Carica cava

Diagramma in sezione di un proiettile a carica cava. 1: cappuccio balistico o copertura aerodinamica; 2: spazio pieno d'aria; 3: cavità conica con rivestimento metallico; 4: detonatore; 5: esplosivo ad alto potenziale; 6: spoletta piezoelettrica collegata al detonatore.

Una carica cava è una carica esplosiva perforante, sagomata per concentrare l'effetto dell'energia esplosiva. Diversi tipi di cariche cave vengono utilizzati per vari scopi, come il taglio e la formatura del metallo, l'innesco di armi nucleari (lente esplosiva), la penetrazione di corazze o la perforazione di pozzi nell'industria petrolifera e del gas.

L'efficacia di una carica cava è significativamente influenzata dalla tecnologia di produzione. Dall'impiego militare e civile di cariche cave, è noto che una tipica carica cava moderna, avente una cavità conica dotata di un rivestimento metallico, e prodotta con tecnologie convenzionali e utilizzando materiali di rivestimento tradizionali, può penetrare una barriera d'acciaio temprato fino a una profondità non superiore a 6 diametri di carica (in inglese CD, charge diameters). Tuttavia, aumentando la precisione nella produzione di cariche cave, soddisfacendo tutti i requisiti di qualità del materiale di rivestimento e della carica esplosiva, utilizzando metodi avanzati di riempimento con esplosivi ad alto potenziale, e sviluppando inneschi capaci di controllare con precisione il fronte di detonazione, è possibile aumentare questo limite fino a 8-10 diametri di carica. Infine, per cariche cave perfettamente realizzate, si prevede di raggiungere profondità di penetrazione di barriere d'acciaio pari a 12 calibri o diametri di carica.

Contrariamente a quanto si pensa erroneamente – probabilmente a causa dell'acronimo inglese HEAT (in inglese High-explosive anti-tank, "esplosivo ad alto potenziale contro-carri") che può significare anche "calore" – l'efficacia della carica cava non dipende in alcun modo dal riscaldamento o dalla fusione: il getto perforante prodotto da una carica cava non si apre la strada attraverso una corazza fondendola, poiché il suo effetto è puramente cinetico. Tuttavia, il processo genera un calore significativo e spesso ha un significativo effetto incendiario secondario dopo la penetrazione.

Funzionamento

Schema di funzionamento di una carica cava (animazione 2D). A sinistra, è visibile il detonatore; a destra, è visibile la cavità conica praticata nell'esplosivo, dalla quale, al momento della detonazione, si sviluppa un getto perforante di particelle ad alta velocità, temperatura e pressione.

L'onda d'urto generata da una carica esplosiva è perpendicolare alla superficie della carica esplosiva. L'interno di un cono focalizza e concentra l'onda d'urto in punti lungo l'asse del cono. Man mano che l'esplosione procede dal punto di detonazione, l'onda d'urto concentrata avanza lungo l'asse del cono, accumulando energia lungo il percorso.

L'aggiunta di un rivestimento aumenta l'effetto dell'esplosione, fornendo una massa pesante che viene espulsa dal cono come un getto di particelle ad alta velocità.

Effetto Munroe

L'effetto Munroe o Neumann consiste nella focalizzazione dell'energia di un'esplosione mediante un taglio cavo o vuoto effettuato sulla superficie di una carica esplosiva. La prima menzione delle cariche cave risale al 1792. Franz Xaver von Baader (1765-1841) era un ingegnere minerario tedesco dell'epoca; in una rivista dedicata all'industria mineraria, sostenne la necessità di uno spazio conico all'estremità anteriore di una carica esplosiva, per aumentarne l'effetto e quindi risparmiare polvere. Intorno al 1805, l'idea fu adottata, per un certo periodo, in Norvegia e nelle miniere dei monti Harz in Germania, sebbene l'unico esplosivo disponibile all'epoca fosse la polvere da sparo, che non essendo un esplosivo ad alto potenziale è perciò incapace di produrre l'onda d'urto necessaria per il corretto funzionamento della carica cava.

Il primo vero effetto di carica cava fu ottenuto nel 1883 da Max von Foerster (1845-1905), capo della fabbrica di nitrocellulosa della Wolff & Co. a Walsrode, in Germania.

Nel 1886, Gustav Bloem di Düsseldorf, in Germania, depositò il brevetto statunitense 342,423 ((EN) US342423, United States Patent and Trademark Office, Stati Uniti d'America.) per detonatori metallici a cavità emisferica per concentrare l'effetto dell'esplosione in direzione assiale.

L'effetto Munroe prende il nome da Charles E. Munroe, che lo scoprì nel 1888. Come chimico civile che lavorava presso la U.S. Naval Torpedo Station a Newport, nel Rhode Island, notò che quando un blocco di fulmicotone esplosivo, con il nome del produttore stampato in esso, veniva fatto detonare vicino a una piastra metallica, le lettere venivano incise nella piastra. Al contrario, se le lettere erano sollevate in rilievo sopra la superficie dell'esplosivo, anche le lettere sulla piastra sarebbero state sollevate sopra la sua superficie. Nel 1894, Munroe costruì la sua prima carica cava rudimentale:

(inglese)
«Among the experiments made [...] was one upon a safe twenty-nine inches cube, with walls four inches and three quarters thick, made up of plates of iron and steel [...] When a hollow charge of dynamite nine pounds and a half in weight and untamped was detonated on it, a hole three inches in diameter was blown clear through the wall [...] The hollow cartridge was made by tying the sticks of dynamite around a tin can, the open mouth of the latter being placed downward.»
(italiano)
«Tra gli esperimenti condotti [...] ce n'era uno su una cassaforte cubica di ventinove pollici [per lato N.d.R.], con pareti spesse quattro pollici e tre quarti, composte da piastre di ferro e acciaio [...] Quando una carica cava di dinamite del peso di nove libbre e mezzo e non pressata venne fatta esplodere su di essa, un foro di tre pollici di diametro fu praticato attraverso la parete [...] La cartuccia cava fu realizzata legando i candelotti di dinamite attorno a una lattina, con la bocca aperta di quest'ultima rivolta verso il basso.»

