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" Charges contenant des sels de cuivre et de plomb, de l'alu- minium et produisant des gaz de nitrocellulose ".
La présente invention se rapporte à des charges produi- sant des gaz et concerne plus particulièrement des agents de propulsion à deux constituants dont la propriété est caractéri- sée par une très faible dépendance des vitesses de combustion par rapport à la température conditionnée.
Cette invention révèle une plus grande gamme de contenus énergétiques,de pressions actives et de vitesses de combustion et un procédé de fabrication de ces agents de propulsion, sans emploi de solvants organiques.
A une température initiale donnée, la vitesse de combustion d'un agent de propulsion classique est une fonction directe de la
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pression à laquelle il est exposé. La relation est exprimée mathématiquement par : r = cpn, où r est la vitesse de combustion, p la pression et c et n des constantes caractéristiques de l'agent de propulsion particulier. L'équation peut être réexpri- mée comme suit= log r = n log p + log c. Ainsi, un tracé de log r par rapport à log c pour un agent de propulsion classique donne une ligne droite qui présente une pente n. Log r augmente d'une manière linéaire avec log p, mais r augmente exponentiellement avec p.
Grâce à ces agents de propulsion classiques, des pressions s'établissent ràpidement et une chambre à parois minces est né- cessaire pour contenir l'agent de propulsion qui tend à rendre lourdes les fusées ainsi propulsées et leur communique de faibles performances balistiques.
En outre, ces agents de propulsion classiques ont des vitesses de combustion qui dépendent de la température initiale et, par conséquent, les performances de la fusée propulsée par ces agents varient largement en fonction de la température de l'agent de propulsion à l'allumage.
Les recherches ont conduit à la mise au point d'agents de propulsion du type à palier, dans lesquels le coefficient n de la pression est égal à zéro dans une certaine zone de pression. Ces agents de propulsion fournissent, à une température d'ignition donnée, une vitesse de combustion constante dans cette zone et, par conséquent, une poussée motrice constante et les trajectoires des fusées, ainsi propulsées, sont beaucoup plus tendues et plus aisées à calculer. Toutefois, les performances des agents de pro- pulsion à palier dépendent encore très fortement de la températu- re d'ignition et ces agents possèdent plutôt de faibles chaleurs d'explosion et, par conséquent, une faible poussée motrice spéci- fique.
La présente invention est relative à des agents de propulsion
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du type mésa, c'est-à-dire des agents, dans lesquels le coeffi- cient n de la pression est négatif dans certaines zones de pres- sions, de sorte que la vitesse de combustion diminue légèrement avec l'augmentation de la pression. La zone du coefficient néga- tif de la pression est connue comme étant la zone mésa.
Ces agents de propulsion sont, par conséquent, caractéri- ses en ce que leurs vitesses de combustion sont, en substance, insensibles aux températures dans de larges limites de pressions actives, y compris la zone mésa. La pression régnant dans les moteurs de fusées ainsi propulsées peut être réglée par une con- ception adéquate de la tuyère en vue de la maintenir dans la zone mésa et de prévoir, ainsi, une poussée motrice constante.
En raison de la caractéristique d'insensibilité aux températures, un moteur d'une poussée motrice en substance constante peut être réalisé, sans tenir compte des conditions d'allumage. L'u- tilité d'un moteur de fusée de cette nature est évidente.
En outre, si le carburant en grains se craque au cours de la combustion et expose une plus grande surface, un agent de pro- pulsion du type mésa montre une augmentation de pression approxi- mativement proportionnelle à la surface ajoutée exposée, tandis qu'un agent de propulsion classique montre une augmentation beau- coup plus rapide, très aisément explosive, naturellement.
Antérieurement, des solvants organiques ont en général été utilisés dans le traitement des agents de propulsion. L'effet néfaste de ces solvants sur les propriétés balistiques à forte sensibilité des agents de propulsion à deux constituants est bien connu, de sorte que leur utilisation doit être complètement évitée, si possible, dans le but d'obtenir des agents de propul- sion donnant des caractéristiques balistiques reproductibles.
