DE102004024857B4

DE102004024857B4 - Pyrotechnischer Satz

Info

Publication number: DE102004024857B4
Application number: DE102004024857A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Christian Dr. Koch
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: US20060011277A1; DE102004024857A1; US7556702B2; GB2414236A; GB2414236B; GB0509981D0

Abstract

Pyrotechnischer Satz zur Erzeugung von IR-Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff, als Oxidationsmittel und/oder als Bindemittel eine deuterierte Verbindung enthalten ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Satz, und insbesondere einen pyrotechnischen Satz zur Erzeugung von IR-Strahlung, der vorteilhafterweise in einem Infrarot-Täuschkörper eingesetzt werden kann.
Im militärischen Bereich werden zur Bekämpfung von Luftzielen, wie beispielsweise Strahlflugzeugen, Hubschraubern und Transportmaschinen, Flugkörper wie Luft-Luft- und Boden-Luft-Lenkflugkörper eingesetzt, welche die vom Triebwerk des Ziels ausgehende Infrarot (IR) – Strahlung, vornehmlich im Bereich zwischen 0,8 und 5 μm, mit Hilfe eines auf IR-Strahlung empfindlichen Suchkopfes anpeilen und verfolgen. Zur Abwehr dieser Flugkörper werden daher Tauschkörper (auch Flares genannt) eingesetzt, welche die IR-Signatur des Ziels imitieren, um anfliegende Lenkflugkörper abzulenken. Derartige Tauschkörper können auch präventiv eingesetzt werden, um die Erfassung von Zielen durch die Herabsetzung des Kontrasts der Szene zu erschweren oder sogar zu verhindern.
Eine typische Wirkmasse zur Erzeugung von Schwarzkörperstrahlug im IR-Bereich ist ein pyrotechnischer Satz aus Magnesium, Polytetrafluorethylen (Teflon^®) und Vinylidenfluorid-Hexafluorisopren-Copolymer (Viton^®), auch MTV genannt, welcher beim Abbrand eine schwarzkörper-ähnliche spektrale Intensitätsverteilung zeigt. Die tatsächliche Signatur von zum Beispiel Flugzeugtriebwerken unterscheidet sich aber von der Signatur eines schwarzen Strahlers, da die heißen Abgase der Propeller- oder Strahlantriebe starke selektive Anteile im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 5 μm (sog. β-Band) emittieren. Diese selektive Ausstrahlung ist auf die Verbrennungsprodukte CO und CO₂ zurück zu führen, die bei 4,61 μm bzw. 4,17 μm emittieren.
Zur Unterscheidung von Täuschkörpern mit Schwarzkörpersignatur und echten Flugzielen führen moderne Suchköpfe deshalb zusätzlich eine spektrale Bewertung der Strahlungsquelle durch. Dabei wird insbesondere dem Sachverhalt Rechnung getragen, dass die integrierte Intensität der Signatur eines Flugzeugs bzw. dessen Triebwerks im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 5 μm (β-Band) um den Faktor 2 größer ist als die integrierte Intensität im Wellenlängenbereich zwischen 2 und 3 μm (sog. α-Band). Bei Täuschkörpern mit Schwarzkörpersignatur beträgt dieses Verhältnis dagegen immer weniger als 1.
Um die auf dieser Basis erfolgende spektrale Unterscheidung von Täuschkörpern durch Suchköpfe zu überwinden, wurden in der Vergangenheit angepasste Täuschkörper vorgeschlagen, die eine flugzeug-ähnliche spektrale Intensitätsverteilung aufweisen.
