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Die
Erfindung bezieht sich auf eine gegossene doppelbasige Treibmittelladung
gemäß dem Oberbegriff
des vorstehenden Patentanspruchs.
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Eine
gegossene doppelbasige Treibmittelladung ist eine solche, die Nitrocellulose
enthält,
welche mit einem flüssigen
Salpetersäureester
plastifiziert oder gelatinisiert ist. Üblicherweise besteht der Ester
aus Nitroglycerin, obwohl auch andere Ester, wie z.B. Diäthylenglycoldinitrat
und Metrioltrinitrat, verwendet werden können. Die Treibmittelladung
wird dadurch hergestellt, daß man
ein einbasiges (basiert nur auf Nitrocellulose) oder ein doppelbasiges
Treibmittelgießpulver
in eine Form einfüllt,
mittels einer "Gießflüssigkeit", die Nitroglycerin
und ein flüssiges,
nichtexplosives Plastifiziermittel für Nitrocellulose enthält, die
gesamte Luft in der Form verdrängt,
und das Ganze mehrere Tage bei 40 bis 65°C aushärtet, damit das Pulver quillt
und eine homogene harte oder gummiartige Masse bildet. Alternativ
kann die Ladung dadurch hergestellt werden, daß man einen Behälter mit
einer vorher hergestellten Pulveraufschlämmung in Gießflüssigkeit
füllt und
anschließend
eine Aushärtung
durch Wärme
vornimmt.
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Übliche Treibmittel
besitzen bei einer festen Zündtemperatur
eine Brenngeschwindigkeit, die durch den Ausdruck r = kpn gegeben ist, worin r für die Brenngeschwindigkeit
steht, p für
den Druck steht und k und n für
Konstanten stehen. Normalerweise besitzt der Exponent n einen Wert
von 0,5 bis 0,8. Es wurden jedoch auch Zusammensetzungen entwickelt,
die Bleisalze als ballistische Modifizier mittel enthalten, welche
die Wirkung besitzen, den Exponenten innerhalb eines beträchtlichen
Bereichs von nützlichen
Arbeitstemperaturen auf null oder nahezu null zu verringern. Die
grafische Darstellung von log r gegen log p enthält deshalb einen flachen Teil
oder ein Plateau. Diese Zusammensetzungen besitzen deshalb eine
Eigenschaft, die man als Plateau-Abbrand bezeichnet. Es ist zweckmäßig, die
Brenngeschwindigkeit innerhalb des Plateaubereichs als "Plateaubrenngeschwindigkeit" zu bezeichnen. Diese
Treibmittel mit Plateau-Abbrand eignen sich besonders für gaserzeugende
und Raketenladungen, bei denen es erwünscht ist, daß das Plateau
einen weiten Druckbereich abdeckt und daß sie, dies gilt insbesondere
für Raketenübertragungsladungen,
eine große
Plateaubrenngeschwindigkeit aufweisen. Es ist nicht leicht, diese
beiden Erfordernisse gleichzeitig zu erfüllen, weshalb die Zusammensetzung üblicherweise
so ausgelegt wird, daß ein
Kompromiß zwischen
Brenngeschwindigkeit und Plateaucharakteristiken bei dem gewünschten
Arbeitsdruck erhalten wird. Eine besonders geeignete Brenngeschwindigkeit
wird erreicht, wenn das ballistische Modifiziermittel aus einem
Gemisch von Bleisalicylat und Blei-β-resorcylat besteht.
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Die
Wirkung solcher Salze ist in der US-PS 3 088 858 beschrieben. Ihre
Wirkung gemeinsam mit Kupfersalzen ist in der US-PS 3 138 499 beschrieben.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, daß gegossene
doppelbasige Ladungen, bei denen das ballistische Modifiziermittel
aus einem Gemisch von Blei-β-resorcylat
und Bleisalicylat besteht, normalerweise bei einer Lagerung eine
Verringerung der Brenngeschwindigkeit zeigen, wobei diese Verringerung
bei erhöhten
Temperaturen größer ist. Üblicher weise
nimmt die Brenngeschwindigkeit bei Lagerung auf einen Wert ab, der
ungefähr 5
bis 15 % niedriger liegt als die Brenngeschwindigkeit unmittelbar
nach der Aushärtung.
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Der
Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, gegossene doppelbasige
Treibmittelladungen der vorstehend beschriebenen Art zu schaffen,
die ihre Plateaubrenngeschwindigkeiten beibehalten, insbesondere
wenn sie bei einer erhöhten
Temperatur gelagert werden.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des vorstehenden
Patentanspruchs.
