DE69905325T2

DE69905325T2 - Feststoffraketentreibsatzgefüge

Info

Publication number: DE69905325T2
Application number: DE69905325T
Authority: DE
Inventors: Theodore F. Comfort
Original assignee: Alliant Techsystems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Innovation Systems LLC
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2019-10-30
Also published as: US6066214A; DE69905325D1; EP0997449B1; EP0997449A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

I. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen bei der Leistung von festen Komposit-Treibstoffzusammensetzungen, einschließlich derjenigen, die für eine Vielzahl von Raketenmotoren nützlich sind, die einen oder mehrere Weichmacher bzw. Plastifikatoren und Bindemittel, einen Brennstoff und einen oder mehrere Oxidatoren enthalten. Insbesondere ist die Erfindung auf Verbesserungen bei der Modifizierung der Oxidatorfraktion der Zusammensetzung gerichtet, die signifikant die Leistung von Raketenmotoren unter Verwendung des Treibstoffs verbessert. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Treibstoffzusammensetzungen einer Klasse, bei denen Metallbrennstoff verwendet wird und die relativ große Mengen an Ammoniumperchlorat oder Ammoniumnitrat in der Oxidatorfraktion enthalten. Eine signifikante Menge der Ammoniumverbindungen wird entfernt und ersetzt durch Einschließen einer relativ großen Menge an Bismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;) als Oxidationsmittel in der Oxidatorfraktion.

