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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treibstoffzusammensetzung aus NC (Nitrozellulose) und NG (Nitroglyzerin) mit einem niedrigen Druckexponenten und hohem spezifischen Impuls.
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Auf dem Gebiet der rauchlosen Raketentreibstoffe sind Double-Base-Treibstoffe (abgekürzt DB-Treibstoffe) aus hauptsächlich Nitrozellulose und Nitroglyzerin bekannt.
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Bekannt sind auch Treibstoffe mit hohem spezifischen Impuls, die den hohen Leistungsanforderungen an Raketentreibstoffen entprechen und die als Composit-modifizierte Double-Base-Treibstoffe (abgekürzt CMDB-Treibstoffe) bezeichnet werden und neben NC und NG weitere Oxidationsmittel enthalten, wie Ammoniumperchlorat (abgekürzt AP), Cyclotrimethylentrinitamin (abgekürzt RDX) sowie Metallpulver, wie Aluminiumpulver. Bekannt ist auch ein Composit-Double-Base-Treibstoff (abgekürzt CDB-Treibstoff), der durch Zugabe eines Binders zum DB- oder CMDB-Treibstoff gewonnen wird.
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Die Beziehung zwischen Verbrennungsgeschwindigkeit und Verbrennungsdruck dieser Treibstoffe entspricht der Formel:
r = aP n
wobei r die Verbrennungsgeschwindigkeit, P den Verbrennungdruck, n einen Druckexponenten und a eine dem individuellen Treibstoff inhärente Konstante darstellen.
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Bei Raketentreibstoffen ist es vom Standpunkt der Konstruktion des Raketenmotors und der Abbrandstabilität des Treibstoffs selbst allgemein wünschenswert, daß der Druckexponent n klein ist. Insbesondere wird, wenn n nahe oder gleich 0 ist (n ≈ 0), die Verbrennung als Plateau-Abbrand bezeichnet, und wenn n kleiner als 0 (n ≤ 0) ist, wird die Verbrennung als Mesa-Abbrand bezeichnet. Diese Plateau- und Mesa-Abbrandeigenschaften werden bei Raketentreibstoffen bevorzugt.
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Es war bekannt, daß als Verbrennungskatalysatoren, die befähigt sind, DB-Treibstoffen solch vorzuziehende Eigenschaften zu verleihen, ein organisches Bleisalz, wie Bleisalicylat oder Bleistearat, Bleioxid oder metallisches Blei, alleine oder im Gemisch mit einer Kupferverbindung, wie einem organischen Kupfersalz, z. B. Kupfersalicylat und Kupferstearat, oder Kupferoxid oder metallisches Kupfer anzuwenden (JP-OS 49 28/74).
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Aus der US-PS 31 38 499 sind Treibstätze aus NC und NG mit ballistischen Zusätzen aus Blei- und Kupfersalzen bestimmter aromatischer Säuren bekannt. Als aromatische Säuren kommen dabei β-Resorcinsäure und Salicylsäure in Frage, wobei β-Resorcinsäure durch 2,5-Dihydroxybenzoesäure und 5-Methylendisalicyläure ersetzt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Treibstoffzusammensetzung auf der Basis von NC und NG zur Verfügung zu stellen, die einen hohen spezifischen Impuls und einen niedrigen Druckexponenten n aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Treibstoffzusammensetzung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
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Fig. 1 - 3 sind Diagramme, die die Beziehungen zwischen dem Verbrennungsdruck und der Verbrennungsgeschwindigkeit von DB-Treibstoffen veranschaulichen; und
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Fig. 4 - 5 sind Diagramme, die die Beziehungen zwischen dem Verbrennungsdruck und der Verbrennungsgeschwindigkeit von CMDB- bzw. CDB-Treibstoffen veranschaulichen.
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Erfindungsgemäß wird als Verbrennungskatalysator Kupferbenzoat und als Bleiverbindung ein organisches Bleisalz und/oder anorganisches Blei verwendet, wobei das anorganische Blei auch metallisches Blei einschließt. Geeignete anorganische Bleisalze sind beispielsweise Bleisalicylat, Bleistearat, Bleiresorcylat und Blei-2-ethylhexylat.
