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

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).

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

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

EFP - Animazione della sequenza di formazione del proietto

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).

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 - 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.

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 - 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.

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 - 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.

Percussore SIG con incisione sub-millimetrica (immagine al SEM)

La microincisione per le armi da fuoco (in inglese: microstamping), anche detta “imprinting balistico” o “incisione balistica” od ancora “microstampigliatura” è quella tecnica che è stata sviluppata con lo scopo di agevolare l’identificazione delle armi in balistica forense. Sviluppata e brevettata nel 1990 da Todd Lizotte e Orest Ohar, essa sfrutta l’uso della tecnologia laser per incidere una marcatura microscopica sulla punta del percussore o sulla faccia della culatta (o su altre parti dell’arma che entrano in contatto con il bossolo, tipicamente: estrattore, espulsore e camera di cartuccia).

Tipico percussore semisferico su cui sono stati aggiunti i codici microincisi
(1) codice seriale primario; (2) codice secondario dentellato; (3) codice radiale di verifica; (4) codice di produzione

Quando l’arma esplode il colpo, queste incisioni vengono trasferite dalla culatta al fondello del bossolo a causa della pressione generata dalla deflagrazione o impresse sulla coppetta dell’innesco dall’urto del percussore. Dopo lo sparo, i bossoli vengono espulsi mantenendo tali segni microscopici, recuperati dalla polizia ed esaminati dagli esperti di balistica forense, diviene possibile ottenere informazioni da utilizzare per tracciare l’arma dalla produzione all’ultimo proprietario registrato. Questa tecnologia è obbligatoria in California per tutte le armi prodotte a partire dal 1° Gennaio 2010.

Particolare al SEM di un percussore semisferico
Si notano le varie incisioni del codice: primario, secondario dentellato, radiale di verifica.

Le incisioni balistiche non devono essere confuse con le “impronte balistiche“, queste ultime infatti sono le impronte lasciate dagli organi dell’arma: tipiche per modello (impronte di classe) o specifiche della singola arma (impronte peculiari). Queste ultime sono causate prevalentemente da segni di lavorazione ed usura sulle parti dell’arma. Le microstriature sul proiettile provocate dal suo transito in canna oppure particolari segni lasciati sul bossolo da percussore, culatta, estrattore od espulsore, rientrano tra questa tipologia di impronte.

Comparazione tra “impronte balistiche” sui fondelli
Da notare che sull’immagine a Sx, i bossoli sono di medesima marca e sparati dalla stessa arma, il cambiamento dell’impronta del percussore è da attribuire al differente lotto di produzione delle munizioni. A Dx, comparazione delle impronte lasciate dalla culatta.

Analisi 3D dell’impronta di un percussore

Analisi 3D delle micro-striature di un proiettile

Per le incisioni balistiche invece si tratta di apporre codici unici (essenzialmente un numero di serie) sul percussore, sulla culatta, sull’espulsore o sull’estrattore dell’arma. In genere, l’esempio più frequente è quello del percussore, ma in realtà potrebbero esserci marcature in più parti dell’arma. Ogni elemento meccanico che colpisce o preme contro il corpo del bossolo è un potenziale luogo di “imprinting” dei codici. Questo include l’interno della camera di cartuccia anche se in armi automatiche o semiautomatiche, durante l’estrazione del bossolo è ancora presente una certa pressione in canna che porta il bossolo stesso all’espansione. L’abrasione che ne deriva, contro le pareti della camera di cartuccia, potrebbe disturbare la leggibilità finale del codice.

Microincisioni impresse sul fondello di un bossolo
A Sx il codice impresso dalla culatta, a Dx quello impresso dal percussore, si noti il codice aggiuntivo “dentellato”.

La tecnica delle microincisioni ha fautori e detrattori. In generale, i gruppi che appoggiano il controllo e la limitazione delle armi, sostengono che il microstamping consentirebbe di risalire all’ultimo proprietario registrato dell’arma i cui bossoli sono stati rinvenuti sulla scena del crimine, il microstamping permetterebbe anche di rintracciare il commercio illegale di armi. Per i detrattori di questa tecnologia invece, le microincisioni tracciano l’ultimo proprietario registrato dell’arma ma non la persona che l’ha usata effettivamente. Nel caso di un’arma rubata, come avviene per alcune armi da fuoco usate nel crimine, la microincisione non condurrebbe al colpevole. Inoltre, individui senza scrupoli potrebbero raccogliere bossoli scarto nei poligoni di tiro e porli sulla scena del crimine fornendo prove false contro persone innocenti, distraendo anche il lavoro degli investigatori. Le microincisioni possono anche essere facilmente eliminate sostituendo parti specifiche dell’arma o, conoscendone il posizionamento, abradendo opportunamente i codici. Infine, l’imprinting risulta inefficace per i revolver.

Microincisioni per una Glock in 9×19 dopo 1400 colpi
A Sx, il codice impresso dal percussore sull’innesco, a Dx l’immagine del percussore.

