DE3207811A1

DE3207811A1 - Giessbarer magnesiumtreibstoff auf siliciumbasis

Info

Publication number: DE3207811A1
Application number: DE19823207811
Authority: DE
Inventors: Charles Holmes Herty III; Samuel Ernest Waco Tex. McClendon
Original assignee: Hercules LLC
Current assignee: Hercules LLC
Priority date: 1982-03-04
Filing date: 1982-03-04
Publication date: 1983-09-15
Also published as: FR2523954B1; FR2523954A1; US4332631A

Description

Gießbarer Magnesiumtreibstoff auf Siliciumbasis-
Die Erfindung betrifft einen gießbaren Magnesiumtreibstoff auf Siliciumbasis. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen festen Treibsatz für die Verwendung in Kombinationsraketentriebwerken, bei dem Polysiloxanbindemittel und Magnesium als Brennstoff verwendet werden.
Raketentriebwerke mit Schubverstärkung durch Luftbeimischung bieten gegenüber konventionellen Raketensystemen potentielle Leistungsvorteile. Die Vorzüge von Raketentriebwerken mit Schubverstärkung durch Luftbeimischung sind seit langer Zeit bekannt.
Die Vorteile ergeben sich aus der Verwendung von Atmosphärenluft als Oxidationsmittel, so daß die bei konventionellen Raketen gegebene Notwendigkeit entfällt, beträchtliche Mengen an Oxidationsmittel transportieren zu müssen. Zu der Gruppe der Raketentriebwerke mit Schubverstärkung durch Luftbeimischung gehören die Kombinationstriebwerke, bestehend aus einem festen Treibsatz, einem Starttriebwerks-Treibstoff, einer Sekundärbrennkammer mit Lufteinlässen und aus einer Abgasdüse. Die Sekundärbrennkammer umgibt üblicherweise einen integralen, festen, körnigen Starttriebwerks-Treibstoff und eine auswerfbare Düse. Das Kombinationstriebwerk erhält in der Dauerphase (Verbrennungsphase mit Luftbeimischung) einen effektiven spezifischen Impuls, der um 50 bis 60 96 größer ist als der von konventionellen, mit festen Treibstoffen angetriebenen Raketen.
Dieser größere effektive spezifische Impuls führt zu einer umfangreicheren Einsetzbarkeit, wie größerer Reichweite, höherer Geschwindigkeit, größerer Nutzlast usw.
Der Zweck eines festen Treibsatzes für Kombinationstriebwerke ist es, der Sekundärbrennkammer ein brennstoffreiches Abgas zuzuführen, das eine große Wärmemenge freisetzt, wenn es mit dem Stauluftstrom vereinigt wird, der dem Kombinationstriebwerksystem zugeführt wird. Leichtmetalle, wie Bor, Aluminium und Magnesium, sind vom Standpunkt der thermochemischen Leistung her gesehen als Brennstoff für feste Treibsätze zur Verwendung in Kombinationstriebwerken sehr günstig, wenn die Beschickung mit Metall, bezogen auf das Gewicht des Treibstoffes, mehr als 50 Gew.- beträgt. Ein Problem von Leichtmetalltreibstoffen für Treibsätze von Kombinationstriebwerken stellen die niedrigen Brenngeschwindigkeiten dar.
Gießbar, magnesiumreiche Treibstoffe auf der Basis von Kohlenwasserstoffbindemitteln mit Brenngeschwindigkeiten von sehr viel mehr über 23 mm/sec bei 42 bar sind schwierig herzustellen, weil während des Brennvorganges Kohlenstoff gebildet wird. Der gebildete Kohlenstoff unterdrückt teilweise die Verbrennung des Magnesiums und bremst das Vorankommen der Flammenfront während der Verbrennung. Höhere Brenngeschwindigkeiten, d.h. solche von mehr als 23 mm/sec, sind mit magnesiumreichen Treibstoffen auf der Basis von Kohlenwasserstoffbindemitteln möglich, wenn in dem Treibstoffgemisch Ferrocene oder Carborane verwendet werden. Diese Verbesserungen der Brenngeschwindigkeit sind jedoch teuer und bewirken, daß Treibstoffe, die solche Stoffe enthalten, in nachteiliger Weise altern und wandern.
