Raketentreibsatz

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Raketentreibsatz mit rauchreduziertem Abbrand, insbesondere für Stirnbrenner, mit einem Treibstoff auf der Basis von Ammoniumperchlorat mit einem Binder aus isocyanatgebundenen, hydroxyterminierten Polybutadien und einer den Treibstoff umgebenden inhibierenden Isolationsschicht. Ferner ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Raketentreibsatzes gerichtet.

[0002] Beim Abbrand eines Raketentreibsatzes, der über 20, 40 oder 60 s abläuft, muß die inhibierende Isolation neben guter Haftung und Verträglichkeit zum Treibstoff auch eine thermische Schutzfunktion erfüllen, die die Brennkammerwand ebenso wie die inhibierte nichtbrennende Treibstoffoberfläche vor vorzeitiger Pyrolyse und Anzündung schützt. Bei rauchreduzierten Composittreibstoffen, die im Abgas keine oder nur wenig Partikel enthalten dürfen, darf auch die Isolation keine Partikel freisetzen. Ebenso darf sie bei den hohen Temperaturen des Treibstoffabbrands keine Rußwolken im Abgasstrahl erzeugen und nur unwesentlich mitverbrennen, da sonst bei kleinen Durchmessern der spezifische Impuls des Treibstoffs und damit die Leistung des Triebwerks reduziert werden. Die Summe dieser Eigenschaften wird z.B. bei Unterwasserantrieben, die beim Abbrand keine heißen Partikel ausschleudern dürfen, und bei Marschtriebwerken von aktiv über Laser oder Radar gelenkten Flugkörpern gefordert. Für diesen Zweck werden bisher stets schwierig herzustellende und teure Isolierungen auf Silikonharzbasis mit silikatischen Füllstoffen verwendet, die in aufwendigen Verfahren aufgerauht und chemisch vorbehandelt werden müssen, um die für die Anbindung des Treibstoffs an die Isolationsschicht notwendige Haftung zu erreichen.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Raketentreibsatz zu schaffen, der eine einfachere und kostengünstigere Herstellung bei einer verbesserten Anbindung des Treibstoffs an die Isolation erlaubt. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Raketentreibsatzes vorgeschlagen werden.

[0004] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem an sich bekannten rauchreduzierten, polyurethangebundenen Composittreibstoff auf der Basis von Amnmoniumperchlorat und isocyanatgebundenem hydroxyterminiertem Polybutadien dadurch gelöst, daß für die Inhibierung der Treibstoffoberfläche eine Isolation verwendet wird, die einen Polyurethanbinder und eine Füllstoffkombination aus 2-8 Gew.%, vorzugsweise 3-5 Gew.% Siliciumcarbid, 18-16 Gew.%, vorzugsweise 24-50 Gew.% Siliciumdioxid in Gestalt von amorphen Quarzpulver und 2-20 Gew.% feste temperaturbeständige Fasern mit einer Länge von 1-20mm darin eingebettet enthält.

[0005] Die erfindungsgemäße Isolation besitzt in der Regel auch ohne mechanische oder chemische Vorbehandlung eine gute Haftung zum Treibstoff. Sie zeigt bei hoher und tiefer Temperatur gleichermaßen gute Elastizität und ist über die Zusammensetzung des Polyurethanbinders durch den Anteil an Di- oder Triisocyanat oder beigefügten vernetzenden Triolen in ihren mechanischen Eigenschaften einstellbar.

[0006] Beim Treibstoffabbrand bewirkt die endotherm ablaufende Reaktion von SiC und SiO₂ zusammen mit dem Anteil an Kohlenstoff-, Kunststoff- oder Keramikfasern die Ausbildung einer zusammenhängenden keramisierten Schlacke, die im Brennkammerraum verbleibt und weder Partikel noch Rußwolken im Abgas erzeugt. Die endotherm verlaufende Reaktion der Füllstoffe bewirkt ebenso wie die langsame Pyrolyse des Bindermaterials eine effektive Wärmeschutzwirkung gegenüber dem Brennkammergehäuse und nicht aktiviertem Treibsatzteil. Da zudem nur sehr wenig von dieser Isolationsschicht verbrennt -nach 20 s. Brenndauer treten nur etwa 2% Gewichtsverlust auf- wird der spezifische Impuls des Treibstoffs und damit die Leistung des Triebwerks nicht beeinträchtigt.