La tecnica è in fase di test , studi condotti dagli sviluppatori della tecnologia, tra cui un test di stress a 2.500 colpi, mostrano un tasso di trasferimento leggibile del 100% (da notare che il ciclo di vita tipico di una pistola militare o di polizia è un ordine di grandezza superiore). Anche quando la microincisione viene rimossa (e questo richiede conoscenze tecniche sul posizionamento del codice, sulla meccanica delle armi da fuoco e l’uso di utensili) i segni di modifica sono ancora trasferiti sul bossolo e identificabili.

Più che ai risvolti pratici e legali della microincisione, siamo stati incuriositi dalla tecnica necessaria per eseguire l’imprinting balistico e dal risultato meccanico ottenuto, da questo e dall’implementazione del sistema in California è di fatto scaturito il presente articolo. Il progredire della tecnica promette sempre nuovi ed interessanti sviluppi.

Quest’articolo nasce da un breve approfondimento di quanto già esposto sul rinculo delle armi leggere e specifico alla determinazione del rinculo secondario.

Sappiamo che il rinculo subito da un’arma risulta scomponibile in due elementi predominanti: il rinculo primario, dovuto all’accelerazione in canna di propellente e proietto; ed il rinculo secondario, dovuto all’effetto jet dei gas di deflagrazione espulsi dalla canna. Il calcolo del rinculo secondario risulta complesso e spesso per la sua determinazione si fa riferimento alla pressione residua in volata, valore anch’esso di non facile rilevazione.

Come già esposto, una relazione approssimata del rinculo totale è la seguente:

I_t=(I_t1)+(I_t2)=(m_p•V₀)+(m_po•K•V₀)

Quindi, come detto, l’impulso totale di rinculo è la somma di una componente pari alla massa del proietto m_p per la propria V₀ (rinculo primario, I_t1) e di una componente pari alla massa del propellente m_po per K volte V₀ (rinculo secondario, I_t2) con K•V₀ che definisce la velocità media stimata dei gas espulsi in volata.

I_t1 è in altre parole la quantità di moto della massa di propellente che, sotto forma di gas, viene espulsa dalla volata dell’arma ad una velocità superiore a quella del proiettile (i gas di deflagrazione, in prossimità della volata, superano il proiettile) rallentando progressivamente sino ad una velocità nulla raggiunta quando la pressione propellente eguaglia quella atmosferica. Non addentrandosi nella termodinamica dello sparo e semplificando il più possibile i calcoli, molti autori usano un valore di K determinato empiricamente, approssimando la velocità media dei gas di deflagrazione a K volte la velocità di uscita del proiettile.

In molti testi, il coefficiente K risulta compreso tra 1 e 2, più esattamente si sceglieranno valori prossimi al limite massimo per forti caricamenti e canne corte, valori prossimi al minimo per caricamenti a più bassa pressione e canne relativamente lunghe. Il valore di K considerato ad esempio in “The British Text Book Of Small Arms” (1929) e poi ripreso dal generale americano J.S. Hatcher e pubblicata nel suo “Hatcher’s Notebook” (1947) è tipicamente pari a 1.75, valore usato spesso per le carabine; per le pistole (revolver e semiautomatiche) è sovente usato il valore di 1.5 così come per i fucili a canna liscia di media lunghezza, valore ridotto ad 1.25 se la canna ha lunghezza maggiore.

Per migliorare l’affidabilità del valore assegnato a K, esso dovrebbe essere adattato in funzione della lunghezza della canna dell’arma, dell’andamento pressorio e della tipologia di propellente (vivace/progressivo), inoltre K dovrebbe ridursi al crescere della V0.

Volendoci meglio orientare nella scelta di un adeguato coefficiente K, abbiamo chiesto l’autorevole parere del dr. Derek Allsop, docente presso l’accademia militare di Cranfield (UK) e specializzato in termodinamica e meccanica dei fluidi. Il dr. Allsop, oltre ad aver studiato l’ottimizzazione di alcune armi da fuoco è stato consulente per vari sistemi di difesa ed ha anche pubblicato alcuni libri sulle armi leggere, su sistemi d’arma e cannoni (uno tra questi è: ”Essential Guide To Military Small Arms”). Il dr. Allsop ci consiglia di usare la seguente formula semi-empirica che pare trovare buon riscontro nella sperimentazione (soprattutto per armi di medio calibro):

con V₀: velocità in volata del proiettile (in m/s)

A seguire, eccovi l’andamento di K al crescere della V₀:

Come potete notare, i valori di riferimento sono generalmente superiori all’intervallo tra 1 e 2 con buona prossimità ad 1.75 nel range di velocità espresso dalle carabine ma, certamente oltre 2 per le armi corte. In altre parole, confrontando questa relazione rispetto ai valori tipici usati da altri autori, l’effetto del rinculo secondario viene mediamente considerato più marcato sul bilancio del rinculo totale.

Tale relazione ci permetterà adesso di calcolare più agevolmente e speriamo più correttamente, l’effetto del rinculo secondario.