Die Erfindung betrifft nun einen gießbaren, festen Treibstoff für die Verwendung als Treibsatz in einem Kombinationstriebwerk gemäß den vorstehenden Patentansprüchen.
Das in dem gießbaren Treibstoff nach der Erfindung verwendete Magnesium besteht aus einem Gemisch aus kugelförmigem Magnesium und flockenförmigem Magnesium. Das kugelförmige Magnesium ist atomisiertes Magnesium mit einem Mindestmagnesiumgehalt von 98 96 und einer nominalen Teilchengröße von etwa 44 bis etwa 500 Mikron, vorzugsweise etwa 44 bis etwa 300 Mikron. Das flockenförmige Magnesium ist von der Güte A, Typ I, mit einem Mindestmagnesiumgehalt von 96 96, wobei 98 96 davon ein 325-Maschen-Sieb (US-Standardsieb) durchlaufen müssen. Das verwendete atomisierte Magnesium ist vom Typ III (atomisiert) mit Körnung Nr. 16 und 17. Diese Magnesiummaterialien sind in den Normen JAN-M-382A vom 23. Juni 1949 und MIL->1-38213 definiert. Die Treibstoffgemische nach der Erfindung enthalten etwa 55 bis etwa 63 Gew. -96 Magnesium, wobei dieses aus etwa 50 bis 55 96 kugelförmigem und etwa 5 bis 15 Gew.- flockenförmigem Magnesium besteht. Bei weniger als 5 ß Magnesium flocken kann der Brennwirkungsgrad nachteilig beeinflußt werden, und verminderte Brenngeschwindigkeiten des Treibstoffgemisches können die Folge sein. Wenn der Prozentsatz an Magnesiumflocken über etwa 15 Gew.-96 hinausgeht, ist der Treibstoff extrem schwer gießbar, und bei 20 Gew. -96 wird er völlig ungießbar.
Das feste Oxidationsmittel, das in dem gießbaren Treibstoff nach der Erfindung verwendet werden kann, ist vorzugsweise Ammoniumperchlorat mit einer Teilchengröße von etwa 1 Mikron bis etwa 200 Mikron. Mindestens 80 Gew.-96 des festen Oxidationsmittels müssen Ammoniumperchlorat sein. Andere neben Ammoniumperchlorat verwendbare Oxidationsmittel in Mengen von bis zu etwa 20 96 des gesamten festen Oxidationsmittels sind Kaliumperchlorat, Cyclotrimethylentrinitramin (RDX) und Cyclotetramethylentetranitramin (IiMX).
Das polymere Bindemittel, das in dem gießbaren Treibstoff nach der Erfindung verwendet werden kann, ist polymeres Polysiloxan, das bei Raumtemperatur, d.h. bei etwa 220 C,vernetzt wird. Das Polysiloxanbindemittel hat ein polymeres Skelett von abwechselnden Silicium- und Sauerstoffatomen mit an die Siliciumatome gebundenen Kohlenwasserstoffgruppen. Die gebundenen Kohlenwasserstoffgruppen sind vorwiegend Methylgruppen, aber das Polymere enthält auch oftmals einige Phenylgruppen (bis zu etwa 10 Gew.-96). Die verwendbaren Polysiloxanpolymeren sind niedermolekulare Polymere mit einer Viskosität son wa 12 bis etwa 50 Poise bei 250 C. Wenn die Viskosität des Polymeren über 50 Poise hinausgeht, wird die Gießbarkeit des herzustellenden Treibstoffes nachteilig beeinflußt1 und der Guß wird schwierig. Die Gießbarkeit kann durch Zusatz eines niedrigviskosen (etwa 50 cP) Siliciumverdünnungsmittels oder Weichmachers verbessert werden. Das in dem Treibstoff nach der Erfindung verwendete Polysiloxanbindemittel zersetzt sich, ohne eine inhibitorische Kohlenstoffschicht rund um die Magnesiumteilchen innerhalb des Treibstoffes auszubilden. Das Gewichtsverhältnis von Oxidationsmittel zu Bindemittel in dem Treibstoff nach der Erfindung beträgt etwa 0,9 bis etwa 1,5.