(Charles E. Munroe, The applications of explosives)

Un razzo anticarro con testata a carica cava, sezionato a scopo espositivo. In questo caso si tratta di una munizione per il lanciarazzi belga RL-83 Blindicide, un derivato migliorato postbellico del Bazooka M20A1 statunitense.

Sebbene l'esperimento di Munroe con la carica cava fu ampiamente pubblicizzato nel 1900 sulla rivista Popular Science Monthly, l'importanza del "rivestimento" di latta della carica cava rimase sconosciuta per altri 44 anni. Parte di quell'articolo del 1900 fu ristampata nel numero di febbraio 1945 della rivista Popular Science, che descrisse il funzionamento delle testate a carica cava. Fu questo articolo a rivelare al grande pubblico come funzionasse effettivamente il Bazooka dell'esercito degli Stati Uniti contro i veicoli corazzati durante la Seconda guerra mondiale.

Nel 1910, il tedesco Egon Neumann scoprì che un blocco di tritolo (TNT), che normalmente avrebbe solo ammaccato una piastra d'acciaio, la perforava se l'esplosivo aveva un incavo conico. L'utilità militare del lavoro di Munroe e Neumann non fu apprezzata per molto tempo. Tuttavia, tra le due guerre mondiali, accademici di diversi paesi – Miron Yakovlevich Sukharevskij (Мирон Яковлевич Сухаревский) nell'Unione Sovietica, William H. Payman e Donald Whitley Woodhead in Gran Bretagna, e Robert Williams Wood negli Stati Uniti – riconobbero e studiarono il fenomeno.

Nel 1932 Franz Rudolf Thomanek, studente di fisica alla Technische Hochschule di Vienna, concepì un proiettile anticarro basato sull'effetto della carica cava. Quando il governo austriaco non mostrò alcun interesse nello sviluppo dell'idea, Thomanek si trasferì alla Technische Hochschule di Berlino, dove continuò i suoi studi con l'esperto di balistica Carl Julius Cranz. Lì, nel 1935, lui e Hellmuth von Huttern svilupparono un prototipo di proiettile anticarro. Sebbene le prestazioni dell'arma si rivelarono deludenti, Thomanek continuò il suo lavoro di sviluppo, collaborando con Hubert Schardin presso il Waffeninstitut der Luftwaffe (Istituto per le armi dell'aeronautica militare) di Braunschweig.

Nel 1937, Schardin ritenne che gli effetti della carica cava fossero dovuti alle interazioni delle onde d'urto. Fu durante la sperimentazione di questa idea che, il 4 febbraio 1938, Thomanek concepì l'effetto dell'esplosivo con carica cava rivestita (in tedesco Hohlladungs-Auskleidungseffekt, "effetto rivestimento della carica cava"). Nel 1938 Gustav Adolf Thomer fu il primo a visualizzare, tramite radiografia flash, il getto metallico prodotto dall'esplosione di una carica cava rivestita. Nel frattempo, nel 1935, Henry Hans Mohaupt, un ingegnere chimico svizzero, sviluppò indipendentemente una munizione a carica cava, che fu dimostrata alle forze armate svizzere, francesi, britanniche e statunitensi.

Durante la Seconda guerra mondiale, le munizioni a carica cava furono sviluppate dalla Germania (Panzerschreck, Panzerfaust, Panzerwurfmine, Mistel), dalla Gran Bretagna (granata No. 68 AT, PIAT, carica craterizzante Beehive), dall'Unione Sovietica (RPG-43, RPG-6), dagli Stati Uniti (granata da fucile M9, Bazooka), dall'Italia (granate "Effetto Pronto Speciale" per vari pezzi d'artiglieria) e dal Giappone (granata Tipo 3, Lunge AT-mine). Lo sviluppo delle cariche cave rivoluzionò la guerra anticarro: i carri armati si trovarono di fronte a una grave vulnerabilità, causata da un'arma che poteva essere trasportata da un singolo fante o da un aereo.

Uno dei primi utilizzi in battaglia di cariche cave si ebbe nel 1940, quando truppe tedesche trasportate da alianti attaccarono il forte belga Eben-Emael. Tuttavia, tali cariche da demolizione – sviluppate dal Dr. Wuelfken dell'Ufficio per le munizioni tedesco – erano cariche esplosive non rivestite e non producevano il getto metallico tipico delle moderne testate HEAT. Le cariche, a causa della mancanza di rivestimento metallico, scossero le torrette del forte ma non le distrussero, così altre truppe aviotrasportate furono costrette a salire sulle torrette e a rompere le canne dei cannoni con altri mezzi.

Applicazioni

Militari

Lo stesso argomento in dettaglio: High-explosive anti-tank.
Una granata d'artiglieria a carica cava, sezionata a scopo espositivo.

