Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Leuchtsatzes bzw. einer Leuchtrakete, umfassend eine extrudierbare Zündmittelzusammensetzung.

Zündmittelzusammensetzungen müssen eine Anzahl von Ausgestaltungskriterien erfüllen. Die Zündmittelzusammensetzung sollte, wenn sie gebildet wird, ausreichend robust sein, um in betriebsfähiger Form zu verbleiben vor dem Einsatz der zu zündenden Vorrichtung, wie etwa ein Leuchtsatz oder eine andere Vorrichtung.

Eines der üblicherweise vorgeschlagenen Zündmittelsysteme verwendet feste Teilchen, bestehend aus B/KNO₃, welche beim Zünden eine Verbrennung der angegebenen Gas-erzeugenden Zusammensetzung initiieren.

Andere jüngere Versuche auf dem zivilen Markt richteten sich auf das Entwickeln alternativer kosteneffektiver Zündmittelzusammensetzungen oder Zündmittelzusammensetzungen, die leichter herzustellen sind. Diese Versuche umfassten Vorschläge zur Verwendung einer heiß schmelzenden thermoplastischen Harzmatrix zusammen mit einer speziellen Zündmittelzusammensetzung, wie etwa KNO₃. Dieser Ansatz versuchte ein kommerziell erhältliches Heißklebemittel, wie etwa ein solches, das für sogenannte "Klebepistolen" entwickelt wurde, mit einem herkömmlichen Alkalimetalloxidationsmittel zu verbinden. Dieser Ansatz zum Verbessern der Leistungsfähigkeit war weniger als zufriedenstellend. Die Extrudierbarkeit und Zündmittelleistungsfähigkeit erwies sich als schwierig zu steuern und die wiederholbare ballistische Leistungsfähigkeit, die gewünscht war, ist bisher nicht gezeigt worden.

Demgemäß bleiben trotz dieser und noch anderer Ansätze relevante Ziele unerreicht. Eine einfachere, kostengünstigere Zündmitelzusammensetzung für Leuchtraketen bzw. Leuchtsätze und Köder oder andere Vorrichtungen bleibt ein Wunsch. Im Besonderen laufen weiterhin Versuche in Richtung der Bereitstellung einer Zündmittelzusammensetzung, die die Notwendigkeit zum Heißschmelzen sogenannter Klebemittel vermeidet und damit die folglichen Risiken, die mit dem Verarbeiten eines pyrotechnischen Materials bei einer erhöhten Temperatur verbunden sind, jedoch welche einfach herzustellen ist und ausreichend robust sein würde.

Es wäre daher ein wesentlicher Fortschritt wenn Zündmittelzusammensetzungen bereitgestellt würden, die als ein Zündmittel verwendet werden können, welches in befriedigender Weise diese Belange in der Industrie erfüllt.

Die vorliegende Erfindung bietet ein Verfahren zum Bilden von Leuchtsätzen, umfassend einen oder mehrere der hier offenbarten Zündmittelstäbe.

Das extrudierbare Zündmittel wird leicht hergestellt bei geringen Kosten, um ein physikalisch robustes Produkt zu erhalten. Das Zündmittel kann hergestellt werden ohne die Verwendung einer thermoplastischen Schmelz- oder Heißschmelzmischausstattung und vermeidet daher die potenzielle Gefahr, die verbunden ist mit dem Verarbeiten bei solchen erhöhten Temperaturen. Die extrudierbare Zündmittelzusammensetzung, aus welcher der Zündmittelstab hergestellt werden kann, wird geeigneterweise bei Umgebungstemperaturen zu robusten Produkten verarbeitet, welche ausreichende relativ selektierbare Zündcharakteristika aufweisen. Der Zündmittelstab kann andere Konfigurationen aufweisen, mit der Maßgabe, dass die Konfiguration mit den hier offenbarten Zielen übereinstimmt. Die extrudierbare Zündmittelzusammensetzung kann verwendet werden, um einen massiven oder hohlen Zündmittel-"Stab" zu bilden, der in der Lage ist zum Zünden eines Leuchtsignals bzw. einer Leuchtrakete oder einer Treibmittelzusammensetzung in einer Leuchtrakete oder einer anderen pyrotechnischen Vorrichtung.

1 zeigt eine beispielhafte Leuchtraktenvorrichtung (eine Leuchtrakete des Typs XM212) in einem Längsquerschnitt, umfassend einen Zündstab, gebildet aus der extrudierbaren Zündmittelzusammensetzung.

2, 3, 4 und 5 zeigen Durchmesserquerschnittsansichten von Leuchtraketen, die mit den Zündmittelstäben ausgestattet sind, die aus der offenbarten extrudierbaren Zündmittelzusammensetzung hergestellt sind.

Die extrudierten Zündmittelstäbe, die durch das Verfahren der Erfindung gebildet werden, können so gekennzeichnet werden, dass sie eine Konfiguration aufweisen, die ausgestaltet ist für eine rasche Deflagration bei einer hohen Temperatur bei Zündung. Bei Zündung kann ein Zündmittelstab eine andere pyrotechnischen Zusammensetzung Zünden. In Leuchtraketen, wie etwa der XM212-Leuchtrakete, sind die Zündmittelstäbe so bemessen, um in der Lage für vollständige Zündung von einem bis zum anderen Ende zu sein, d. h. vollständige Flammenübertragung in einer kurzen Zeit, wie etwa weniger als 10 Millisekunden.

Die Zündmittelzusammensetzung, welche extrudiert werden können, umfassen eine Kombination aus wasserlöslichem Bindemittel, wasserlöslichem oder dispergierbarem Oxidationsmittel, wasserlöslichem oder dispergierbarem Brennstoff und einer ausgewählten Menge Wasser. Bevorzugt sind die extrudierbaren Zusammensetzungen im Wesentlichen in ihrer Zusammensetzung homogen.