Un but de la présente invention consiste à prévoir des agents de propulsion à deux constituants du type mésa, dans lesquels la vitesse de combustion est en substance constante, et ce sans tenir
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compte de la température initiale entre les limites de pression d'environ 200 à plus de 4000 livres par pouce carré absolu (14,06 à 281,2 kg/cm2).
Un autre but de l'invention est de prévoir un système d'agent de propulsion à deux constituants, dans lequel le rapport pression vitesse de combustion peut être réglé pour obtenir des agents de propulsion destinés aux diverses applications requises.
Un autre but de la présente invention consiste à prévoir un agent de propulsion qui présents de bonnes caractéristiques de contrôle et qui est aisément reproductible en grandes quan- tités.
Un autre but de la présente invention consiste à prévoir un procédé de fabrication de ces agents de propulsion, sans em- ploi de solvant,
Les buts mentionnés ci-avant peuvent être atteints par un agent de propulsion à deux constituants, en l'occurrence à base ' de nitrocellulose et de nitroglycérine, auquel il a été ajouté, en plus des stabilisants et plastifiants classiques, des modi- fiahts balistiques comprenant des sels de plomb etde cuivre d'acte des aromatiques, y compris leurs formes monobasiques, et des mé- @ lances de ceux-ci. Additionnellement, de l'aluminium finement granulé peut être ajouté dans certains cas pour augmenter la chaleur d'explosion du mélange.
La chaleur d'explosion de la com- position est de préférence de l'ordre de 600 à 1250 calories/ @ gramme. Si cette limite supérieure est dépassée d'une manière ap- préciable, l'effet mésa est détruit,
L'aluminium est uniquement ajouté aux mélanges contenant, à là fois, un sel de plomb et un sel de cuivre. Au point de vue métallurgique, il est certain que la combinaison mentionnée ci- avant assure la formation in situ d'agents catalyseurs pour la combustion de l'aluminium. La présence de cette combinaison de
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sels préserve l'effet mésa qui, par ailleurs, serait détruit par l'aluminium. La découverte de l'effet combiné produit par la combinaison ci-avant est entièrement inattendue et imprévue.
La dose préférée de modifiant ajouté est de l'ordre d'en- viron 0 à 5% en poids pour chaque sel de plomb et de cuivre, la dose maximum admissible étant de 10%. La quantité d'aluminium est d'environ 0 à 10%.
En plus des modifiants mentionnés ci-avant, l'agent de propulsion doit avoir la composition approximative suivante; nitrocellulose : 40 à 60%; nitroglycérine: 30 à 45%; plastifiant;
0 à 10%; stabilisant : 1 à 3%. Le plastifiant utilisé peut être un phtalate, un adipate, un sébaçate,un glycol ou un ester de glycérol, tel que bien connu dans la technique. Les stabilisants appropriés sont des dérivés de l'urée, de la diphénylamine et de l'aniline, tel que bien connu également dans la technique,
Les plastifiants et les stabilisants doivent être, en substance, non volatils.
Ces compositions propulsives donnent des mésas insensibles aux températures dans des limites de pressions de moins de 1000 à plus de 4000 livres par pouce carré (70,3 à 281,2 kg/cm2).
La limite supérieure de pressions pour ces compositions est considérablement augmentée par rapport à celle des composés de la demande de brevet mentionnée ci-avant, laquelle est d'environ ' 2. 500 livres par pouce carré (175,75 kg/cm2), Les vitesses de combustion peuvent varier d'environ 0,3 pouce par seconde à
1,5 pouce par seconde, approximativement (7,62 à 38,1 mm/seconde),
Les agents de propulsion décrits ci-avant sont fabriqués com- me suit.
