Cal.12 e combustione incompleta

di Roberto Serino          

Sezione cartucce cal.12

 

 

Tra i vari tipi di caricamento, la cartuccia a pallini richiede più di ogni altra un equilibrio tra i componenti: bossolo, contenitore, borraggio, coppetta, piombo, polvere ed innesco non possono essere variati a piacimento, indipendentemente gli uni dagli altri, ma sono così strettamente connessi che, se cambia uno solo, spesso deve cambiare ben più di uno degli altri componenti, e non sempre si ottiene un risultato equivalente. Basti fare questa semplice considerazione: è sufficiente la detonazione del solo innesco per svolgere la chiusura, e dunque la polvere deve riuscire ad accendersi in maniera soddisfacente prima che il dilatarsi del volume a disposizione dei gas pregiudichi il corretto procedere del fenomeno combustivo.

Viste le dimensioni assiali delle camere, necessarie per il completo svolgimento dell’orlatura, e del cono di raccordo tra camera e anima, che provvede a realizzare un certo intasamento, ci vuol poco a far sì che il volume effettivo della camera a polvere aumenti, e che la densità di caricamento si riduca; condizioni, queste, che giocano a sfavore della qualità e della costanza delle prestazioni. A differenza della bomba manometrica in cui vengono provati i propellenti, e in cui la combustione si svolge in condizioni di pressione sempre crescente, nell’anima ciò vale fino all’istante di massima pressione; poi la pressione inizia a calare, e la velocità di combustione si discosta dalla legge di proporzionalità.

Ciò si verifica anche quando l’incremento di volume della camera a polvere, conseguente alla spinta dei gas di innesco, provoca un brusco calo della pressione iniziale, facendo venir meno le condizioni ottimali per l’accensione e la successiva combustione della carica. Anche nel munizionamento per arma corta, che spesso utilizza le stesse polveri impiegate per l’anima liscia, la palla si stacca dal bossolo sotto la spinta dei gas sviluppati dall’innesco; tuttavia i problemi sono minori, dato che il consistente intasamento offerto dall’impegno della palla nella rigatura, e dal successivo forzamento in essa, copre i fenomeni parassiti che si verificano in concomitanza con l’accensione della carica.

Per l’anima lunga rigata il fenomeno è invece influenzato dalla lunghezza della porzione non rigata che segue la camera. Consideriamo, inoltre, che la carica di polvere non se ne sta ferma, ma durante la combustione si muove lungo l’anima, seguendo il proiettile, insieme ai gas combusti; il moto della carica, nell’anima liscia, influenza il ritmo combustivo, in quanto altera la distribuzione spaziale dell’energia, ma l’effetto sulla velocità del piombo è limitato, visti i rapporti di massa pari circa ad 1/20, come pure nei caricamenti per arma corta. Nell’anima lunga rigata, invece, l’influenza sulla velocità della palla è più sensibile, in quanto il rapporto di massa varia tra 1/4 e 1/2, e dunque è difficile evitare che la carica se ne vada a spasso senza ritegno, cosa che in genere viene realizzata agendo sull’angolo della spalla del bossolo.

Analogo scopo hanno i bossoli delle cartucce “short magnum”, che oltre a permettere l’impiego di azioni più corte, essendo più bassi e più panciuti, trattengono meglio la carica di propellente, grazie al più favorevole rapporto tra lunghezza della camera e volume del bossolo; non a caso il rimedio è stato escogitato per il munizionamento caricato con “ball powder”, che avendo granitura minuta e pressochè sferica, fluirebbe senza eccessiva difficoltà dietro la palla, a differenza delle polveri a granitura cilindrica o tubolare.

Tornando alle polveri per l’anima liscia, la prova delle cartucce in canna manometrica evidenzia alcuni parametri in grado di fornire informazioni circa la corretta accensione e combustione della carica. Il primo è il ritardo d’accensione, ossia il tempo che intercorre tra la percussione dell’innesco e il raggiungimento del 10% della pressione massima (ndr – per maggiori dettagli si veda l’articolo: Test in canna manometrica); tempi troppo lunghi sono generalmente indicativi di scarso intasamento iniziale, o di innesco inadeguato alla polvere, con conseguenti problemi di accensione.