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Eine geeignete anorganische Bleiverbindung ist beispielsweise Bleistannat oder Bleioxid. Wie erwähnt, kann das Blei auch in metallischer Form vorliegen.
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Der Verbrennungskatalysator wird vorzugsweise in einer Gesamtmenge von 0,5 bis 5 Gew.-% eingesetzt, bezogen auf die Gesamtmenge der Treibstoffzusammensetzung. Die Menge an Kupferbenzoat beträgt vorzugsweise 0,2 bis 4 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Treibstoffzusammensetzung. Wenn die in einer Treibstoffzusammensetzung enthaltene Menge an Kupferbenzoat geringer als 0,2 Gew.-% und ferner die in der Treibstoffzusammensetzung enthaltene Menge an organischem Bleisalz oder anorganischem Blei geringer als 0,3 Gew.-% sind, weist die Treibstoffzusammensetzung einen hohen Druckexponenten auf. Wenn hingegen die Menge an Kupferbenzoat 4 Gew.-% und ferner die Gesamtmenge des Verbrennungskatalysators 5 Gew.-% übersteigen, wird die Menge an energetisch inaktivem Verbrennungskatalysator vergrößert, die sich ergebende Treibstoffzusammensetzung weist dann einen niedrigen spezifischen Impuls auf. Deshalb ist es nicht vorzuziehen, den Verbrennungskatalysator in solch einer kleinen oder großen Menge einzusetzen.
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Der Treibstoff der vorliegenden Erfindung, der NC, NG und den Verbrennungskatalysator umfaßt, kann gegebenenfalls Plastifizierungsmittel, wie Diethylphthalat, Dioctylphthalat, Tributylphosphat, Triacetin, Dioctyladipat oder Dioctylsebacat, Oxidationsmittel, wie RDX, Cyclotetramethylentetranitramin (HMX), AP oder Kaliumperchlorat, Metallpulver, wie Aluminiumpulver, Stabilisierungsmittel, wie Diphenylamin, Binder, wie Isocyanat-terminierte Polyester sowie Gelatinierungsmittel enthalten.
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Die Zugabemenge dieser Zusatzchemikalien kann im allgemeinen festgelegt werden, indem man den spezifischen Impuls und andere Brennleistungen, mechanische Eigenschaften, Sicherheit, Produktivität und Alterungsbeständigkeit der angestrebten Treibstoffzusammensetzung in Betracht nimmt. Zum Beispiel beträgt im DB-Treibstoff mit hohem spezifischem Impuls die Menge an NC 25 bis 50 Gew.-%, die an NG 40 bis 65 Gew.-%, die der Gesamtmenge an Plastifizierungs- und Gelatinierungsmittel 3 bis 15 Gew.-%, und die an Stabilisierungsmittel 0,3 bis 5 Gew.-%. Der CMDB-Treibstoff wird hergestellt durch Zugabe von 0 bis 40 Gew.-Teilen AP, von 0 bis 60 Gew.-Teilen Nitraminen, wie RDX, HMX und ähnlichen, von 0 bis 30 Gew.-Teilen Aluminium, jeweils allein oder im Gemisch, zu 100 Gew.-Teilen des DB-Treibstoffes mit der oben beschriebenen Zusammensetzung. Der CDB-Treibstoff wird hergestellt durch Ersatz von 0,3 bis 10 Gew.-% der Gesamtmenge der oben beschriebenen Plastifizierungs- und Gelatinierungsmittel durch einen Binder. In jedem vorgenannten DB-, CMDB- und CDB-Treibstoff muß der in der vorliegenden Erfindung spezifizierte Verbrennungskatalysator in einer Menge von 0,5 bis 5 Gew.-% enthalten sein.
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Erfindungsgemäß kann die Treibstoffzusammensetzung z. B. nach folgender Methode hergestellt werden.