La nitrocellulose est mélangée en une pâte mince dans, approximativement, 5 à 10 fois son poids d'eau chaude et le stabilisant finement broyé est lentement ajouté sous agitation,
Des modifiants balistiques insolubles; finement broyés,'sont ensuite ajoutés sous agitation ; sels monobasiques sont in-
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solubles et sont, par conséquent, ajoutés à ce moment. Une solu- tion de nitroglycérine dans le plastifiant est ajoutée et tous les constituants restants, insolubles dans l'eau, sont également ajoutés en mélangeant activement pour assurer une uniformité.
Les modifiants peuvent être ajoutés avant ou après la nitroglycérine, alternativement, si l'on désire , pour des raisons de sécurité, désensibiliser la nitroglycérine, celle-ci peut être dissoute dans de l'alcool méthylique et ajoutée à la pâte, le plastifiant étant ensuite ajouté. L'eau de la pâte dissout l'alcool en ne laissant, en substance, aucune trace de cet alcool dans le col- loide.
La pâte est filtrée ou centrifugée pour éliminer la presque totalité de l'eau et la pâte résultante est vieillie pendant 1 à 5 jours à 130 F (54 C). Après vieillissement, le niveau d'humidi- té est de 8 à 15%. Tous les constituants non préalablement incor- porés sont ajoutés à la pâte et le mélange résultant est broyé en un colloïde homogène dans un broyeur à rouleaux différentiel et chauffé. Les sels normaux sont solubles et doivent être mélangés à la pâte. Le colloïde peut ensuite être extrudé sous une forme désirée ou peut tout d'abord être calibré sur un broyeur à rou- leaux à vitesse uniforme. L'ordre de mélange n'est pas imposé mais il faut atteindre l'uniformité. De la cire de Candelilla est a- joutée en minimes quantités pour augmenter les propriétés d'ex- trusion.
Les modifiants balistiques se composent de sels de plomb et de cuivre de certains acides aromatiques sous des formes normales et monobasiques. Les deux acides préférés sont les acides 0-résorcylique et salicylique, mais on peut utiliser des succé- danés de l'acide B-résorcylique, comme par exemple, l'acide 2.5-dihydroxybenzoique et l'acide 5-méthylènedisalicylique.
Les avantages de l'invention se dégagent nettement de la description ci-après réalisée avec référence aux tableaux et
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dessins annexés qui forment une partie du présent mémoire, toutes les figures annexées étant des graphiques montrant la relation de la pression à la vitesse de combustion pour les divers agents de propulsion essayés, Les compositions des agents de propul- sion particuliers sont données en % en poids sur les deux tableaux I et II annexés, tandis que les figures représentent,pour
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chacune de ces compositions, la courbe pression-vitesse de com- oJ les tableaux III-IV 1 dt, À X bustion et,/renseignent les chaleurs d'explosion calculées et Ci) D M.'l'.0t., mesurées en calories par gramme.
-t' Id:W -12# La chaleur d'explosion été mesurée dans calorimètre ±' chaleur d'explosion été mesur#dans calorimètre étalonné ordinaire à chemise unique par des techniques calorimé- triques normalisées. La chaleur d'explosion calculée a été ob- tenue en multipliant le pourcentage de chaque constituant par la chaleur d'explosion du constituant pur qui a été mesuré pre- cédemment dans un calorimètre. Ce produit est appelé la valeur Q1 et la somme algébrique des valeurs Q1 est la chaleur d'explo- sion calculée.
Les données pour les courbes de la relation de la pression à la vitesse de combustion ont été obtenues par des techniques normalisées. Des boudins d'agent de propulsion d'un diamètre de 0,1 pouce (2,54mm) et d'une longueur de 7,5 pouces (190,5 mm) ont été enduits d'une laque vinylique. Un fil en Chromel a été inséré dans chaque boudin, à proximité de l'extrémité perpendi- culaire à l'axe , en vue de fixer les boudins à l'intérieur d'une bombe du type Crawford, Des trous ont été forés dans chaque boudin, exactement A une distance de deux pouces (50,8mm), et des fusibles d'une capacité de 0,5 ampère ont été introduits dans chaque boudin.