Nella terminologia militare, un nome comune per le testate a carica cava è "esplosivo ad alto potenziale contro-carri" (in inglese HEAT, High-Explosive Anti-Tank). Le testate HEAT sono frequentemente utilizzate in missili anticarro guidati, razzi non guidati, granate sparate da artiglierie (sia rigate – stabilizzate con rotazione – che non rigate), granate da fucile, granate a mano, mine terrestri, bombe a grappolo, siluri e varie altre armi.

Protezione

Durante la Seconda guerra mondiale, la precisione costruttiva della carica cava e la sua modalità di detonazione erano entrambe inferiori a quelle delle testate moderne. Questa minore precisione causava una curvatura e una rottura anticipate del getto. La dispersione risultante riduceva la profondità di penetrazione per un dato diametro del cono e riduceva anche la distanza ottimale dal bersaglio (in inglese standoff distance) a cui la carica avrebbe dovuto detonare. Poiché le cariche erano meno efficaci a distanze maggiori, si scoprì che l'installazione di "gonne" metalliche o corazze distanziate (in tedesco Schürzen, in inglese Skirts o Spaced Armour) sui fianchi dello scafo e della torretta di un carro armato – montate su alcuni carri armati tedeschi per proteggerli dai normali fucili anticarro – dava al getto spazio per disperdersi e quindi riduceva anche la penetrazione HEAT.

Tuttavia, in alcuni casi, l'uso delle "gonne" corazzate distanziate aggiuntive sui veicoli corazzati può avere l'effetto opposto e aumentare la penetrazione delle testate a carica cava. A causa dei vincoli progettuali riguardanti la lunghezza del proiettile/missile, la distanza di stand-off integrata in molte testate è inferiore alla distanza ottimale. In tali casi, la "gonna" aumenta efficacemente la distanza tra l'armatura e il bersaglio e la testata esplode più vicino alla sua posizione ottimale. La "gonna" non deve essere confusa con la corazza a gabbia (in inglese Cage Armor), che viene utilizzata principalmente per danneggiare il sistema d'innesco di proiettili come quelli dell'RPG-7, ma può anche portare un proiettile HEAT a inclinarsi verso l'alto o verso il basso al momento dell'impatto, allungando il percorso del getto penetrante della carica cava. Se la punta anteriore della munizione HEAT colpisce una delle lamelle della corazza a gabbia, la testata funzionerà normalmente.

Nel tentativo di contrastare le armi dotate di testate HEAT sono state sviluppate corazze più perfezionate, come quelle composite e quelle reattive.

Civili

Nelle applicazioni civili, le cariche cave vengono utilizzate nella demolizione controllata esplosiva di edifici e strutture, in particolare per tagliare pali, colonne e travi metalliche e per praticare fori. Nella produzione di acciaio, piccole cariche cave vengono spesso utilizzate per perforare condutture ostruite dalle scorie. Vengono inoltre utilizzate nelle cave, nella rottura del ghiaccio, nella rottura di ingorghi di tronchi, nell'abbattimento di alberi e nella perforazione di fori per l'installazione di pali.

Le cariche cave sono utilizzate più ampiamente nell'industria petrolifera e del gas naturale, in particolare nel completamento dei pozzi di petrolio e gas, dove vengono fatte detonare per perforare il rivestimento metallico del pozzo a intervalli allo scopo di consentire l'afflusso di petrolio e gas. Un altro utilizzo nell'industria è quello di spegnere incendi di petrolio e gas privando l'incendio di ossigeno.

Una carica cava da 4,5 kg è stata utilizzata durante la missione Hayabusa 2 sull'asteroide 162173 Ryugu. La navicella spaziale sganciò l'ordigno esplosivo sull'asteroide, facendolo esplodere dopo essersi messa al riparo. La detonazione scavò un cratere largo circa 10 metri, consentendo l'accesso a un campione incontaminato dell'asteroide.

Caratteristiche tecniche

Diagramma in sezione di una tipica carica cava. Nell'estremità inferiore è visibile la cavità conica con rivestimento metallico, nell'estremità superiore è visibile il piccolo vano centrale che ospita il detonatore.

Una tipica carica cava è costituita da un cilindro pieno di esplosivo ad alto potenziale con una cavità conica rivestita di metallo a un'estremità, e un detonatore centrale all'altra estremità. L'energia esplosiva viene rilasciata direttamente dalla superficie dell'esplosivo (perpendicolarmente o normalmente alla stessa), quindi la forma dell'esplosivo concentrerà l'energia esplosiva nello spazio vuoto. Se la cavità conica è correttamente sagomata, l'enorme pressione generata dalla detonazione dell'esplosivo spinge il rivestimento (in inglese liner) nella cavità verso l'interno, facendolo collassare sul suo asse centrale.

La collisione risultante forma e proietta in avanti, lungo l'asse, un getto di particelle metalliche ad alta velocità. La maggior parte del materiale del getto proviene dalla parte più interna del rivestimento, uno strato di circa il 10-20% di spessore. Il resto del rivestimento forma un grumo di materiale che si muove più lentamente, che, per il suo aspetto, viene talvolta chiamato "carota".

A causa della variazione della velocità di collasso lungo il rivestimento, anche la velocità del getto varia lungo la sua lunghezza, diminuendo dalla parte anteriore. Questa variazione di velocità del getto lo allunga e alla fine porta alla sua frammentazione in particelle. Col tempo, le particelle tendono a disallinearsi, riducendo la profondità di penetrazione in caso di lunghe distanze dal bersaglio.