Das Bindemittel ist ein wasserlösliches Bindemittel, umfassend mindestens ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem wasserlöslichen Gummi, vorliegend in einer Menge von etwa 2 Gewichtsprozent bis etwa 10 Gewichtsprozent, basierend auf der Gesamtmenge trockener Bestandteile in der extrudierbaren Zündmittelzusammensetzung, Poly-N-vinylpyrolidon, Polyvinylalkohole und Copolymere davon, Polyacrylamid, Natriumpolyacrylate, Copolymere, basierend auf Acrylamid oder Natriumacrylat, und wasserlösliche Gelatine. Diese wasserlöslichen Gummis umfassen natürlich vorkommende Gummis, wie etwa Guargummi, Akaziengummi, modifizierte Cellulosen und Stärken. Eine detaillierte Diskussion von "Gummis" wird bereitgestellt durch C. L. Mantell, The Water-Soluble Gums, Reinhold Publishing Corp., 1947, welche hier durch Bezugnahme eingebracht wird. Es wird derzeit erachtet, dass die wasserlöslichen Bindemittel mechanische Eigenschaften verbessern oder verbesserte Bruchfestigkeit verleihen. Die geeigneten Brennstoffe und Oxidationsmittel können wasserlöslich oder wasserunlöslich sein. Geeignete Brennstoffe und Oxidationsmittel können anorganisch oder organisch sein.

In der Formulierung, aus welcher der Extrudat-Zündmittelstab gebildet ist, ist die Bindemittelkonzentration derart, dass ein mechanisch ausreichend robustes Extrudat erhalten wird. Das Extrudat, wie etwa ein Zündmittelstab, sollte in der Lage sein, um seine Form beizubehalten, z. B, seine Integrität beizubehalten vor Zündung. Bevorzugt ist der extrudierte Zündmittelstab in der Lage aufgenommen (eingeschoben) zu werden in eine pyrotechnische Zusammensetzung, z. B, in eine geeignet konfigurierte Bohrung (z. B, zentrale Bohrung) in einer Treibmittelzusammensetzung, und zum Zerbrechen oder Brechen beim Zünden. Im Allgemeinen kann das Bindemittel in einem Bereich von z. B, von etwa 2% bezüglich des Gewichts bis etwa 10% bezüglich des Gewichts sein und im Spezielleren etwa 3% bezüglich des Gewichts bis etwa 7% bezüglich des Gewichts, relativ zu den trockenen Bestandteilen in der Formulierung. Das Bindemittel kann aufgebaut sein aus mehr als einem Bindemittelmaterial.

Die Zündmittelzusammensetzung umfasst mindestens ein Oxidationsmittel, welches vorzugsweise wasserlöslich oder mindestens in Wasser dispergierbar ist. Das Oxidationsmittel kann daher organisch oder anorganisch sein, wenngleich anorganische Oxidationsmittel derzeit bevorzugt sind. Organische Oxidationsmittel, welche in einem Bindemittel dispergierbar sind, sodass eine ausreichend homogene Zündmittelzusammensetzung erhältlich ist, umfassen Aminnitratsalze, Nitroverbindungen, Nitramin, Nitratester und Aminperchlorate, von welchen Methylammoniumnitrat, Methylammoniumperchlorat Beispiele sind. Andere Kandidaten umfassen RDX und HMX, CL-20 und PETN. Anorganische Oxidationsmittel umfassen oxidierende ionische Spezies, wie etwa Nitrate, Nitrite, Chlorate, Perchlorate, Peroxide und Superoxide. Beispielhaft für diese anorganischen Oxidationsmittel sind Metallnitrate, wie etwa Kaliumnitrat oder Strontiumnitrat, Ammoniumnitrat, Metallperchlorate, wie etwa Kaliumperchlorat und Metallperoxide, wie etwa Strontiumperoxid. Im Allgemeinen liegt das Oxidationsmittel in einer Menge vor, die herkömmlicherweise geeignet ist, um Oxidation von mindestens dem Brennstoff in dem Zündmittel sicherzustellen und kann im Bereich sein von z. B, etwa 40% bezüglich des Gewichts bis etwa 90% bezüglich des Gewichts und bevorzugter etwa 70% bezüglich des Gewichts bis etwa 85% bezüglich des Gewichts, relativ zu den trockenen Bestandteilen der Formulierung.

Die Zündmittelzusammensetzung kann formuliert sein mit zusätzlichem Brennstoff, unter der Annahme, dass das Bindemittel als ein sekundärer, nicht primärer Brennstoff für die Zündmittelzusammensetzung wirken kann. Diese zusätzlichen Brennstoffe umfassen pulverförmige Metalle, wie etwa pulverförmiges Aluminium, Zirkonium, Magnesium und/oder Titan, unter anderem; Metallhyride, wie etwa Zirkonium- oder Titanhydrid; und sogenannte Metalloide, wie etwa Silicium und Bor, welche in der Lage sind, ausreichend "dispergierbar" in dem Bindemittel zu sein. Wasserlösliche oder wasserdispergierbare Brennstoffe umfassen z. B, Guanidinnitrat, Cyanoverbindungen, Nitramine (RDX und/oder HMX), CL-20, Tetranitrocarbazole, organische Nitroverbindungen und können, falls dies gewünscht ist, "multi-modal" in der Teilchengrößenverteilung sein. Wasserdispergierbare Materialien können in im Wesentlichen gleichmäßiger Teilchengrößenverteilung oder in multimodalen Verteilungen zugegeben werden, in Abhängigkeit von den gewünschten Zündungscharakteristika.