Un boudin individuel a été placé dans une bombe Crawford relié à des dispositifs appropriés d'ignition et de minutage et brûlé, de haut en bas, sous une pression en substance constante, La pression de l'azote dans la bombe a été modifiée et un autre boudin brûlé, Les vitesses de combustion calculées d'après les
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temps enregistrés et la longueur connue des boudins, ainsi que que d'après la pression moyennement enregistrée de l'azote, ont donné une série de points qui ont été reportés sur une feuille logarithmique et qui ont déterminé une ligne droite présentant une pente positive jusqu'à une certaine pression, cette ligne restant en substance droite, mais sa pente devenant négative jusqu'à une autre pression, moment où la pente devient de nou- veau positive,
La pente de la ligne droite est n,
c'est-à-dire le coeffi- cient de la pression, et est la tangente d'un angle formé par la- dite ligne avec la coordonnée horizontale, L'angle est simple- ment mesuré au moyen d'un rapporteur et sa-tangente est obtenue à partie de tables trigonométriques. Les points ne tombent pres- que jamais exactement dans une ligne droite, de sorte qu'ils sont adaptés à la meilleure ligne droite passant entre eux par la méthode des moindres carrés.
Les essais ont été réalisés sur des agents de propulsion comprenant! d'une part, des sels de cuivre et de plomb d'acides salicylique et ss-résorcylique sous leurs formes normales et leurs formes monobasiques et, d'autre part, des mélanges de ceux-ci, De l'aluminium a été ajouté dans certaines compositions pour augmenter la chaleur d'explosion. Les compositions sont données en % en poids.
Les résultats des essais indiquent qu'une large gamme de pressions actives et de vitesses de combustion, en même temps qu'une insensibilité aux températures, est disponible pour le constructeur de fusées,ce qui constitue une amélioration impor- tante par rapport à ce que ces constructeurs ont réalisé aupara- vant. Ainsi que le montrent les données, les mésas peuvent être déplacés depuis une zone à combustion lente et à faible pression jusqu'à une zone à combustion rapide et à haute pression ainsi que dans presque toute zone intermédiaire. Les vitesses de combus-
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tion sont de l'ordre d'environ 0,3 pouce/seconde à 1,5 pouce/se- conde approximativement (7,62 à 38,1 mm/seconde) sur le mesa, tandis que le domaine de pressions utiles est d'environ 200 à plus de 4000 livres par pouce carré (14,06 à 281,2 kg/cm2).
Dans les figures 1 et 2,les résultats sont donnés pour des compositions qui donnent de faibles vitesses de combustion et des basses pressions. La composition de la figure 1 se comporte plus comme un agent de propulsion à palier que comme un agent du type mésa, mais donne une très bonne insensibilité aux tempé- ratures entre 200 et 800 livres par pouce carré (14,06 à 56,24 kg/cm2). Une composition de cette nature est utile en tant qu'agent de propulsion à basse pression. La composition de la figure 2 montre un agent du type mésa, mais la meilleure insensibilité aux températures apparaît avant le mésa, c'est-à-dire entre 500 et 1000 livres par pouce carré (35,15 et 70,3 kg/cm2). Les deux compositions contiennent chacune, à raison de 2%, du salicylate de plomb et du salicylate cuprique monobasique.
Dans l'exemple de la figure 3, la composition contient du salicylate de plomb et du salicylate cuprique monobasique à rai- son de 2,5%, mais la nitroglycérine a été augmentée et 5% d'alumi- nium ont été ajoutés afin d'accroître par conséquent la chaleur d'explosion. En outre, la vitesse de combusion n'est pas élevée; elle est d'environ 0,5 pouce par seconde (12,7mm/seconde).