All'apice del cono, che va a formare la parte anteriore del getto, il rivestimento non ha il tempo di accelerare completamente prima di formare la sua parte del getto. Ciò fa sì che una piccola parte del getto venga proiettata a una velocità inferiore rispetto al getto formatosi successivamente dietro di esso. Di conseguenza, le parti iniziali del getto si fondono per formare una porzione di estremità pronunciata e più ampia.

La maggior parte del getto viaggia a velocità ipersonica. L'estremità si muove a una velocità compresa tra 7 e 14 km/s, la coda del getto a una velocità inferiore (da 1 a 3 km/s) e la parte finale a una velocità ancora inferiore (inferiore a 1 km/s). Le velocità esatte dipendono dalla configurazione e dal confinamento della carica, dal tipo di esplosivo, dai materiali utilizzati e dalla modalità di innesco. A velocità tipiche, il processo di penetrazione genera pressioni così enormi da poter essere considerato idrodinamico; con buona approssimazione, il getto e la corazza possono essere trattati come fluidi inviscidi e comprimibili, ignorando la resistenza dei loro materiali.

Genieri statunitensi si preparano a far esplodere una carica cava da 40 libbre (circa 18 kg) di Composition B. I supporti inferiori servono a mantenere la carica alla distanza ottimale dal bersaglio (solitamente pari a un diametro e mezzo del cono).

Una recente tecnica che utilizza l'analisi della diffusione magnetica ha mostrato che la temperatura del 50% in volume esterno della punta di un getto di rame in volo era compresa tra 1100 K e 1200 K, molto più vicina al punto di fusione del rame (1358 K) di quanto precedentemente ipotizzato. Questa temperatura è coerente con un calcolo idrodinamico che ha simulato l'intero esperimento. In confronto, le misurazioni radiometriche a due colori della fine degli anni '70 indicano temperature più basse per vari altri materiali di rivestimento della carica cava, costruzione del cono e tipo di riempitivo esplosivo.

Una carica cava riempita di Composition B, con rivestimento in rame e apice conico appuntito, ha mostrato una temperatura alla punta del getto compresa tra i 668 K e 863 K su un campionamento di cinque colpi. Le cariche caricate con Octol, con apice conico arrotondato, hanno generalmente mostrato temperature superficiali più elevate, con una media di 810 K, e la temperatura di una carica con rivestimento in stagno-piombo riempita di Composition B è stata in media di 842 K. Mentre il getto di stagno-piombo è stato determinato essere liquido, i getti di rame sono ben al di sotto del punto di fusione del rame. Tuttavia, queste temperature non sono del tutto coerenti con l'evidenza che le particelle morbide del getto di rame recuperato mostrino segni di fusione al nucleo, mentre la porzione esterna rimane solida e non può essere equiparata alla temperatura di massa.

La posizione della carica cava rispetto al suo bersaglio è fondamentale per una penetrazione ottimale, per due motivi. Se la carica viene fatta detonare troppo vicino, non c'è abbastanza tempo né spazio per permettere al getto si sviluppi completamente. Tuttavia, il getto si disintegra e si disperde dopo una distanza relativamente breve, solitamente ben al di sotto dei due metri; a tali distanze, si frammenta in particelle che tendono a deviare dall'asse di penetrazione, cosicché le particelle successive tendono ad allargare il foro anziché approfondirlo. A distanze molto lunghe, la velocità si perde a causa della resistenza aerodinamica, riducendo ulteriormente la penetrazione. Di solito, la distanza ottimale dal bersaglio (in inglese standoff distance) è pari a un diametro e mezzo del cono.

Un altro fattore chiave per l'efficacia della carica cava è il suo diametro. Man mano che la penetrazione prosegue attraverso il bersaglio, la larghezza del foro diminuisce, dando origine a una caratteristica perforazione "da pugno a dito", in cui la dimensione del "dito" finale si basa sulla dimensione del "pugno" originale. In generale, le cariche cave possono penetrare una piastra d'acciaio spessa dal 150% al 700% del loro diametro, a seconda della qualità della carica. Il valore si riferisce a una normale piastra d'acciaio, non a corazzature composite, reattive o ad altri tipi di corazzatura moderna.

Rivestimento

Esempio di cono di rame, usato come rivestimento per cariche cave.

La forma più comune del rivestimento (in inglese liner) è conica, con un angolo apicale interno compreso tra i 30 e i 90 gradi. Diversi angoli apicali determinano diverse distribuzioni di massa e velocità del getto. Angoli apicali ridotti possono causare la biforcazione del getto o addirittura la sua mancata formazione; ciò è attribuito al fatto che la velocità di collasso supera una certa soglia, normalmente leggermente superiore alla velocità del suono della massa del materiale del rivestimento. Altre forme ampiamente utilizzate includono emisferi, tulipani, trombe, ellissi e biconiche; le varie forme producono getti con diverse velocità e distribuzioni di massa.

