In consideration of the numerous arrived questions, in spite of the technology of the loaded quarry it does not find direct application in the weapons allowed the civil ones, we have decided to elaborate, in any case, an article that was explaining to great lines this interesting phenomenon. 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.
The animation shown at the beginning of the article will find easy interpretation after the reading of as for following. L’animazione mostrata all’inizio dell’articolo troverà facile interpretazione dopo la lettura di quanto a seguire.

Definition Definizione

We can define the “office it extracts” (in English: "hollow charge” or “shaped charge”), like an explosive office particularly moulded in the way of concentrating the energy of the detonation on surfaces reduced on which the strength is maximised dilaniatrice of the explosive phenomenon. The loaded quarries are used in the demolition to cut robust structures in metal or concrete, in the mineral and extractive sector, for the trigger of nuclear weapons and, I live on our interest, in the military industry for weapons able to penetrate the protections of the armoured means and bunkers. 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.

Historical signs Cenni storici

The phenomenon of the loaded quarry was noticed initially by Chermes Munroe in 1885 then Egon Neumann in 1911 and it was consisting in making the partial concentration of the energy caused by a gap hollowed out in a notebook of explosive. So doing, the energy was concentrated on the hollow practiced in the office, at which she was coming out run on the target sottoforma of a throw partially fluid to the temperature of peak of about 2000 centigrade degrees. 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.

The manners with which two scholars discovered the effect of that one that then would have become “the loaded quarry” were in both singular cases. Munroe, while it was working on Naval Torpedo Station to Newport, in the United States, noticed that when there was having to detonate in the neighbourhoods of a metal plate a block from guncotton in which there was carved the name of his producer, the enrolment was transferred on the plate. If the letters were in relief compared to the rest of the guncotton, then the letters on the plate were impressed to the same way, in relief compared to the surface. 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 noticed instead of what the TNT (trinitrotoluene acronym or I grind) that was containing a hollow of conical shape was lacerating a metal plate that, in normal conditions, was only notched by the same quantity of explosive. 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.
The discoveries of two experimenters still did not find practical check up to the burst of the World War II, when the military demands imposed to the scientific research the adjusted one of explosives and more and more effective bullets against the corazzature of means and fortifications that, in the meantime, had gone little by little more and more themselves being increased. 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.

The effect of the loaded quarry also well-known like “effect Munroe”, was improved suddenly later covering with a thin metal lamina (it dictates liner) the hollow of the explosive; such a sagacity increased in exponential way the effect of the loaded quarries, making possible the carrying out of devices of little dimensions, transportable also at an alone man's (it be seen the German panzerfaust). In this way, on the explosion, the metal covering was destroyed and reduced to a myriad of little splinters, which were arranged in a perpendicular thin bundle to the impact surface. 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.

It structures base Struttura base

A device to loaded quarry is typically constituted by a metal cylinder filled with explosive to high potential, a base is delimited by the trigger system, other one is closed by means of a metal covering comparatively lightly to shape quarry: typically hemispheric, parabolic or more commonly conical. As said, the huge pressure generated by the detonation fragments the metal cone and, by the composition of the forces that results from it, it goes forming a dart of splinters and gas to high temperature even more thin and fast the smaller is the corner of opening of the cone, he is typically included between 40 and 90th. 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°.

It structures base of a loaded quarry Struttura base di una carica cava

Composition of the forces to the detonation Composizione delle forze alla detonazione

Geometry of the cavity Geometria della cavità

As indicated, the speed of the dart depends on the geometry of the cone and also on the type of explosive and on the used materials. More the corner of opening of the cone is acute, greater will be the speed of the dart than disadvantage nevertheless of his mass distribution. A practical compromise is necessary then, besides with very acute corners, the throw tends to bifurcate or absolutely not to form. 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.