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Unter
normalen atmosphärischen
Bedingungen beträgt
der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt der verwendeten Gießpulver
ungefähr
0,4 bis 0,6 Gew.-%. Es wurde nunmehr gefunden, daß die Verringerung
der Brenngeschwindigkeit beseitigt wird, wenn man das Gießpulver
auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 0,25 Gew.-% trocknet.
Der Effekt beruht vermutlich darauf, daß die Wanderung dieser bestimmten
ballistischen Modifiziermittel im gegossenen Treibmittel bei niedrigen
Feuchtigkeitsgehalten verhindert wird.
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Das
ballistische Modifiziermittel enthält üblicherweise das Bleisalicylat
und das Blei-β-resorcylat
in einem Gewichtsverhältnis
von 1:4 bis 4:1.
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Die
Herstellung der erfindungsgemäßen gegossenen
doppelbasigen Treibmittelladung geschieht dadurch, daß man das
Gießpulver
vor dem Mischen mit der Gießflüssigkeit
auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 0,25 Gew.-% oder weniger trocknet.
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Metallpulver,
wie z.B. Aluminium, können
gegebenenfalls einverleibt werden, um die Verbrennungswärme (und
damit den spezifischen Impuls) zu erhöhen. Ruß wird üblicherweise auch zugegeben,
um die Brenngeschwindigkeit zu erhöhen.
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Der
bevorzugte Stabilisator ist 2-Nitrodiphenylamin oder N-Methyl-p-nitro-anilin.
Das bevorzugte nichtexplosive Plastifiziermittel ist Triacetin oder
Dibutylphthalat.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, worin alle Teile und
Prozentangaben in Gewicht ausgedrückt sind.
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Die
Beispiele 1 und 3 betreffen Treibmittelladungen, die aus Gießpulvern
hergestellt wurden, welche nicht speziell getrocknet worden sind
und somit außerhalb
des Bereichs der Erfindung liegen. Die Beispiele beschreiben gegossene
doppelbasige Treibmittelladungen, welche die Zusammensetzung und
die berechneten Explosionswärmen,
wie sie in Tabelle 1 gezeigt sind; aufweisen und durch das folgende
Verfahren hergestellt wurden.
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Bei
der Herstellung der Gießpulver
wurden alle in der Tabelle 1 gezeigten Gießpulverbestandteile zusammen
mit einer ausreichenden Menge Lösungsmittel
für Nitrocellulose
in einem Inkorporierungsmischer gemischt, um einen homogenen gummiartigen
Teig herzustellen. Der Teig wurde in Schnüre extrudiert, und die Schnüre auf einer
Rotationsschneidemaschine in Granalien geschnitten. Das Lösungsmittel
wurde von den resultierenden Pulvergranalien in einem heißen Ofen
entfernt, und das fertige Pulver wurde durch Rommeln mit Graphit
in einem Drehpfannenglasierer glasiert. Nach der Entnahme aus dem
Ofen und während
des Glasierens erreichten die Gießpulver der Beispiele 1 und 3
unter normalen atmosphärischen
Bedingungen Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalte von ungefähr 0,53
bzw. 0,56 %. Die Gießpulver
der Beispiele 2 und 4 wurden getrocknet, um die Feuchtigkeitsgehalte
auf 0,18 bzw. 0,20 % zu verringern. Sie wurden anschließend unter
wasserfreien Bedingungen bis zum Gießen in trockenen verschlossenen
Behältern
gelagert.
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Beim
Gießvorgang
wurde das Gießpulver
in einen Celluloseacetatbecher, der sich in einer Form befand, eingefüllt, und
eine Gießflüssigkeit,
wie sie Tabelle 1 gezeigt ist und die unter einem Hochvakuum ungefähr 2 h zur
Entfernung von Wasser und flüchtigen
Verunreinigungen evakuiert worden war, wurde zugegeben, um die Luft
im Becher zu verdrängen.
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Der
Feuchtigkeitsgehalt der Gießflüssigkeit
war nach der Evakuierung kleiner als 0,1 Gew.-%.
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Die
Ladung wurde bei einer erhöhten
Temperatur unter Stickstoff bei einem Druck von 1,8 at 4 Tage lang
gehärtet,
um das Pulver zum Quellen und zur Bildung einer homogenen harten
gummiartigen Masse zu veranlassen.
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Die
Härtungstemperatur
war 43°C
(Beispiele 1 und 2) bzw. 65°C
(Beispiele 3 und 4). In den letzteren Beispielen wurde ein höherer Nitrocellulosegehalt
verwendet.