I rivestimenti sono stati realizzati in molti materiali, tra cui vari metalli e vetro. Le penetrazioni più profonde si ottengono con un metallo denso e duttile, ma questi non sono gli unici fattori qualificanti, altrimenti il piombo sarebbe più diffuso di quanto non lo sia per questo scopo; una scelta molto comune è stata invece il rame. Per alcune moderne armi anticarro, sono stati adottati il molibdeno e pseudoleghe di rame-tungsteno (tungsteno riempitivo e rame legante, in rapporto 9:1, con densità di circa 18 Mg/m³). Sono stati sperimentati quasi tutti gli elementi metallici comuni, tra cui alluminio, tungsteno, tantalio, uranio impoverito, piombo, stagno, cadmio, cobalto, magnesio, titanio, zinco, zirconio, molibdeno, berillio, nichel e persino argento, oro e platino. La scelta del materiale dipende dal bersaglio da penetrare; ad esempio, l'alluminio si è rivelato vantaggioso per i bersagli in cemento.

Nelle prime armi anticarro, il rame veniva utilizzato come materiale di rivestimento. Successivamente, negli anni '70, si è scoperto che il tantalio è superiore al rame, grazie alla sua densità molto più elevata e all'elevatissima duttilità ad alte velocità di deformazione. Altri metalli e leghe ad alta densità tendono ad avere svantaggi in termini di prezzo, tossicità, radioattività o mancanza di duttilità.

Per le penetrazioni più profonde, i metalli puri offrono i risultati migliori, poiché presentano la massima duttilità, che ritarda la frammentazione del getto in particelle durante la fase di allungamento. Nelle cariche per il completamento dei pozzi petroliferi, tuttavia, è essenziale che non si formi una massa solida o "carota", poiché ostruirebbe il foro appena creato e interferirebbe con l'afflusso di petrolio. Nell'industria petrolifera, quindi, i rivestimenti sono generalmente realizzati mediante metallurgia delle polveri, spesso con pseudoleghe che, se non sinterizzate, producono getti composti principalmente da particelle metalliche fini disperse.

I rivestimenti pressati a freddo non sinterizzati, tuttavia, non sono impermeabili e tendono a essere fragili, il che li rende facili da danneggiare durante la manipolazione. È possibile utilizzare rivestimenti bimetallici, solitamente in rame rivestito di zinco; durante la formazione del getto, lo strato di zinco vaporizza e non si forma una massa solida; lo svantaggio è un aumento dei costi e la dipendenza della formazione del getto dalla qualità della saldatura dei due strati. Possono essere utilizzate leghe per brasatura o saldatura a basso punto di fusione, inferiore a 500 °C (ad esempio, Sn50Pb50, Zn97.6Pb1.6 o metalli puri come piombo, zinco o cadmio); queste fondono prima di raggiungere l'involucro del pozzo e il metallo fuso non ostruisce il foro. Altre leghe, eutettiche binarie (ad esempio Pb88.8Sb11.1, Sn61.9Pd38.1, o Ag71.9Cu28.1), formano un materiale composito a matrice metallica con matrice duttile e dendriti fragili; tali materiali riducono la formazione di massa solida che potrebbe ostruirebbe il foro, ma sono difficili da modellare.

Un'altra opzione è un composito a matrice metallica con inclusioni discrete di materiale a basso punto di fusione; le inclusioni si fondono prima che il getto raggiunga l'involucro del pozzo, indebolendo il materiale, oppure fungono da siti di nucleazione delle crepe, e la massa si rompe all'impatto. La dispersione della seconda fase può essere ottenuta anche con leghe fondibili (ad esempio, con rame) contenenti un metallo a basso punto di fusione insolubile in rame, come il bismuto, l'1-5% di litio, o fino al 50% (solitamente il 15-30%) di piombo; la dimensione delle inclusioni può essere regolata mediante trattamento termico. È anche possibile ottenere una distribuzione non omogenea delle inclusioni. Altri additivi possono modificare le proprietà della lega: stagno (4-8%), nichel (fino al 30% e spesso insieme allo stagno), fino all'8% di alluminio, fosforo (che forma fosfuri fragili) o l'1-5% di silicio formano inclusioni fragili che fungono da siti di innesco delle crepe. È possibile aggiungere fino al 30% di zinco per ridurre il costo del materiale e formare ulteriori fasi fragili.

I rivestimenti in vetro ossido producono getti a bassa densità, riducendo quindi la profondità di penetrazione. I rivestimenti a doppio strato, con uno strato di un metallo meno denso ma piroforico (ad esempio alluminio o magnesio), possono essere utilizzati per potenziare gli effetti incendiari successivi all'azione perforante; per realizzarli è possibile utilizzare la saldatura a esplosione, poiché l'interfaccia metallo-metallo è omogenea, non contiene quantità significative di intermetallici e non ha effetti negativi sulla formazione del getto.

La profondità di penetrazione è proporzionale alla lunghezza massima del getto, che è il prodotto della velocità della punta del getto e del tempo di particellazione. La velocità della punta del getto dipende dalla velocità del suono nel materiale del rivestimento, mentre il tempo di particellazione dipende dalla duttilità del materiale. La velocità massima raggiungibile del getto è circa 2,34 volte la velocità del suono nel materiale. La velocità può raggiungere i 10 km/s, con un picco circa 40 microsecondi dopo la detonazione; la punta del cono è soggetta ad un'accelerazione di circa 25 milioni di g. La coda del getto raggiunge circa 2–5 km/s. La pressione tra la punta del getto e il bersaglio può raggiungere un terapascal. L'immensa pressione fa fluire il metallo come un liquido, sebbene la diffrazione dei raggi X abbia dimostrato che il metallo rimane solido; una delle teorie che spiegano questo comportamento propone un nucleo fuso e una guaina solida del getto. I materiali migliori sono i metalli con struttura cubica a facce centrate, poiché sono i più duttili, tuttavia anche i coni in grafite e ceramica privi di duttilità mostrano una penetrazione significativa.