Oltre al ritardo d’accensione, viene preso in considerazione anche il tempo di canna, ossia l’intervallo tra la percussione dell’innesco e la fuoruscita del piombo; anche in questo caso tempi troppo lunghi segnalano generalmente difetti di combustione, o polvere inadeguata allo specifico caricamento.
La pressione massima, che deve posizionarsi intorno a valori prestabiliti in dipendenza del calibro, dà generalmente un’idea del regime pressorio, e dunque dell’andamento combustivo. Anche la velocità iniziale, infine, come la pressione massima, deve risultare compresa in un campo adeguato al calibro.

Spesso, tuttavia, il quadro non è completo; anche in presenza di parametri apparentemente normali, la combustione della carica quasi mai è completa, e ciò non per espressi difetti di caricamento, ma perchè, come già detto, in regime di pressioni decrescenti la combustione tende a diventare instabile.
La stabilità della reazione combustiva dipende dalle condizioni ambientali in cui essa avviene; se pressione e temperatura si mantengono su livelli sufficientemente elevati, tutto va per il meglio. Se malauguratamente tali livelli scendono, il fronte di fiamma sui singoli granuli di propellente rallenta, al punto che essi non riescono a bruciare completamente, e vengono proiettati parzialmente incombusti attraverso la volata.

Questo fenomeno non è prerogativa dell’anima liscia, ma di tutte le armi da fuoco; se così non fosse, se la polvere bruciasse sempre tutta, e nel modo migliore, la balistica forense non potrebbe contare sui metodi di analisi dei residui di sparo. L’esame della curva pressione-tempo, che viene registrata durante le prove del munizionamento finito in canna manometrica, generalmente non presenta segni evidenti del suddetto fenomeno, peraltro quasi del tutto assente nelle similari prove dei propellenti nella bomba manometrica. Se si vuole spremere qualche informazione supplementare dalla curva pressione-tempo, bisogna ricorrere allora a qualche espediente, che possa esaltare il fenomeno in modo da renderlo in qualche maniera visibile.

L’espediente consiste nel diagrammare, oltre alla pressione, l’energia interna, proporzionale alla temperatura dei gas combusti, che può dare un’idea approssimativa dell’andamento della combustione.
Quelli che seguono sono i diagrammi relativi ad alcune prove in canna manometrica, integrati con la curva dell’energia interna. Tutte le prove sono relative al calibro 12 (la massa del proiettile è comprensiva di piombo e borraggio), e illustrano il comportamento di varie polveri nel ramo discendente della curva pressione-tempo.

Iniziamo con una “ball powder”, caricata nella dose di 1,63 g dietro una massa di 34,6 g.

Cosa possiamo osservare?

Che l’energia interna dei gas combusti raggiunge il massimo livello quando la pressione è ormai scesa a circa 150 bar; la curva, che fino al punto di massimo si era mantenuta piuttosto continua, ora inizia a sfarfallare, mostrandosi sempre più frastagliata via via che ci si avvicina alla volata. Ebbene, queste oscillazioni, non visibili sulla curva della pressione, ma apprezzabili sulla curva indicativa della temperatura, e dunque del contenuto energetico dei gas, stanno a significare una instabilità del fronte di fiamma dovuta proprio al calo della pressione. La pressione massima è pari a 517 bar, mentre la velocità nel punto strumentale è pari a 385 m/s; il diagramma mostra chiaramente i fenomeni transitori che si verificano all’atto della detonazione dell’innesco, a partire da circa 300 micro-secondi.

Il discorso può essere ripetuto per una singola base estrusa discoidale, caricata in dose di 1,85 g dietro una massa di 38,3 g.

Anche in questo caso, dopo aver raggiunto il massimo verso i 200 bar, la curva dell’energia interna mostra una sensibile instabilità, anche se le prestazioni della cartuccia sono ottimali, fornendo una pressione massima di 633 bar e una velocità nel punto strumentale di 401 m/s; i fenomeni transitori dell’accensione iniziano a partire da circa 300 micro-secondi.