Of against, with very wide corners of opening so much to degenerate the cone into a concave disk, the dart is not obtained any more to throw, but there will be what the Americans call EFP (acronym of: Explosively Formed Penetrator). In good substance, the detonation will produce a pre-established deformation of the concave disk before forming a projectile that will be thrown with speeds included between the 1.000 and 3.000m/s. The penetration on the target of an EFP is inferior compared to all that obtained with the dart to throw but the damages produced on the cuirasses, above all if light - middle, they are of greater entity with wide back craterizzazione (spalling). Besides, the ray of action of an EFP turns out to be considerably greater compared to that of a loaded quarry properly agreement, he depends on the diameter of the device and is typically near to 200m (against few metres of the loaded quarry). 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).

Photo to Sx: Devices EFP of several diameter Foto a Sx: Ordigni EFP di vario diametro
Photo to Dx: Sample of the generated projectileFoto a Dx: Campione del proietto generato

EFP - Sequence of formation of the projectile (first 400μs the detonation) EFP - Sequenza di formazione del proietto (primi 400μs dalla detonazione)

EFP - Animation of the sequence of formation of the projectile EFP - Animazione della sequenza di formazione del proietto

Destructive effects of an EFP Effetti distruttivi di un EFP

Some data on the physical parametres Qualche dato sui parametri fisici

To the detonation of a loaded quarry, the point of the formed incandescent dart moves very quickly, in the military systems speeds are reached included between 7.000 and 10.000m/s. After the detonation, such speeds are reached typically on times in the neighbourhood of 40 microseconds (40 millionth parts of second), the point of the cone is subjected then to the most elevated and near acceleration to 25 millions of g. With these dynamic values, if the dart strikes an obstacle, the kinetic energy is translated in pressures extremely elevated. For near speeds to 10km/s the pressure is of the order of 200GPa (2Mbar: two million bar). 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).

Sample with the effects of a loaded quarry Provino con gli effetti di una carica cava

The pressures and the speeds are so elevated that it is the throw that the armours can be studied by hydrodynamic relations; with good approximation, ignoring the stiffness of the structures, the throw and the armours can be dealt like irrepressible fluids. The dynamic solicitation exceeds of at least thousand times the maximum resistance to the compression from the material the target of which is constituted, in these conditions the density differences become prominent only between the materials of the armour and those that constitute the dart. 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.

Loaded quarry to the rays X - The dart penetrates the metal sample at Sx's to Dx Carica cava ai raggi X - Il dardo penetra il provino metallico da Sx a Dx

That of the loaded quarry is really an extraordinary phenomenon over the course of the traditional physics, it explains this also in order that his fundamental theoretical mechanism should not have been completely explained. 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.

With the energies in game, a modern system to loaded quarry is able to the previous diameter of the cone penetrates steel armours up to a 7÷10 times depth. A sophisticated head with two heavy offices in tandem is able to pierce cuirasses with thickness of further 900mm. A simple grenade RPG-7, it already has a good penetration of the armours, and can have it better on the greatest part of the armoured vehicles. Also a little loaded quarry from 450 grammes of explosive turns out to be extremely destructive, and penetrates more of 350mm of armour. The gases of the explosion to the highest temperature exceed the armour plating and penetrate in the passenger compartment of the armoured means causing the explosion of the fuel and of the reserves of munitions. 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.

As far as said, the caused drilling is substantially always inferior to the calibre of the projectile used as vector of the office. Such projectiles are preferably stabilised by means of impennaggi (for example it sacks) and not giroscopicamente. The centrifugal strength caused by the rotation of the projectile, it tends to increase in fact the diameter of the dart, reducing the efficaciousness it. 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.