Carica esplosiva

Per una penetrazione ottimale, viene normalmente scelto un esplosivo ad alto potenziale con elevata velocità e pressione di detonazione. L'esplosivo più comunemente utilizzato nelle testate anticarro ad alte prestazioni è l'HMX (ottogene), sebbene mai nella sua forma pura, poiché sarebbe troppo sensibile. Di solito è miscelato con una piccola percentuale di un legante plastico, come nell'esplosivo legato con polimeri (in inglese PBX, polymer-bonded explosive) LX-14, o con un altro esplosivo meno sensibile, come il TNT, con cui forma l'Octol. Altri comuni esplosivi ad alte prestazioni sono composizioni a base di RDX, sempre sotto forma di esplosivi legati con polimeri (PBXs) o miscele con TNT (per formare Composition B e i Ciclotoli) o cera (Cicloniti). Alcuni esplosivi incorporano alluminio in polvere per aumentarne la temperatura di esplosione e di detonazione, ma questa aggiunta generalmente riduce le prestazioni della carica cava. Sono state condotte ricerche sull'utilizzo dell'esplosivo CL-20, ad altissime prestazioni ma sensibile, nelle testate a carica cava, ma, al momento, a causa della sua sensibilità, si è optato per il composito PBX LX-19 (CL-20 e legante Estane).

Altre caratteristiche

Un modellatore d'onda (in inglese waveshaper) è un corpo (tipicamente un disco o un blocco cilindrico) di materiale inerte (solitamente plastica solida o espansa, ma a volte metallo, anche cavo) inserito all'interno dell'esplosivo allo scopo di modificare il percorso dell'onda di detonazione. L'effetto è quello di modificare il collasso del cono e la conseguente formazione del getto, con l'intento di aumentare le prestazioni di penetrazione. I modellatori d'onda sono spesso utilizzati per risparmiare spazio; una carica più corta con un modellatore d'onda può ottenere le stesse prestazioni di una carica più lunga senza modellatore d'onda. Dato che lo spazio delle possibili forme d'onda è infinito, sono stati sviluppati metodi di apprendimento automatico per progettare modellatori d'onda più ottimali in grado di migliorare le prestazioni di una carica cava tramite progettazione computazionale.

Un'altra utile caratteristica di progettazione è la sotto-calibrazione (in inglese sub-calibration), ovvero l'uso di un rivestimento avente un diametro (calibro) inferiore rispetto alla carica esplosiva. In una carica ordinaria, l'esplosivo vicino alla base del cono è così sottile che non è in grado di accelerare il rivestimento adiacente a una velocità sufficiente a formare un getto efficace. In una carica sotto-calibrata, questa parte del dispositivo viene effettivamente eliminata, ottenendo così una carica più corta ma con le stesse prestazioni.

Varianti

Esistono altre diverse forme di carica cava:

Carica cava lineare

Schema di una carica cava lineare. Rosso: detonatore; azzurro: involucro; giallo: esplosivo ad alto potenziale; arancione: profilo a "V" rivestito.

Una carica cava lineare (in inglese LSC, linear shaped charge) ha un rivestimento con profilo a "V" e lunghezza variabile. Il rivestimento è circondato da esplosivo, che viene poi racchiuso in un materiale adatto che serve a proteggere l'esplosivo e a confinarlo (comprimerlo) durante la detonazione. «Alla detonazione, la focalizzazione dell'onda di alta pressione dell'esplosivo, quando colpisce la parete laterale, provoca il collasso del rivestimento metallico della LSC, creando la forza di taglio». La detonazione si proietta nel rivestimento, formando un getto continuo, a forma di coltello (planare). Il getto taglia qualsiasi materiale sul suo percorso, a una profondità che dipende dalle dimensioni e dai materiali utilizzati nella carica. Generalmente, il getto penetra per circa 1-1,2 volte la larghezza della carica. Per il taglio di geometrie complesse, esistono anche versioni flessibili della carica cava lineare, queste con un involucro in piombo o schiuma ad alta densità e un materiale di rivestimento duttile/flessibile, che spesso è anch'esso in piombo. Le cariche cave lineari sono comunemente utilizzate nel taglio di travi in acciaio laminato e altri obiettivi strutturali, come nella demolizione controllata di edifici. Le cariche cave lineari sono anche utilizzate per separare gli stadi dei razzi multistadio, e per distruggerli quando escono irrimediabilmente dalla loro rotta.

Proiettile autoforgiante

Un proiettile autoforgiante (in inglese EFP, Explosively Formed Penetrator/Projectile) improvvisato.

