La carica cava

Simulazione della dinamica di una carica cava

 

In considerazione delle numerose domande pervenuteci, nonostante la tecnologia della carica cava non trovi diretta applicazione nelle armi concesse ai civili, abbiamo deciso di elaborare comunque un articolo che spiegasse a grandi linee questo interessante fenomeno.
L’animazione mostrata all’inizio dell’articolo troverà facile interpretazione dopo la lettura di quanto a seguire.

 

Definizione

Possiamo definire la “carica cava” (in inglese: “hollow charge” o “shaped charge”), come una carica esplosiva particolarmente sagomata in modo da concentrare l’energia della detonazione su superfici ridotte sulle quali viene massimizzata la forza dilaniatrice del fenomeno esplosivo. Le cariche cave sono usate nelle demolizioni per tagliare robuste strutture in metallo o calcestruzzo, nel settore minerario ed estrattivo, per l’innesco di armi nucleari e, campo di nostro interesse, nell’industria militare per armi capaci di penetrare le protezioni dei mezzi corazzati e dei bunker.

 

Cenni storici

Il fenomeno della carica cava fu notato inizialmente da Chermes Munroe nel 1885 poi da Egon Neumann nel 1911 e consisteva nell’operare la parziale concentrazione dell’energia causata da un vuoto incavato in un blocchetto di esplosivo. Così facendo, l’energia veniva concentrata nell’incavo praticato nella carica, dal quale essa fuoriusciva diretta sul bersaglio sottoforma di un getto parzialmente fluido alla temperatura di picco di circa 2000 gradi centigradi.

I modi con cui i due studiosi scoprirono l’effetto di quella che poi sarebbe diventata “la carica cava” furono in entrambi i casi singolari. Munroe, mentre lavorava alla Naval Torpedo Station a Newport, negli Stati Uniti, osservò che quando si faceva detonare nei pressi di una lastra di metallo un blocco di fulmicotone in cui era inciso il nome del suo produttore, l’iscrizione veniva trasferita sulla lastra. Se le lettere erano in rilievo rispetto al resto del fulmicotone, allora le lettere sulla lastra venivano impresse allo stesso modo, in rilievo rispetto alla superficie.

Egon Neumann notò invece che il TNT (acronimo di trinitrotoluene o tritolo) che conteneva un incavo di forma conica lacerava una lastra di metallo che, in condizioni normali, veniva solo intaccata dalla stessa quantità di esplosivo.
Tuttavia le scoperte dei due sperimentatori non trovarono riscontro pratico fino allo scoppio della seconda guerra mondiale, quando le esigenze belliche imposero alla ricerca scientifica la messa a punto di esplosivi e proiettili sempre più efficaci contro le corazzature di mezzi e fortificazioni che, nel frattempo, erano via via andate sempre più incrementandosi.

L’effetto della carica cava anche noto come “effetto Munroe”, venne subito dopo migliorato rivestendo di una sottile lamina metallica (detta liner) l’incavo dell’esplosivo; tale accorgimento aumentò in maniera esponenziale l’effetto delle cariche cave, rendendo possibile la realizzazione di ordigni di piccole dimensioni, trasportabili anche da un solo uomo (vedasi il panzerfaust tedesco). In questo modo, all’atto dell’esplosione, l’incamiciatura metallica veniva distrutta e ridotta in una miriade di piccole schegge, che si disponevano in un fascio sottile perpendicolare alla superficie di impatto.

 

Struttura base

Un dispositivo a carica cava è tipicamente costituito da un cilindro metallico riempito di esplosivo ad alto potenziale, una base è delimitata dal sistema di innesco, l’altra è chiusa mediante un rivestimento metallico relativamente leggero a forma cava: tipicamente semisferico, parabolico o più comunemente conico. Come detto, l’enorme pressione generata dalla detonazione frammenta il cono metallico e, per la composizione delle forze che ne consegue, va a formare un dardo di schegge e gas ad alta temperatura tanto più sottile e veloce quanto minore è l’angolo di apertura del cono, esso è tipicamente compreso tra 40 e 90°.

Struttura base di una carica cava Struttura base di una carica cava

 

Composizione delle forze in una carica cava Composizione delle forze alla detonazione

 

Geometria della cavità

Come accennato, la velocità del dardo dipende dalla geometria del cono ed anche dal tipo di esplosivo e dai materiali utilizzati. Più l’angolo di apertura del cono è acuto, maggiore sarà la velocità del dardo a discapito però della sua distribuzione di massa. E’ necessario quindi un compromesso pratico, inoltre con angoli molto acuti, il getto tende a biforcarsi o addirittura a non formarsi.