Wenn das Oxidationsmittel/Bindemittel-Verhältnis etwa 1,5 überschreitet, dann wird der Prozentsatz an Magnesiumbrennstoff, der zu Magnesiumoxid oxidiert und zu dem Stau-Brenner befördert wird, herabgesetzt, was zu einer Verminderung an Energie führt, die dem Triebwerk zugeführt wird. Wenn das Verhältnis Oxidationsmittel/Bindemittel unter 0,9 abfällt, wird die Flammtemperatur herabgesetzt, was zu einer Verminderung des Wirkungsgrades beim Ausstoß von Brennstoff aus dem Treibsatz in die Sekundärbrennkammer führt, und eine überschüssige Verschlackung der Düsen kann infolge der Anwesenheit von flüssigem Magnesium auftreten.
Polysiloxanbindemittel des in dem Treibsatz nach der Erfindung verwendeten Typs sind handelsüblich. Verwendbare auf dem Markt erhältliche Polysiloxanbindemittel sind ohne Einschränkung die RTV-Silikone 602, 613 und 910 von General Electric und die Sylgard-Harze 182 und 184 von Dow Corning. Die Polysiloxane werden zu Polysiloxanbindemittel vernetzt. Beispiele für Vernetzungsmittel sind Dibutylzinndilaureat, Äthylsilikat und Alkyltrialkoxysilan. Weichmacher oder Silikonverdünnungsmittel können in den Bindemitteln zum Herabsetzen der Viskosität verwendet werden. Typische Weichmacher sind Polydimethylsiloxane mit einer Viskosität von etwa 50 cP.
Ein typisches Kombinationstriebwerk, bei dem der feste Treibsatz nach der Erfindung verwendet werden kann, ist in der beigefügten Zeichnung im einzelnen dargestellt, wobei Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Kombinationstriebwerk, teilweise im Schnitt, und Fig. 2 einen Längsschnitt, teilweise im Schnitt, zeigt, wobei letztere ein den festen Treibsatz enthaltendes Kombinationstriebwerk darstellt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, besteht das Kombinationstriebwerk aus einem vorderen zylindrischen Abschnitt 10, einem hinteren zylindrischen Abschnitt 12, eher Nase 14, der Düse 16 und einem Leitwerk 18. Ein Startraketentreibstoff 20 befindet sich in dem hinteren Abschnitt 12. Eine Lufteinlaßleitung 22 ist parallel zu der Längsachse des Raketentriebwerks in der Nähe des vorderen Endes des hinteren Abschnitts 12 und angrenzend an die äußere Oberfläche des Raketentriebwerks montiert. Die Lufteinlaßleitung 22 erstreckt sich vorwärts am hinteren Ende des vorderen Abschnitts 10. Der Lufteinlaß tritt durch eine Öffnung in der Seitenwand 24 des hinteren Abschnitts 12 hindurch und ist (nicht dargestellt) mit der den hinteren Abschnitt 12 bildenden Seitenwand 24 verbunden. Startraketentreibstoff 20 ist über die Staubrennerisolierung 21 und die Schildklappe 23 gegossen. Die Schildklappe 23 dichtet die Öffnung in der Seitenwand 24 ab, in die der Lufteinlaß 23 hineinragt.
Der Treibsatz 26 nach der Erfindung befindet sich in einer Kammer 28 des vorderen Abschnitts 10. An der Basis 30 des Treibsatzes 26 ist ein Zünder 32 vorgesehe. In Abstand von der Basis 30 des Treibsatzes 26 befinden sich zwei Düsen 34, 36. Im Betrieb wird der Startraketentreibstoff 20 gezündet und brennt ab, wodurch auf das Kombinationstriebwerk eine Schubkraft ausgeübt wird. Nach dem Ausbrennen wird die Kammer, die den Startraketentreibstoff 20 enthalten hat, zur Sekundärbrennkammer für den Treibsatz. Der Zünder 32 zündet auf Kommando den Treibsatz 26, und das einen hohen Prozentsatz an Magnesiumteilchen enthaltende Abgas passiert die Düsen 34, 36 und gelangt in die Sekundärbrennkammer 38 (vgl. Fig. 2). Luft gelangt durch die Lufteinlaßleitung 22, und da sie infolge der hohen Geschwindigkeit der Rakete unter hohem Druck steht, dringt die Luft schnell in die Sekundärkammer 38 ein und vermischt sich mit den heißen Magnesiumteilchen und anderen Brenngasen, die vom Verbrennen des Treibsatzes herrühren. Es findet in der Sekundärkammer 38 eine zusätzliche Verbrennung statt, und das Abgas tritt unter Ausübung eines weiteren Schubes auf das Haketentriebwerk durch die Düse 16.