La composition ayant produit le diagramme de la figure 4 ne montre pas un agent du type mésa, mais représente un agent de propulsion à poussée motrice élevée, à faible vitesse de combustion, ainsi qu'à faible pente. Cette composition montre l'utilisation d'un agent de réduction de la vitesseincorporé, c'est-à-dire l'acétate de cellulose, pour prévoir une vitesse de combustion spécifique.
La composition se rapportant à la figure 5 montre l'utilisa- tion d'une combinaison de salicylate de plomb et de salicylate cu-
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prique pour produire de faibles vitesses de combustion et de basses pressions. Une très bonne insensibilité aux- températures est obtenue dans le domaine de moins 600 à 1000 livres par pouce carré (42,18 à 70,3 kg/cm2) avec une vitesse de combustion d'environ 0,4 pouce/seconde (8,06 mm/seconde). Grâce à l'utili- sation combinée des deux sels d'acide salicylique comme modifiants,! des agents de propulsion du type mésa à faible vitesse de com- bustion et à basse pression sont obtenus. La vitesse de com- bustion et la pression active peuvent être augmentées en ajoutant de l'aluminium au mélange.
Les compositions se rapportant aux figures 6, 7 et 8 uti- lisent un-modifiant combiné de salicylate cuprique monobasique- ss-résorcylate de plomb monobasique. Les mésas se présentent à environ 1500 livres par pouce carré (105,45 kg/cm2) dans les trois figures et à des vitesses de combustion de 0,7 à 1 pouce par seconde (17,78 à 25,4mm/seconde).
Une bonne insensibilité aux températures est obtenue dans les trois figures à environ
1600 à 2000 livres par pouce carré (112,48 à 140,6 kg/cm). Le pourcentage de modifiant est le même dans les compositions des figures 7 et 8 et légèrement inférieur dans la composition de la ! figure 6,
Les figures 9 et 10 se rapportent à des compositions assez semblables à celles des figures 6, 7 et 8 sauf que de l'aluminium est ajouté. Les chaleurs d'explosion sont augmentées et les mésas @ ont été déplacés vers la droite. Dix pour cent d'aluminium don- nent des données qui sont légèrement différentes de celles obte- nues avec 5% d'aluminium et les vitesses de combustion sont pra- tiquement les mêmes.
Ces faits sont remarquables, en ce sens qu'un seul pour cent d'aluminium tend à corrompre les mésas des agents de propulsion connus,
Les compositions relatives aux figures 11,12, 13 et 14 utilisent un modifiant combiné de ss-résorcylate de plomb et de
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B-résorcylate cuprique monobasique. Dans la composition de la figure 13, chaque sel est présent dans la dose de 1%. La chaleur d'explosion est intermédiaire, soit 972 calories/gramme. Le mésa commence à environ 2800 livres par pouce carré (198,84 kg/ mm2) en fonction d'une vitesse de combustion de 0,7 pouce par seconde à 0,8 pouce par seconde (17,78 à 20,32 mm/seconde).
La composition de la figure 11 montre les résultats obtenus en por- tant la dose de chaque sel de modifiant à 2,5%. L'augmentation est accompagnée de faibles accroissements des vitesses de com- bustion, d'un déplacement de mésa vers la droite et d'une insen- sibilité aux températures dans le mésa, Dans la composition DE la figure 14, la teneur de chaque sel de modifiant a été portée à 3., 8%, cette augmentation étant accompagnée d'autres accroisse- ments des caractéristiques mentionnées ci-avant. Dans la composi- tion de la figure 12, le sel de cuivre est porté à deux fois la dose de sel de plomb, soit 5% pour 2,5% respectivement.
Les ré- sultats ne diffèrent que très peu de ceux de la composition don- née sur la figure 11, où chaque constituant est présent à raison de 2,5%, Toutefois, les vitesses de combustion sont légèrement augmentées et les mésas sont déplacés légèrement vers la droite.
Dans ces quatre compositions, les teneurs en nitrocellulose et en nitroglycérine n'ont été que légèrement modifiées, mais la dose de plastifiant a été considérablement variée pour déterminer l'effet de variation des doses des sels du modifiant balistique.
