Treibstoffe & Treibladungssysteme

Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet der Verarbeitung und Herstellung dieser Materialien steht ein umfassendes Know-how bei neuen Entwicklungen zur Verfügung. Unsere Ausstattung zur Herstellung und Charakterisierung von Treibstoffen und Treibladungssystemen wird ständig um das neueste Equipment und um moderne Methoden erweitert. Aktuelle Forschungsthemen sind Raketenfesttreibstoffe, Geltreibstoffe, Rohrwaffentreibmittel und Treibladungssysteme, die von den klassischen Treibladungspulver auf Basis Nitrocellulose bis hin zu porösen Treibladungen reichen, Untersuchungen der Alterung, Stabilität und Verträglichkeit und die Suche nach REACh-konformen Ersatzstoffe.

Raketenfesttreibstoffe

Mischung eines AN-PU-Treibstoffs
© Foto Fraunhofer ICT

Mischung eines AN-PU-Treibstoffs

Treibstoff mit minimaler Rauchentwicklung (Signatur)
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Treibstoff mit minimaler Rauchentwicklung (Signatur)

Die Kernkompetenzen auf dem Gebiet der Raketenfesttreibstoffe liegen im Know-how der Formulierungs- und Herstellungstechnologie sowie in der Entwicklung des Eigenschaftsspektrums von Festtreibstoffen. Hauptschwerpunkte liegen in der Entwicklung von signaturarmen, umweltfreundlichen Komposittreibstoffen mit hoher thermodynamischer Leistung als Ersatz für die stark rauchenden Al/AP/HTPB-Treibstoffe und in signaturarmen, umweltfreundlichen Komposittreibstoffen mit geringer detonativen Eigenschaften als Alternativen für Double-Base-Treibstoffe. Bisherige Entwicklungen umfassen:

  • Hochleistungsfähige geräuscharme Komposittreibstoffe für Unterwasserantriebe,
  • ammoniumnitrathaltige Festtreibstoffe für Booster und Sustainer mit hoher Leistungsdichte, Signaturarmut und geringer Empfindlichkeit,
  • schnellbrennende Treibstoffe mit hoher Leistung und Signaturarmut für hoch beschleunigende Flugkörper mit deutlich reduzierter Abgasstrahlsignatur
  • Komposittreibstoffe mit hoher Leistung und Abbrandgeschwindigkeit für kompakte Hochleistungstriebwerke zur Erhöhung der Auftreffenergie und des Penetrationsvermögens von Raketen- und Rohrwaffenprojektilen

Treibstofftypen und Eigenschaften

  • ADN-Komposittreibstoffe mit geringer Rauchgasspezifkation (AGARD: AA) und spektralen Strahlungsemission
  • Standard AP-Komposittreibstoffe mit HTPB, Polyether- und Polyesterurethan sowie GAP-Bindern
  • AN-Treibstoffe mit hoher thermodynamischer Energie, geringer Empfindlichkeit und Signaturarmut nach AA Klassifizierung
  • AP/CL20-Treibstoffe mit hoher Energiedichte, hohen Abbrandgeschwindigkeiten und geringer Abgasstrahlsignatur nach AB-Klassifizierung
  • AP/GAP-Treibstoffe mit Abbrandgeschwindigkeiten jenseits 100 mm/s bei 13 MPa (130 bar)

Geltreibstoffe

© Foto Fraunhofer ICT
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Die rheologischen Eigenschaften von Gelen liegen zwischen denen einer Flüssigkeit und eines Festkörpers. Geltreibstoffe verbinden die Vorteile eines Feststoffs, beispielsweise bei der Lagerung, mit der Dosierbarkeit einer Flüssigkeit bei der Einleitung in die Brennkammer.

Gelförmige Raketentreibstoffe bieten die Möglichkeit Raketenantriebe herzustellen, mit variabler Schubstärke, Schubregelbarkeit und -unterbrechung in Kombination mit Signaturarmut, hoher spezifischer Leistung sowie geringer Empfindlichkeit und Verwundbarkeit. Gelierte Treibstoffe sind unter normalen Umgebungsbedingungen fest. Unter Druck- und Scherspannungseinfluss werden sie fließfähig und erlauben über die Förderung vom Tank in die Brennkammer eine Durchsatzsteuerung bzw. eine Schubvariation.