Wasserdispergierbare Brennstoffe werden entsprechend der derzeitigen Bevorzugung in feiner teilchenförmiger Form verwendet, wie etwa als Pulver, oder gemahlen in ausreichend feine Teilchen, um eine geeignete Verteilung während des Herstellungsverfahrens sicherzustellen. Bevorzugt ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung in der resultierenden extrudierbaren Zündmittelzusammensetzung gewünscht. Im Allgemeinen ist der Brennstoff pulverförmig, wie etwa 100 &mgr; oder weniger, wie etwa z. B, von etwa 1 &mgr; bis 30 &mgr;. Metalle in Pulverform können, falls dies gewünscht ist, einen kleineren Teilchengrößenbereich aufweisen, wie etwa von etwa 1 bis 20 &mgr; oder sogar kleiner, wie etwa 1 bis etwa 5 &mgr;. Die Menge Brennstoff – verschieden von dem Bindemittel – kann in dem Bereich von z. B, von etwa 5 bis etwa 30% bezüglich des Gewichts sein und im Spezielleren etwa 10% bezüglich des Gewichts bis etwa 20% bezüglich des Gewichts, relativ zu den trockenen Bestandteilen in der Formulierung.

Die vorliegenden Zündmittelstäbe und damit in Beziehung stehende Treibsätze können, falls dies gewünscht ist, ein Verstärkungsmittel enthalten. Geeignete Verstärkung kann erreicht werden mit Fasern, wie etwa brennbaren Fasern, welche sowohl dazu dienen können, den extrudierten Zündmittelstab zu verstärken als auch, bei geeigneter Auswahl der Verstärkung, die Zündmittelleistungsfähigkeit zu verbessern. Die Fasern sind bevorzugt im Allgemeinen kürzer in ihrer Länge (niederes Aspektverhältnis). Fasern, die in extrudierbare Zündmittelformulierungen eingebracht werden, umfassen z. B, Polyolefinfasern, Polyamidfasern, Polyesterfasern und Poly-(2,2-(m-phenylen)-5,5-bisbenzimidazol ("PBI")-Fasern. Polyolefinfasern umfassen Polyethylen-("PE")-Fasern, wie etwa PE-Fasern mit einem äußeren Durchmesser von etwa 0,005 mm und höher, wie etwa bis etwa 0,8 mm und einer Länge im Bereich von 0,1 mm bis etwa 3,2 mm, von welchen beispielhaft diejenigen der Marke Spectra 900 aus Polyethylenfaser von Allied-Signal sind. Geeignete Polyamidfasern, wie etwa Nylon 6-Fasern, können einen geeignet ausgewählten Durchmesser aufweisen, wie etwa 19 Mikron bzw. Mikrometer und eine Länge von 1,5 mm bis etwa 6,4 mm. Geeignete Polyesterfasern umfassen Polyesterfasern mit hoher Zähigkeit mit Längen von etwa 1,5 mm bis etwa 6,4 mm und einem geeigneten Durchmesser von etwa 25 Mikrometer. PBI-Fasern umfassen diejenigen mit einer Länge in der Größenordnung von 0,8 mm bis 3,2 mm. Beispiele verstärkter Zündmittelstäbe und der Formulierungen hierfür sind in den Beispielen aufgeführt.

Die Zusammensetzung in extrudierbarer Form zur Verwendung bei dem Verfahren der Erfindung ist leicht erhältlich, z. B, durch Mischen von Bindemittel, Brennstoff, Oxidationsmittel und der ausgewählten Menge Wasser, für eine solche Zeit, um eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel in dem Bindemittel zu erreichen. Das Verfahren umfasst das Mischen eines wasserlöslichen Bindemittels und einer ausgewählten Menge Wasser, um ein Vorgemisch zu bilden und das Mischen des Vorgemischs mit (a) erstens dem Brennstoff und dann dem Oxidationsmittel oder (b) dem Oxidationsmittel und dann dem Brennstoff oder (c) einer Kombination des Oxidationsmittels und des Brennstoffs. Die Menge Wasser ist im Allgemeinen so, dass das resultierende Produkt eine Konsistenz aufweist, die extrudierbar ist, jedoch bevorzugt nicht fließend. Im Prinzip können größere Mengen Wasser verwendet werden, jedoch können sich manche Herstellungsprobleme ergeben, einschließlich einer Erhöhung von Abwasser, das mit verschiedenen Mengen pyrotechnischer Spezies belastet ist (Brennstoff, Oxidationsmittel usw.).

Die so gebildete Zündmittelzusammensetzung kann in die gewünschte physikalische Geometrie extrudiert werden.

