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.

Proiettili Comp-Bullet (cal.9 da 100gr)

Descrizione del ritrovato

I nuovi proiettili brevettati Comp-Bullet (di seguito CB), sono realizzati dal pieno mediante torni a controllo numerico. Le ogive costruite in ottone, presentano alla base un foro assiale svasato dal diametro di 3mm che, in prossimità della quota mediana del proiettile, fa capo a 6 fori radiali dal diametro di circa 2mm. La presenza dei fori dovrebbe determinare una riduzione del rinculo secondario ed un anticipo del funzionamento dei sistemi di compensazione qualora l’arma in uso ne sia dotata. L’ideatore, per questa tipologia di proiettili, indica i seguenti principali vantaggi:

a) Perfetta costanza nel peso e nelle quote
b) Maggiore velocità del proiettile
c) Ritorno in puntamento più rapido grazie alla riduzione del rinculo

Oggetto dei test

A seguire mostreremo i risultati di alcune prove effettuate su proiettili CB in calibro 9, nel dettaglio abbiamo eseguito:

1) controlli dimensionali di diametro e lunghezza
2) verifica della costanza ponderale
3) test cronografici in confronto a proiettili FMJ
4) valutazioni di rinculo e rosata su rest

Aspetto esterno, verifiche dimensionali e ponderali

L’accuratezza della realizzazione è il primo elemento che l’aspetto delle ogive CB evidenzia. In ottone lucido e dalla superficie liscia, non presentano segni di lavorazione visibili. Su qualche campione fa eccezione la ribava individuabile attraverso i fori radiali e relativa alla realizzazione del foro assiale dei proiettili (vedi immagine).

Ribava di lavorazione foro assiale

Tali residui di lavorazione sono generalmente poco tenaci e dovrebbero rimuoversi al primo sforzo meccanico allo sfiato dei gas di deflagrazione, rimane comunque un potenziale rischio di asimmetrizzazione dei getti radiali.
La tabella ed i grafici a seguire riassumono i dati rilevati su 45 campioni dei proiettili in oggetto:

Tabella delle verifiche dimensionali e ponderali

Distribuzioni dimensionali e ponderali

Test cronografico

Si è realizzato un test velocitario comparativo tra le ogive CB tronco coniche (in cal 9 da 100gr) e delle Fiocchi FMJTC di medesimo calibro e peso nominale (vedi immagine). Il confronto è stato eseguito tra cartucce con uguale OAL (28,5mm), pari dose di propellente (5,2gr di Cheddite Granular S grossa, lotto 6321) e medesima tipologia di bossoli: dei GFL in 9×21 al primo sparo; si è variato quindi tra le due tipologie di cartucce la sola ogiva. Nel dettaglio, prima dell’assemblaggio delle munizioni, sia i proiettili che i bossoli hanno subito una selezione ponderale: si è scelto il peso di 99,4±0,1gr per le palle FMJTC e di 100,2±0,1gr per le CB, i bossoli GFL sono stati selezionati a 57,4±0,2gr. Come arma per il test si è usata una Tanfoglio Stock II in 9×21 con canna poligonale da 113mm. I dati cronografici rilevati con un Chrony M1, sono visibili sulle tabelle a seguire:

Dati Cronografici FMJTC

Dati Cronografici CompBullet

I due gruppi di colpi mostrano una discreta costanza di risposta con valori medi della velocità rispettivamente di 374,7m/s per le FMJTC e di 381,1m/s per le CB che, a parità di dose di propellente, sviluppano quindi velocità lievemente maggiori. Tale incremento di prestazione, seppur di limitata entità, non crediamo sia casuale. Esso è principalmente attribuibile alla diversa densità di caricamento tra le due tipologie di munizioni. Pensiamo siano di minore rilevanza eventuali altri fenomeni riconducibili ad esempio: alle differenze tra i coefficienti di attrito canna proiettile (differenti leghe rame-zinco: tombacco per le FMJ ed ottone per le CB) o legati alla particolare lavorazione e profilo delle superfici in contatto con la rigatura (ad es. la corona di forzamento).

Per il minore peso specifico del materiale con cui sono costruite le CB, a parità di peso dell’ogiva, esse risultano molto più voluminose delle FMJ. A medesima OAL quindi, lo spazio interno al bossolo destinato a contenere la polvere (boiling room) tenderà ad avere dimensioni sensibilmente differenti a seconda del tipo di ogiva utilizzata. Nelle condizioni del test, ed assumendo una densità gravimetrica per la Cheddite Granular S in granulometria grossa di 520g/litro, abbiamo calcolato una densità di caricamento in volume superiore al 110% per le CB (la polvere viene compressa) e dell’84% per le FMJTC. Come rilevato in altri test, la densità di caricamento può determinare notevoli variazioni del ritmo combustivo della polvere, del picco pressorio in canna e della velocità del proiettile alla volata. In relazione a quanto detto, riportiamo le variazioni velocitarie ottenute con la Cheddite Granular S (grossa) nel 9×21 al variare della sola OAL, quest’ultima strettamente legata al volume della boiling room (test con palle Frontier ramate RNBB):

Variazione della velocità alla volata al variare dell’OAL di cartuccia (9×21)

A seguire, riportiamo la tabella riassuntiva con le principali rilevazioni ottenute nella prova di comparazione cronografica tra ogive CB e FMJ:

Tabella comparazione cronografica tra ogive CB e FMJTC

In base ad altri dati non documentati, possiamo anche dire che le differenze velocitarie a favore delle CB, potrebbero essere anche più elevate al mutamento del propellente utilizzato. Il fenomeno pensiamo sia da attribuire in massima parte, al diverso comportamento combustivo di alcuni propellenti in condizioni di elevata densità di caricamento.