Vorteile und Anwendungen

Die Vorteile von Geltreibstoffen kommen bei Einsatzprofilen zum Tragen, bei denen eine variable Schubstärke und eine flexible Operation bei hoher Reichweite wichtig ist, wie z. B. bei Flugkörpern, die erst in einer langsam fliegenden Suchphase über dem Gefechtsfeld das Ziel identifizieren, ansteuern und es dann mit einer Starkschubphase im Zielanflug vernichten. Die Trennung von Brennstoff und Oxidator sowie deren gelförmige Konsistenz lassen gute Insensitivitätseigenschaften und relativ gefahrloses Handling erwarten. Ihre Leistung, d. h. der spezifische Impuls von gelierten diergolen Brennstoff-Oxidatorsystemen, ist häufig größer als die Leistung bei entsprechenden Festtreibstoffen. Zur Vergelung können sowohl organische Gelbildner als auch anorganische Gelatoren eingesetzt werden.

Rohrwaffentreibmittel und Treibladungssysteme

Treibladungspulver
© Foto Fraunhofer ICT

Treibladungspulver

Scherwalze zur Herstellung von TLPs
© Foto Fraunhofer ICT

Scherwalze zur Herstellung von TLPs

Poröse Treibladungen
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Poröse Treibladungen

Moderne Treibladungen müssen heute eine Reihe von verschiedenen Anforderungen erfüllen. Neben der langfristigen Verfügbarkeit und REACH-Konformität der Rohstoffe muss die Munition in verschiedenen Klimazonen über ihre gesamte Einsatzdauer sicher und zuverlässig handhabbar sein. Zu den neuen Rahmenbedingungen gehört auch eine stark erhöhte Bedrohungslage. Daher ist eine geringe Empfindlichkeit der Treibladung gegenüber äußeren Angriffen erforderlich. Ziel unserer Forschungsarbeiten ist die Entwicklung von neuen verbesserten Treibladungssystemen für verschiedene Anwendungen. Dabei liegt der Fokus auf leistungsstarken Treibladungen mit geringer Empfindlichkeit, temperaturunabhängigem Abbrandverhalten, geringer Erosivität, guter Langzeitlagerstabilität und möglichst keiner Materialversprödung bei tiefen Temperaturen, aber einsetzbar in einem großen Kaliberbereich.

Klassische Treibladungspulver auf Basis Nitrocellulose

In diesem Bereich stehen mehrere Mischer und Kneter in verschiedenen Größen zur Homogenisierung der Pulvermassen zur Verfügung. Die Verarbeitung zu Treibladungssträngen erfolgt über das Strangpress- und Extrusionsverfahren. Es stehen Strangpressen mit verschiedenen Topfgrößen zur Verfügung. Auch eine Verarbeitung im PoL-Verfahren (Pulver ohne Lösemittel) ist mittels einer Scherwalze möglich.

Bei der Entwicklung neuartiger Treibladungspulver wird ein besonderes Augenmerk auf die Auswahl der Komponenten und deren Verarbeitung gelegt, um den gesteigerten Anforderungen gerecht zu werden. So werden unter Einsatz neuer energetischer Komponenten wie z. B. Weichmachern und kristallinen Energieträgern in unterschiedlicher Hinsicht leistungsgesteigerte Treibladungspulver entwickelt. Auf dem Gebiet der konventionellen Treibladungspulver ist es gelungen, Treibladungspulver für den Mittelkaliberbereich auf Basis von Nitrocellulose und dem energetischen Weichmacher DNDA-57 (DNDA: Dinitro-Diaza-pentan, -hexan und -heptan) zu entwickeln, die neben einem temperaturunabhängigen Abbrandverhalten eine geringe Empfindlichkeit aufweisen. Ebenso zeigen diese TLP beim Beschuss bei hoher Leistung eine geringe Erosion. Die Langzeitlagerstabilität dieser TLPs ist im Vergleich zu eingeführten Treibladungspulvern erheblich besser.