Unter den geeigneten Leuchtraketen sind diejenigen, die dem Fachmann in der Technik bekannt sind als Schubleuchtraketen (thrusted flares), unter welchen die MJU-10-Leuchtrakete beispielhaft ist. Andere Leuchtraketen, wie etwa M-206-Leuchtraketen (welche gegebenenfalls spektral abgestimmt sein können) oder Leuchtraketen im nahen IR, wie etwa eine Leuchtrakete des Typs M-278, werden ebenfalls geeignet kombiniert mit einem oder mehreren Zündmittelstäben. Die geeigneten Leuchtraketen sind nicht auf die oben genannten Leuchtraketen MJU-10, M-206 oder M-278 begrenzt. Zum Beispiel wird eine sogenannte Standard-Leuchtrakete mit 6,99 cm (2,75 Zoll) (Querschnittsdurchmesser), einschließlich sichtbar illuminierender Leuchtraketen, geeigneterweise ausgestattet mit mindestens einem Zündmittelstab. Nicht kommerzielle Leuchtraketen-Varianten der Standard-Leuchtrakete, wie etwa die Leuchtrakete des Typs M-257, werden ebenfalls geeigneterweise mit einem oder mehreren Zündmittelstäben ausgestattet. Vorteilhafterweise senkt der Zündmittelstab die Kosten, senkt die Herstellungszeit und vereinfacht den Aufbau der Leuchtraketen, einschließlich des Zündsystems für eine Schubleuchtrakete, wie etwa die MJU-10-Leuchtrakete. Zündmittelstäbe können in einer großen Anzahl von Ködervorrichtungen verwendet werden, welche Köderleuchtraketen umfassen, welche verwendet werden, um gegen ankommende Bedrohungen zu schützen und insbesondere gegen wärmesuchende Flugkörper. Der (die) Zündmittelstab(stäbe) verbessert (verbessern) die Verlässlichkeit der Leuchtraketenzündung durch Verringern der ungewollten Erstzündung, und die Sicherheit bei der Herstellung von Leuchtraketen, durch Eliminierung der Verwendung brennbarer Lösungsmittel, die üblicherweise verwendet werden, wenn herkömmliche Erstzündungen (first fires) verwendet werden. Geeignete Leuchtraketen und/oder Leuchtraketenzusammensetzungen zur Kombination mit mindestens einem Zündmittelstab sind beschrieben in der Encyclopedia of Chemical Technology, 20: 680–697 (4. Ausgabe, 1996), einschließlich der Literaturstellen, die dort zitiert werden, wobei die komplette Offenbarung hiervon durch Bezugnahme hier aufgenommen wird.

Das allgemein bekannte Jane's-Handbook beschreibt Leuchtraketen und andere Festtreibmittelvorrichtungen, die geeignet verwendet werden in Kombination mit den Zündmittelstäben.

Extrusion und Extruder sind im Allgemeinen beschrieben in der Encylopedia of Polymer Science and Engineering, 16: 570–631 (2. Ausgabe, 1996), einschließlich Literaturstellen, die hier zitiert sind, wobei die gesamten Offenbarungen von diesen hier eingeführt werden durch Bezugnahme.

1 zeigt einen Querschnitt eines Leuchtraketentyps, der bekannt ist als XM212-Leuchtrakete. In der longitudinalen Querschnittsansicht ist das Gehäuse ein geeignetes Druckgehäuse, das aus Stahl oder anderem Material hergestellt ist, welches für eine Leuchtraketenanwendung verwendet werden kann. Das Kartuschenbehältnis 18 kann ein belüftetes Gehäuse 17 aufweisen. Ein geschlossenes Ende ist definiert durch den vorderen Verschluss 19. Das gegenüberliegende Ende der XM212-Leuchtrakete umfasst einen hinteren Verschluss, Abstandsmittel 13, ein Zündsystem mit einem Zündmittel 15, einer Schutzkappe 10 und einem Kolben 11. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich ein verfestigter (extrudierter) Zündmittelstab 16, welcher massiv oder hohl sein kann, in der Länge (vollständig oder teilweise) durch den Treibmitteltreibsatz, wie in 1 gezeigt. Der Zündmittelstab wird gebildet durch Extrudieren der hier oben beschriebenen extrudierbaren Zündmittelzusammensetzung, wobei es dem Extrudat erlaubt wird sich zu verfestigen, und sein Einschieben in den Treibmitteltreibsatz (vorzugsweise bevor es ausgehärtet ist). Eine ausgewählte Treibmittelzusammensetzung 14 umgibt den Zündmittelstab. Eine sogenannte schnell abbrennende Schnur, falls gewünscht, kann der Länge nach angeordnet sein, z. B, etwa als lose Hülle innerhalb eines hohlen Zündmittelstabes. Wenngleich es nicht dargestellt ist, können mehr als ein Zündmittelstab verwendet werden, falls dies gewünscht ist.

Querschnitts-"Durchmesser"-Ansichten von Leuchtraketengehäusen mit Treibmittel und Zündmittelstäben sind in den 2–5 gezeigt. In der Durchmesserquerschnittsansicht von 2 kann das Leuchtraketengehäuse 28, falls dies gewünscht ist, eine Schaumschicht 22 (z. B, eine geschäumte Nitrocelluloseauskleidung) aufweisen, die auf seine innere Oberfläche gesprüht wird bevor das Treibmittel 24 eingebracht wird. Eine zentrale Bohrung mit einer vorab ausgewählten Geometrie 26 umgibt einen hohlen Zündmittelstab 20 (letztendlich wie etwa ein Guargummibindemittel/B/KNO₃).

In der Durchmesserquerschnittsansicht von 3 wurde das Leuchtraketengehäuse 38 mit Treibmittel 34 beladen und mit einem zentral positionierten hohlen Zündstab 36 ausgestattet. Optional können zusätzliche massive oder hohle Zündmittelstäbe 32 bereitgestellt werden.

In der Durchmesserquerschnittsansicht von 4 ist das Leuchtraketengehäuse 48 mit Treibmittel 44 beladen und weist eine zentral positionierte geformte Bohrung mit vorab ausgewählter Geometrie auf. Die zentral positionierte Bohrung kann einen Zündmittelstab 42 aufweisen, wobei Zündmittelstäbe 46 (in Streifenform) radial in diesen Schlitzen der Bohrung angeordnet sind. Die Zündmittelstäbe sind eingepasst innerhalb der Schlitze und vorzugsweise nicht lose eingepasst.