II. Verwandte Technik

Feste Raketenmotor-Treibstoffe sind akzeptiert und werden größtenteils in breitem Umfang verwendet, da sie in vorteilhafter Weise relativ leicht herzustellen sind und ausgezeichnete Leistungscharakteristiken zeigen. Darüber hinaus sind Raketenmotoren, in denen Festbrennstoff verwendet wird, allgemein sehr viel weniger komplex als diejenigen, bei denen Flüssigbrennstoffe eingesetzt werden. Der Festtreibstoff liegt normalerweise in Form eines Treib(stoff)satzes bzw. Treibstoffgefüges bzw. -korns vor, der bzw. das in das Innere des Raketenmotors eingebracht wird und unter Erzeugung von Mengen an heißen Gasen verbrannt wird, die wiederum durch die Verengung bzw. den Hals und die Düse des Raketenmotors bei hoher Geschwindigkeit austreten, um einen Schub zu verleihen, der die Rakete in die entgegengesetzte Richtung treibt. Ein wichtiger Gesichtspunkt in Bezug auf Festtreibstoffe ist die Menge an Schub, die für ein gegebenes Volumen des Treib(stoff)satzes verfügbar ist. Natürlich hängt der Schub mit der Masse und der Geschwindigkeit des Materials, das den Raketenmotor verlässt, zusammen. Zunahmen bei diesem Faktor, d. h. der Masse und/oder Geschwindigkeit, sind natürlich erwünscht, um die gesamte Wirksamkeit des Raketenmotors selbst zu erhöhen. Somit ist das Erzielen einer Zunahme beim Gesamtschub eines Raketenmotors ohne der Notwendigkeit, seine Größe zu erhöhen, ein Impuls-und-Dichte-Produktgewinn, ein wichtiges begehrtes Ziel bei der Verbesserung von Brennstoffen.
Es ist bekannt, Bismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;) als Bestandteil in bestimmten festen Treibstoffzusammensetzungen zu verwenden. So wurde, wie von Neidert et al. in dem US-Patent 5,327,070 offenbart, Bi&sub2;O&sub3; als relativ nichttoxischer, nichtgefährlicher Brenngeschwindigkeit-Modifikator verwendet, um Blei oder andere toxische Materialien in Nitratester-/Ammoniumnitrat-Treibstoffen, insbesondere vom vernetzten Doppelbasis (XLDB)-Typ, zu ersetzen. Somit ist gefunden worden, dass die Zugabe von relativ kleinen Mengen wie 0,5 Prozent bis etwa 8,0 Prozent, jedoch vorzugsweise von etwa 1,0 bis etwa 3,0 Prozent, Bismuttrioxid zu einer besser regelbaren und brauchbaren Brenngeschwindigkeit für Treibstoffzusammensetzungen der XLDB-Klasse führte.
Was die vorliegende Erfindung anbelangt, gehören XLDB-Treibstoffe einer relativ gefährlicheren Klasse (massen-detonationsfähig) an und das Bismuttrioxid wird für einen anderen Zweck zugesetzt. Diese Druckschrift offenbart nicht die Verwendung von Bi&sub2;O&sub3; in Treibstoffen von der Klasse der vorliegenden Erfindung (nicht massen-detonationsfähig) noch die Möglichkeit einer Verwendung von Bi&sub2;O&sub3; als Ersatz für signifikante Mengen an anderen Oxidationsmaterialien in derartigen Zusammensetzungen, einschließlich der Tatsache, dass ein Gewinn an Gesamtschub hierdurch erreicht werden könnte.
Die Verwendung bestimmter Polymerbindemittel vom Polyether-Typ ist auch in Bezug auf feste Komposit-Treibstoffzusammensetzungen der Klasse der vorliegenden Erfindung von Goleniewski et al. im US-Patent 5,348,596 offenbart worden. Diese Bindemittel schließen nichtkristalline Polyether ein, die zur Verbesserung der Sicherheit in Kombination mit inerten Weichmachern, d. h. Weichmachern, die keine positive Explosionswärme (HEX) aufweisen, verwendet werden.
Ein weiteres Patent von Goleniewski et al. (US-Patent 5,783,769) offenbart feste Komposit-Treibstoffzusammensetzungen, bei denen nichtkristalline Polyether- Bindemittel in Kombination mit energetischen Weichmachern (positive HEX) eingesetzt werden.
Es bleibt in der Technik der Bedarf an und die Suche nach der Erzeugung wirksamerer Treibstoffleistung in festen Treibstoffzusammensetzungen für Raketenmotoren. Demgemäß ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung von festen Komposit-Treibstoffzusammensetzungen mit verbesserter Leistung, die eine Oxidatorfraktion mit einer signifikanten Menge an Bismuttrioxid (Bi&sub2;O&sub3;) einschließen.