Test di rinculo e rosata

Avvalendoci di un rest rinculante opportunamente equipaggiato, abbiamo sottoposto le CB ad una prova comparativa di rinculo a medesimo Power Factor, avendo a riferimento le già citate ogive FMJTC.

Sistema di rilevazione cronografica e rinculo

Le due ricariche in paragone prevedono i componenti e l’OAL già descritti nella sezione “Test Cronografico”, fa eccezione la dose di propellente per le ogive FMJ, incrementata da 5,2 a 5,4gr per compensare la maggiore velocità espressa dai proiettili CB.
Idealmente le ogive CB, grazie alla deflessione dei gas di deflagrazione in direzioni ortogonali alla canna, dovrebbero ridurre il rinculo subito dall’arma. Più nel dettaglio, il rinculo può schematizzarsi come costituito da due distinte componenti:

• Rinculo primario, esso è causato dall’accelerazione di una massa costituita dal proiettile e dalla metà della polvere propellente. Il rinculo primario è quantificabile con la seguente relazione:

  Ir₁ = (½•m_polvere+m_palla)•V₀

  con
  Ir₁ = impulso di rinculo primario
  m_palla = massa del proiettile
  m_polvere = massa propellente
  V₀ = velocità del proiettile alla volata




• Rinculo secondario, esso avviene all’uscita del proiettile dalla canna ed è provocato dall’espulsione repentina dei gas di deflagrazione che producono un effetto “jet” sull’arma. La velocità di efflusso dei gas è ipotizzabile K-volte superiore alla velocità del proiettile. Nel 9×21, per velocità prossime ai 350m/s e proiettili tra i 100 ed i 124 gr, appare ragionevole considerare K=1,9. L’impulso secondario sarà quindi dato da:

  Ir₂ = m_polvere•K•V₀

  con
  Ir₂ = impulso di rinculo secondario
  m_polvere = massa propellente
  K = coefficiente relativo alla velocità di efflusso dei gas di deflagrazione
  V₀ = velocità del proiettile alla volata

Ne segue che il rinculo complessivo sarà la somma delle sue componenti:
Irt = Ir1+Ir2 , avendo indicato con Irt l’impulso di rinculo totale.
Le ogive CB agiranno come detto, sulla riduzione della componente di rinculo secondario. Possiamo stimare il vantaggio massimo teorico offerto da questi proiettili, nel caso ideale di totale annullamento dell’impulso secondario:

Rinculo per le FMJ (Ir_ta):

Ir_ta = Ir1+Ir2 = (½•m_polvere+m_palla)•V₀+m_polvere•K•V₀ =
= [m_palla+m_polvere•(K+0,5)]•V₀

Rinculo per le CB (Ir_tb):

Ir_tb = Ir1 = (½•m_polvere+m_palla)•V₀

Vantaggio teorico CB (ipotizzando proiettili da 100gr, dosi di propellente da 5,2gr e pari V₀):

Vt = (1 - Ir_tb/Ir_ta ) = 1 - Ir1/(Ir1+Ir2) =

= 1 - [m_palla+m_polvere•0,5] /[m_palla+m_polvere•(K+0,5)] = 0,088

Vt% = Vt • 100 = 8,8% (vantaggio teorico ideale)

Considerando anche il vantaggio nel dosaggio del propellente, in peso inferiore per le CB pur ottenendo il medesimo Power Factor (5,2gr per le CB e 5,4gr per le FMJTC), il beneficio teorico massimo diventerà:

Vt = 1 - [m_palla+m_{polvere_CB}•0,5] / [m_palla+m_{polvere_FMJ}•(K+0,5)] = 0,092

Vt% = Vt • 100 = 9,2% (vantaggio ideale massimo per il caso esaminato)

La rilevazione di rinculo attesa su rest, dovrà fornire quindi un dato differenza inferiore al 9,2%. (Per maggiori dettagli sulle metodologie di calcolo e sulla tecnica usata per la rilevazione del rinculo, si rimanda a due precedenti articoli: “Tiro dinamico: palla leggera o pesante” e “Appunti sulla fisica del rinculo”).

I risultati del test a fuoco per il rinculo, sono riassunti sulla seguente tabella:

Tabella comparazione rinculo tra ogive CB e FMJTC

Il grafico successivo mostra la distribuzione dei colpi in funzione dell’impulso totale di rinculo calcolato e dell’elongazione registrata sul rest:

Distribuzione dei colpi in funzione dell’elongazione registrata

Come si evince dai dati, le CB permettono una riduzione del rinculo che, almeno per il calibro in esame, pare di entità contenuta e non molto distante dal limite di risoluzione del sistema elettro-meccanico utilizzato per le rilevazioni. La riduzione di rinculo sfiora il 4%, attestandosi a meno della metà del vantaggio massimo teorico prima calcolato (9,2%).