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Die
fertige Treibmittelzusammensetzung, die in Tabelle 1 gezeigt ist,
wurde aus dem gemessenen Pulver/Flüssigkeits-Gewichtsverhältnis der
gegossenen Treibmittelladungen errechnet.
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Die
Explosionswärme
(ausgedrückt
in Tabelle 1 als Kilojoules/kg) wurden in üblicher Weise errechnet. Die
ballistischen Daten, die in den Beispielen angegeben und in den
beigefügten
grafischen Darstellungen zu sehen sind, wurden dadurch erhalten,
daß ein
Treibmittelstab von 122 mm × 61
mm × 20
mm in einem Motor bei einer Zündungstemperatur
von 20°C
abgebrannt wurde und die Druck/Zeit-Kurve ermittelt wurde. Dieses ballistische
Untersuchungsverfahren ist in der Technik allgemein bekannt.
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Beispiel 1 (Vergleich)
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Die
gegossene doppelbasige Treibmittelladung dieses Beispiels wurde
aus einem Gießpulver
hergestellt, das einen Gleichgewichtswassergehalt von 0,53 Gew.-%
erreicht hatte. Die Ladung besaß im
frischen Zustand und nach einer Lagerung bei 50°C die nachstehenden Brenngeschwindigkeiten.
Es ist ersichtlich, daß ein
beträchtlich
nach unten gerichteter Trend bezüglich
der Plateaubrenngeschwindigkeit nach Lagerung bestand.
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Die
Brenngeschwindigkeit/Druck-Kurven bei 50°C sind in 1 grafisch
dargestellt. Die Plateaubrenngeschwindigkeit erreichte nach 2 bis
5 Wochen einen Maximalwert und zeigte nach einer weiteren Lagerung
bei 50°C
keine wesentliche Änderung.
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Beispiel 2
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In
diesem Beispiel wurde die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel
1 verwendet, außer
daß das Gießpulver
auf Blechen 24 h bei 50°C
getrocknet und bis zum Gießen
in wasserfreiem Zustand gehalten wurde. Der Feuchtigkeitsgehalt
des Gießpulvers
war 0,18 %.
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Die
Ladung besaß im
frischen Zustand und nach einer Lagerung bei 50°C die folgenden Brenngeschwindigkeiten:
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Es
ist ersichtlich, daß die
Brenngeschwindigkeit bei einer Lagerung bei 50°C nicht abnahm und daß die Plateaucharakteristiken
im wesentlichen die gleichen wie in Beispiel 1 (frisch nach Härtung) waren,
wie es in 1 grafisch zu sehen ist.
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Beispiel 3 (Vergleich)
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Das
gegossene doppelbasige Treibmittel dieses Beispiels wurde mit einem
Gießpulver
hergestellt, das weniger Energie enthielt als dasjenige der Beispiele
1 und 2. Der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt des Gießpulvers
war 0,56 %.
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Die
Ladung besaß im
frischen Zustand und nach einer Lagerung bei 50°C die nachstehenden Brenngeschwindigkeiten.
Es ist ersichtlich, daß hier
wiederum ein beträchtlich
nach unten gerichteter Trend in der Plateaubrenngeschwindigkeit
auftrat, wenn eine Lagerung erfolgte.
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Die
Brenngeschwindigkeit/Druck-Kurven bei 20°C sind in 2 grafisch
dargestellt. Die Plateaubrenngeschwindigkeit erreichte einen Minimalwert
nach 3 bis 12 Wochen und zeigte nach weiterer Lagerung bei 50°C keine wesentliche Änderung
mehr.
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Beispiel 4
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In
diesem Beispiel wurde die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel
3 verwendet, jedoch wurde das Gießpulver vorher auf Blechen
24 h bei 50°C
getrocknet und bis zum Gießen
in wasserfreiem Zustand gehalten. Der Feuchtigkeitsgehalt des Gießpulvers
war 0,20 %.
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Die
Ladung besaß im
frischen Zustand und nach einer Lagerung bei 50°C die folgenden Brenngeschwindigkeiten:
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Es
ist ersichtlich, daß die
Brenngeschwindigkeit bei einer Lagerung bei 50°C nicht abnahm. Die Plateaucharakteristiken
waren im wesentlichen die gleichen wie in Beispiel 3 (frisch nach
Härtung).
Sie sind grafisch in 2 dargestellt.
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Tabelle
1 – Zusammensetzungen
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