[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drucksteigerung einer Komposit-Ladung enthaltend
wenigstens einen Sprengstoff, einen inerten oder energetischen Binder und ein reaktives
Metallpulver.
[0002] Moderne konventionelle und unempfindliche Sprengladungen enthalten überwiegend Sprengstoffe
wie RDX (Hexogen) oder HMX (Oktogen), vermischt mit Kunststoffbindern wie HTPB (Hydroxyl-Terminiertes
Polybutadien). RDX ist unempfindlicher als HMX und wird beispielsweise gerne für druck-gesteigerte
Sprengladungen verwendet, falls eine hohe Stoßwellenunempfindlichkeit gefordert ist.
HMX hingegen ist etwas leistungsstärker hinsichtlich der Beschleunigung von Metall-Belegungen
oder -Hüllen und wird eher dann eingesetzt, wenn der Schwerpunkt auf Splitterleistung
und weniger auf Empfindlichkeit liegt.
[0003] In jüngerer Zeit gewinnen weitere neue Sprengstoffe wie CL20, Fox 7, ... Fox 12 etc.
an Bedeutung. Zudem werden anstelle inerter Kunststoffbinder (wie das erwähnte HTPB)
auch energetische Binder (beispielsweise GAP) eingesetzt.
[0004] Eine Erhöhung der Druckwirkung, geläufiger als "Blast-Steigerung" bekannt, kann durch
Zumischung von reaktiven Metallpulvern (z.B. Aluminium , Bor, Silizium, Magnesium
usw.) erzielt werden. Form und Größe der Metallpartikel spielen für die Blast-Steigerung
eine wichtige Rolle. Derartige Ladungen werden dann als "Komposit-Ladung" bezeichnet.
Weitere Bestandteile wie Weichmacher, Haftvermittler etc. werden bei Bedarf zugemischt.
Eine derartige Kombination wird dann als Formulierung der Ladung bezeichnet.
[0005] Bisher ist die Vorgehensweise bei der oben erwähnten Optimierung der Blast-Leistung
dergestalt, dass Formulierungen hergestellt werden (z.B. RDX / AI / HTPB), indem die
Menge der Zutaten in verschiedenen Mengenverhältnissen variiert wird und dann diese
Ladungen in zumeist großen Versuchsserien auf ihre Leistungsfähigkeit hin getestet
werden. Dieses Vorgehen ist zeit- und kostenintensiv.
[0006] Die
DE 40 02 157 A1 beschreibt verschiedene Beispiele Polymergebundener Sprengstoffe, wobei eine Optimierung
der mechanischen Eigenschaf-ten angestrebt werden soll.
[0008] Aus der
DE 10 2005 011 535 A1 ist ein Sprengstoff bekannt geworden, der über und unter Wasser ein verbessertes
Blastverhalten aufgrund der Mischung mit wasserstoffterminiertem Silizium-Einkristallpulver
besitzt, welches mindestens einen Korngrößenbereich aufweist.
[0009] Dass ein Kompositsprengstoff in einem nahezu stöchiometrischen Verhältnis zusammengestellt
werden kann, ist aus der
US 2004/0256038 A1 bekannt geworden, wobei offen bleibt, auf welche Reaktionsgleichung sich diese Angabe
bezieht.
[0010] DIE
US 8168016 offenbart Komposit-Ladungen umfassend 50-90 Gew.% RDX, 2-25 Gew.% Bindemittel und
5-40 Gew.% Aluminium, wobei das Aluminium in einem frühen Stadium der Detonation vollständig
abreagiert.
[0011] Zur Vermeidung des oben genannten Nachteils liegt dieser Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Maximierung der Blast-Leistung einer Ladung insbesondere zur Bunkerbekämpfung
anzugeben, welches in kurzer Zeit die Formulierung einer Sprengladung mit optimierter
Blast-Leistung zum Ergebnis hat.
[0012] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
[0013] Weitere kennzeichnende Merkmale des Verfahrens sind den nachgeordneten Ansprüchen
zu entnehmen.
[0014] Zum Verständnis des Verfahrens ist ein gewisses Maß an Detailwissen über den Ablauf
einer Detonation einer Sprengladung hilfreich. Dieses Wissen, das auch den Kernpunkt
des Maximierungsverfahrens einschließt, ist neuartig und wurde in umfangreichen Testserien
erarbeitet.