Andere Aufgaben und Vorteile sind dem Fachmann ersichtlich, wenn er sich mit der Beschreibung und den Ansprüchen hierin vertraut macht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Mittels der vorliegenden Erfindung ist eine signifikant höhere Raketenmotorleistung in bestimmten Metallbrennstoff-Treibstoffformulierungen realisiert worden, die traditionellerweise Oxidatoren enthalten, die große Mengen an Ammoniumperchlorat und/oder Ammoniumnitrat einschließen. Deshalb ist eine verbesserte Leistung durch die Entdeckung realisiert worden, dass, wenn Bismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;) eine signifikante Fraktion von leichteren herkömmlichen Oxidatormaterialien in dem Motortreib(stoff)satz bzw. Motortreibstoffkorn ersetzt, die Gesamtmotorleistung erhöht werden kann. Diese erhöhte Leistung kann sich auf 10% oder mehr belaufen.
In dieser Hinsicht sei erwähnt, dass, während der theoretische Impuls in den neuen Zusammensetzungen gesenkt wird, die Dichte oder Masse des Treibsatzes bzw. Korns genügend erhöht wird, um den niedrigeren Impuls mehr als auszugleichen und dies verleiht den Treibstoffen der Erfindung einen Gewinn des theoretischen Impuls-Dichte-Produkts von etwa 10%. Da das Bismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;) dichter (ρ = 8,9 g/cm³) als Ammoniumperchlorat (ρ = 1,95 g/cm³) oder Ammoniumnitrat (ρ = 1,725 g/cm³) ist, wird die Masse des Treibsatzes signifikant erhöht. Die Feststoffbeladung des Treib(stoff)satzes ist ebenfalls von etwa 81 auf 85% ohne Verlust bei der Volumenfraktion des Bindemittels oder bei der Treibstoffverarbeitbarkeit erhöht worden. Auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung wird weiterhin in Betracht gezogen, dass die relativ dichte Sauerstoffquelle Bi&sub2;O&sub3; ebenfalls andere leichtere Sauerstoffquellen in anderen Formulierungen ersetzen könnte.
Während die Treibstoffzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung 10% bis etwa 40% oder mehr des Bismutoxids enthalten können, umfasst der bevorzugte Bereich etwa 20% oder mehr des Bismutoxids. Treibstoffe einer Klasse, die besonders begünstigt sind, umfassen diejenigen, bei denen Metallbrennstoffe verwendet werden, die ausgewählt werden aus Aluminium, Magnesium und Zirconium und Gemischen davon, die mit den Oxidatoren und bestimmten anderen Bestandteilen in einer Menge von Polyether-Polymer-Bindemittel mit endständiger Hydroxygruppe und typischerweise einer größeren Menge an einem energetischen Weichmacher bzw. Plastifikator kombiniert werden, der ausgewählt wird aus n-Butyl-2-nitratoethyl-nitramin (BuNENA), Trimethloethan-trinitrat (TMETN), Triethylenglykol-dinitrat (TEGDN), Butantriol-trinitrat (BTTN) und Gemischen davon oder anderen ähnlichen, dem Fachmann bekannten Materialien.
Die Polyether (HTPE)-Bindemittel mit endständiger Hydroxygruppe sind im Allgemeinen kristalline oder nichtkristalline Polyether mit einem Molekulargewicht-Zahlenmittel von etwa 1000-9000. Diese umfassen verschiedene Copolymere von Ethylenoxid und Tetrahydrofuran (THF). Ein bevorzugtes Material leitet sich von THF und Polyethylenglykol (PEG) ab und ist als TPEG bekannt. Dieser und andere derartige Polyether sind erhältlich von E. I. du Pont de Nemours, Inc. of Welmington, Delaware, unter einer Vielzahl von Handelsnamen und anderen, wie zum Beispiel Alliant Techsystems - ABL of Rocket Center, WV.
Tabelle I veranschaulicht ein Diagramm von Zusammensetzungen, das angenäherte Bereiche für die verschiedenen Materialien, die für die Treibstoffzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, zeigt. Tabelle I
(a) Isophoron-diisocyanat (difunktionell)
(b) Hexamethylen-diisocyanat (difunktionell)
(c) Dimeryl-diisocyanat (difunktionell)
(d) Desmodur N100 (polyfunktionell) (erhältlich von Mobay Corp., Pittsburgh, PA)
(e) N-Methyl-p-nitroanilin
(f) 2-Nitrodiphenylamin