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NG, ein Plastifizierungsmittel und ein Verbrennungskatalysator werden unter vermindertem Druck vermengt. Die sich ergebende Mischung wird dann gegebenenfalls mit einem Oxidierungsmittel und Metallpulvern und einem Binder zusammengemischt. Dann wird die Mischung mit einem Stabilisierungsmittel und feinpulverigem NC unter vermindertem Druck zusammengemischt, wobei man eine homogene Aufschlämmung erhält. Die Aufschlämmung wird unter vermindertem Druck in eine Form gegossen, der Formkörper wird erwärmt und gehärtet unter Erhalt eines DB-, CMDB- oder DCB-Treibstoffes.
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Die folgenden Beispiele beschreiben die Erfindung. In der Tabelle bedeutet "%" Gew.-%.
Beispiel 1
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Ein DB-Treibstoff mit einer Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 wurde auf folgende Weise hergestellt.
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Eine Mischung aus 3200 g NG und 800 g Diethylphthalat (DEP) wurde gerührt, in einen Mischer gegeben und anschließend darin bei 30°C 20 Minuten lang unter vermindertem Druck mit 200 g Bleisalicylat (Pb-SA) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht größer als 10 μm zusammengemischt. Nach dem Mischen wurden der Mischung 200 g 2-Nitrodiphenylamin (2-NDPA) und 5500 g feinpulverige NC zugefügt. Die Mischung wurde bei 40°C 40 Minuten lang unter vermindertem Druck vermengt. Nach dem Mischvorgang wurde die Aufschlämmung unter vermindertem Druck in eine Form gegossen. Der Formkörper wurde 10 Tage lang bei 50°C gehärtet. 5 Strangproben wurden aus diesem DB-Treibstoff hergestellt und einem Strangtest gemäß der folgenden Methode unterworfen.
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5 Strangproben wurden unter einer Stickstoffatmosphäre unter einem jeweiligen Druck, der innerhalb des Bereiches von 30 bar bis 130 bar jeweils um 10 bar erhöht wurde, verbrannt. Dabei wurde eine Crawford-Bombe angewandt und die Verbrennungsgeschwindigkeit der Proben gemessen.
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Die erhaltenen Ergebnisse sind in der ausgezogenen Linie in Fig. 1 dargestellt. In Fig. 1 sind auf der Ordinate der Logarithmus der Verbrennungsgeschwindigkeit (r, Einheit: mm/sek) und auf der Abszisse der Logarithmus des Verbrennungsdruckes (P, Einheit: bar) aufgetragen. Fig. 1 stellt ein Diagramm dar, das eine Beziehung zwischen dem Verbrennungdruck und der Verbrennungsgeschwindigkeit wiedergibt und erhalten wurde, indem man die Durchschnittsverbrennungsgeschwindigkeit über dem jeweiligen Verbrennungsdruck aufträgt.
Vergleichsbeispiel 1
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Es wurde ein DB-Treibstoff, entsprechend Beispiel 1, hergestellt, wobei Kupfersalicylat anstelle von Kupferbenzoat eingesetzt wurde. Dieser DB-Treibstoff wurde demselben Test unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in einer gestrichelten Linie in Fig. 1 dargestellt.
Beispiel 1
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Es wurde ein DB-Treibstoff mit hohem spezifischen Impuls, entsprechend Beispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, daß die Mengen NC und NG wie in der Tabelle beschrieben abgeändert wurden. Der in der Tabelle aufgeführte spezifische Impuls ist ein Wert, der durch Anwendung eines theoretischen Rechenprogramms der NASA für Raketen bei einem Verbrennungsdruck von 80 bar berechnet wurde.
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Der sich ergebende Treibstoff wurde demselben Test unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der ausgezogenen Linie in Fig. 2 dargestellt.
Vergleichsbeispiel 2
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Es wurde ein DB-Treibstoff mit hohem spezifischen Impuls, entsprechend Beispiel 2, hergestllt, mit dem Unterschied, daß Kupfersalicylat anstelle von Kupferbenzoat eingesetzt wurde. Der sich ergebende Treibstoff wurde demselben Test unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in einer gestrichelten Linie in Fig. 2 dargestellt.