[0015] Eine Detonation läuft in drei Phasen ab:
- Phase I:
detonative Phase: Durchdetonation der Ladung (Zeitrahmen: 10 - 20 µsec);
- Phase II:
anaerobe Phase: Expansion der Detonationsschwaden ohne Zugabe / Vermischung mit Luftsauerstoff
(Zeitrahmen: einige msec);
- Phase III:
aerobe Phase: Nachverbrennung unter Zusatz von Luftsauerstoff, durch Verwirbelung
der Schwaden mit Luft (Zeitrahmen: 50-100 msec)
[0016] In Phase I und II kann also die Oxidation und damit die Energiegewinnung nur durch
den mitgeführten Sauerstoff bewerkstelligt werden. Erst in der dritten Phase III kommt
es zur Vermischung mit Luftsauerstoff und damit zu Nachverbrennungen. Fast alle militärischen
Sprengladungen weisen eine Sauerstoff-Unterbilanz auf, sprich zur vollständigen Umsetzung
(Nachverbrennung) benötigen sie Sauerstoff aus der Luft. Dies ist insbesondere dann
der Fall, wenn man zusätzlich Brennstoffe wie reaktive Metallpulver hinzufügt. Das
ist genau die Methode, den Reaktionsgrad und damit die Blast-Leistung zu erhöhen.
[0017] Beispielsweise werden in RDX- und HMX-haltigen Sprengladungen (so genannte CHNO-Sprengladungen)
die C- und H-Atome zu CO
2 und H
2O oxidiert. Die N-Atome verhalten sich zumeist "neutral" und vereinigen sich zu N
2. Durch Zugabe von zusätzlichem Metallpulver (etwa AI) kommt es zu weiteren Oxidationen,
wie beispielsweise Al
2O
3.
[0018] Aufgrund der angeführten Sauerstoff-Unterbilanz kommt es während der Detonation (in
Phase I und II) zu einem "Wettbewerb" zwischen den einzelnen Brennstoffen (z.B. C,
H, AI) um den Sauerstoff und es können nicht alle Atome / Moleküle mit Sauerstoff
abgesättigt werden. Das Metall-Pulver (z.B. AI) liefert bei der Oxidation aber die
meiste Verbrennungsenergie, außerdem ist es in der Regel sehr affin gegenüber Sauerstoff,
d.h. es oxidiert sehr leicht und schnell (abhängig von Korngröße und -form). Allerdings
ist hierzu eine gewisse Mindesttemperatur notwendig (für Al
2O
3 in der Größenordnung von 2000 K), die nicht unterschritten werden darf. In der anaeroben
Phase ist die Temperatur innerhalb des Gasballes ausreichend hoch und es bleibt genügend
Zeit, alles Metallpulver zu oxidieren.
[0019] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Maximierung der Blast-Leistung läuft nun wie folgt
ab. Bei einer bestimmten Sprengladungs-Formulierung fügt man stöchiometrisch genau
so viel Brennstoff-Pulver hinzu, dass alle Metall-Ionen mit dem mitgeführten Sauerstoff
der Ladung (ohne Luftsauerstoff) oxidiert werden können. Die C- Atome, H-Atome etc.
werden später durch den Luftsauerstoff weiter oxidiert. Auf diese Weise erreicht man
eine Maximierung der Blast-Leistung.
[0020] Ziel ist es, die Blast-Leistung einer beliebigen Sprengladungs-Formulierung oben
genannter Zusammensetzungen durch dieses Vorgehen zu optimieren, d.h. das lokale Maximum
in einem mehrdimensionalen Parameterraum zu finden ohne auf ein rein statistisches,
zeit-/kostenaufwändiges Verfahren zurückgreifen zu müssen und gleichzeitig auf umfangreiche
Versuchsserien verzichten zu können.
[0021] Der erste Schritt des Verfahrens umfasst das Zusammenstellen der notwendigen Sprengladungs-Komponenten.
Hierbei wird der Schwerpunkt auf die Eignung der optimierten Ladung für eine spezielle
Anwendung gelegt. Beispielsweise betrifft dies die Stoßwellenunempfindlichkeit bei
einer geplanten Bunkerbekämpfung. Hierbei bietet sich RDX als Sprengstoff an. Für
die weiteren Komponenten gilt zumeist ähnliches.
[0022] Im zweiten Schritt wird die Optimierung der Blast-Leistung angestrebt. Hierzu fügt
man weiteren Brennstoff zumeist in Form von reaktiven Metallpulvern hinzu, wie etwa
Aluminium-Pulver. Hierbei kommt nun der Kernpunkt des erfindungsgemäßen Maximierungsverfahrens
zum Tragen. Es muss für eine beliebige Mischung der Komponenten immer die intrinsische
Sauerstoffbilanz beachtet werden. Der Sauerstoffanteil muss stöchiometrisch exakt
so bemessen sein, dass jedes Metallpartikel während der Detonation mit Sauerstoff
abgesättigt, also vollkommen oxidiert werden kann.
[0023] Im dritten Schritt findet die Auswahl von Art und Zustand der Metallpartikeln statt.