In der Durchmesserquerschnittsansicht von 5 wird das Leuchtraketengehäuse 58 mit Treibmittel 54 beladen und mit einem zentral positionierten Zündmittelstab mit mehreren axialen Bohrungen darin gezeigt.

Der Zündmittelstab kann, falls dies gewünscht ist, ausgestattet sein mit einem abziehbaren Schutz/Manschette vor seiner Einführung in den Treibmitteltreibsatz. Dies kann einen Zündstab während des Herstellungsverfahrens oder während der Aufbewahrung vor der Anwendung schützen.

Die Zündstäbe werden vorzugsweise in den Treibmitteltreibsatz eingeschoben bevor der letztere ausgehärtet ist.

Die Erfindung wird weiter beschrieben unter Bezugnahme auf die folgenden nicht begrenzenden Beispiele.

In einen 3,8 l (eine Gallone)-Baker-Perkins-Planetenmischer wurden 1170 g (78%) 35 Mikrometer Kaliumnitrat und 105 g (7%) Polyacrylamid der Marke Cytec Cyanamer^® N-300 (MG 15 Millionen) gegeben. Diese Bestandteile wurden dann für eine Minute im trockenen Zustand indirekt gerührt. Zu diesem Gemisch wurden 217,5 g (14,5 Teile pro 100 Zündmittelformulierung) Wasser gegeben und für fünf Minuten gemischt. Die Mischblätter und die innere Oberfläche des Mischgefäßes wurden mit Velostat (leitender Kunststoff)-Spateln abgekratzt, gefolgt von 15 zusätzlichen Minuten mischen. Zu der resultierenden dicken weißen Paste wurden 225 g (15%) amorphes Borpulver (90–92% Reinheit) gegeben und indirekt für fünf Minuten gemischt. Ausgestattet mit zugelassener Schutzkleidung wurden die Klingen und das Gefäß erneut manuell "abgekratzt" und die Formulierung wurde für zehn zusätzliche Minuten gemischt. Das resultierende braune, teigartige Material wurde auf ungefähr 4 Mesh granuliert und in einen 25 mm-Haake-Einschneckenextruder eingebracht. Die Zündmittelformulierung wurde durch eine 12-Punktsterndüse mit einem maximalen Durchmesser von 0,84 cm (0,33 Zoll) und einem minimalen Durchmesser von 0,76 cm (0,30 Zoll) extrudiert. Die Düse umfasste eine zentrale Nadel mit einem Durchmesser von 0,203 cm (0,080 Zoll), wodurch eine hohle, stabartige Konfiguration erzeugt wurde. Die extrudierte Zündmittelformulierung wurde dann in Längen von 17,8 cm (7 Zoll) geschnitten. Vor dem Trocknen wurde eine 19,1 cm (7,5 Zoll) lange Teledyne RDC (rasch abbrennende Schnur) mit einem Durchmesser von 0,18 cm (0,07 Zoll) in die Perforation mit einem Durchmesser von 0,20 cm (0,08 Zoll) eingeschoben. Die Zündmittelstäbe wurden bei 74°C (165°F) über Nacht getrocknet. Die Zündmittelstäbe wurden getestet, um ihre Leistungsfähigkeit als ein Zündmittel in einer Aufblasvorrichtung zu beurteilen, welche entwickelt war für Automobilseitenairbags. Die Zündmittelstäbe arbeiteten zufriedenstellend.

Eine Reihe extrudierter Zündmittelstabformulierungen, enthaltend Bor, Kaliumnitrat, ein wasserlösliches Bindemittel und optional Fasern zur Verstärkung, wurden hergestellt. Diese Formulierungen sind in Tabelle I angegeben. Die Formulierungen wurden zuerst gemischt in einem Maßstab von 10 g und dann von 30 g, um ihre Empfindlichkeit gegenüber Stimulantien zu bestimmen, einschließlich Schlag, Reibung, elektrostatische Entladung und Wärme (Tabelle II). Im Allgemeinen zeigten Bindemittel auf Kohlenhydratbasis die größte Empfindlichkeit in Bezug auf ABL-Reibung. Formulierungen, die Methylcellulose, Guargummi und Johannesbrotgummi als das Bindemittel enthielten, wurden ebenfalls verwendet, um Zündmittelstäbe herzustellen.

Die verbleibenden Formulierungen wurden in einem Maßstab von 325 g in einem Baker-Perkins-Planetenmischer mit einem Pint gemischt. Kaliumnitrat und das jeweilige wasserlösliche Bindemittel wurden indirekt im trockenen Zustand für eine Minute gemischt. Zu diesem Gemisch wurde die jeweilige Menge Wasser (Tabelle III) gegeben und die Aufschlämmung wurde für fünf Minuten gemischt. Wie in Beispiel 1 wurden der Behälter und die Klingen bzw. Blätter "abgekratzt". Zu diesem Zeitpunkt wurden Fasern zu den Faser-enthaltenden Formulierungen gegeben und der Teig wurde für zusätzliche fünf Minuten gemischt. Alle Formulierungen wurden für 10 zusätzliche Minuten gemischt, bevor Bor hinzugegeben wurde. Eine Hälfte des Bors wurde zu diesem Zeitpunkt zugegeben, gefolgt durch fünf Minuten mischen. Der Rest des Bors wurde dann zugegeben, gefolgt durch zusätzliche fünf Minuten mischen. Nach einem letzten "Abkratzen" wurde die Formulierung für zusätzliche 10 Minuten gemischt. Das resultierende braune, teigartige Material wurde auf ungefähr 4 Mesh granuliert und in einen Haake 25 mm-Einschneckenextruder gegeben. Die Zündmittelformulierung wurde durch eine 12-Punktsterndüse mit einem maximalen Durchmesser von 0,84 cm (0,33 Zoll) und einem minimalen Durchmesser von 0,775 cm (0,305 Zoll) extrudiert. Die Düse umfasste eine zentral angeordnete Nadel mit 0,20 cm (0,80 Zoll) Durchmesser. Die extrudierte Zündmittelformulierung wurde in Längen von 17,8 cm (7 Zoll) geschnitten. Vor dem Trocknen wurde eine Teledyne RDC (rasch abbrennende Schnur) mit 19,1 cm (7,5 Zoll) Länge mit 0,18 cm (0,07 Zoll) Durchmesser eingeschoben. Zehn zusätzliche 5,1 cm (2 Zoll) Längen wurden extrudiert. Die Zündmittelstäbe wurden bei 74°C (165°F) über Nacht getrocknet.