Die herausragende Eigenschaft dieser neuen Pulver ist das nahezu temperaturunabhängige Abbrandverhalten. Im Gegensatz zu konventionellen Pulvern zeigen sie mit zunehmender Umgebungstemperatur keine bzw. nur gering steigende Abbrandraten. Mit den neuartigen DNDA-TLPs ist damit eine Leistungssteigerung möglich, da die Pulvermenge bei Raumtemperatur auf den Maximalgasdruck ausgelegt werden kann und nicht wie bei konventioneller Munition die Festlegung der Pulvermenge auf den bei 63 °C erreichten Maximalgasdruck erfolgen muss.

Kunststoffgebundene Treibladungspulver

Alle heute eingeführten Treibladungspulver basieren auf dem im Jahr 1846 entdeckten Bindemittel Nitrocellulose, welches über einen mehrstufigen Prozess aus Cellulose hergestellt wird. Natürlich vorkommende Rohprodukte wie die Cellulose haben jedoch je nach den klimatischen Bedingungen am Anbauort schwankende Eigenschaften. Synthetische Binder haben den Vorteil, dass sie im Gegensatz dazu ein gleichbleibendes Eigenschaftsspektrum besitzen. Ein vielversprechender Ansatz für neue leistungsfähige Treibladungspulver mit geringer Empfindlichkeit ist die Verwendung von thermoplastischen Elastomeren (TPE) als Binder. Diese Materialien bestehen aus einer thermoplastischen Hartphase und einer elastomeren Weichphase. Durch die Kombination von Hart- und Weichsegmenten in der Matrix besitzen diese Polymere besondere Eigenschaften. Bei Belastung können sie einer Kraft durch Verformung ausweichen und sich dann wieder in die alte Form entspannen.

Das Fraunhofer ICT deckt die komplette Bandbreite der Entwicklung einer neuen Generation von kunststoffbasierten Treibladungspulvern ab. Dazu gehören die Synthese von geeigneten thermoplastischen Elastomeren mit energetischen Gruppen, die Kombination mit verschiedenen Weichmachersystemen, die Formulierung mit energetischen Füllstoffen, die Pulverherstellung und die anschließende Charakterisierung. Die Energiedichte der neuen kunststoffbasierten Pulverformulierungen kann über den Gehalt der energetischen Komponenten gesteuert werden, so dass mit diesen Materialien ein großer Kaliberbereich abgedeckt werden kann. Zudem zeigen die neuen Treibladungen im Vergleich zu konventionellen Pulvern gleicher Leistung eine um etwa 600 K reduzierte Flammentemperatur. Damit ist eine deutlich geringere Erosion des Waffenrohrs zu erwarten. Die Entzündungstemperaturen liegen im Bereich um 200 °C und damit deutlich oberhalb derer von konventionellen Pulvern. Die ETPE-Treibladungspulver zeigen überdies eine sehr gute Langzeitstabilität. Die bisherigen Arbeiten am Fraunhofer ICT belegen das Potenzial der neuen Treibladungspulvergeneration auf Basis energetischer thermoplastischer Elastomere. Die zukünftigen Arbeiten konzentrieren sich darauf, ETPE-Treibladungspulver bis zur Anwendungsreife weiterzuentwickeln.

Poröse Treibladungen

Mit Explosivstoffen gefüllte Polymerschäume zeigen wegen ihrer porösen Struktur sehr hohe Abbrandgeschwindigkeiten. Durch Variation von Polymermatrix, Füll- und Zusatzstoffen lassen sich poröse Formkörper mit breitgefächerten Materialeigenschaften und Leistungsdaten herstellen. Durch die Verarbeitungstechnologie des Reaktionsschaumgussverfahrens können beliebige Geometrien realisiert werden. Anwendung finden diese explosivstoffgefüllten Schäume bei der Entwicklung von hülsenloser Munition bzw. Munition mit verbrennbarer Hülse, aber auch als Containermaterialien oder Schutzladungen. Im Fraunhofer ICT wurde eine Reaktionsschaumgussanlage im Pilotmaßstab aufgebaut und für die Verarbeitung von Explosivstoffen ausgelegt. Hier können poröse mit Explosivstoff gefüllte Formkörper in guter Qualität und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.

Neue Methoden zur Oberflächenbehandlung von Treibladungspulvern

Gerade im Klein- und Mittelkaliberbereich werden Treibladungspulver zur Steuerung ihres Abbrandverhaltens oberflächenbehandelt. Dabei kommen hauptsächlich inerte und energetische Weichmacher und Polymere zum Einsatz. Die konventionellen Verfahren sind zum einen zeitaufwändig oder es lassen sich nur relativ dicke Oberflächenschichten realisieren. Das Fraunhofer ICT untersucht in diesem Bereich neue Methoden zur gezielten Oberflächenbehandlung von Treibladungspulvern.