Un proiettile autoforgiante o EFP (acronimo inglese di Explosively Formed Penetrator o Explosively Formed Projectile, letteralmente "penetratore formato esplosivamente" o "proiettile formato esplosivamente") è un tipo speciale di carica cava, il cui funzionamento è basato sull'effetto Misznay-Schardin. In confronto a una carica cava convenzionale (caratterizzata da cavità conica con angolo apicale interno acuto o retto, rivestimento metallico leggero, ed efficace solo a breve distanza dal bersaglio), un proiettile autoforgiante (EFP) ha il vantaggio di essere efficace a distanze molto grandi, pari a centinaia di volte il diametro della carica: circa un centinaio di metri per un dispositivo pratico. Un EFP è composto da una piastra di metallo duttile (come rame, tantalio, ferro o acciaio dolce) spessa e pesante, solitamente a forma di disco concavo o ciotola (oppure a forma di cono con angolo apicale interno ottuso superiore a 100 gradi); da una carica di esplosivo ad alto potenziale, premuta uniformemente contro il lato convesso della piastra ed avente lo stesso peso della piastra; da un detonatore, inserito nella parte posteriore dell’EFP, sotto la superficie centrale della massa dell'esplosivo; e da un contenitore cilindrico che tiene uniti tutti gli elementi. Il lato concavo della piastra è puntato verso il bersaglio. Un EFP utilizza l'azione dell'onda di detonazione dell'esplosivo per proiettare e deformare la pesante piastra metallica, trasformandola in un proiettile o pallottola ad elevatissima velocità. Questo proiettile (in inglese slug) viene scagliato contro il bersaglio a una velocità superiore a quella del suono, in media Mach 6 o circa 1-3 km/s. La piastra metallica di un EFP si trasforma dunque non in un getto di particelle ad alta velocità, temperatura e pressione, come avviene in una carica cava convenzionale, bensì in un singolo proiettile ipersonico che nonostante la sua malleabilità riesce ad attraversare corazze di acciaio spesse molti centimetri poste a molti metri di distanza.

Sviluppo aerodinamico della piastra metallica di una munizione a proiettile autoforgiante (EFP), pochi microsecondi dopo la detonazione della carica esplosiva.

In vari tipi di proiettili, bombe e mine speciali moderne sono presenti testate EFP: alcuni esempi sono la bomba a grappolo statunitense CBU-97 con submunizioni BLU-108, il proiettile d'artiglieria statunitense con submunizioni SADARM, la mina anticarro russa PTKM-1R o la mina anticarro polacca MPB. Le testate EFP contenute in questi ordigni sono attivate e direzionate da sensori di vario tipo – ottici, termici, al laser, ecc. – che captano la traccia del veicolo nemico, lanciando le testate direttamente contro il bersaglio oppure rilasciandole in aria, per poi manovrarle per attaccarlo dall'alto, esplodendo ad alcuni metri da esso. Alcuni tipi di mine anticarro possono sparare, restando a terra, 2 EFP in direzioni circa 45 gradi divergenti dalla verticale, in maniera da colpire non la cingolatura del mezzo ma, almeno con una di esse, la sua area ventrale. Altri esempi di armi che impiegano EFP sono presenti nei brevetti statunitensi 5038683 e 6606951.

Formazione di un EFP (animazione 3D).

La forma e la velocità tipiche delle munizioni EFP rende molto difficoltoso anche l'uso efficace delle corazze ERA (acronimo inglese di Explosive Reactive Armor, "armatura reattiva esplosiva"), che sono specializzate per contrastare getti più lunghi o penetratori metallici dei proiettili APFSDS (in inglese armour-piercing fin-stabilized discarding sabot, "proiettile perforante stabilizzato da alette ad abbandono d'involucro"), e pertanto potrebbero essere troppo lente per reagire a tale minaccia. Inoltre, raramente l'area ventrale del carro è protetta con corazze ERA, così come la torretta e la parte superiore dello scafo (se la sommità del carro è protetta la ERA non è mai montata sopra portelli e griglie di raffreddamento del motore). Spesso i sensori di queste testate lanciano i dardi proprio contro il motore, essendo a guida termica. Questo può potenzialmente salvare il veicolo da una immediata distruzione, anche se esso viene immobilizzato e nella peggiore delle ipotesi prende fuoco con effetti, senza aiuti esterni, solitamente catastrofici.

Una piastra d’acciaio corazzato tipo ARMOX 370T spessa 10 cm, penetrata da una mina anticarro “fuori strada” (in inglese off-route anti-tank mine) tipo MPB dotata di testata EFP, posizionata a 50 metri di distanza e sparata orizzontalmente.

L'EFP, relativamente insensibile alle corazze reattive (ERA) di prima generazione, può percorrere fino a circa 1000 diametri di carica (in inglese CD, charge diameters) prima che la sua velocità diventi inefficace nel penetrare la corazza a causa della resistenza aerodinamica, o che colpire il bersaglio diventi un problema. L'impatto di una pallottola "slug" prodotta da un EFP provoca normalmente un foro di grande diametro ma relativamente poco profondo, solitamente pari a 1 o 2 diametri di carica (CD) in un bersaglio d'acciaio. Se l'EFP perfora la corazza, si verificheranno scheggiature interne (in inglese spalling) e danni estesi dietro la corazza.

I proiettili autoforgianti (EFP) sono usati principalmente contro i carri armati (MBT), soprattutto contro le aree meno corazzate del mezzo, come ad esempio la parte superiore, ventrale e le fiancate, e sono quindi idonei anche per l'attacco contro veicoli blindati meno protetti di un carro armato, come i mezzi corazzati da combattimento o trasporto per la truppa (AFV, APC). Questo tipo di testata è adatto anche per la penetrazione di installazioni fisse, come ponti, bunker e muri.

È da rilevare come, nonostante la particolarità di questo ordigno, anche attori violenti non statali (organizzazioni rivoluzionarie, resistenziali o terroristiche) sono stati in grado di improvvisare testate EFP rudimentali ma efficaci, capaci di distruggere veicoli che vanno dalle semplici auto di polizia fino ai carri armati come l'M1 Abrams.