Tel que ceci a été constaté, un seul pour cent de chaque sel produit le mésa désiré et des doses accrues de sels tendent à aug- menter la vitesse,
La composition de la figure 15 comprend des sels de modifiant à base de ss-résorcylate cuivreux et de ss-résorcylate de plomb sous une dose chacun de 2,5%. Les performances sont similaires à celles des compositions des figures 11, 12,13 et 14, où du 6-résorcy- late cuprique monobasique a été utilisé.
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Les compositions relatives aux figures 16 et 17 utilisent des formes monobasiques de ss-résorcylate cuprique et de B-résor- cylate de plomb. Dans la composition de la figure 16, chaque sel est présent sous une dose de 2%. Un mésa est obtenu, lequel commence à environ 3000 livres par pouce carré (210,9 kg/cm2).
Sur la figure 17, le mésa se présente approximativement dans la même zone de pression, mais à des vitesses de combustion légère- ment plus élevées. Dans les cas où les sels du modifiant sont les deux résorcylates, des vitesses de combustion élevées et des pressions élevées caractérisent les domaines des mesas.
Les compositions ayant donné les courbes des figures 18, 19 20 et 21 utilisent, combinés, du ss-résorcylate de plomb et du ' salicylate cuprique, chacun de ceux-ci étant présent à raison de 2%. Les mésas apparaissent dans des domaines de pressions de 1800 livres par pouce carré (128,54 kg/cm2) sur la figure 19 à 2600 livres par pouce carré (182,78 kg/cm2) sur la figure 18 c'est-à-dire qu'ils augmentent conformément à l'accroissement de la chaleur d'explosion. Lorsque ces compositions sont comparées à celles des figures 11, 12, 13 et 14, qui contiennent également du a-résorcylate de plomb en combinaison avec un second résor- cylate, il est visible que ce second sel résorcylate provoque le déplacement du mésa vers la droite.
Les compositions relatives aux figures 22 et 23 montrent les résultats obtenus avec du ss-résorcylate de plomb et du salicylate cuprique monobasique. Dans la composition de la figure 22, le sel basique a été substitué au salicylate cuprique normal de la figure 18, ce qui donne une vitesse de combustion légèrement plus élevée et un mésa déplacé vers la droite, Les compositions des figures 24 et 25 montrent l'usage combiné des formes monobasiques du ss-résorcylate suprique et du salicylate de plomb, chacun de ces sels étant présent sous dose cylate de plomb, chacun de ces sels étant présent sous la dose de 2,5% dans les deux composition.
les mésas commencent à environ
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2400 livres par pouce carré (168,72 kg/cm2) en fonction de Vites- ses de combustion d'environ 1 pouce par seconde 1,2 pouce par seconde (25,4 à 30,48 mm/seconde).
Ainsi, il est visible que l'invention fournit des compo- sitions d'agents de propulsion montrant des caractéristiques mésas qui sont en substance insensibles aux variations des tem- pératures dans des domaines de pressions actives de 200 à 4000 livres par pouce carré (1.4,06 à 281,2 kg/cm2). Les compositions présentent des chaleurs d'explosion élevées et'leur rapport pres- sion-vitesse de combustion est aisément réglable de façon à assurer les caractéristiques balistiques appropriées à des ap- plications diverses. Un procédé sans solvant est prévu pour la fabrication des agents de propulsion, ce qui évite l'utilisation de solvants organiques désagréables.
Il a été constaté que les compositions respectives présentent de bonnes caractéristiques de contrôle, Elles peuvent être aisément produites en grandes quantités par des techniques de production en masse.
Il est évident que de nombreuses modifications et variations de la présente invention sont possibles à la lumière des enseigne- ments mentionnés ci-avant. Par conséquent, il est certain que, tout en respectant la portée des revendications annexées, les présente invention peut être mise en oeuvre d'une autre façon que celle spécifiquement décrite ci-avant.
REVENDICATIONS.
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