Transport noch ihre Lagerung unterliegen den einschränkenden Bestimmungen, die den Umgang mit Sprengstoffen aus Sicherheitsgründen so komplizieren. Die nach der Erfindung zusammengesetzten Treibmittel unterscheiden sich von den bisher üblichen auch in dieser Hinsicht ganz wesentlich und vorteilhaft.The above-mentioned substances only disintegrate when appropriately stimulated, they are therefore convenient to handle, neither their manufacture, nor their transport, nor theirs Storage are subject to the restrictive regulations governing the handling of explosives so complicate for security reasons. The composite according to the invention Propellants differ completely from the previously used ones in this respect as well essential and beneficial.

In der nachfolgenden Tabelle werden beispielsweise die Werte für ein »heißes« und ein »kaltes« Pulver mit denen von Treibmitteln verglichen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden. R Pulver-Typ Qv/kg fi Temperatur Gasmenge x kgm ;@ . R x . R - T errechnet') o C 1/kg Grad kg Heißes Pulver ............. 685 2010 998 1,26 37,82 47,6 95300 Kaltes Pulver ............... 542 1560 1112 1,28 41,3 ' 52,8 82500 40% Nitroglycerinpulver ... 678 1435 1060 1,27 58,0 73,8 105500 60% Butadien ............ 20% Nitroglycerinpulver ... 814 1195 1150 1,37 92,7 127,1 151800 80,% Butadien ............ 40% Nitroglycerinpulver ... 722 1340 992 1,27 53,9 68,8 91300 60-% Cyclopentadien ... ... 40,1/o Nitroglycerinpulver ... 642 1395 1560 1,31 59,2 77,2 108000 60,1/o Hydrazin ............ *) Die Differenzen zwischen den gemessenen und den errechneten Qv-Werten erklären sich daraus, daß bei der Messung in der Calorimeterbombe infolge des anderen zeitlichen Verlaufs der Nachfolgereaktionen sowie der nicht idealen Verhältnisse höhere Werte auftreten. Bemerkung: Die Werte für R der einzelnen Bestandteile wurden aus der »Hütte« entnommen, die R-Werte für Wasser und Kohlenstoff theoretisch errechnet, wobei Kohlenstoff als gasförmig betrachtet wurde. Die spezifische Wärme von Kohlenstoff beträgt bei 800° C etwa 4, es wurde für obige Temperaturen vorsichtshalber für Kohlenstoff 6 eingesetzt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Treibmittelkomponenten A und B als selbständige Ladungen in unmittelbarem Kontakt zueinander anzuordnen. Die Laborierung von Treibmitteln nach der Erfindung ist unterschiedlich je nachdem, ob die Komponenten als feste Stoffe, im flüssigen Zustand oder als Gase vorliegen. Gasförmige Stoffe sollten vor der Laborierung verflüssigt werden, so ist z. B. das 1,3-Butadien bei Temperaturen unterhalb -5° C leicht laborierbar.In the table below, for example, the values for a “hot” and a “cold” powder are compared with those of propellants which have been produced by the method according to the invention. R. Powder type Qv / kg fi temperature gas quantity x kgm ; @. R x. R - T calculated ') o C 1 / kg degree kg Hot powder ............. 685 2010 998 1.26 37.82 47.6 95 300 Cold powder ............... 542 1560 1112 1.28 41.3 '52.8 82 500 40% nitroglycerin powder ... 678 1435 1060 1.27 58.0 73.8 105500 60% butadiene ............ 20% nitroglycerin powder ... 814 1195 1150 1.37 92.7 127.1 151800 80,% butadiene ............ 40% nitroglycerin powder ... 722 1 340 992 1 27 5 3.9 68.8 91300 60-% cyclopentadiene ... ... 40.1 / o nitroglycerin powder ... 642 1395 1560 1.31 59.2 77.2 108000 60.1 / o hydrazine ............ *) The differences between the measured and the calculated Qv values are explained by the fact that when measuring in the calorimeter bomb as a result of the different timing of the subsequent reactions and the non-ideal conditions higher values occur. Comment: The values for R of the individual components were taken from the "hut", the R values for water and carbon theoretically calculated, whereby carbon was considered to be gaseous. The specific heat of carbon is at 800 ° C about 4, it was used for the above temperatures as a precaution for carbon 6. According to the invention it is proposed to arrange the propellant components A and B as independent charges in direct contact with one another. The loading of propellants according to the invention differs depending on whether the components are in the form of solid substances, in the liquid state or as gases. Gaseous substances should be liquefied before loading. B. the 1,3-butadiene easily laborable at temperatures below -5 ° C.