Supponiamo che l’effetto di compensazione dell’ogiva CB, possa avvenire solo nel frangente che intercorre tra lo sporgere dei fori di compensazione dal vivo di volata e la totale fuoriuscita del proiettile dallo stesso. Nel caso specifico, tale tempo è calcolabile supponendo la velocità alla volata pari a 375m/s e la lunghezza del tratto di interesse sul proiettile pari a circa 8mm. Otteniamo un tempo di efficacia prossimo ai 20µs. Tale intervallo è probabilmente troppo limitato per esaurire l’intero effetto jet, che verosimilmente proseguirà dopo l’uscita del proiettile dalla volata, riprendendo la sua azione di spinta retrograda sull’arma.

Questa dinamica potrebbe spiegare l’effetto parziale della riduzione di rinculo rispetto a quella attesa. Seguendo il ragionamento descritto, per una maggiore efficacia nella compensazione, si dovrebbe allungare ulteriormente il proiettile creando una parete che sfrutti l’intera profondità del bossolo. Inoltre, un’inclinazione all’indietro dei fori di compensazione sulla pallottola, potrebbe migliorare la resa velocitaria sulla palla ed indirettamente, rendere possibile un’ulteriore riduzione del rinculo.

Il test di precisione con l’arma vincolata al rest, conduce a rosate per le CB non particolarmente strette. Alla distanza di 25m si registra un diametro di rosata prossimo ai 10cm per le CB, contro i 4cm delle FMJ.

Conclusioni

Abbiamo dunque esaminato e verificato le principali qualità attribuite alle ogive CompBullet:

a) Perfetta costanza nel peso e nelle quote

Possiamo confermare che il grado di lavorazione delle CB è eccellente con notevole costanza ponderale e dimensionale, fa eccezione la ribava del foro assiale che andrebbe eliminata sul prodotto finito.

b) Maggiore velocità del proiettile

Anche la risposta velocitaria delle CB è migliore se comparata a proiettili standard: nei nostri test, a pari dose di propellente si riesce ad erogare maggiore velocità rispetto ad ogive FMJ. Supponiamo che il vantaggio derivi dalla maggiore densità di caricamento causata dal maggiore ingombro delle ogive in ottone. L’incremento velocitario rilevato appare comunque ridotto, anche se l’uso di altri propellenti potrebbe enfatizzare tale vantaggio.

c) Ritorno in puntamento più rapido grazie alla riduzione del rinculo

Per quanto rilevato sul 9×21 la riduzione di rinculo è presente ma, di entità modesta. Al crescere della massa di propellente usata e/o al ridursi della velocità in volata, l’effetto di diminuzione del rinculo potrebbe essere più evidente.
Un differente dimensionamento delle ogive, allungando il più possibile il corpo cilindrico della palla, dovrebbe condurre ad una ulteriore diminuzione del rinculo, così come l’inclinazione all’indietro dei fori di compensazione sulle ogive. Notiamo anche che i fori di compensazione sono in numero pari; la scelta di progetto tipica per i sistemi rompifiamma è di un numero di aperture dispari che, da sperimentazione, riducono le oscillazioni del flusso di gas in volata, interferendo meno con il moto del proiettile. Infine, risulta migliorabile la precisione di rosata.

Note:
Per altri dettagli sulle ogive compensate visitate il sito CompBullet.com

Flattened Ball powder Hodgdon BLC2
primo piano di un grano (foto al SEM)

Su di un precedente articolo (vedi al link) abbiamo dato una prima distinzione delle polveri infumi facendo riferimento alla tecnica utilizzata per la gelatinizzazione della nitrocellulosa. Senza dubbio, i processi e le modalità di produzione delle polveri propellenti presentano così numerose varianti, da rendere quasi impossibile una classificazione rapida e schematica. Oltre alle distinzioni già fatte per l’agente gelatinizzante impiegato, per la base singola o doppia, od ancora per la tecnica di realizzazione dei grani tra polveri laminate, estruse o granulari, rimane ancora da citare una grande famiglia delle polveri infumi, quella delle ball powder. Questo nome, che si potrebbe tradurre in “polveri sferoidali”, non si riferisce soltanto alla forma dei granuli, bensì all’intero processo di produzione che pur restando inalterato nelle sue basi chimiche rispetto alle altri polveri infumi, è stato profondamente rivoluzionato nei tempi e nei metodi operativi.