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein Diagramm des gemessenen Drucks gegen die Zeit für einen Raketenmotor, der einen erfindungsgemäßen Treibstoff enthält; und
Fig. 2 veranschaulicht den Durchschnittsschub für das Zünden des Treibstoffes der Erfindung gemäß Fig. 1.

GENAUE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch Raketenmotor-Treibstoffformeln aus, die eine höhere Gesamtleistung zeigen, ohne dass irgendetwas von den Verarbeitbarkeits- oder Sicherheitsaspekten der Grundlinien- oder ursprünglichen Treibstoffen, die die Zusammensetzungen der Erfindung modifizieren, verlorengeht. Somit werden die Polyether mit endständiger Hydroxygruppegebundenen Treibstoffe im Allgemeinen leicht durch herkömmliche Verfahren hergestellt und sie sind relativ sicher zu verwenden (allgemein klassifiziert als nicht massen-detonationsfähig), im Gegensatz zu Doppelbasis-Treibstoffen höherer Gefährlichkeit, die als massen-detonationsfähig klassifiziert sind.
In Verbindung mit den hierin enthaltenen Beschreibungen wird das verwendete Beispiel als beispielhaft für die Bedeutung der gesamten Leistungsverbesserung angesehen, die der Erfindung zuzuschreiben ist. In dieser Hinsicht soll die Verwendung von relativ großen Mengen an Bi&sub2;O&sub3; , d. h. über 21%, eine zusätzliche Verbesserung bei der Verwendung von geringeren Mengen, etwas weniger, erzeugen. Es ist Wert, weiterhin anzumerken, dass die Brenngeschwindigkeit und andere wichtige Faktoren bezüglich des Betriebs der Raketenmotoren wenig durch die Substitutionen gemäß der Erfindung beeinflusst zu werden scheinen.
Tabelle II veranschaulicht einen Grundlinien-Aluminiumbrennstoff- Raketenmotortreibstoff mit Polyether-Bindemittel mit endständiger Hydroxygruppe, der typisch für diejenigen ist, die durch die vorliegende Erfindung verbessert werden, und der als Kontroll- oder Grundlinien-Treibstoff verwendet wird, der zum Leistungsvergleich mit den Treibstoffen der Erfindung verwendet werden kann. Diese Formel enthält 20% Aluminiumbrennstoff, 10% Ammoniumnitrat und 51% AP.
Tabelle III veranschaulicht ein Beispiel eines erfindungsgemäß formulierten Treibstoffs, der 21% Bi&sub2;O&sub3; umfasst, das das gesamte Ammoniumnitrat und einen Teil von dem AP ersetzt. Es ist anzumerken, dass die Impuls · Dichte von 16,98 auf 18,60 b-sec/in³ erhöht wird, eine Zunahme von über 9,5%.
Ein weiterer Vergleich ist in Tabelle IV - 93-lb Motorleistung veranschaulicht. Es ist anzumerken, dass der Gesamtschub, der durch den Motor erzeugt wird, bei dem die Treibstoffformel von Beispiel I verwendet wird, den der Kontroll- oder Grundlinien-Formulierung um etwas über 10,2% überschreitet und die Zunahme des Durchschnittsdrucks überschreitet 14%. Die erhöhte Dichte führt zu einem 93,4-lb.-Treibsatz gegenüber einem 76,3-lb.-Treibsatz für die Kontroll- Treibstoffformel für einen Treibsatz identischer Größe.
Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen Durchschnitts-Druck- und -Schub-Daten (in psi) für das Zünden eines 40-lb.-Doppellängen-Ladungsmotors, der Bismutoxid enthält und Ausmaße aufweist, die denen eines Motors, der den Kontroll-Treibstoff enthält, identisch sind. Die Motorausmaße sind in Tabelle IV aufgelistet. Die Fläche unter der Schub-gegen-Zeit-Kurve in Fig. 2 ist für den Bismutoxid enthaltenden Motor etwa 10% größer als für den Kontrollmotor.
Die Treibstoffe der vorliegenden Erfindung können in herkömmlicher Weise und in der gleichen Weise wie der Kontroll-Treibstoff hergestellt werden. Was dieses Material anbelangt, so ist es bekannt, dass die Zusammensetzung allgemein in jeder beliebigen Reihenfolge zusammengemischt werden kann, wenn das Vermischen innerhalb einer angemessenen Zeitdauer erfolgt. Vorzugsweise werden die Treibstoffe der Erfindung in herkömmlicher Weise hergestellt, indem das folgende aufeinanderfolgend einem Mischgefäß zugeführt wird:
1. Bindemittelkomponenten (zugefügt als Flüssigkeiten);
2. Weichmacher bzw. Plastifikatoren;
3. Feste(r) Brennstoff(e) (zunehmende Zugabe);
4. Feste Oxidatoren (zunehmende Zugabe); und
5. Härtungskatalysator(en) und Härtungsmittel (Isocyanat(e)).
Herkömmlicherweise erfolgt das endgültige Mischen unter Vakuum, d. h. nach der Zugabe des festen Brennstoffs, bei dem es sich typischerweise um ein Metallpulver mit einer Durchschnittsgröße von etwa 30 Mikron handelt. TABELLE II KONTROLL-TREIBSTOFF TABELLE III BEISPIEL I TABELLE IV 93-LB MOTORLEISTUNG
Die Mischtemperaturen betragen typischerweise 25-60ºC, werden aber natürlich in Abhängigkeit von der genauen Zusammensetzung einer Formel variieren.
Diese Erfindung ist hierin in den erheblichen Einzelheiten beschrieben worden, um den Patentregeln zu genügen und den Fachleuten die Information zur Verfügung zu stellen, die notwendig ist, um die neuen Prinzipien anzuwenden und die Ausführungsformen des Beispiels nach Bedarf zu konstruieren und zu verwenden. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung durch spezifisch verschiedene Vorrichtungen durchgeführt werden kann und dass verschiedene Modifikationen ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung selbst abzuweichen.