Das Wirbelschichtcoating eröffnet die Möglichkeit Schichten definierter Zusammensetzung und Dicken auf das Treibladungskorn aufzubringen. Zudem können auch verschiedene Schichten nacheinander sukzessive in einem Prozess aufgebracht werden. Polymerschichten haben den Vorteil dass sie migrationsstabil sind und selbst bei Alterung nicht in das Treibladungskorn hineinwandern und damit das Abbrandverhalten verändern.

Druckimprägnieren von Treibladungspulvern

Mit dem Druckimprägnieren besteht die Möglichkeit inerte und energetische Weichmacher mit einer definierten Eindringtiefe in das TLP-Korn eindringen zu lassen, um spezielle innenballistische Effekte zu erreichen. Für diese Untersuchungen steht ein Autoklav zu Verfügung, der eine gleichförmige Druckbeaufschlagung des Materials ermöglicht. Je nach TLP-Korn, ausgewähltem Weichmacher, den Behandlungsbedingungen und -dauer kann die Eindringtiefe variiert werden.

Mikrostrukturuntersuchungen im Temperaturband

Die Lichtmikroskopie eröffnet die Möglichkeit die Mikromorphologie von Treibladungspulvern oder entsprechender Rohstoffe näher zu betrachten. Zu diesem Zweck stehen ein vollautomatisches Rotationsmikrotom zum Anfertigen der benötigten Dünnschnitte sowie ein Polarisationsmikroskop für Auf- und Durchlichtbetrachtungen im Hell- und Dunkelfeld zur Verfügung. Die integrierte Digitalkamera liefert hochaufgelöste Bilder und Videos. Eine Kühl- und Heizkammer ermöglicht Untersuchungen bei Temperaturen zwischen –196 und 420 °C, wodurch der gesamte, für den späteren Einsatz relevante, Temperaturbereich näher betrachtet werden kann. Zusatzfunktionen wie eine erweiterte Tiefenschärfe ermöglichen die Untersuchung selbst unebener Proben.

Leistungen

Wir entwickeln maßgeschneiderte Treibladungspulver und poröse Treibladungen für Ihre Anwendungen und erarbeiten geeignete  maschinelle Herstellungsbedingungen. Sie profitieren von unseren langjährigen Erfahrungen bei der Formulierung, dem fundierten Know-how bei der Verarbeitung, der Verfügbarkeit von neuen energetischen Materialien und einer umfassenden, auf die speziellen Bedürfnisse der TLPs angepassten Charakterisierung und Qualitätssicherung. Zu nennen sind hier die Bestimmung der Leistungsdaten, Sauerstoffbilanz und Verbrennungstemperatur aus thermodynamischen Berechnungen, Beurteilung der Verarbeitbarkeit über rheologische Methoden, Anpassung von Topfzeit und Aushärtungszyklen, Charakterisierung der Treibladungen über die Bestimmung  des WEB und der Poren- und Schaumstruktur, Charakterisierung der mechanischen Festigkeit, Beurteilung der Kaltversprödungsneigung, Bestimmung  der chemischen und thermischen Stabilität, Untersuchung des Abbrandverhaltens im Temperaturband, Bestimmung der Empfindlichkeit und Untersuchung der gesamten Materialeigenschaften nach definierter Alterung der Treibladungen.

Alterung, Stabilität & Verträglichkeit

© Foto Fraunhofer ICT
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Zur Bestimmung der Nutzungs- bzw. Lebensdauer von energetischen Materialien werden Veränderungen von Materialeigenschaften untersucht und es werden Maßnahmen zur Stabilisierung entwickelt, die beispielsweise in das chemische Reaktionsgeschehen eingreifen und Zersetzungswege unterbinden.