Il procedimento standard per la produzione di propellenti a base di nitrocellulosa richiede, oltre a numerose e costose manipolazioni, un periodo di tempo nell’ordine dei mesi per ciascun lotto di fabbricazione, con la conseguenza dell’accumulo pericoloso di grandi quantità in corso di lavorazione; ciò principalmente per la necessità di eliminare dalla nitrocellulosa, dopo il processo di nitrazione, ogni traccia di acidità residua che ne compromette la stabilità. Il processo di deacidificazione risulta particolarmente difficoltoso, sia a causa dei fenomeni di adsorbimento (gli acidi si legano alle superfici della fibra) sia per le numerose cavità nei filamenti di cellulosa. Da tali cavità è difficile che gli acidi residui (prevalentemente acido solforico) passino all’acqua di lavaggio. Di contro, un residuo acido accelererebbe quei processi di decomposizione spontanea per invecchiamento che determinano la formazione di gas, ossidi del carbonio e soprattutto di azoto. Questi ultimi combinandosi con l’ossigeno e l’umidità dell’aria, danno luogo ad altri acidi che accelerano ulteriormente il deterioramento della nitrocellulosa (reazione auto-catalizzante). Il deterioramento determina di solito l’emanazione di un odore acre e può condurre pericolosamente ad una accensione spontanea.

Fibre di cellulosa (foto al SEM)

Il lungo processo di deacidificazione della nitrocellulosa richiede almeno 4 lavaggi preliminari in tini con acqua bollente e successivi risciacqui con acqua fredda, sequenza che impiega circa 40 ore; un successivo polpaggio: la nitrocellulosa viene sminuzzata in corte fibre per facilitare la fuoriuscita dell’acido dalle cavità (vengono aggiunti anche dei sali come il carbonato di sodio per una migliore neutralizzazione); ed infine ancora una serie di lavaggi tra bolliture e risciacqui. Questo per un totale di una ventina di passaggi ed una durata complessiva di oltre 52 ore di trattamento.

Fibre di cotone (foto al SEM) - il cotone è costituito da cellulosa quasi pura e spesso si parte da questo materiale per l’ottenimento della nitrocellulosa (nello specifico: nitrocotone) - con il cotone, le cavità nelle fibre sono ancora più presenti. Le fibre hanno infatti forma cava tubolare appiattita

Si applicò allo studio della stabilizzazione delle nitrocellulose, fin dal lontano 1920, il chimico americano Fred Olsen il cui nome rimarrà per sempre legato allo sviluppo delle ball powder. Addetto alla fabbrica di munizioni per l’esercito dell’Arsenale di Picatinny (New Jersey), nonostante il disinteresse delle autorità ufficiali, continuò gli studi sulla stabilizzazione della nitrocellulosa per suo conto, finché giunse a scoprire l’utilizzazione razionale della difenilammina e ad escogitare un processo di fabbricazione completamente originale che mise a frutto nel 1929 passando alla Western Cartridge Company delle industrie Olin.

Olsen intuì la necessità di invertire l’ordine dei processi di bollitura e polpaggio, il polpaggio infatti liberava gli acidi intrappolati nelle cavità dei filamenti, andando a contaminare le parti esterne della fibra già deacidificate durante la bollitura, inoltre grazie all’ausilio della difenilammina riuscì ad ottenere un dimezzamento dei tempi necessari alla stabilizzazione delle nitrocellulose. La difenilammina in bassa percentuale, oltre ad avere un effetto stabilizzante sulla nitrocellulosa finita, ha la proprietà di essere assorbita dalle fibre più avidamente degli acidi, ne prende quindi il posto liberando l’acido nella soluzione di lavaggio.

Il processo per la fabbricazione delle ball powder che lo stesso Olsen mise a punto, si combina bene con la sequenza per la stabilizzazione rapida della nitrocellulosa e rappresenta un conveniente metodo per la produzione di polveri a solvente fisso i cui grani possono essere rivestiti da sostanze ritardanti o acceleranti. La nitrocellulose, subito dopo essere stata polpata e sottoposta ad una prima bollitura per ridurre il contenuto acido, può essere utilizzata direttamente senza l’ausilio di altri passaggi di deacidificazione. Dopo essere stata miscelata ad acqua e triturata, può essere usata anche polvere infume ormai deteriorata, contenente prodotti di decomposizione acida.

Flattened Ball powder Hodgdon BLC2
grani globulari lisci e compatti (foto al SEM)

Qualunque sia la materia prima utilizzata, la prima necessità è quella di stabilizzarla con la completa rimozione dell’acido. A tal fine, nel processo originale, il materiale di partenza in presenza di acqua viene disciolto da un agitatore in acetato di etile contenente difenilammina, per formare una sorta di sciroppo detto lacca o vernice. Come accennato, la difenilammina viene assorbita dalla nitrocellulosa più facilmente dell’acido già presente. Allo stesso tempo si aggiungono gli additivi o qualsiasi altra sostanza che si desideri incorporare nella polvere per eventualmente variarne il burning rate (flemmatizzanti) o la temperatura di deflagrazione (raffreddanti), etc.