Zu diesem Zweck sind zum Beispiel Täuschkörper vorgeschlagen worden, die pyrotechnische Wirkladungen basierend auf kohlenstoffreichen Verbindungen und Sauerstoffträgern enthalten. Daneben wurden auch solche Wirkladungen vorgeschlagen, die Bor als Brennstoff enthalten. Beim Abbrand kohlenstoffreicher Verbindungen entstehen insbesondere CO und CO₂, welche der selektiven Ausstrahlung im β-Band von 3 bis 5 μm dienen; beim Abbrand von Bor entstehen insbesondere HBO und HOBO, die ebenfalls im β-Band selektiv bei 3,51 bzw. 4,94 μm sowie 2,72 μm emittieren.
Bei der Konzeption der erstgenannten, kohlenstoffreichen Wirkladungen muss ein CO₂/H₂O – Verhältnis bei den Verbrennungsprodukten erzielt werden, das stets deutlich kleiner als 1 ist. Dies hängt mit der selektiven Ausstrahlung des Wassers im Wellenlängenbereich bei 2,73 μm zusammen. Die übermäßige Bildung von Wasser ist daher in Bezug auf den oben erläuterten Quotienten der integrierten Intensitäten im α-Band und β-Band möglichst zu vermeiden. Aus diesem Grund wurden im Stand der Technik zum Beispiel wasserstoffarme aromatische Carbonsäureanhydride (siehe US-Patent Nr. 6,427,599 ) sowie wasserstofffreie Cyanoverbindungen als Brennstoffe in pyrotechnischen Wirkmassen für spektral angepasste Täuschkörper vorgeschlagen. Allerdings führt der enthaltene Wasserstoff in den kohlenstoffhaltigen Zusammensetzungen bedingt durch Stoffe wie HO (2,67 μm), HCl (3,34 μm) und H₂O (2,73 μm) stets auch zu starken Ausstrahlungen im α-Band.
Bei der Verwendung von Bor als Brennstoff führt der anwesende Wasserstoff aus zum Beispiel dem Ammoniumperchlorat ebenfalls stets zu einer Beeinträchtigung des spektralen Verhältnisses, da das in der Flamme gebildete HOBO auch bei 2,72 μm emittiert und daher zu einer Erhöhung der integrierten Intensität im Bereich von 2 bis 3 μm (α-Band) beiträgt.
Bei den genannten herkömmlichen Wirkmassen reduziert daher die Ausstrahlung in diesen Wellenlängenbereichen die Wirksamkeit der jeweiligen Täuschköper einerseits durch falsche Anteile im kurzwelligen α-Band, die schlimmstenfalls zu einer Zurückweisung des Täuschkörpers führen, und andererseits durch eine nur geringe spezifische Ausstrahlung im β-Band, die zu einer Reduzierung der Auffassreichweite des Täuschkörpers führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen pyrotechnischen Satz zur Erzeugung von IR-Strahlung vorzusehen, der beim Abbrand der Brennstoffe eine flugzeug-ähnliche spektrale Intensitätsverteilung erzeugt. Insbesondere soll der Quotient der integrierten Strahlungsintensitäten des β-Bandes und des α-Bandes beim Abbrand der Brennstoffe des pyrotechnischen Satzes demjenigen der Signatur eines Flugzeuges besser angepasst sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen pyrotechnischen Satz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der pyrotechnische Satz zur Erzeugung von IR-Strahlung gemäß der Erfindung enthält als Brennstoff, als Oxidationsmittel und/oder als Bindemittel eine deuterierte Verbindung.