- Die Laborierung für flüssige Komponenten sei beispielsweise für Cyclopentadien angeführt: Eine Grundladung aus »heißem« Nitroglycerinpulver (Ngl.-P.) mit einem Energieinhalt von etwa 1250 Cal/kg wird am Boden einer Patronenhülse angeordnet und- durch eine abdichtende Scheibe aus Ngl.-P.. über der Zündschraube abgedeckt, das flüssige Cyclopentadien wird nun in den darüber befindlichen Hülsenraum eingegossen. Dabei ist vor allem zu beachten, daß die Hülse durch das Geschoß luftdicht abgeschlossen wird.- The load for liquid components is for example for Cyclopentadiene listed: a basic charge of "hot" nitroglycerin powder (Ngl.-P.) with an energy content of about 1250 Cal / kg is placed at the bottom of a cartridge case and - covered by a sealing washer made of Ngl.-P .. over the ignition screw, the liquid cyclopentadiene is now poured into the sleeve space above. It is particularly important to ensure that the shell is hermetically sealed by the projectile will.

Treibmittelkombinationen, deren energieliefernde Komponente A feste Stoffe sind, gibt man vorteilhaft bestimmte Formen und Profile und kann so die Geschwindigkeit der Verbrennung wunschgemäß beeinflussen; sie eignen sich vor allem für die Herstellung von Raketentreibsätzen.Propellant combinations, the energy-supplying component A of which is solid Substances are advantageous given certain shapes and profiles and so can the speed affect the combustion as desired; they are especially suitable for manufacturing of rocket propellants.

Die nach der Erfindung hergestellten Treibmittel können auch zu anderen als den bisher aufgeführten Zwecken verwendet werden. So ergibt beispielsweise ihre Anwendung als Sprengstoff nach der Art der Sprengellösungen, d. h. z. B. feste Komponente B verteilt in einer flüssigen Komponente A, ganz ausgezeichnete Ergebnisse, da ihr Energieinhalt sehr groß ist. Bekanntlich wird die von einem Treibmittel geforderte Arbeit durch die sich bei der Umsetzung, meist Verbrennung, bildenden heißen hochgespannten Gase geleistet. Es ist deshalb von Vorteil, bei der Verbrennung eines Treibmittels Gase zu erhalten, die dem gewünschten Zweck am besten entsprechen und möglichst günstige Eigenschaften besitzen. Die Leistung eines Treibmittels, d. h. der innerballistische Nutzeffekt, ist - von anderen innerballistischen Gesetzen abgesehen - eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeiten der Verbrennungsgase im Rohr bzw. in der Raketendüse und steigt bzw. fällt proportional der Schallgeschwindigkeit a gemäß (a = Schallgeschwindigkeit in m - sec-, g = Erdbeschleunigung in m . Sec-2, R = Gaskonstante in kgm - Grad-' - kg-', T = Temperatur in ° C).The blowing agents produced according to the invention can also be used for purposes other than those listed above. For example, their use as an explosive in the manner of blasting solutions, that is to say, for example, solid component B distributed in a liquid component A, gives very excellent results because its energy content is very high. It is well known that the work required of a propellant is performed by the hot, high-tension gases that are formed during the conversion, usually combustion. It is therefore advantageous to obtain gases during the combustion of a propellant which best suit the desired purpose and have the most favorable properties possible. The performance of a propellant, ie the internal ballistic efficiency, is - apart from other internal ballistic laws - a function of the flow velocities of the combustion gases in the pipe or in the rocket nozzle and increases or decreases proportionally to the speed of sound a according to (a = speed of sound in m - sec-, g = acceleration due to gravity in m. sec-2, R = gas constant in kgm - degree- '- kg-', T = temperature in ° C).