La fase di acqua e lacca viene quindi mescolata per 30 minuti ottenendo la nitrocellulosa stabilizzata. Vengono quindi introdotti ancora nella soluzione, amido o gomma arabica per garantire la necessaria consistenza colloidale, dopo il passaggio ad un distillatore in pressione, la temperatura viene elevata in modo che la vernice diventi meno viscosa. A questo punto la nitrocellulosa si presenta come uno strato separato che galleggia sull’acqua del distillatore (l’acetato di etile gelatinizza la nitrocellulosa). Questo strato viene frammentato da pale ruotanti ed i frammenti liquidi vanno a formare goccioline sferiche in emulsione. Le dimensioni dei globuli possono essere regolate dal grado di agitazione meccanica. Quando sono raggiunte le dimensioni volute le pale dell’agitatore vengono fermate e la pressione viene ridotta, l’acetato di etile viene distillato e recuperato. Se la distillazione è effettuata troppo rapidamente, i grani assumono la forma di fiocchi. Se essa viene effettuata ad un ritmo tale che il solvente volatile possa evapora dalla superficie dei globuli alla medesima velocità di quanto esso si muova dall’interno verso la superficie degli stessi, si ottengono dei grani sferoidali lisci, densi e di struttura omogenea.

Eliminando l’acetato di etile, le sfere di nitrocellulosa si indurisco trattenendo parte dell’acqua in cui si trovano immerse. Per facilitarne la disidratazione, si incrementa progressivamente il contenuto salino della soluzione acquosa aggiungendo solfato di sodio (un sale). In questo modo si avvia un trasferimento osmotico attraverso la superficie dei grani: l’acqua a minor contenuto salino, tende a trasferirsi dall’interno dei granuli alla soluzione esterna, essendo questa a concentrazione salina più alta. A disidratazione avvenuta, la soluzione salina viene ricambiata con nuova acqua.

Dopo la disidratazione (parziale), le sfere di nitrocellulosa vengono impregnate (imbibizione) in giusta dose con una emulsione di nitroglicerina. Nella medesima fase si possono aggiungere anche altri agenti di rivestimento ad esempio flemmatizzanti e raffreddanti. Dopo di che, la polvere si essicca, lasciando la nitroglicerina e le altre sostanze depositate sulla superficie dei grani a formare una cuticola di medio spessore. La polvere viene poi grafitata (miglioramento della scorrevolezza e riduzione dell’accumulo di elettricità statica), si selezionano i granuli secondo le dimensioni e la densità, si elimina lo scarto che viene rilavorato, infine si formano le miscele dei vari lotti in modo da standardizzare la produzione. Per alcune polveri, al fine di modificare ed uniformare i tempi combustivi dei grani ed in alcuni casi facilitarne l’accensione (tipicamente difficile nelle ball powder a causa della cuticola prima descritta), si prevede anche una fase intermedia di calandratura: i grani vengono passati tra rulli caldi in acciaio in modo da deformarli plasticamente da sferoidali a discoidali, appiattendoli al medesimo spessore ed ottenendo, se desiderata, anche una frattura del rivestimento (prevalente sulla linea mediana del grano); le polveri in questo caso si identificano come “flattened ball powder”.

Il processo di calandratura risolve anche un problema di costi di produzione. Infatti, proprio per il metodo usato nella determinazione della dimensione dei grani, non è possibile ottenere con precisione globuli di taglia unica. Questo determinerebbe, in fase di selezione dimensionale, un notevole abbattimento delle quantità prodotte ed una grossa parte della polvere andrebbe rilavorata (soprattutto per polveri con grani di piccolo diametro). La calandratura permette di avvicinare le caratteristiche balistiche dei grani più grossi, che vengono appiattiti, a quelle dei grani di diametro inferiore non deformati. Anche per questo è tipico trovare congiuntamente grani flattened e non flattened nella medesima confezione di polvere.
Da notare che prima dell’essiccazione, tutte le operazioni per la produzione delle ball powder sono svolte in acqua, quindi sicure.

Flattened Ball powder Hodgdon BLC2

Dal punto di vista fisico-chimico il procedimento che abbiamo sommariamente descritto presenta parecchie caratteristiche molto importanti. Fondamentale diventa la funzione della difenilammina, la quale da semplice additivo dell’impasto di nitrocellulosa già gelatinizzata, assorbente degli ossidi di azoto prodotti dall’attacco dell’acido ancora presente, passa adesso a componente essenziale che agisce sulle fibre della cellulosa: vi penetra completamente e sposta in pratica tutto l’acido proveniente dalla nitrazione. In tal modo con grande efficacia e rapidità viene eliminata la causa della decomposizione della nitrocellulosa la quale diviene completamente stabile; e con ciò sono eliminati molti pericoli della conservazione. Questa funzione della difenilammina viene compiuta invece solo parzialmente nel processo tradizionale di lavorazione.

In secondo luogo, l’impregnazione dei globuli con nitroglicerina in emulsione dopo la gelatinizzazione e l’aggiunta di flemmatizzanti, consente di regolare con grande precisione lo sviluppo della combustione del granulo, formando uno strato esterno, a volontà più o meno spesso, a combustione rallentata. La velocità di combustione, e con essa lo sviluppo dei gas, viene rallentata all’inizio e accelerata alla fine compensando la riduzione delle dimensioni del grano (i grani bruciano per strati paralleli). In tal modo, si avrà uno sviluppo di pressioni progressivo e senza il superamento dei limiti di sicurezza, avendo anche la massima resa come spinta sul proiettile.