Se passiamo ad una diversa formulazione della medesima polvere, caricata in dose di 1,70 g dietro una massa di 34,6 g, osserviamo ancora che la curva dell’energia interna raggiunge il massimo verso i 200 bar; tuttavia stavolta osserviamo una instabilità ancora più pronunciata, nonostante che il transitorio di accensione inizi dopo appena 200 micro-secondi.

La pressione massima raggiunge i 570 bar e la velocità nel punto strumentale i 392 m/s; tuttavia la macroscopica instabilità della curva dell’energia interna denota un’accensione non ottimale, ed una combustione non completa.

Il fenomeno è ancora più evidente riducendo il dosaggio a 1,50 g; anche in questo caso il transitorio di accensione inizia dopo appena 200 micro-secondi e la curva dell’energia interna raggiunge il massimo verso i 200 bar; la pressione massima scende a 500 bar e la velocità nel punto strumentale a 356 m/s.

Una doppia base laminata, caricata in dose di 1,60 g dietro una massa di 34,6 g, presenta il transitorio di accensione a partire dai 300 micro-secondi, mentre la curva dell’energia interna raggiunge il massimo verso 150 bar; la pressione massima raggiunge i 550 bar, mentre la velocità nel punto strumentale raggiunge i 394 m/s; anche in questo caso l’instabilità della curva dell’energia interna è chiaramente visibile.

Riducendo il dosaggio a 1,35 g, il fenomeno si esalta; la curva dell’energia interna raggiunge il massimo verso i 100 bar, mentre pressione massima e velocità nel punto strumentale scendono, rispettivamente, a 412 bar e a 343 m/s: il transitorio di accensione inizia intorno ai 300 micro-secondi.

Vediamo infine cosa succede in un caricamento magnum, realizzato con una singola base estrusa lamellare, in dose di 2,16 g dietro una massa di 53,8 g.

Qui le cose cambiano radicalmente; il diagramma mostra chiaramente che l’accensione inizia dopo ben 450 micro-secondi, ma il transitorio appare impercettibile, segno di una corretta infiammazione; la curva dell’energia interna raggiunge il massimo verso i 500 bar, e mostra oscillazioni molto contenute, segno di una combustione piuttosto stabile; la pressione massima raggiunge i 1086 bar, mentre la velocità nel punto strumentale raggiunge i 411 m/s. Come si vede, il fenomeno non dipende dalla composizione delle polveri, né dalla loro granitura, in quanto si presenta sia per le singole basi che per le doppie basi, sia tradizionali che sferiche.

Concludendo

Cosa si può dedurre da queste osservazioni?

Che la combustione completa della carica non viene quasi mai conseguita, e ciò non per difetti di caricamento, ma per la costituzione stessa della cartuccia calibro 12. Il fenomeno viene inoltre esaltato dalle riduzioni di dosaggio, a parità di ogni altra condizione, in quanto queste provocano una riduzione del livello pressorio generale. La conferma a quanto sopra detto viene dai caricamenti magnum, nei quali il maggiore intasamento offerto dalla maggiore massa da mettere in moto facilita l’accensione.

Il più elevato livello pressorio, inoltre, stabilizza la combustione, facendo sì che anche in regime di pressioni decrescenti il fronte di fiamma mantenga una soddisfacente velocità di avanzamento. I moderni inneschi doppia forza, tuttavia, sono notoriamente troppo impulsivi e poco caldi, cosa che, in concomitanza con polveri piuttosto dure ad infiammarsi, potrebbe provocare, paradossalmente, accensioni non ottimali, a causa del cedimento della chiusura e alla conseguente dilatazione della camera di combustione. D’altro canto inneschi meno impulsivi e più caldi potrebbero fare la differenza, sia nel senso positivo di migliorare l’accensione, sia in quello negativo di contenere troppo il volume della camera di combustione, con incremento del regime pressorio generale.
 


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1 Commento

  1. carlo damuri

    Ottimo lavoro, bravo e prosit

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