Die bisher üblichen Treibmittel zerfallen vorwiegend in CO, C02, H2 und N., wobei vor allem die »heißen« Pulver viel dreiatomige Gase mit kleinen IQ-Werten aufweisen. Bei gegebener Sauerstoffmenge im Pulver wird das Verhältnis der Gaskomponenten C02, CO, H20, Hz durch das Massenwirkungsgesetz bestimmt, d. h. es richtet sich nach dem Wassergasgleichgewicht bei der entsprechenden Temperatur. 7e ausgeglichener die Sauerstoffbilanz eines Pulvers ist, um so mehr C02 und H20 bildet sich. Die Gaskonstanten R haben folgende Werte: CO = 30,28, C02 = 19,25, H20 = 47,10, H2 = 420,75.The propellants used up to now mainly break down into CO, C02, H2 and N., whereby the "hot" powders in particular have a lot of triatomic gases with small IQ values exhibit. For a given amount of oxygen in the powder, the ratio of the gas components is C02, CO, H20, Hz determined by the law of mass action, i.e. H. it is directed according to the water gas equilibrium at the corresponding temperature. 7e more balanced the oxygen balance of a powder, the more C02 and H20 are formed. the Gas constants R have the following values: CO = 30.28, C02 = 19.25, H20 = 47.10, H2 = 420.75.

Erfindungsgemäß wird daher angestrebt, insbesondere den H,-Gehalt der Verbrennungsgase des Treibmittels gegenüber den bisher üblichen Treibmitteln wesentlich zu erhöhen und den Anteil an dreiatomigen Gasen wesentlich herabzusetzen bzw. zu vermeiden.According to the invention, the aim is therefore, in particular, the H, content the combustion gases of the propellant compared to the propellants customary up to now to increase significantly and to significantly reduce the proportion of triatomic gases or to avoid.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Sauerstoffarmes Treibmittel, besonders für Geschosse und Raketen, bestehend aus einem üblichen Treib- oder Explosivstoff und beim thermischen Zerfall viel Gas und wenig Wärme erzeugenden Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß es aus wenigstens 60 % einer oder mehrerer im wesentlichen sauerstofffreien und endothermen, beim thermischen Zerfall Gase mit hoher Gaskonstante liefernden Verbindungen aus der Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe, insbesondere 1,3-Butadien und Cyclopentadien, Hydrazin, Borhydride, Lithiumhydride oder Lithiumborhydride, und mindestens so viel eines üblichen Treib- oder Explosivstoffes mit ausgeglichener Sauerstoffbilanz bzw. mit Sauerstoffunterschuß besteht, daß der thermische Zerfall der endothermen Komponente eingeleitet wird. PATENT CLAIMS: 1. Low-oxygen propellant, especially for projectiles and missiles, consisting of a common propellant or explosive, and thermal Decomposition of a lot of gas and compounds that generate little heat, characterized in that that it consists of at least 60% of one or more essentially oxygen-free and endothermic gases with a high gas constant during thermal decomposition Compounds from the group of unsaturated hydrocarbons, in particular 1,3-butadiene and cyclopentadiene, hydrazine, borohydrides, lithium hydrides or lithium borohydrides, and at least as much of a common propellant or explosive with a balanced mix Oxygen balance or with an oxygen deficit, there is that the thermal decomposition the endothermic component is initiated. 2. Treibmittel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Stabilisatoren enthält. 2. Propellant according to claim 1, characterized characterized in that it also contains stabilizers. 3. Treibmittel gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der übliche Treib-oder Explosivstoff mit den Verbindungen gemäß Anspruch 1 vermischt ist. 3. Propellant according to Claims 1 and 2, characterized in that the usual propellant or explosive is mixed with the compounds according to claim 1. 4. Treibmittel gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der übliche Treib-oder Explosivstoff von den Verbindungen gemäß Anspruch 1 getrennt, aber mit ihnen in Berührung stehend angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Auszüge deutscher Patentanmeldungen, Vol. 7, S. 496 (Sch 124665 IV b / 78 c). In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1043 904.4. Propellant according to the claims 1 to 3, characterized in that the usual propellant or explosive of the Connections according to claim 1 separated but arranged in contact with them is. Publications considered: Excerpts from German patent applications, Vol. 7, p. 496 (Sch 124665 IV b / 78 c). Older Patents Considered: German Patent No. 1043 904.