Wichtige Faktoren beim Bestimmen einer geeigneten Formulierung umfassen die Qualität des Treibsatzes nach Trocknen, tatsächliche Leistungsfähigkeit als ein Zündmittel und die Trocknungsrate. Das Auslaugen eines Gemischs aus KNO₃ und Bindemittel an die Oberfläche der Treibsätze kann für manche Formulierungen während dem Trocknen auftreten. Das Auslaugen in die Perforation ist nicht gewünscht. Es wurde gefunden, dass der Auslaugung die geringste Bedeutung zukommt in Formulierungen, die Tragacanthgummi, Cyanamer^® A-370 und Cyanamer^® P-21 enthielten (Tabelle III). Zündmittelstäbe aus den Formulierungen, die Cyanamer^® A-370 und Cyanamer^® P-21 enthalten, wurden hinsichtlich des Gehaltes mit einer Aufblasvorrichtung beurteilt. Relative Trocknungsraten von 10 : 1,7 : 1 wurden aus Formulierungen berechnet, die Cyanamer^® N-300, Cyanamer^® P-21 bzw. Cyanamer^® A-370 enthielten. So wurde gezeigt, dass die Formulierung, die Cyanamer^® A-370 enthält, zu rasch trocknet, mit minimalen KNO₃-Auslaugen, was einen Treibsatz erzeugt, der Gaserzeugungsmittel mit minimalen Zündverzögerungen zündet.

Es ist wichtig, einen extrudierten Zündmittelstab für Leuchtraketen und andere Vorrichtungen mit festem Treibmittel zu entwickeln, welcher Dekaden von Schlägen und Vibrationen widersteht, während er im Verkehr ist vor der Verwendung. Daher wurde ein Dauerhaftigkeitsprüfungsverfahren für die extrudierten Zündmittelstäbe entwickelt. Dauerhaftigkeitstests wurden durchgeführt unter 3-Punkt-Biegen, mit einer angelegten Belastung im mittleren Bereich. Das Biegen wurde ausgewählt, da Zug-, Kompressions- und Scherbelastungen alle vorliegen. Ebenfalls eignet sich die Probenkonfiguration selbst für diesen Belastungstyp. Eine Spannweite von 3,8 cm (1,5 Zoll) wurde verwendet, wobei die Belastungen angewendet wurden, unter Verwendung von Passstiften mit einem Durchmesser von 0,32 bis 0,64 cm (1/8- bis ¼ Zoll). Eine nominale Vorbelastung von 0,32 kg (0,7 Pound) wurde angelegt. Die Probe wurde dann 1000 Belastungszyklen unter den folgenden Bedingungen unterzogen: Cyclenamplitude 0,076 mm (0,003 Zoll), Frequenz 10 Hertz. Nach der cyclischen Belastung wurden die Proben getestet bis zum Versagen bei einer Versetzungsrate von 0,51 cm (0,2 Zoll) pro Minute. Die Dauerhaftigkeit jeder Probe ist als die Fläche unter der Beladungs-Versetzungs-Kurve angegeben. Zur Einfachheit sind die Einheiten wie kalibriert beibehalten (Belastung in 4,4 N (Pound-Kraft), Versetzung in 2,54 × 10^–3 cm (Millizoll)). Daher hat die angegeben Dauerhaftigkeit Einheiten von 2,54 × 10^–3 cm – 4,4 N (Millizoll Pound). Alle Tests wurden bei Laborumgebungstemperatur (24 ± 2,8°C) (75° ± 5°F) durchgeführt. Dauerhaftigkeitstestergebnisse zeigten erhöhte Dauerhaftigkeit extrudierter Zündmittelformulierungen, die Fasern enthielten, z. B, die Formulierung Nr. 13 und Nr. 15 in Tabelle III.

Eine Reihe von Zündmitteln, die Fasern enthielten, wurden formuliert mit dem Ziel der Verbesserung der Dauerhaftigkeit der extrudierten Zündmittelstäbe, wie aus Tabelle IV ersichtlich. Alle Formulierungen zeigten vorteilhafte Sicherheitscharakteristika. Proben (325 g) von jeder Formulierung wurden in einem Baker-Perkins-Pint-mischer mit 13,5 Teilen/100 Wasser gemischt. Nach Trockenmischen des KNO₃ und Cyanamer^® A-370 für eine Minute wurde das Wasser zugegeben, gefolgt durch fünf Minuten mischen. Die Faser wurde dann in zwei Schritten und das Bor in drei Schritten zugegeben, mit drei Minuten mischen nach jeder Zugabe. Nach einem letztendlichen "Abkratzen" wurde die Formulierung für zusätzliche zehn Minuten gemischt. Das resultierende braune, teigartige Material wurde auf ungefähr 4 Mesh granuliert und in einen Haake 25 mm-Einschneckenextruder eingespeist. Die Zündmittelformulierung wurde durch eine 12-Punktsterndüse mit einem maximalen Durchmesser von 0,84 cm (0,33 Zoll) und einem minimalen Durchmesser von 0,775 cm (0,305 Zoll) extrudiert. Die Düse umfasste eine zentral angeordnete Nadel mit einem Durchmesser von 0,38 cm (0,15 Zoll). Die extrudierte Zündmittelformulierung wurde in Längen von 17,8 cm (7 Zoll) geschnitten. Zehn zusätzliche Längen von 5,1 cm (2 Zoll) wurden extrudiert. Die Zündmittelstäbe wurden bei 74°C (165°F) über Nacht getrocknet.