Beispiel 3
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Es wurde ein DB-Treibstoff mit hohem spezifischen Impuls entsprechend Beispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, daß Bleioxid (PbO) anstelle von Bleisalicylat eingesetzt wurde. Der Treibstoff wurde demselben Test unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der ausgezogenen Linie in Fig. 3 dargestellt.
Vergleichsbeispiel 3
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Es wurde ein DB-Treibstoff mit hohem spezifischen Gewicht entsprechend Beispiel 3 hergestellt, mit dem Unterschied, daß Kupfersalicylat anstelle von Kupferbenzoat eingesetzt wurde. Der sich ergebende Treibstoff wurde demselben Test unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in einer gestrichelten Linie in Fig. 3 dargestellt.
Beispiel 4
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Es wurde ein CMDB-Treibstoff auf folgende Weise hergestellt.
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Eine Mischung aus 3290 g NG und 640 g DEP wurde gerührt, in einen Mischer gegeben und darin bei 30°C 20 Minuten lang unter vermindertem Druck mit 160 g Bleisalicylat mit einer Durchschnittsteilchengröße von nicht größer als 10 μm und 80 g Kupferbenzoat mit einer Durchschnittsteilchengröße von nicht größer als 10 μm zusammengemischt. Nach dem Mischen wurde die entstandene Mischung des weiteren mit 2000 g RDX vermengt. Anschließend wurde die erhaltene Mischung bei 40°C 40 Minuten lang unter vermindertem Druck mit 160 g 2-NDPA und 3040 g feinpulveriger NC zusammengemischt. Nach dem Mischvorgang wurde die Aufschlämmung unter vermindertem Druck in eine Form gegossen und der Formkörper bei 50°C 10 Tage lang gehärtet. Der Treibstoff wurde demselben Test unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in einer ausgezogenen Linie in Fig. 4 dargestellt.
Vergleichsbeispiel 4
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Es wurde ein CMDB-Treibstoff, entsprechend Beispiel 4, hergestellt, mit dem Unterschied, daß Kupfersalicylat anstelle von Kupferbenzoat eingesetzt wurde. Der Treibstoff wurde demselben Test unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in einer gestrichelten Linie in Fig. 4 dargestellt.
Beispiel 5
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Es wurde ein CDB-Treibstoff auf folgende Weise hergestellt.
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Eine Mischung aus 6000 g NG und 400 g DEP wurde gerührt, in einen Mischer gegeben und darin bei 30°C 20 Minuten lang unter vermindertem Druck mit 200 g Bleisalicylat mit einer Durchschnittsteilchengröße von nicht größer als 10 μm und 200 g Kupferbenzoat mit einer Durchschnittsteilchengröße von nicht größer als 10 µm zusammengemischt. Die Mischung wurde dann bei 30°C 20 Minuten lang mit einem Isocyanat-terminierten bifunktionalen Polyester mit einem Molekulargewicht von 3000 und weiter bei 40°C 40 Minuten lang unter vermindertem Druck mit 200 g 2-NDPA und 2600 g feinpulveriger NC vermengt. Nach dem Mischvorgang wurde die Aufschlämmung unter vermindertem Druck in eine Form gegossen und der Formkörper bei 50°C 10 Tage lang gehärtet. Der Treibstoff wurde demselben Test unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der ausgezogenen Linie in Fig. 5 dargestellt.
Vergleichsbeispiel 5
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Es wurde ein CDB-Treibstoff entsprechend Beispiel 5 hergestellt, mit dem Unterschied, daß Kupfersalicylat anstelle von Kupferbenzoat eingesetzt wurde. Der Treibstoff wurde demselben Test unterworfen, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die erhaltenen Ergebnisse sind in einer gestrichelten Linie in Fig. 5 dargestellt. &udf53;ns&udf54;¸&udf50;&udf53;ns&udf54;
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Der Druckexponent (n) der beschriebenen Formel ist durch die Steigung einer auf Logarithmenpapier aufgetragenen Kurve der Beziehung zwischen dem Verbrennungsdruck (P) und der Verbrennungsgeschwindigkeit (r) gegeben. Deshalb kann der im folgenden beschriebene Tatbestand aus der Steigung der ausgezogenen Linie der Beispiele und aus der Steigung der gestrichelten Linie der Vergleichsbeispiele in den Diagrammen verstanden werden.