Il gruppo Olin mise in produzione la ball powder nel 1933 ad East Alton nell’Illinois, per lanciare la nuova polvere la Winchester (sempre del gruppo Olin) mise sul mercato le cartucce 308 Winchester e per il medesimo calibro, una versione alleggerita del modello 70 a ripetizione. Il Dipartimento della Guerra statunitense, di fronte alla qualità e ai vantaggi della nuova polvere, assorbì quasi tutta la produzione e notevoli quantità furono prodotte allo scoppio della 2^a guerra mondiale. La prima conseguenza rivoluzionaria fu che gli stessi risultati balistici potevano essere ottenuti con cartucce il cui bossolo contiene un molto minor volume di polvere e che perciò può essere molto accorciato: da cui minori dimensioni, peso e ingombro di armi e munizioni ridotti e risparmio di costi. Da questi risultati è derivata la cartuccia T65 per l’armamento unificato NATO (anche detta: “U.S. Ball Cartridge T65″ o ancora “7,62 NATO”). Questa nuova munizione era in grado di generare più o meno le stesse prestazioni del .30-06 Springfield, pur possedendo delle dimensioni minori: in particolare il bossolo misurava solo 51mm contro i 63mm del .30-06.

Speedy.

Bibliografia:

“Tecnologia delle armi da fuoco portatili” di Giuseppe De Florentiis
Milano - Ulrico Hoepli Editore, 1987.
“Hatcher’s Notebook” di J.S.Hatcher
Harrisburg (PA) - Stackpole Books, 1966 (III edizione).
“The Chemistry of Powder and Explosives” di Tenney L. Davis
Hollywood (CA) - Angriff Press, 1972.

Alcune volte capita ancora di parlare del moly-coating, ossia di un particolare trattamento superficiale a cui vengono sottoposti i proiettili soprattutto per carabina. Si tratta di un sottilissimo rivestimento a base di “molybdenum disulfide”, in italiano: bisolfuro di molibdeno, abbreviato dagli americani in “moly”.

Figura 1 - Bisolfuro di molibdeno al microscopio elettronico

Il bisolfuro di molibdeno, similmente alla grafite, viene usato generalmente in forma di polvere impalpabile dal colore grigio-antracite o nero e, come la grafite, ha una struttura lamellare che consente di ottenere bassi coefficienti di attrito (vedi Figura 1). Le lamelle infatti scorrono facilmente l’una sull’altra anche ad elevati carichi. Il coefficiente di attrito del bisolfuro di molibdeno rimane praticamente costante al crescere della temperatura, sino ad arrivare agli 800 o 900°C, temperatura superata la quale si ha la tendenza alla decomposizione del bisolfuro con la separazione del molibdeno metallico. A questa temperatura il coefficiente di attrito sale notevolmente sino a raggiungere i valori tipici dei metalli puliti (da: “Attrito e Lubrificazione” di E.P.Bowden e D.Tabor).

Come detto, poiché il bisolfuro di molibdeno ha un buon coefficiente d’attrito, esso viene impiegato per rivestire superfici striscianti allo scopo di migliorarne le caratteristiche d’attrito. Tuttavia, avendo una struttura lamellare con debole adesione tra le lamelle, risulta difficoltoso farlo aderire bene alle parti da lubrificare. Un metodo generale è quello di strofinarlo sulle superfici stesse, ma se i risultati dovessero essere scarsi, non resta altro che fissarlo con l’ausilio di resine adatte od utilizzando sostanze veicolanti opportune.

Date le caratteristiche antiattrito, si è pensato quindi di applicare il moly alla superficie dei proiettili per ridurre principalmente l’attrito di strisciamento in canna. Il sistema sin dalla sua comparsa ha avuto sostenitori e detrattori ma, come spesso accade, pochi hanno condotto test approfonditi sull’argomento. I principali vantaggi che il trattamento dovrebbe fornire sono: riduzione della pressione di esercizio a parità di V₀, miglioramento della precisione, estensione della vita della canna e riduzione dei depositi metallici rilasciati allo sfregamento della mantellatura dei proiettili. Su quest’ultimo punto bisogna dire che a fronte di una potenziale riduzione dei residui metallici sulla rigatura, nella sezione della canna immediatamente successiva alla camera di cartuccia, si potrà avere un accumulo di moly, pericoloso per la possibilità di sovrappressione. La cadenza di pulizia della canna non dovrebbe quindi essere allungata.

Il metodo di applicazione alla superficie dei proiettili è generalmente quello per urto e strofinio meccanico, ottenuto al’interno di un buratto a vibrazione (tumbler). Nel buratto vengono inserite le palle previa sgrassatura, una opportuna quantità di bisolfuro di molibdeno in polvere e delle sfere di acciaio da 3,5 o 4 mm (con rapporto sfere/palle di 2 a 1 in peso). Per circa 3Kg di carico sono necessarie almeno 2 ore di burattatrice dopo le quali le palle, separate dalle sfere d’acciaio, vengono ripulite dall’eccesso di moly mediante un secondo rapido passaggio in vibropulitore con graniglia di tutolo oppure usando un panno morbido. Il metodo industriale prevede, oltre alla deposizione del moly, anche un secondo trattamento di fissaggio del rivestimento con un sottilissimo strato addizionale di cera carnauba (processo originale della NECO).