Efficaciousness and countermeasures Efficacia e contromisure

The use of the projectiles to loaded quarry presents advantages and disadvantages. The first ones are represented certainly by "practical" aspects and more precisely:L’impiego dei proietti a carica cava presenta vantaggi e svantaggi. I primi sono senz’altro rappresentati da aspetti “pratici” e più precisamente:

• Little quantities of explosive are able to perforate cuirasses a lot of spesse.
• Piccole quantità di esplosivo sono in grado di forare corazze molto spesse.
• The loaded quarry has the same penetrating power to leave aside the speed of the vector that it is carried (it acts also as a term of service).
• La carica cava ha lo stesso potere penetrante a prescindere dalla velocità del vettore che la trasporta (funziona anche da ferma).
• The characteristics above listed allow to realise light and simple anti-tank weapons to be handled, fit for the use of a military individual.
• Le caratteristiche sopra elencate consentono di realizzare armi anticarro leggere e semplici da maneggiare, adatte all’uso di un singolo militare.

The disadvantages, if we want, are in part inherent in the advantages: Gli svantaggi, se vogliamo, sono in parte insiti nei vantaggi:

• In the first place the explosion of the loaded quarry must happen over an optimal distance from the target, in the way of giving way to the "Jet" of incandescent matter of forming. Generally such a distance is given by the ogive of the bullet or of the rocket, which is usually empty and serves only like “spacer“ towards the explosive put behind, moreover for aerodynamic questions.
• 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.
• During the years there have been quite effective adjusted countermeasures against the loaded quarries, beforehand between all the “reactive cuirass” (thought up by the Israelis and named “Blazer“). This one is constituted practically by a series of containers of the size similar to a box of shoes, filled explosive to low potential. The boxes are then fixed to the cuirass of the means in certain number and, when the loaded quarry detonates, in correspondence of the point of impact one or some of the boxes explode with an effect towards the such outside to "break" the throw infuocato of the loaded quarry itself, hampering the penetration it.
• 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.

Cart M2A2 Bradley - quite visible the protection to reactive cuirass Carro M2A2 Bradley - Ben visibile la protezione a corazza reattiva

• Another countermeasure there are the distanced cuirasses, or a first corazzatura not spessa layer, intervallato with a gap and then with the true and own cuirass. In this way the first corazzatura makes detonating the projectile, while then the gap absorbs and breaks the throw of the first office that he reaches in contact with the true and own corazzatura. This beginning was carried out by the Germans in the World War II for the own tanks, on which there were mounted light cloths called spacers "Schürzen".
• 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 Hour - Si notice the distanced cuirasses (Schürzen) for sides and small tower Panzer IV H - Si notino le corazze distanziate (Schürzen) per fiancate e torretta

The utilisation of cuirasses distanced on armoured vehicles can have in some cases the effect opposite to that desired and rather than to hinder the effect of the loaded quarry, increases the penetration it. In fact, because of structural limitations in the length of the bullet or of the missile, the distance of detonation of the office is inferior to that one optimal. In these cases, the distanced cuirass turns out to be then counterproductive. 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.

Schematization of a head to loaded quarry Schematizzazione di una testata a carica cava
1:Ogiva aerodynamics; 2:Camera it empties; 3:Cono of the office (liner); 4:Detonatore; 5:Esplosivivo to high potential; 6:Spoletta piezoelectric.1:Ogiva aerodinamica; 2:Camera vuota; 3:Cono della carica (liner); 4:Detonatore; 5:Esplosivivo ad alto potenziale; 6:Spoletta piezoelettrica.

The distanced cuirasses must not be confused with them up-armour to cage, used for damaging principally the system of trigger of the RPG. The cage, in fact, interferes with the trajectory of the rocket and makes the deformation of the ogive in the attempt to interrupt the connection between the piezoelectric lighting circuit, on the part apicale of the ogive, and the system of back trigger to the office. In any case, the impact of a RPG against grills or nets, reduces the possibilities of correct trigger. The armour to cage can cause also the deviation of the projectiles or, in any case, distance the detonation point it. 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.

Cart Stryker - notices her up-armour to Itself to cage Carro Stryker - Si noti la sovra-armatura a gabbia

Final signs Note finali

On this article we have schematised and picked up a good part of the information and of the traceable images of greater interest about web and relative to the phenomenon of the loaded quarry. We wish ourselves that the synthesis work made soddisfi fully the expectations and the curiosity of our readers.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.