Die folgenden Beispiele erläutern das Verfahren zur Herstellung des gießbaren Treibsatzes nach der Erfindung und dessen ballistische Eigenschaften. In den Beispielen sowie in der übrigen Beschreibung sind Prozentsätze stets Gewichtsprozente, wenn es nicht anders angegeben ist.
Beispiel 1 Ein Mischer wird mit Polysiloxanpolymer mit einer Viskosität von 40 Poise bei 25° C, Polydimethylsiloxanweichmacher, Eisenoxid (Verbrennungskatalysator) und etwa 50 96 des gesamten Magnesiummetalls beschickt, welches in dem fertigen Treibsatz als Brennstoff dient. Hexan wird in ausreichender Menge in den Mischer gegeben, so daß ohne intensive Durchmischung eine Aufschlämmung entsteht. Diese wird. etwa 5 Minuten lang durchmischt, wonach ihr das übrige noch einzuarbeitende Magnesium zugegeben wird. Dann wird die Aufschlämmung weitere 5 Minuten durchmischt. Danach wird die Aufschlämmung in zwei gleichen Anteilen mit Ammoniumperchlorat versetzt, wobei nach jedem anteiligem Zusatz 5 Minuten lang durchmischt wird. Das erhaltene Treibstoffgemisch wird unter Vakuum bei 770 C gemischt, bis sich die Temperatur des Gemisches auf etwa 770 C stabilisiert. Es wird unter Vakuum weiter gemischt, bis das auf das Treibstoffgemisch einwirkende Vakuum mindestens 0,96 bar beträgt. Nachdem die Temperatur des Treibstoffgemisches sich stabilisiert und das Vakuum den vorstehenden Wert erreicht hat, wird die Temperatur der Treibstoffmasse auf etwa 38 C reduziert. Die abgekühlte Treibstoffmasse wird dann weitere 60 Minuten lang unter Vakuum durchmischt. Sodann wird der Treibstoffmasse unter weiterem kontinuierlichem Durchmischen während 20 Minuten unter einem Vakuum von etwa 0,96 bar ein Alterungsmittel für Polysiloxan zugesetzt. Der erhaltene Treibstoff wird dann in Formen gewünschter Größe und Form gegossen.
Beispiele 2 bis 4 Auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise werden gießbare Treibstoffe für Treibsätze hergestellt. Die Zusammensetzungen und Eigenschaften der Treibstoffe sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben.
Bei der in Tabelle 1 aufgelisteten Zusammensetzung ist das verwendete kugelförmige Magnesium vom Typ III mit Körnung Nr. 17 (nominale Siebmaschengröße 50 bis 100, US-Standardsieb). Das flockenförmige Magnesium ist vom Typ I, wobei 98 e,6 ein 325-Maschen-Sieb (US-Standardeieb) durchlaufen. Das in den Mischungen der Beispiele 2 und 3 verwendete Ammoniumperchlorat hat eine Teilchengröße von etwa 10 Mikron. Das in Beispiel 4 verwendete Ammoniumperchlorat besteht zu 66 2/3 96 aus Teilche mit einer Größe von 10 Mikron und zu 33 1/3 96 aus Teilchen mit einer Größe von 200 Mikron (bimodale Gemisch).