[0007] Erfindungsgemäß ist diese Isolation vorteilhaft auf der Basis von mit Isophorondiisocyanat (IPDI) oder Dimeryldiisocyanat (DMDI) oder mit anderen Diisocyanaten gebundenem hydroxyterminiertem Polybutadien aufgebaut. Ebenso kann aber auch ein anderes Polyesterpolyol oder Polyetherpolyol, das mit Di-, Tri oder polymerem Isocyanat gebunden wird, als Grundmaterial für die Isolation eingesetzt werden. Als weitere Füllstoffe können erfindungsgemäß auch ultrafeines Siliciumdioxid, ultrafeines Titandioxid und Zirkoniumdioxid zugesetzt werden. Diese Füllstoffe werden in einer Korngröße im Bereich von 20-50 nm für Siliciumdioxid sowie 50-1000 nm für TiO₂ und ZrO₂ verwendet. Sie bewirken eine Verfestigung der bei der Pyrolyse gebildeten Keramikschicht und vermindern dadurch deren Aufquellung und Ablation, ohne den Wärmedurchgang zu beeinflussen.

[0008] Wesentlich für den Zusammenhalt der pyrolisierten Schichten ist ein Anteil von 1-20% festen Fasern in der Länge von 1-20 mm, die in Form hochtemperaturbeständiger Kunststoffasern aus Polyester, Polyamid-, Polyimid- oder Polybenzimidazolfasern sowie auf Kohlefasern, Glas- oder Silikat- oder Keramikfasern aufgebaut sein können. Dabei besitzen Kohlefasern oder aluminiumoxidhaltige Keramikfasern wegen ihrer Hochtemperaturbeständigkeit Vorteile gegenüber den anderen. Die Fasern können vor der Einmischung in die prepolymere Isolationsmischung mit Wasser oder organischem Lösemittel entschlichtet und ggf. mit einer haftvermittelnden Schicht versehen werden. Diese kann bei Glas-, Silikat- oder Keramikfasern aus funktionellen Silanen, bei Kunststoff- oder Kohlefasern vorteilhaft aus Polyisocyanat und kurzkettigem Polyesterpolyol bestehen.

[0009] Bei der Pyrolyse der Isolation während des Treibstoffabbrandes sorgen die Fasern für den Zusammenhalt der gebildeten Schlacke und für die Ausbildung einer festen keramisierten Schicht.

[0010] Die Isolation kann als prepolymerer Slurry durch Druckguß- oder im Vakuumaufziehverfahren in eine entsprechende Form mit dem Treibstoff verbunden werden. Bei der anschließenden Aushärtung, die vorteilhaft bei 60-65°C stattfindet, verbindet sich die Isolation mit dem Treibstoff zum festen montagebereiten Treibsatzblock.

[0011] Alternativ kann auch die Isolation im prepolymeren Zustand in der Brennkammer oder einem antihaftbeschichteten Rohr gleichen Innendurchmessers ausgeschleudert und ausgehärtet werden. Der Treibsatz wird dann durch Eingießen des Treibstoffslurries in den fertigen, ggf. durch mechanisches Aufrauhen oder über chemische Haftvermittler vorbehandelten Isolationsmantel mit anschließender Aushärtung bei 60-65°C hergestellt.

[0012] Der Treibstoff kann in der rauchreduzierten Ausführung neben Ammoniumperchlorat (AP) in Anteilen von 50-90 Gew.%, Nitramine, wie Hexogen oder Oktogen, in Anteilen von 0-30 Gew.%, Eisen-III-oxid oder Ferrocenderivate als Abbrandkatalysatoren in Anteilen von 0 bis 15 Gew.% enthalten.