Nelle nostre letture ci siamo imbattuti in quello che, secondo noi, è uno tra i migliori libri sull’analisi della precisione delle carabine: “Rifle Accuracy Facts” di Harold R. Vaughn (vedi la sezione Biblioteca). Da questo testo riportiamo un estratto, tradotto e rielaborato, di un paragrafo dedicato al test delle palle moly-coated, paragrafo che reputiamo estremamente interessante, se non altro per l’intuizione avuta dall’autore nella conduzione della prova (vedi al punto 1 di quanto a seguire).
I valori numerici di seguito riportati, si riferiscono alla media di un numero di campioni mai inferiore a cinque.

Moly Coated Bullets (da “Rifle Accuracy Facts” di H.R.Vaughn)

Recentemente si è scritto molto sui proiettili aventi un rivestimento in bisolfuro di molibdeno e cera carnauba. L’idea è che, sia il bisolfuro di molibdeno che la cera carnauba sono lubrificanti, essi dovrebbero ridurre l’attrito in canna e migliorare le prestazioni. I produttori di proiettili moly-coated pubblicizzano cinque principali miglioramenti, ho deciso di provare a testarli:

1) V₀ maggiori a parità di picco pressorio; grazie alla riduzione di attrito tra proiettile e canna, alla medesima pressione di picco, dovrebbe essere possibile raggiungere velocità alla volata superiori. Si afferma inoltre che con la stessa carica di polvere, un proiettile moly-coated rispetto ad un proiettile standard, a causa della riduzione degli attriti in canna avrebbe una velocità iniziale lievemente inferiore (decremento prossimo al 3 o 4%).

Ho effettuato un test specifico con ogive da 68 grani calibro 6mm (arma: rail gun Remington) con e senza trattamento al moly, sono stati rilevati i parametri di velocità alla volata e pressione in camera di cartuccia. La velocità media rilevata per i proiettili non rivestiti è stata di 3175 fps (968 m/s) rispetto ai 3083 fps (940 m/s) dei proiettili rivestiti. La differenza di velocità è stata quindi di 92 fps (28 m/s) o del 2,9%: dato che concorda con l’affermazione del produttore. Le misurazioni della pressione sono mostrate in Figura 2: per le ogive non trattate (foto a SX) e per quelle con rivestimento al moly (foto a DX). La scala verticale è di 10000 PSI (690 bar) per divisione. La pressione della camera era di circa 54000 PSI (3720 bar) per le pallottole non rivestite e di 47000 PSI (3240 bar) per i proiettili rivestiti (una differenza prossima ai 7000 PSI ossia 482 bar). L’effetto sulle pressioni della camera e sulle velocità alla volata, non cambiava alternando durante i test proiettili con e senza moly. Questo indica che non vi è alcun effetto residuo del rivestimento al moly le cui sostanze vengono quasi totalmente espulse dalla canna durante la deflagrazione.

Figura 2 - Tracce all’oscilloscopio che presentano la misura di pressione in camera con e senza trattamento al bisolfuro di molibdeno e cera carnauba. La foto a SX mostra una pressione di picco di circa 54000 psi (velocità iniziale di 3175 fps) per le pallottole non rivestite e la foto a DX mostra una pressione di picco in camera di circa 47000 psi (velocità iniziale di 3083 fps) per i proiettili rivestiti. Sono stati utilizzati proiettili match da 68 grani, 6mm-BR, e carica di lancio ottenuta con 27gr. di N133.

Credo che il calo di pressione e di velocità registrato, non sia in realtà causato da una riduzione degli attriti, come proposto dai produttori (nel caso specifico la svedese Norma Precision), ma esso sia causato dal gas propellente caldo (5640°F / 3115°C) che vaporizza le sostanze del rivestimento al moly. Tale vaporizzazione ha come conseguenza un raffreddamento complessivo dei gas propulsivi.

La ragione per cui di questo sono certo è che, se si utilizza un sofisticato simulatore di balistica interna riducendo notevolmente il fattore d’attrito in canna, la pressione scende così come atteso, ma la velocità aumenta leggermente. E’ infatti fisicamente impossibile che la riduzione dell’attrito in canna determini l’effetto misurato sulla pressione e la velocità (decremento congiunto di entrambi i parametri). Inoltre l’attrito del proiettile ha un effetto molto limitato sulla velocità. D’altra parte, la vaporizzazione del lubrificante richiede molta energia e provoca un calo della temperatura stimato in circa 400°F (200°C).