Tabelle 1 Beispiel Beispiel Beispiel 2 3 4 Zusammensetzung (Gew.-%): Magnesium, kugelförmig 50 50 55 Magnesium, flockenförmig 13 10 5 Ammoniumperchlorat 20 21 20 Polysiloxanbindemittel 17 19 20 Polysiloxan 30 Poise a) 9,3 10,4 14,4 Polysiloxan 50 cPoise b) 6,8 7,6 4,0 Alkyltrialkoxysilan c) 0,9 1,0 1,6 Ballistische Eigenschaften: Theoretischer Heizwert (Joule/kg) 21.106 20,9.106 21,2.106 Brenngeschwindigkeit bei 28 bar (mm/sec, gemessen) 25,3 19,8 8,32 Brenngeschwindigkeit bei 42 bar (mm/sec berechnet) 29,5 21,8 8,38 Druckexponent (n) 0,42 0,30 0,1 #p (-53,9 bis 77,4°C), %/°C 0,117 0,198 0,324 lrac (-53,9 bis 77,4°C), io/°C 0,194 0,288 0,342 Theoreti che Dichte (kg/cm ) 0,0015 0,0015 0,0015 29, 5-kg-Nischviskosität, 1 Stunde (kp) 15,8 10,1 9,3 Gebrauchsdauer (h) )8 >8 >8 Festigkeitseigenschaften bei 250 C: £ (Dehnbarkeit, %) 12 14 7 #m (Festigkeit, bar) 5,6 5,46 3,15 E (Modul, bar) 66,57 S7,12 77,56 Sekundärverbrennung: Ausstoßwirkungsgrad (%) d) 99+ 99+ 93-96 Verbrennungswirkungsgrad () e) 96-100 57-99 77-99 Gefährdungsempfindlichkeit: Selbstzündung (5 sec)(°C) Selbstzündung (5 sec)C >343 >343 >343 Stoßempfindlichkeit (cm.kp) 50,3 52,9 66,1 Funkenempfindlichkeit (Joule) - - - Anmerkungen zur Tabelle: a) = RTV-615 (General Electric, Polymer) b) = RTV-910 (General Electric, Weichmacher) c) = RTV-615B (General Electric, Vernetzungsmittel) d) = Gew. -96 an aus dem Treibsatz ausgestoßenem ursprünglichem Treibstoff e) = Prozentsatz der gemessenen ballistischen Leistung, verglichen mit der theoretischen ballistischen Leistung Die Brenngeschwindigkeiten des gießbaren Treibstoffes nach der Erfindung bei einem gegebenen Brenndruck können durch Erhöhung des Gehaltes an flockenförmigem Magnesium in dem Treibstoff und/oder durch Zusatz eines Brennkatalysators, wie Eisenoxid, vergrößert werden.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprche : Gießbares, festes Treibstoffgemisch für die Verwendung als Treibsatz in Kombinationstriebwerken, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus a) etwa 50 bis etwa 55 96 kugelförmigem Magnesium mit einem Teilchengrößenbereich von etwa 44 Mikron bis etwa 500 Mikron und etwa 5 bis etwa 13 % flockenförmigem Magnesium mit einer solchen Teilchengröße, daß 100 % ein 40-Maschen-Sieb und 98 ß ein 325-Maschen-Sleb (US-Standardsieb) durchlaufen, wobei die kombinierten Prozentsätze an kugelförmigem und flockenförmigem Magnesium 55 96 bis etwa 63 Gew.-96 des Treibstoffgemisches ausmachen, b) aus etwa 18 bis etwa 25 96 festem Oxidationsmittel, das zu mindestens etwa 80 ß aus Ammoniumperchlorat besteht, und c) aus etwa 16 bis etwa 20 96 eines Polysiloxanbindemittels besteht, das aus polymerem Polysiloxan mit einer Viskosität von etwa 12 bis etwa 50 Poise bei 250 C sowie einem Vernetzungsmittel für das polymere Polysiloxan besteht, wobei das Gewichtsverhältnis von festem Oxidationsmittel zu polymerem Polysiloxan etwa 0,9 : 1 bis etwa 1,5 : 1 beträgt.
2. Treibstoffgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kugelförmige Magnesium eine Teilchengröße von etwa 44 Mikron bis etwa 300 Mikron aufweist.
3. Treibstoffgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Oxidationsmittel zu 100 96 aus Arnrnoniumperchlorat besteht.