[0013] Der Binder setzt sich vorteilhaft zusammen aus 8-20 Gew.% hydroxyterminiertem Polybutadien, das mit Isophorondiisocyanat (IPDI) oder Dimeryldiisocyanat (DMDI) in äquvalenten Anteilen gebunden wurde, sowie 2-8 Gew.% Weichmacher, 0,1-0,5 Gew.% Antioxidanz, wahlweise 0,1-0,3 Gew.% Verarbeitungshilfsstoffe, 50-500ppm Härtungskatalysator, vorzugsweise Triphenylwismut und 0,1-1% Haftvermittler für AP, vorzugsweise auf der Basis cyanethylierter Polyamine oder cyanethylierter Polyaminoalkohole.

Beispiele:

[0014] 
1. Für die Herstellung eines Stirnbrennertreibsatzes für Unterwasserantriebe wird als Treibstoff folgende Formulierung verwendet:

Ammoniumperchlorat (AP)	200 m 48%
Ammoniumperchlorat (AP)	30 m 24%
Oktogen (HMX)	5 m 14%
Ferrocenderivat	1%
= 2,2-Bisethylferrocenylpropan

Binder:

[0015] 

Hydroxyterminiertes Polybutadien (HTPB)	8,29%
Isophorondiisocyanat (IPDI)	0,67%
Antioxidanz	0,20%
Weichmacher (Diisooctyladipat)	3,70%
Haftvermittler (Triphenylwismut)	200ppm

[0016] Als inhibierende Isolation (ISO 1) dient eine Mischung von:

Hydroxyterminiertes Polybutadien	49,42%
Isophorondiisocyanat (IPDI)	5,94%
1,2,4-Butantriol	0,57%
Antioxidanz	0,20%
Eisenacetylacetonat (Härtungsbeschleuniger)	0,006%

Füllstoffe

[0017] 

Siliciumcarbid	4,53%
SiO2-Pulver Quarzgut	33,79%
TiO2 superfein	1,90%
Kohlefaser	3,65%

[0018] Treibstoff und Isolation bilden ein gut funktionierendes System, das beim Abbrand eines Treibsatzes von 165 mm Durchmesser und 5 mm inhibierender Isolationsschicht über 20 s. keine Partikel und keinen schwarzen Rauch erzeugt. Der praktische Impuls des Treibstoffs beträgt etwa 93% des theoretischen Wertes, der Gewichtsverlust der Isolation beim Abbrand etwa 2%.

[0019] Die Ummantelung des Treibsatzes mit inhibierender Isolation erfolgt vorteilhaft durch nachträgliches Umgießen des ausgehärteten Treibstoffblocks.
2. Andere Treibstoff/Isolationsverbunde mit geringer Ablationsrate sind auf folgenden Isolationsformulierungen (in Gew.%) augebaut:

Binder:	Iso 2	Iso 3	Iso 4	Iso 5	Iso 6
HTPB	54,16	43,21	47,76	44,14	-
IPDI	6,51	5,19	5,74	5,30	9,44
Butantriol	0,63	0,50	0,55	0,51	1,50
Polyesterdiol	-	-	-	-	39,06
FeAc	0,003	0,006	0,005	0,005	0,001
Antioxidanz	0,15	0,20	0,19	0,18	-

Füllstoffe
SiC	4,18	3,99	4,38	4,05	4,15
SiO2	29,99	39,93	32,66	30,18	42,15
SiO2
ultrafein	1,02	-	-	-	-
ZrO2	-	3,79	-	-	-
TiO2	-	-	1,83	1,69	-

Fasern
C-Faser	3,36	3,19	-	-	3,34
SiO2/Al2O3-Faser			-	-	6,89
ZrO2-Faser	-	-	-	13,95	-

Ansprüche

1. Raketentreibsatz mit rauchreduziertem Abbrand, insbesondere für Stirnbrenner, mit einem Treibstoff auf der Basis von Ammoniumperchlorat mit einem Binder aus isocyanatgebundenem, hydroxyterminiertem Polybutadien und einer den Treibstoff umgebenden, inihibierenden Isolationsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht aus einem Polyurethan-Binder und einer Füllstoff-Kombination aus 2 bis 8 Gew.% Siliciumcarbid, 20 bis 60 Gew.% Siliciumdioxid und temperaturfesten Kohlenstoff-, Polymer-, Silikat- oder Keramikfasern mit einer Länge von 1 bis 20 mm und einem Gehalt von 2 bis 20 Gew.% besteht.

2. Raketentreibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff neben 50 bis 90 Gew.% Ammoniumperchlorat 0 bis 30 Gew.% Nitramine, wie Hexogen oder Oktogen, und 0,5 bis 15 Gew.% Abbrandkatalysatoren, z.B. Eisen-III-oxid oder Ferrocenderivate, enthält.

3. Raketentreibsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder des Treibstoffs sich zusammensetzt aus 8 bis 20 Gew.% hydroxyterminiertem Polybutadien, das mit Isophorondiisocyanat oder Dimeryldiisocyanat in äquivalenten Anteilen gebunden ist, etwa 2 bis 8 Gew.% Weichmacher, 0,3 bis 0,5 Gew.% Antioxidantien, 0,1 bis 0,3 Gew.% Verarbeitungshilfsstoffe, 50 bis 500 ppm Härtungekatalysator und 0,1 bis 1 Gew.% Haftvermittler.

4. Raketentreibsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Härtungskatalysator Triphenylwismut ist.

5. Raketentreibsatz nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler auf der Basis cyanethylierter Polyamine aufgebaut ist.

6. Raketentreibsatz nach einem der Ansprüche 3 bis 5, daduch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler auf der Basis cyanethylierter Polyaminokohole aufgebaut ist.

7. Raketentreibsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationeschicht als Binder 30 bis 70 Gew.% hydroxyterminiertes Polybutadien, Polyester- oder Polyetherpolyol, das mit Di- oder Triisocyanat, wahlweise einem Triol in äquivalenten Anteilen gebunden ist, enthält.

8. Raketentreibsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder der Isolationsschicht mit Anteilen von 40 bis 55 Gew.% vorgesehen ist.

9. Raketentreibsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerfasern der Isolationsschicht aus Polyester, Polyamid, Polybenzimidazol oder anderen temperaturbeständigen Kunstharzen bestehen.

10. Raketentreibsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht Glasfasern enthält.

11. Raketentreibsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoff-Kombination der Isolationsschicht zusätzlich 0,5 bis 5 Gew.% ultrafeines Titandioxid, Siliciumdioxid oder Zirkondioxid mit einer Korngröße von 20 bis 1000 nm enthält.

12. Raketentreibsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht beim Abbrand des Treibstoffs und der dabei erfolgenden Pyrolyse der organischen Bestandteile eine nicht ablatierende, thermische Isolierung der Brennkammerwand bildet.

13. Raketentreibsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht beim Abbrand des Treibstoffs eine keramisierte Schicht bildet.

14. Verfahren zur Herstellung eines Raketentreibsatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffe der Füllstoff-Kombination und der Binder in einem Knetprozeß homogenisiert werden und anschließend zu der Isolationsschicht unter Aushärten des Binders verarbeitet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern vor dem Einarbeiten in den Binder in Wasser oder Lösungsmitteln entschlichtet und anschließend mit einer Haftvermittlerlösung behandelt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß für Silikat-, Glas- oder Keramikfasern eine Haftvermittlerlösung auf der Basis funktionalisierter Silane eingesetzt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß für Polymer- oder Kohlenstoffasern eine Haftvermittlerlösung aus einem Gemisch von Polyisocyanat und kurzkettigem Polyester- oder Polyetherpolyol eingesetzt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff als Formkörper in eine Gießform oder in die Brennkammer eingesetzt und mit der Mischung der Isolationsschicht umgossen wird und die Mischung anschließend zur Isolationsschicht ausgehärtet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung der Isolationsschicht in der Brennkammer oder einer entsprechenden Form durch Zentrifugieren zu einer Isolationsschicht mit einer Dicke von 1 bis 10 mm geformt und nach dem Aushärten mit dem Treibstoff in Form eines Slurry ausgegossen wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht während oder nach dem Aushärten innenseitig mit einer aufgerauhten Oberfläche versehen wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht nach dem Aushärten mit einem Haftvermittler für den Treibstoff versehen wird.