Der Einsatz deuterierter, d. h. mit Deuterium angereicherter Verbindungen als Brennstoff, Oxidationsmittel und/oder Bindemittel führt zu einer verstärkten selektiven Ausstrahlung im β-Band und gleichzeitig zu einer verringerten selektiven Ausstrahlung im α-Band, sodass der Quotient der integrierten Strahlungsintensitäten des β-Bandes und des α-Bandes beim Abbrand der Brennstoffe des pyrotechnischen Satzes der Erfindung demjenigen der Signatur eines Flugzeuges besser angepasst ist.
Vorzugsweise sind in der deuterierten Verbindung wenigstens 50 Gew.-% der Wasserstoffatome durch Deuteriumatome ersetzt.
Als Brennstoff werden in dem pyrotechnischen Satz zum Beispiel deuterierte Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Anthracen-d₁₀ und Phenanthren-d₁₀, deuterierte Borane wie beispielsweise nido-Decaboran-d₁₄ (B₁₀D₁₄), deuterierte Polysilane der allgemeinen Zusammensetzung (SiD_x)_n mit 0 < x ≤ 2, Alkalibordeuteride der allgemeinen Zusammensetzung M(BD₄) mit M = Li, Na, K, Rb, Cs, und Alkalialuminiumdeuteride der allgemeinen Zusammensetzung M(AlD₄) mit M = Li, Na, K, Rb, Cs eingesetzt.
Hierbei ist der Brennstoff vorzugsweise in einem Massenanteil von 10% bis 55%, besonders bevorzugt in einem Massenanteil von 10% bis 35% enthalten.
Als Oxidationsmittel werden in dem pyrotechnischen Satz zum Beispiel deuterierte Ammoniumverbindungen, wie beispielsweise Ammoniumperchlorat-d₄ (ND₄ClO₄, CAS-Nr. [55304-22-8]), Ammoniumnitrat-d₄ (ND₄NO₃, [15117-65-4]), Ammoniumdinitramid-d₄ (ND₄N(NO₂)₂) und Hydraziniumnitroformat-d₅ (N₂D₅C(NO₂)₃) eingesetzt.
Hierbei ist das Oxidationsmittel vorzugsweise in einem Massenanteil von 40% bis 85%, besonders bevorzugt in einem Massenanteil von 55% bis 85% enthalten.
Als Bindemittel wird in dem pyrotechnischen Satz zum Beispiel ein deuteriertes Polymer, wie beispielsweise Hexafluorisopren-vinylidendifluorid-d₂-copolymer (-C₅D₂F₈-)_n, deuteriertes HTPB, Polyethylen-d₄ (-CD₂-CD₂-)_n, PVC-d₃ (-CD₂-CDCl-)_n und Polystyrol-d₈ (-CD(C₆D₅)-CD₂-)_n eingesetzt.
Hierbei ist das Bindemittel vorzugsweise in einem Massenanteil von 1,5% bis 5% enthalten.
Die oben erläuterte Erfindung geht dabei von den nachfolgend beschriebenen Überlegungen aus.
Gemäß der Erfindung soll ein pyrotechnischer Satz bereit gestellt werden, der beim Abbrand von Kohlenwasserstoffen und Bor zusammen mit Oxidationsmitteln wie zum Beispiel Ammoniumperchlorat in Täuschkörperwirkmassen mehr selektive Ausstrahlungsanteile im gewünschten β-Band, also dem Wellenlängenbereich von 4 bis 5 μm konzentriert, um die Signatur eines Flugzeugtriebwerks besser zu imitieren.
Die Schwingung einer X-H – Streckschwingung kann in erster Näherung als harmonischer Oszillator beschrieben werden. Die Schwingungsfrequenz ν wird dann bestimmt durch
mit k: Kraftkonstante der Bindung zwischen den Atomen i und j, und μ: reduzierte Masse, gegeben durch die Beziehung
mit m_i und m_j: Masse der Atome bzw. Molekülfragmente.
Wenn der Wasserstoff in den oben bezeichneten Verbindungen herkömmlicher Wirkmassen nun durch ein Atom höherer Masse substituiert wird, verringert sich die Wellenzahl ν, erhöht sich also die Wellenlänge λ.
Vom Wasserstoff sind drei Isotope bekannt, nämlich der ¹H-Wasserstoff, der ²H-Wasserstoff, auch Deuterium (²D) genannt, und der radioaktive ³H-Wasserstoff, auch Tritium (³T) genannt. Die Masse des Deuteriums ist aufgrund des zusätzlichen Neutrons im Kern doppelt so groß wie die des ¹H.