Testata tandem

Una munizione PG-7VR per il lanciagranate RPG-7, dotata di testata a cariche cave tandem.

Alcuni moderni razzi (RPG-27, RPG-29) e missili (TOW-2, TOW-2A, Eryx, HOT, MILAN) anticarro utilizzano una testata a cariche cave tandem, composta da due cariche cave separate, una posta di fronte all'altra, in genere a una certa distanza tra loro. Il TOW-2A fu una delle prime armi a montare testate tandem a metà degli anni '80, un aspetto dell'arma che l'esercito statunitense dovette rivelare sotto la pressione dei media e del Congresso, a causa della preoccupazione che i missili anticarro NATO fossero inefficaci contro i carri armati sovietici dotati delle nuove corazze reattive (in inglese ERA, Explosive Reactive Armour); l'esercito statunitense rivelò che una testata con carica cava precursore da 40 mm era montata sulle punte collassabili dei missili TOW-2 e TOW-2A. Di solito, la carica anteriore è leggermente più piccola di quella posteriore, poiché è destinata principalmente a distruggere le scatole o "piastrelle" ERA. Esempi di testate tandem sono presenti nei brevetti statunitensi 7363862 e 5561261.

Compressore Voitenko

Diagramma in sezione di un compressore Voitenko.

Nel 1964 lo scienziato sovietico Anatolij Emel'janovich Voitenko (Анатолий Емельянович Войтенко) propose di adattare una carica cava originariamente sviluppata per perforare spesse armature d'acciaio al compito di accelerare le onde d'urto. Il dispositivo risultante, che assomiglia vagamente a una galleria del vento, è chiamato compressore Voitenko. Inizialmente, il compressore Voitenko separa un gas di prova da una carica sagomata per mezzo di una piastra d'acciaio malleabile. Quando la carica sagomata detona, la maggior parte della sua energia si concentra sulla piastra d'acciaio, spingendola in avanti; la piastra d'acciaio, a sua volta, spinge il gas di prova dinnanzi a sé. L'Ames Laboratory statunitense copiò l'idea, costruendo un esemplare di compressore Voitenko: una carica sagomata da 66 libbre (circa 30 kg) accelerò il gas inserito in un tubo con pareti di vetro da 3 cm di diametro e lungo 2 metri; la velocità dell'onda d'urto risultante fu di 220.000 piedi al secondo (circa 67 km/s); l'apparato esposto alla detonazione fu completamente distrutto, ma non prima che fossero stati estratti dati utili.

In un tipico compressore Voitenko, una carica sagomata accelera l'idrogeno gassoso che a sua volta accelera un disco sottile fino a circa 40 km/s. Una leggera modifica al concetto di compressore Voitenko è una detonazione supercompressa, in un dispositivo che utilizza un combustibile liquido o solido comprimibile nella camera di compressione in acciaio invece di una tradizionale miscela di gas. Un'ulteriore estensione di questa tecnologia è la cella a incudine di diamante (in inglese diamond anvil cell) esplosiva, che utilizza getti multipli contrapposti di cariche sagomate proiettati su un singolo combustibile incapsulato in acciaio, come l'idrogeno. I combustibili utilizzati in questi dispositivi, insieme alle reazioni di combustione secondaria e al lungo impulso di scoppio, producono condizioni simili a quelle riscontrate negli esplosivi aria-combustibile e termobarici.

Carica cava nucleare

Il sistema di propulsione nucleare proposto dal Progetto Orion avrebbe richiesto lo sviluppo di cariche cave nucleari per l'accelerazione del veicolo spaziale. Gli effetti delle cariche cave causati da esplosioni nucleari sono stati discussi in modo teorico, ma non è noto se cariche cave nucleari siano mai state effettivamente costruite. Ad esempio, Ted Taylor, uno dei primi progettisti di armi nucleari statunitensi, sostenne che:

(inglese)
«A one-kiloton fission device, shaped properly, could make a hole ten feet in diameter a thousand feet into solid rock.»
(italiano)
«Un dispositivo a fissione da un chilotone, correttamente sagomato, potrebbe creare un foro di dieci piedi [circa 3 metri N.d.R.] di diametro e mille piedi [circa 305 metri di profondità N.d.R.] nella roccia solida.»

(John McPhee, The Curve of Binding Energy)

Inoltre, negli anni '60, un proiettile autoforgiante (EFP) a carica nucleare fu apparentemente proposto per la difesa terminale contro i missili balistici.

Note

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    «Per la maggior parte delle munizioni esplosive ad alto potenziale contro-carri (HEAT), l'angolo della cavità è compreso tra 42 e 45 gradi. Cariche improvvisate funzioneranno con angoli della cavità compresi tra 30 e 60 gradi. [Tradotto dall'inglese N.d.R.]»
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    «La velocità del getto dipende dalla brisanza dell'esplosivo ad alto potenziale utilizzato e dall'angolo apicale interno del rivestimento metallico. Minore è l'angolo, maggiore è la velocità del getto. Angoli molto piccoli, tuttavia, possono causare la biforcazione del getto o addirittura la sua mancata formazione. Per questo motivo è necessario trovare un "buon" compromesso (solitamente 40-90°). [Tradotto dall'inglese N.d.R.]»
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    «Peso dell'esplosivo ad alto potenziale = peso del piatto o disco, molto approssimativamente [Tradotto dall'inglese N.d.R.]»
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Bibliografia

Voci correlate

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