Damit dieser Punkt erfüllt werden kann, müssen vom Fachmann bestimmte Voraussetzungen
beachtet werden. Insbesondere sind Größe und Form der Partikeln ausschlaggebend. Eine
schnelle Oxidation aller Pulverpartikeln während der anaeroben Phase muss möglich
sein, sonst wird das Maximum nicht erreicht. Sind die Partikeln zu groß, können während
der Detonationsphase nicht die gesamten Partikeln verbrennen. Sind sie zu klein, ist
der relative Anteil der zumeist vorhandenen Oberflächen-Oxidschicht zu groß, und man
verliert erneut Energie. Die minimale Größe ergibt sich also aus der zur Verfügung
stehenden Zeit (in der Detonationsphase), innerhalb der die Metallpartikel komplett
oxidiert werden muss. Außerdem wären zu kleine Partikeln wegen zunehmender Viskosität
schlecht zu verarbeiten aufgrund der mit abnehmendem Radius rasant ansteigenden kumulierten
Oberflächen, die alle vom Binder benetzt werden müssen.
[0024] Die mögliche Trägheit der Oxidations-Reaktion ist ein weiterer Parameter, der beachtet
werden muss: Bor etwa ist relativ reaktionsträge und bedarf eines Reaktionskatalysators,
was beispielsweise durch Zumischen von Al-Pulver bewerkstelligt werden kann.
[0025] Die Größe der Metallpartikeln kann nicht beliebig gewählt werden. Bekannte Ladungen
enthalten Aluminiumpartikeln mit einer Korngröße von durchschnittlich 35 µm. Dies
wurde im Rahmen der Vorarbeiten zu dieser Erfindung auf eirien Mittelwert von 4 µm
reduziert, der sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Eine weitere Reduzierung
der Größe der Partikeln bringt keine weitere Steigerung, da die Verbrennung der µm-Partikeln
schon schnell genug ist, um in der oben genannten Phase II abgeschlossen zu werden.
Eine Reduzierung in den Nanometer-Bereich ruft vielmehr zahlreiche Nachteile hervor.
[0026] Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Verbrennungsreaktion wäre das so genannte
"Coating" (also die Beschichtung) von kleinen Metall-Partikeln mit beispielsweise
RDX oder HMX oder dergleichen, bzw. durch passivierende Maßnahmen. Dies ist derzeit
technisch möglich, muss allerdings unter Kostenaspekten von Fall zu Fall entschieden
werden. Dadurch könnte die störende Oxidierung der Partikeloberfläche vermieden werden.
[0027] Eine auf die beschriebene Weise für Außenraum-Detonationen optimierte Ladung, bei
der insbesondere die komplette Oxidation des zugefügten Brennstoffes / Metallpulvers
berücksichtigt und realisierbar gemacht wurde, erzielt eine maximale Stoßwelle, dies
allein aufgrund der Vorgehensweise und ohne lange Versuchsreihen durchführen zu müssen.
[0028] Die Stoßwelle löst sich in der detonativen Phase (I und II) vom Feuerball, jegliche
aerobe Nachreaktionen kommen zu spät für eine Energieerhöhung der Stoßwelle. Wenn
alles Metallpulver während dieser Phase oxidiert wird, erreicht man eine maximale
Energiefreisetzung, den maximalen Blast-Effekt. Hätte man weniger Metallpulver in
der Formulierung, würde man Sauerstoff an die C- und H-Atome "verschenken" und damit
Energie verlieren, da die Oxidation dieser Atome weniger Verbrennungsenergie liefert.
Hätte man zu viel Metallpulver dazu gegeben, würden diese "überstöchiometrischen"
Metall-Ionen nicht oxidiert werden, man hätte ebenfalls nicht den optimalen Punkt
erreicht. Es gibt also eine stöchiometrisch optimale Mischung, bei der alle Metall-Ionen
ihren Sauerstoffanteil bekommen, dann ist auch die Blast-Leistung maximal.
[0029] Die Optimierung der Ladung für Innenraum-Detonationen unterscheidet sich von der
Ladung für Außenraum-Detonationen. Üblicherweise haben derartige Sprengladungen Metallhüllen
(z.B. Stahlhüllen) zur Strukturfestigkeit, zur Integration in einen Flugkörper und
dergleichen mehr. Bei Innenraum-Detonationen trifft dies insbesondere deshalb zu,
da die Sprengladung vor der Detonation in den Innenraum verbracht werden muss, d.h.
die Ladung muss an Bord eines Penetrators auch Mauern perforieren.
[0030] Neben der oben angesprochenen Oxidation allen Brennstoffes/ Metallpulvers muss nun
gewährleistet sein, dass auch alle anderen Verbrennungsprodukte (wie beispielsweise
C, CO, OH ...), die noch nicht mit Sauerstoff gesättigt sind, nun vollständig nachoxidiert
werden (Nachverbrennungs-Reaktionen). Der hierzu benötigte Sauerstoff muss der Luft
entnommen werden, wozu eine gute Durchmischung der Verbrennungsprodukte mit der Luft
notwendig ist.