Ein Ersatz des ¹H-Wasserstoffs durch Deuterium in den oben genannten Verbrennungsprodukten (H₂O, HO, CH₄, HCN, HOB, HOBO, HCl) führt bei einer in etwa gleichen Kraftkonstanten k zu einer Senkung der Frequenz ν und damit zu einer Erhöhung der Wellenlänge λ, also zu einer bathochromen Verschiebung. Wie in der nachfolgenden Tabelle und speziell für H₂O in der anhängenden Figur gezeigt, besitzen deuterierte Verbindungen eine starke selektive Ausstrahlung im spektralen Bereich zwischen 3 und 5 μm, d. h. in dem hier besonders relevanten α-Band, und insbesondere zwischen 3,5 und 4,8 μm. Wie aus der Tabelle und der Figur offensichtlich, verschieben sich beim Einsatz deuterierter Verbindungen die molekularen Emissionen der wasserstoff-haltigen Spezies um etwa 1 μm zu größeren Wellenlängen, was zu einer verstärkten Ausstrahlung im α-Band von 3 bis 5 μm führt, und gleichzeitig wird die Ausstrahlung im β-Band von 2 bis 3 μm um den gleichen Anteil reduziert. Tabelle

H-Verbindung	ν in cm^–1	λ in μm	D-Verbindung	ν in cm^–1	λ in μm
H₂	4395	2,28	D₂	3119	3,21
H₂	4395	2,28	HD	3817	2,62
H₂O	3657	2,73	D₂O	2671	3,74
H₂O	3657	2,73	HDO	2727	3,67
HO	3735	2,67	DO	2721	3,68
CH₄	2917	3,43	CD₄	2085	4,80
HCN	3311	3,02	DCN	2630	3,80
NH₃	3335	3,00	ND₃	2419	4,14
HCl	2991	3,34	DCl	2145	4,66
HF	4139	2,41	DF	2998	3,34
H¹¹BO	2849	3,51	D¹¹BO	2316	4,31
H¹¹BO	2849	3,51	D¹⁰BO	2369	4,22
HO^10,11BO	2023	4,94	DO^10,11BO	2013	4,97
HO^10,11BO	3681	2,72	DO^10,11BO	2713	3,69

Alle Angaben aus K. Nakamoto, "Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds", Part A, Wiley, New York, 1997.
Es wird daher vorgeschlagen, für pyrotechnische IR-Wirkmassen mit einer selektiven Ausstrahlung im α-Band von 3 bis 5 μm Bereich deuterierte Verbindungen als Brennstoffe und/oder Oxidationsmittel, wahlweise auch als Bindemittel zu verwenden.
Geeignete Brennstoffe im Sinne der Erfindung sind deuterierte bzw. wenigstens teildeuterierte (≥ 50 Gew-% D) Kohlenwasserstoffe, Alkalibordeuteride der allgemeinen Formel M(BD₄) mit M = Li, Na, K, Rb, Cs, Alkalialuminiumdeuteride der allgemeinen Formel M(AlD₄) mit M = Li, Na, K, Rb, Cs, und nido-Tetradecadeuterodecaboran (B₁₀D₁₄).
Geeignete Oxidationsmittel im Sinne der Erfindung sind Ammoniumperchlorat-d₄ (ND₄ClO₄, CAS-Nr. [55304-22-8], siehe R. J. C. Brown et al., "The thermodynamics of perchlorates. Heat capacity of ND₄ClO₄ from 7 to 345 K and the analysis of heat capacities and related data of NH₄ClO₄ and ND₄ClO₄", J. Chem. Phys. 91, 1989, Seiten 399–407), Ammoniumnitrat-d₄ (ND₄NO₃, [15117-65-4], siehe M. Ahtee et al., "The structure of the low-temperature phase V of Ammonium Nitrate, ND₄NO₃", Acta Cryst. 1983, C39, Seiten 651–655), Ammoniumdinitramid-d₄ (ND₄N(NO₂)₂, keine CAS-Nr. bekannt), Hydraziniumnitroformat-d₅ (N₂D₅C(NO₂)₃, keine CAS-Nr. bekannt) und dergleichen.
Geeignete Bindemittel im Sinne der Erfindung sind deuterierte Polymere, wie Hexafluorisopropen-vinylidendifluorid-d₂-copolymer (-C₅D₂F₈-)_n, deuteriertes HTPB, Polyethylen-d₄ (-CD₂-CD₂-)_n, PVC-d₃ (-CD₂-CDCl-)_n oder Polystyrol-d₈ (-CD(C₆D₅)-CD₂-)_n.

Claims

Pyrotechnischer Satz zur Erzeugung von IR-Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff, als Oxidationsmittel und/oder als Bindemittel eine deuterierte Verbindung enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der deuterierten Verbindung wenigstens 50 Gew.-% der Wasserstoffatome durch Deuteriumatome ersetzt sind.
Pyrotechnischer Satz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus deuterierten Kohlenwasserstoffen, deuterierten Boranen, deuterierten Polysilanen, Alkalibordeuteriden und Alkalialuminiumdeuteriden enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus deuteriertem Anthracen und deuteriertem Phenanthren enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff nido-Decaboran-d₁₄ enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff in einem Massenanteil von 10% bis 55% enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff in einem Massenanteil von 10% bis 35% enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel eine deuterierte Ammoniumverbindung enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus deuteriertem Ammoniumperchlorat, deuteriertem Ammoniumnitrat, deuteriertem Ammoniumdinitramid und deuteriertem Hydraziniumnitroformat enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel in einem Massenanteil von 40% bis 85% enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel in einem Massenanteil von 55% bis 85% enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel ein deuteriertes Polymer enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hexafluorisopren-vinylidendifluorid-d₂-copolymer, deuteriertem HTPB, deuteriertem Polyethylen, deuteriertem PVC und deuteriertem Polystyrol enthalten ist.
Pyrotechnischer Satz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel in einem Massenanteil von 1,5% bis 5% enthalten ist.