Di contro, con angoli di apertura molto ampi tanto da degenerare il cono in un disco concavo, non si ottiene più il dardo a getto, ma si avrà quello che gli americani chiamano EFP (acronimo di: Explosively Formed Penetrator). In buona sostanza, la detonazione produrrà una deformazione prestabilita del disco concavo sino a formare un proietto che verrà lanciato a velocità comprese tra i 1.000 ed i 3.000m/s. La penetrazione sul bersaglio di un EFP è inferiore rispetto a quanto ottenuto con il dardo a getto ma i danni prodotti sulle corazze, soprattutto se medio-leggere, sono di entità maggiore con ampia craterizzazione posteriore (spalling). Inoltre, il raggio d’azione di un EFP risulta considerevolmente maggiore rispetto a quello di una carica cava propriamente intesa, esso dipende dal diametro dell’ordigno ed è tipicamente prossimo ai 200m (contro i pochi metri della carica cava).

EFPFoto a Sx: Ordigni EFP di vario diametro
Foto a Dx: Campione del proietto generato

 

Sequenza EFP EFP – Sequenza di formazione del proietto (primi 400μs dalla detonazione)

 

Animazione sequenza EFP EFP – Animazione della sequenza di formazione del proietto

 

Effetti distruttivi EFP Effetti distruttivi di un EFP

 

Qualche dato sui parametri fisici

Alla detonazione di una carica cava, la punta del dardo incandescente formatosi si muove molto rapidamente, nei sistemi militari si raggiungono velocità comprese tra 7.000 e 10.000m/s. Dopo la detonazione, tali velocità vengono raggiunte tipicamente in tempi nell’intorno dei 40 microsecondi (40 milionesimi di secondo), la punta del cono è quindi sottoposta ad un’accelerazione elevatissima e prossima a 25 milioni di g. Con questi valori dinamici, se il dardo colpisce un ostacolo, l’energia cinetica si traduce in pressioni estremamente elevate. Per velocità prossime ai 10km/s la pressione è dell’ordine dei 200GPa (2Mbar: due milioni di bar).

Effetti carica cava Provino con gli effetti di una carica cava

Le pressioni e le velocità sono così elevate che sia il getto che le armature possono essere studiate con relazioni idrodinamiche; con buona approssimazione, trascurando la rigidità delle strutture, il getto e le armature possono essere trattate come fluidi incomprimibili. La sollecitazione dinamica supera di almeno mille volte la resistenza massima alla compressione del materiale di cui è costituito il bersaglio, in queste condizioni divengono rilevanti solo le differenze di densità tra i materiali dell’armatura e quelli che costituiscono il dardo.

Carica cava ai raggi X Carica cava ai raggi X – Il dardo penetra il provino metallico da Sx a Dx

Quello della carica cava è davvero un fenomeno straordinario oltre la portata della fisica tradizionale, questo spiega anche perché il suo meccanismo teorico fondamentale non sia stato del tutto spiegato.

Con le energie in gioco, un moderno sistema a carica cava è in grado di penetrare armature di acciaio fino ad una profondità di 7÷10 volte il diametro anteriore del cono. Una sofisticata testata con due cariche pesanti in tandem è in grado di perforare corazze con spessore di oltre 900mm. Una semplice granata RPG-7, ha già una buona penetrazione delle armature, e puo’ avere la meglio sulla maggior parte dei veicoli blindati. Anche una piccola carica cava da 450 grammi di esplosivo risulta estremamente distruttiva, e penetra più di 350mm di armatura. I gas dell’esplosione ad altissima temperatura superano la blindatura e penetrano nell’abitacolo del mezzo corazzato provocando l’esplosione del carburante e delle riserve di munizioni.

Per quanto detto, la perforazione provocata è sostanzialmente sempre inferiore al calibro del proietto usato come vettore della carica. Tali proietti sono preferibilmente stabilizzati mediante impennaggi (es. razzi) e non giroscopicamente. La forza centrifuga provocata dalla rotazione del proietto, tende infatti ad incrementare il diametro del dardo, riducendone l’efficacia.