Um das Verhalten energetischer Materialien bei Alterung oder das Zusammenspiel verschiedener energetischer und nicht-energetischer Komponenten zu untersuchen, werden die Änderungen verschiedenster Materialeigenschaften mit der Zeit untersucht. Betrachtet werden beispielsweise Gasentwicklung, Stoffabbau oder Wärmeentwicklung aufgrund chemischer Reaktionen. Aus diesen Daten werden theoretische Modelle zum besseren Verständnis der Reaktionen auf molekularer Ebene entwickelt. Damit kann durch Stabilisatoren auf chemischer Ebene eingegriffen und die  Zersetzung verlangsamt werden.

Durch Analyse der chemischen Reaktionen und ihrer Kinetik kann für bekannte Systeme vorhergesagt werden, wie lange die Lebensdauer eines Systems unter bekannter thermischer Beanspruchung (gemäßigtes Klima, Wüstenklima etc.)  ist. Dazu werden die gemessenen Größen kinetisch modelliert und anschließend die Aktivierungsenergien der einzelnen Prozesse bestimmt. Damit kann die Lebensdauer für feststehende Temperaturen aber auch Temperaturprofile (z. B. sog. Phoenix-Profil) berechnet werden.

Unter Lebensdauer fallen hierbei alle möglichen erwünschten Eigenschaften des Systems. Neben der chemischen Lebensdauer (z. B. sich durch Zersetzungsprodukte ändernde Eigenschaften wie steigende Reib- oder Schlagempfindlichkeit) können auch mechanische (z. B. Bruch- oder Dehnungsverhalten) oder physikalische Eigenschaften (Abbrandgeschwindigkeit) auf diese Weise bestimmt und in die Lebensdauervorhersage eingebunden werden.

REACh-Ersatzstoffe

Untersuchung von Weichmacher-Ersatzstoffen für Dibutylphthalat
© Foto Fraunhofer ICT

Untersuchung von Weichmacher-Ersatzstoffen für Dibutylphthalat

Am 1. Juni 2007 trat die REACh-Verordnung (Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals) in Kraft. Damit wurde das Chemikalienrecht europaweit harmonisiert. Danach werden Stoffe mit besonders besorgniserregenden Eigenschaften zunächst in eine Kandidatenliste (SVHC-Liste, substances of very high concern) aufgenommen und zum Teil nach weiteren Auswahlkriterien sogar in den Anhang XIV der REACh-Verordnung übernommen. Stoffe im Anhang XIV dürfen ab einem genannten Zeitraum nur noch mit einer zeitlich befristeten und kostenintensiven Zulassung in der EU hergestellt, in Verkehr gebracht oder verwendet werden. Zurzeit fallen u. a. verschiedene Phthalate, Chrom(VI)- und Bleiverbindungen, die in vielen marktüblichen Produkten Anwendung finden, unter die Zulassungspflicht. Über kurz oder lang muss deshalb für diese Stoffe ein geeigneter Ersatz gefunden werden.

Das Fraunhofer ICT bietet in diesem Zusammenhang Unterstützung bei der jeweiligen Ersatzstoffsuche an. Die prinzipielle Eignung der Ersatzstoffe für das jeweilige Anwendungsfeld kann nach ihren chemisch-physikalischen Eigenschaften, den zugänglichen toxikologischen Daten, einfachen Grundlagenuntersuchungen bis hin zu anwendungsbezogenen Tests bewertet werden. Es stehen im Fraunhofer ICT verschiedene Misch- und Kneteinrichtungen, Verarbeitungsanlagen wie z. B. Strangpressen, Extruder, Pressen und vielfältige analytische Möglichkeiten zur Materialcharakterisierung zur Verfügung.

GRAIL - Green Advanced High Energy Propellants for Launcher

Solid rocket motors are today the most cost effective, competitive and reliable propulsion technology for space launch systems. State of the art solid rocket propellants are based on the oxidizer ammonium perchlorate, AP, and aluminium powder, embedded in a polymer binder matrix. Unfortunately, AP has a negative impact on the environment and on personal health due to ozone depletion, thyroid gland interference and acid rain formation. The objective of the GRAIL project is to determine if it is possible to replace AP by using a mixture of the new green high energy density oxidizer ammonium dinitramide, ADN, and the low cost oxidizer ammonium nitrate, AN. A high energy density green solid propellant will be developed and compared with state of the art solid propellants with respect to safety, performance and cost, to determine if replacing AP with ADN/AN is a feasible option. The results will serve as important input for decision makers when considering development of future European launch systems. This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no. 638719.