Es gab keine Anzeichen eines KNO₃/Bindemittel-Auslaugens auf die Außenseite der Bindemitteltreibsätze nach Trocknen. Die Treibsätze wurden gezündet mit der Zündschnur (plume) einer ES013-Zündladung, gerichtet in die Perforation mit ID 0,38 cm (0,15 Zoll) in dem Treibsatz. Der Zündmitteltreibsatz wurde gehalten innerhalb einer zylindrische Fixiervorrichtung mit 1,0 cm (0,4 Zoll) ID, 1,2 cm (0,49 Zoll) Wand, mit ungefähr 95 gleichmäßig verteilten Löchern mit ID 0,277 cm (0,109 Zoll), die entlang ihrer Länge und seines Durchmessers eingebohrt sind. Die Zeiten, die erforderlich sind für die Flammenfront das gegenüberliegende Ende des Treibsatzes nach Zündung durch die Zündladung zu erreichen sind in Tabelle V angegeben. Die Zeiten wurden bestimmt aus einem Video mit 1000 Bildern/Sekunde. Im Allgemeinen waren nur wenige Millisekunden erforderlich. Die Dauerhaftigkeit von 5,1 cm (2 Zoll) langen Treibsätzen wurde wie in Beispiel 2 beschrieben, bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben. Soweit zeigte die Formulierung, die 2% Polyethylenfasern enthält, die größte Dauerhaftigkeit. Zündungen wurden durchgeführt unter Verwendung von Zündmitteltreibsätzen aus den Formulierungen Nr. 3 und Nr. 19, mit eingeschobener RDC in die Perforation mit 0,38 cm (0,15 Zoll). Die Formulierung Nr. 19 mit Polyethylenfasern erzeugte das geringste Verzögerungsausmaß bevor die pyrotechnische Zusammensetzung gezündet wurde.

1/8 Zoll

0,32 cm

1/8 Zoll

0,32 cm

In den Formulierungen 16, 17, 18, 19 bzw. 20 kann der "Faser-ID" charakterisiert werden als Kohlefaser, Aluminiumoxidfaser, Alumosilikat, Polyethylen und Polybenzimidazol.

Eine extrudierbare Zündmittelzusammensetzung wurde erhalten durch Bilden eines Vorgemischs aus Guargummi (5,0 Gew.-%, 0,25 Gramm) und Wasser (entionisiert, 15,0 Gew.-%, 1,75 Gramm); Vereinigen des Vorgemischs mit Kaliumnitrat (mittlere Teilchengröße etwa 26 Mikrometer, 75 Gew.-%, 3,75 Gramm); und hierzu Zugeben von Brennstoff, Bor (amorph; 20,0 Gew.-%, 1,00 Gramm).

Eine extrudierbare Zündmittelzusammensetzung wurde wie in Beispiel 4 erhalten, jedoch wurden 20,0 Gew.-% Wasser verwendet.

Eine extrudierbare Zündmittelzusammensetzung wurde hergestellt wie in Beispiel 4, ausgenommen, dass die Menge Brennstoff, Bor, erhöht wurde auf 22,0 Gew.-% (1,10 Gramm) und die Menge Bindemittel, Guargummi auf 3,0 Gew.-% verringert war (0,15 Gramm).

Eine extrudierbare Zündmittelzusammensetzung wurde hergestellt gemäß dem Verfahren von Beispiel 4, ausgenommen, dass das Bindemittel Polyacrylamid (Cyanamer "N-300" von American Cyanamid, 5,0 Gew.-%, 0,25 Gramm) war.

Eine extrudierbare Zündmittelzusammensetzung wird hergestellt durch Zugeben von Kaliumnitrat (210 Gramm) und einem Polyacrylamid (14 Gramm; Cyanamer "N-300" von American Cyanamid) in eine Schale; Zugeben von Wasser (44,8 Gramm) in die Schale und Mischen für 1 Minute; Zugeben von Bor (amorph; 56,0 Gramm) hierzu, gefolgt durch Mischen für etwa vier Minuten.

Eine extrudierbare Zündmittelzusammensetzung wurde hergestellt wie in Beispiel 8, ausgenommen, dass die Menge Wasser 50,4 Gramm ist, das Kaliumnitrat und das Bindemittel zuerst trocken zusammengemischt werden bevor das Wasser zugegeben wird und 1 Minute gemischt wird. Das pulverförmige Bor wird dann zugegeben und das Mischen wird für vier Minuten fortgesetzt.

Die Zündmittelzusammensetzung, die gemäß Beispiel 8 hergestellt wurde, wurde granuliert, getrocknet und in 1,3 cm (½ Zoll)-Durchmesser mal 2,5 cm (1 Zoll) lange Pellets gepresst. Die Pellets wurden dann auf allen bis auf einer Seite inhibiert und in einen verschlossenen Druckbehälter bei 6,9 × 10⁶, 13,8 × 10⁶ und 20,7 × 10⁶ N/m² (1000, 2000 und 3000 psi) durch Zündung der nichtinhibierten Fläche verbrannt. Verbrennungsraten von 10,6 cm/s (4,16 ips), 10,97 cm/s (4,32 ips) bzw. 11,23 cm/s (4,42 ips) wurden beobachtet.