 

Efficacia e contromisure

L’impiego dei proietti a carica cava presenta vantaggi e svantaggi. I primi sono senz’altro rappresentati da aspetti “pratici” e più precisamente:

  • Piccole quantità di esplosivo sono in grado di forare corazze molto spesse.
  • La carica cava ha lo stesso potere penetrante a prescindere dalla velocità del vettore che la trasporta (funziona anche da ferma).
  • Le caratteristiche sopra elencate consentono di realizzare armi anticarro leggere e semplici da maneggiare, adatte all’uso di un singolo militare.

Gli svantaggi, se vogliamo, sono in parte insiti nei vantaggi:

  • In primo luogo l’esplosione della carica cava deve avvenire ad una distanza ottimale dal bersaglio, in modo da dare modo al “Jet” di materia incandescente di formarsi. In genere tale distanza viene data dall’ogiva del proiettile o del razzo, la quale è solitamente vuota e serve solo come “distanziale” nei confronti dell’esplosivo posto dietro, oltre che per questioni aerodinamiche.
  • Nel corso degli anni sono state messe a punto contromisure abbastanza efficaci contro le cariche cave, prima tra tutte la “corazza reattiva” (ideata dagli israeliani e denominata “Blazer”). Questa è praticamente costituita da una serie di contenitori della grandezza simile ad una scatola da scarpe, riempiti di esplosivo a basso potenziale. Le scatole sono poi fissate sulla corazza del mezzo in un certo numero e, quando la carica cava detona, in corrispondenza del punto di impatto una od alcune delle scatole esplodono con un effetto verso l’esterno tale da “rompere” il getto infuocato della carica cava stessa, impedendone la penetrazione.

M2A2 Bradley Carro M2A2 Bradley – Ben visibile la protezione a corazza reattiva

  • Un’altra contromisura sono le corazze distanziate, ovvero un primo strato di corazzatura non spessa, intervallato da un vuoto e poi dalla corazza vera e propria. In questo modo la prima corazzatura fa detonare il proietto, mentre poi il vuoto assorbe e rompe il getto della carica prima che esso arrivi a contatto con la corazzatura vera e propria. Questo principio venne attuato dai tedeschi nella seconda guerra mondiale per i propri carri armati, sui quali vennero montati pannelli distanziatori chiamati “Schürzen”.

Panzer IV H Panzer IV H – Si notino le corazze distanziate (Schürzen) per fiancate e torretta

L’utilizzo di corazze distanziate su veicoli corazzati può avere in alcuni casi l’effetto opposto a quello desiderato e piuttosto che contrastare l’effetto della carica cava, ne aumenta la penetrazione. Infatti, a causa di limitazioni costruttive nella lunghezza del proiettile o del missile, la distanza di detonazione della carica è inferiore a quella ottimale. In questi casi, la corazza distanziata risulta quindi controproducente.

Testata a carica cava Schematizzazione di una testata a carica cava
1:Ogiva aerodinamica; 2:Camera vuota; 3:Cono della carica (liner); 4:Detonatore; 5:Esplosivivo ad alto potenziale; 6:Spoletta piezoelettrica.

Le corazze distanziate non devono essere confuse con le sovra-armatura a gabbia, utilizzate principalmente per danneggiare il sistema di innesco degli RPG. La gabbia, infatti, interferisce con la traiettoria del razzo ed opera la deformazione dell’ogiva nel tentativo di interrompere la connessione tra il circuito di accensione piezoelettrico, sulla parte apicale dell’ogiva, ed il sistema di innesco posteriore alla carica. In ogni caso, l’impatto di un RPG contro griglie o reti, riduce le possibilità di corretto innesco. L’armatura a gabbia può anche causare la deviazione dei proietti o comunque, distanziarne il punto di detonazione.

Carro Stryker Carro Stryker – Si noti la sovra-armatura a gabbia

 

Note finali

Su questo articolo abbiamo schematizzato e raccolto una buona parte delle informazioni e delle immagini di maggiore interesse reperibili su web e relative al fenomeno della carica cava. Ci auguriamo che il lavoro di sintesi effettuato soddisfi appieno le aspettative e la curiosità dei nostri lettori.

 

Fonti su web:
Wikipedia – Enciclopedia libera su Web
Historia – Sito su storia e militaria
Global Security – Articoli e notizie di genere vario
 


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6 Commenti

  1. Sharky

    Interssante articolo, un solo piccolo appunto: Il liner non fonde durante la fase di formazione del jet, questo è un vecchio mito sulle cariche cave che stenta a morire. Con le radiografie ad alta velocità si può misurare la temperatura del liner che risulta abbondantemente inferiore al punto di fusione del rame. La frammentazione del liner avviene solo quando il jet si è allungato eccessivamente a causa del gradiente di velocità tra la punta e la base del cono.