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Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3 zeigen Ausgestaltungen von DB-Treibstoffen. Wie aus der Tabelle ersichtlich, stellen Beispiele 2 und 3 und Vergleichsbeispiele 2 und 3 Ausgestaltungen von DB-Treibstoffen mit hohem spezifischen Impuls und Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 Ausgestaltungen von DB-Treibstoffen mit nicht so hohem spezifischen Impuls dar.
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Obwohl in Fig. 1 sowohl der DB-Treibstoff des Beispiels 1, der einen in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Verbrennungskatalysator anwendet, als auch der DB-Treibstoff des Vergleichsbeispiels 1, der einen allgemein bekannten Verbrennungskatalysator anwendet, ein Mesa Abbrandverhalten vorweisen, ist es doch klar, daß der DB-Treibstoff des Beispiels 1 bezüglich der Steigung der Druckexponentenkurve steiler und zudem im Mesa-Abbrandbereich breiter ist, als der DB-Treibstoff des Vergleichsbeispiels 1. In Fig. 2 weist der unter Anwendung eines in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Verbrennungskatalysators hergestellte DB-Treibstoff des Beispiels 2 ein Mesa-Abbrandverhalten im Bereich hohen Verbrennungsdrucks auf, während der unter Anwendung eines allgemein bekannten Verbrennungskatalysators hergestellte DB-Treibstoff des Vergleichsbeispiels 2 bezüglich der Steigung der Durckexponentenkurve im Bereich hohen Verbrennungsdrucks ungünstig wird. Obwohl in Fig. 3 der unter Anwendung eines allgemein bekannten Verbrennungskatalysators hergestellte DB-Treibstoff des Vergleichsbeispiels 3 eine Druckexponentenkurve mit günstiger Steigung im Bereich hohen Verbrennungsdrucks zeigt, hat der unter Anwendung eines in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Verbrennungskatalysators hergestellte DB-Treibstoff des Beispiels 3 eine Druckexponentenkurve mit einer deutlich günstigeren Steigung im Bereich hohen Verbrennungsdrucks, zeigt schließlich ein Mesa-Abbrandverhalten und ist zudem im Ganzen günstiger als der DB-Treibstoff des Vergleichsbeispiels 3 bezüglich der Druckexponentenkurve.
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Fig. 4 stellt Ausgestaltungen von CMDB-Treibstoffen dar. Der unter Anwendung eines in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Verbrennungskatalysators hergestellte CMCB-Treibstoff des Beispiels 4 ist bezüglich der Steigung der Druckexponentenkurve im Bereich hohen Verbrennungsdrucks ausgeprägt günstiger als der unter Anwendung eines allgemein bekannten Verbrennungskatalysators hergestellte CMDB-Treibstoff des Vergleichsbeispiels 4 und zeigt im wesentlichen ein Plateau-Abbrandverhalten.
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Fig. 5 stellt Ausgestaltungen von CDB-Treibstoffen dar. Der unter Anwendung eines in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Verbrennungskatalysators hergestellte CDB-Treibstoff des Beispiels 5 ist bezüglich der Steigung der Druckexponentenkurve im Ganzen günstiger als der unter Anwendung eines allgemein bekannten Verbrennungskatalysators hergestellte CDB-Treibstoff des Vergleichsbeispiels 5 und hat einen niedrigen Druckexponenten n.
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Wie aus den vorstehend beschriebenen Beispielen ersichtlich, werden gemäß der vorliegenden Erfindung Treibstoffzusammensetzungen mit einem ausgeprägt niedrigen Druckexponenten n unter Anwendung eines spezifisch begrenzten Verbrennungskatalysators hergestellt. Die vorliegende Erfindung ist zur Herstellung von Treibstoffzusammensetzungen mit hohem spezifischen Impuls sehr geeignet.