Eine Portion der feuchten Zündmittelzusammensetzung, hergestellt wie in Beispiel 9 beschrieben, wurde in einem Kolben-Extruder mit einem Durchmesser von 5,1 cm (2 Zoll) angeordnet und durch eine geeignete Düse gepresst, um ein zylindrisches Extrudat mit zentraler Perforierung mit ungefähr 0,8 cm (0,3 Zoll) Durchmesser mit einem Perforationsdurchmesser von ungefähr 0,15 cm (0,06 Zoll) bereitzustellen. Dieses Extrudat wurde teilgetrocknet und in 17,8 cm (7 Zoll) Längen vor dem letztendlichen Trocknen geschnitten. Die resultierenden Zündmittelstäbe wurden dann in einer Gaserzeugungsvorrichtung getestet, die aus einem röhrenförmigen Metallzylinder mit ungefähr 20,3 cm (8 Zoll) Länge auf ungefähr 5,1 cm (2 Zoll) bestand, welcher an beiden Enden verschlossen war und ausgestattet war mit radialen Öffnungen. Einer der Endverschlüsse war weiterhin ausgestattet mit einer Zündladung. Der Zündstab wurde im Zentrum des Rohrs gehalten und eine 17,8 cm (7 Zoll) lange schnell abbrennende Schnur (RDC) in dem Zentrum der Perforation des Stabes angeordnet. Die Gaserzeugungsvorrichtung wurde dann gefüllt mit einer Ladung gaserzeugenden Pellets und in einem geschlossenen Behälter getestet. Vergleichbare Ergebnisse wurden erhalten mit dem Zündstab, im Gegensatz zu denjenigen, die erhalten wurden mit einer herkömmlichen Zündlinie, worin ein perforiertes Metallrohr, gefüllt mit einer ähnlichen Menge Zündpulver und dem RDC die Zündstab-RDC-Kombination ersetzt. In allen Fällen wurde ein Auftreten der Zündung der Gaserzeugungspellets innerhalb von 8 msec beobachtet.

Zwei 50 Gramm-Gemische, formuliert aus 20% Bor, 75% Kaliumnitrat, 5% Polyacrylamid der Marke Cytec Cyanamer^® N-300 (Molekulargewicht 15 Millionen) und 17,5 Gew.-% Wasser wurden produziert. Die Gemische wurden vereinigt und dann in einen Ram-Extruder mit 5,1 cm (2,0 Zoll) eingebracht. Der Kolben bzw. Ram wurde unter Druck auf 2,1 × 10⁶ N/m² (300 psi) gebracht, um die Zündstäbe zu extrudieren. Die Zündzusammensetzung wurde ursprünglich extrudiert in feste Stäbe mit 0,254 cm (0,100 Zoll) und ebenfalls in 0,254 cm (0,100 Zoll) Durchmesser mit einer zentralen Perforation mit einem Durchmesser von 0,076 cm (0,030 Zoll). Die Zündstäbe wurden in 15,2 cm (6 Zoll) Längen geschnitten und bei 57°C (135°F) vor der Anwendung getrocknet. Die zentral perforierten Zündstäbe erwiesen sich erfolgreich als eine XM-212 Köderleuchtrakete. Zwei XM-212-Treibsätze wurden hergestellt. Einer mit der herkömmlichen Aufschlämmung-Erstzündung und der andere mit drei zentralen perforierten Zündstäben. Eine Leuchtraketenkonfiguration mit einem Zündstab ist in 1 gezeigt.

Die Zündstäbe wurden auch eingebracht in das Hauptzündsystem einer MJU-10-Köderleuchtrakete. Die MJU-10-Leuchtrakete erfordert einen größeren Zünder als die XM-212 Leuchtrakete. Daher wurde die Zündformulierung extrudiert durch eine 12 Punktsterndüse, die einen Maximaldurchmesser von 0,84 cm (0,33 Zoll) und einen minimalen Durchmesser von 0,76 cm (0,30 Zoll) aufweist. Die Extrusionsdüse umfasste auch eine Nadel mit 0,20 cm (0,80 Zoll) Durchmesser, die verwendet wurde, um einen im Zentrum perforierten Treibsatz zu produzieren. Die extrudierten Zündmittelstäbe wurden dann geschnitten in 12,7 cm (5,0 Zoll) Längen und dann bei 57°C (135°F) für 24 Stunden getrocknet. Die Zündmittelstäbe bzw. Zündstäbe wurden dann in das Zentrum der Perforation des MJU-10 Leuchtraketentreibsatzes eingeschoben. Die MJU-10 Leuchtrakete wurde erfolgreich mit dem Zündmittelstab gezündet.

Im Hinblick auf das Vorhergehende wird der Leuchtstab die Kosten verringern, die Herstellungszeit verringern und die Ausgestaltung eines Zündsystems für die MJU-10-Schubleuchtrakete vereinfachen.

Im Hinblick auf die Beispiele können Zündstäbe in einer großen Anzahl von Köderleuchtraketenvorrichtungen verwendet werden. Sie werden helfen die Verlässlichkeit der Leuchtraketenzündung zu verbessern, durch Verringern der ungewollten Erstzündung und ebenfalls die Sicherheit bei der Herstellung von Leuchtraketen verbessern, durch Eliminieren der Verwendung von entflammbaren Lösungsmitteln, die üblicherweise eingesetzt werden, wenn herkömmliche Erstzündungen verwendet werden.