  2. Speedy

    Ciao Sharky, grazie per il tuo intervento…

    Sì, hai ragione: dalle immagini ai raggi X si è visto che il liner viene frammentato e non fuso… ed infatti non abbiamo mai indicato il contrario, al più abbiamo scritto che il dardo risulta “parzialmente fluido” riferendoci ai gas di detonazione ad alta temperatura di cui in parte esso è costituito.

    Comunque grazie per la puntualizzazione, apprezziamo la tua attenzione al dettaglio 🙂 !

    Saluti,
    Speedy.

  3. Sharky

    😀 Ed io apprezzo che ci sia finalmente un sito italiano che tratta seriamente di tecnologia armiera (sono rimasto particolarmente colpito dall’uso delle unità SI al posto dei soliti grani americani! Finalmente!) continuate così
    Saluti 😀

  4. Cox-One

    Complimenti per il lavoro. Il taglio dell’articolo è veramente ottimo. Volevo aggiungere un mio modesto contributo. Nel vostro studio si dice che le granate HEAT non vengono girostabilizzate (anche se talune granate hanno leggeri rotazioni assiali – vedi missile MILAN – per motivi diversi) perchè questa comporterebbe un’aumento del diametro del dardo. Tale informazione non mi risulta completa. La forza centrifuga che si generebbe ha poco tempo per agire (ovvero i pochi millisecondi della detonazione) e questo non spiegherebbe a sufficenza il degradamento delle prestazioni.
    Nella fabbricazione, i proietti HEAT, risultano l’assemblaggio di più parti unite insieme. Riuscire a far coincidere, perfettamente asse del proietto con asse di rotazione con asse della carica cava, che deve coincidere con l’asse reale di detonazione del fronte d’onda della massa esplosiva e infine con l’asse del proietto al momento dell’impatto non è facile. Ecco che anche un micro discostamento tra gli assi, nel momento della formazione del dardo, non permette di generare un getto di forma lineare ma ne viene disegnato uno di forma più larga: immaginate di tenere un pennarello tra le mani, se lo poggiate e lo fate girare la punta disegnerà sempre un punto; se invece lo tenete in maniera obliqua e lo fate sempre girare, disegnerete un cerchio.
    Ecco perchè più aumenta la rotazione e più aumenta il degradamento (viene sempre indicato un valore compreso tra i 1000 e i 10000 rps) ma raggiunto il valore massimo di rotazioni si ha una stabilizzazione delle prestazioni senza aumenti significativo del degradamento. Infatti, dato il tempo costante per la crezione del dardo (usiamo come riferimento la velocità di detonazione della massa esplosiva), con l’aumentare della rotazione si ha la possibilità di “disperdere” il getto disegnandolo allargato ma superando tale limite non vi sono più aumenti perchè il disegno è completo, ovvero un cerchio. Se invece dipendesse dalla forza centrifuga l’aumento del degradamento sarebbe costante fino a diventare teoricamente nulla la perforazione.

    Saluti
    Cox-One

  5. Luciano

    Cercavo il principio e il funzionamento della carica cava,devo dire che lo schema da voi pubblicato è molto chiaro,e quindi ho capito, sono soddisfatto pienamente.
    Grazie ,Saluto cordialmente

  6. ROB70

    Innanzi tutto volevo complimentarvi per l’articolo, dettagliato, chiaro ed esaustivo.
    Recentemente sto cercando di raccogliere informazioni circa questo principio,tentando tra l’altro di implementare un modello numerico come qualcuno ha già fatto da quello che ho visto.
    I problemi, come da voi esposto, sono molteplici per apprrocciare uno studio dai risultati affidabili, in quanto bisogna prima capire di quale fisica sia adatta allo studio del problema.
    In gioco si hanno materiali in divesri stati fisici, solido, fluido, plasma, in regioni diverse e con gradienti di pressione e temperatura elevatissimi.
    Non di meno le accelerazioni sono enormi ed il comportamento dei materiali diventa rigidissimo come si conosce da studi noti, mi farebbe piacere se qualcuno avesse implementato un modello fem con CFD o altri strumenti simili.
    Saluti

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