Claims

1. Feste Treibstoffzusammensetzung, umfassend einen Weichmacher bzw. Plastifikator, ein Bindemittel, einen Brennstoff, einen Oxidator, wobei der Oxidator umfasst, bezogen auf das Gewicht der gesamten Treibstoffzusammensetzung:

(a) 10-40 Prozent Bismutoxid (Bi&sub2;O&sub3; );

(b) 25-60 Prozent Ammoniumperchlorat (AP)(NH&sub4;ClO&sub4;).

2. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Oxidator umfasst:

(a) 20-22 Prozent Bismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;);

(b) 43-45 Prozent Ammoniumperchlorat (AP)(NH&sub4;ClO&sub4;).

3. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel eine Menge an Polyether mit endständiger Hydroxygruppe umfasst.

4. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 3, wobei der Polyether mit endständiger Hydroxygruppe ein Molekulargewicht-Zahlenmittel von 1000 bis 9000 aufweist.

5. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Weichmacher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus n-Butyl-2- nitratoethyl-nitramin (BuNENA), Trimethloethan-trinitrat (TMETN), Triethylenglykol-dinitrat (TEGDN), Butantriol-trinitrat (BTTN) und Gemischen davon.

6. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 5, wobei das Bindemittel eine Menge eines Polyethers mit endständiger Hydroxygruppe und mit einem Molekulargewicht-Zahlenmittel von 1000 bis 9000 einschließt.

7. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 1, umfassend wenigstens 20% Bi&sub2;O&sub3; .

8. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 7, wobei der Oxidator frei von Ammoniumnitrat (NH&sub4;NO&sub3;) ist.

9. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Bindemittel ein Material, das sich von Tetrahydrofuran und Polyethylenglykol ableitet und als TPEG bekannt ist, umfasst und der Weichmacher n-Butyl-2-nitratoethyl-nitramin (BuNENA) umfasst.

10. Feste Treibstoffzusammensetzung für Raketenmotoren, umfassend:

(a) 10-40% Bismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;);

(b) 25-60% Ammoniumperchlorat (NH&sub4;ClO&sub4;);

(c) 0-10% Ammoniumnitrat (NH&sub4;NO&sub3;);

(d) 15-25% Brennstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Zirconium, Magnesium und Gemischen davon;

(e) 3-12% Bindemittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethern mit endständiger Hydroxylgruppe und mit einem Molekulargewicht-Zahlenmittel von etwa 1000-9000;

(f) 5-15% Weichmacher bzw. Plastifikator, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus n-Butyl-2-nitratoethyl-nitramin (BuNENA), Trimethloethan-trinitrat (TMETN), Triethylenglykol-dinitrat (TEGDN), Butantriol-trinitrat (BTTN) und Gemischen davon;

(g) 0,5-2,0% Härtungsmittel bzw. Vernetzungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Isophoron-diisocyanat (TPDI), Hexamethylen- diisocyanat (HDI), Dimeryl-diisocyanat (DDI), Desmodur N100 und Gemischen davon; und

(h) 0,2-1,0% Stabilisatoren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N-Methyl-p-nitroanilin, 2-Nitrodiphenylamin und Gemischen davon.

11. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 10, umfassend wenigstens 20% Bi&sub2;O&sub3; .

12. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei das Bindemittel ein Material, das sich von Tetrahydrofuran und Polyethylenglykol ableitet und als TPEG bekannt ist, umfasst, der Weichmacher n-Butyl-2-nitratoethyl-nitramin (BuNENA) umfasst und der Brennstoff Al enthält.

13. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 12, wobei die Formel frei von NH&sub4;NO&sub3; ist.

14. Feste Treibstoffzusammensetzung nach Anspruch 13, umfassend wenigstens 20% Bi&sub2;O&sub3; und < 50% NH&sub4;ClO&sub4;.