[0031] Vorhandene Metallhüllen der Ladung können dabei eher hinderlich sein, da sie erst
radial expandieren müssen und je nach Duktilität und weiterer Beschaffenheit der Metallhülle
mehr oder weniger spät aufreißen und erst dann die Detonations-Produkte freigeben
und mit der Luft in Berührung bringen. Während dieser Expansionsphase kühlen sich
die Gase allerdings ab. Unterschreitet man eine kritische Temperatur (für Aluminium
beispielsweise ca. 2000 K), so werden die chemischen Reaktionen unterbunden und die
Nachverbrennung bricht ab, bzw. setzt gar nicht erst ein.
[0032] Um dies zu verhindern, müssen Vorkehrungen getroffen werden. Dies kann durch vielfältige
Weise geschehen. Genannt werden sollen etwa beispielhaft: Materialeigenschaften wie
Duktilität bzw. Sprödigkeit, Auslegung / Geometrie der Ladung wie Wandstärken und
schließlich Sollbruchstellen.
[0033] Diese Maßnahmen oder Kombination von Maßnahmen müssen sicherstellen, dass alle Verbrennungsprodukte
vollständig oxidiert werden und es zu keinem Abbruch der Reaktionen kommt. Auf diese
Weise ist wiederum das Maximum der Blast-Leistung gegeben.
[0034] Bei einer reellen Innenraumdetonation wird die Wirkung mittels quasistationären Druckes
(Impuls) umgesetzt. Hierbei können zwar alle Moleküle nachreagieren, die nicht mit
Sauerstoff gesättigt sind. In der Praxis gelingt dies nicht immer, was auf die notwendige
hohe Reaktionstemperatur zurückzuführen ist.
[0035] Im Folgenden soll die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Maximierung der Blast-Leistung
exemplarisch auf eine Ladung mit Aluminium-Pulver angewandt werden. Bei dieser Ladung
wurde das erzielte Maximum durch eine konventionelle statistische Vorgehensweise validiert,
bei der lange und umfangreiche Versuchsreihen durchgeführt wurden, die das prognostizierte
Maximum sowohl für Freifeldals auch Innenraum-Detonationen bestätigten.
[0036] Eine bereits bestehende Sprengladung mit Al-Pulver ist als KS22 bekannt, mit der
Formulierung:
- RDX / AI / HTPB mit den Massenprozenten 67/18/15.
[0037] Diese Sprengladung ist hinsichtlich des Blast-Effektes nicht optimiert. Fügt man
weiteres Aluminium-Pulver hinzu, bis man den (entsprechend des MaximierungsVerfahrens)
stöchiometrischen Sättigungspunkt erreicht, so erhält man folgende Formulierung:
- RDX / AI / HTPB mit den Massenprozenten 58/27/15
die in Analogie zu KS22 als KS23 bezeichnet werden soll.
[0038] Umfangreiche Versuche sowohl im Freifeld wie in Bunkersystemen (abgeschlossener Raum
und offene Räume mit Fenster und Türen) bestätigten die Maximierung der Blast-Leistung.
Die Formulierung ist chemisch unterschiedlich zu KS22, vom verfahrenstechnischen Gesichtspunkt
jedoch ziemlich ähnlich, so dass auch ähnliche Herstellprozesse angewendet und so
die Reproduzierbarkeit etc. gewährleistet werden kann.
1. Verfahren zur Drucksteigerung einer Komposit-Ladung enthaltend wenigstens einen Sprengstoff,
einen inerten oder energetischen Binder und ein reaktives Metallpulver,
dadurch gekennzeichnet, dass
- als Sprengstoff RDX mit einem Gewichtsanteil von 58 % verwendet wird,
- der Gewichtsanteil des als Brennstoff verwendeten Metallpulvers nach der Maßgabe
bestimmt wird, dass jedes einzelne Metallpartikel mit dem mitgeführten Sauerstoff
vollständig oxidiert wird,
- dass die Korngröße der Partikeln des Metallpulvers in Abhängigkeit von der Partikelform
und in Abhängigkeit von der minimalen Zeit, innerhalb der jeder Metallpartikel oxidiert
wird, im Bereich von 1µm bis 10 µm gewählt wird,
wobei der Sauerstoffanteil der Komposit-Ladung stöchiometrisch exakt so bemessen ist,
dass jedes Metallpartikel während der Detonation vollständig oxidiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Partikel des Metallpulvers in einer durchschnittlichen Größe von
4 µm gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver Aluminium, Bor, Silizium oder Magnesium ist.