Il bisolfuro di molibdeno comincia a sublimare a 842°F (450°C) e fonde a 4802°F (2650°C – il molibdeno metallico fonde a 2623°C). Al fine di provare questa idea ho deciso di eseguire un test in cui ho semplicemente messo 0,07 grani di bisolfuro di molibdeno e 0,07 grani di cera carnauba nella parte superiore del bossolo, sulla polvere. Avevo infatti trovato che la differenza di peso, tra i proiettili rivestiti e non rivestiti, fosse di circa 0,15 grani (si è ipotizzato un contributo al 50% tra moly e cera) . Con questa particolare ricarica, la pressione misurata in camera si è ridotta di circa 4500 PSI (310 bar) e la velocità media si è ridotta di 50 fps (15 m/s). Questo risultato è simile, in termini di variazione di pressione e velocità, ai valori ottenuti durante la prova comparativa tra proiettili rivestiti e non rivestiti, anche se l’effetto è stato di entità inferiore. Forse, giocando sul rapporto tra bisolfuro di molibdeno e cera, si potrebbe ottenere un risultato identico a quanto rilevato nel confronto tra le tipologie di proiettili. Comunque, questo test mi ha convinto che il bisolfuro di molibdeno raffredda il gas propellente e ne determina la riduzione di pressione. In ogni caso, la perdita di pressione della camera non ha nulla a che fare con l’attrito del proiettile.

Il passo finale era poi quello di aumentare la carica di lancio del 6mm-BR, da 27 a 28 grani di N133 e cercare di spingere i proiettili rivestiti allo stesso livello pressorio dei non rivestiti, misurando contestualmente la velocità alla volata. Con 28 grani di N133, la curva di pressione ottenuta è stata quasi identica a quella rilevata sui proiettili non rivestiti e mostrata in Figura 2 (a SX), la velocità è stata di 13 fps (4 m/s) più elevata di quanto misurato sui proiettili tradizionali (non trattati al moly). La Norma Precision, a parità di pressione, dichiara un aumento della velocità con differenze prossime ai 10 m/sec (32 fps), dato che ci pare verosimile. Comunque, non ho trovato molto incoraggiante l’aumento delle prestazioni velocitarie ottenuto.

2) Si è spesso sentito dire che, a lunga distanza (600 metri), il punto di impatto dei proiettili rivestiti fosse più in alto rispetto ai medesimi privi del trattamento al moly, il che implica una traiettoria più tesa quindi un aumento del coefficiente balistico del proiettile trattato. Ho misurato la perdita di velocità su una distanza di 100 metri comparando proiettili rivestiti e non rivestiti. I proiettili non rivestiti perdono 325 fps (99 m/s) contro i 323 fps (98,4 m/s) di quelli rivestiti. La differenza di 2 fps (0,6 m/s) è entro i limiti di accuratezza della misura, quindi sono costretto a concludere che non ci sia alcuna differenza nel coefficiente balistico. Inoltre, non vi è alcun motivo di aspettarsi una significativa differenza del coefficiente balistico perché la pallottola avrà perso quasi totalmente il proprio rivestimento lubrificante se non all’interno della canna, in prossimità della volata. Il proiettile infatti è caldo (600°F / 315°C) e lo strato limite (aria prossima alla superficie del proietto) è anch’esso caldo (750°F / 400°C), questo farà in modo che il rivestimento in cera svanisca quasi istantaneamente ammesso che ne siano rimaste tracce dopo aver attraversato la canna.

Inoltre, non vi è alcun fondamento nell’idea che un qualsiasi tipo di rivestimento lubrificante possa ridurre la resistenza aerodinamica abbassando l’attrito superficiale del proiettile. Ammesso comunque che ciò sia accaduto, l’attrito aerodinamico dovuto alla superficie del proiettile è solo una piccola parte della resistenza aerodinamica totale. Quanto riportato sul miglioramento balistico dei proiettili moly-coated è certamente dovuto all’ottimistica stima dell’aumento velocitario raggiungibile o dovuto al diverso istante d’uscita dalla canna (frequenza di vibrazione) connesso alle diverse velocità tra i caricamenti esaminati.

3) Si è portati a credere che le palle moly-coated abbiano una maggiore accuratezza (fino al 20%). Non trovo che questo sia vero sulla mia carabina (rail gun Remington) che in media spara con rosate da 0,175 pollici a 100 yards (4,45mm a 91,4m). Con la stessa carica ottimale di 27 grani di H322 e lo stesso lotto di proiettili (alcuni dei quali successivamente trattati al moly), ho ottenuto una dimensione media della rosata di 0,179” (4,55mm) con proiettili al moly, rispetto agli 0,175” (4,45mm) per le pallottole non rivestite. Naturalmente, le velocità alla volata differivano di 92 fps (28 m/s), come detto, una V₀ inferiore per i proiettili moly-coated (a parità di carica di lancio). Quando ho provato ad incrementare la carica sino ai 28 grani (palle moly-coated), in modo da ottenere la stessa velocità iniziale dei proiettili non rivestiti, la dimensione della rosata è aumentato a circa 0,3 pollici (7,62mm).

Per quanto ho potuto vedere la precisione non è stata migliorata, ma questo è il caso di una specifica arma in una specifica condizione. I risultati potrebbero essere diversi con cartucce differenti ed armi differenti. Inoltre non ho fatto alcun tentativo per ottimizzare la ricarica. Una cosa che mi venne in mente fu che, se non si ottiene una buona uniformità del rivestimento in cera e moly, si potrebbe creare uno spostamente del centro di gravità della pallottola rispetto all’asse geometrico della stessa. Il bisolfuro di molibdeno ha una densità che è circa il 40% di quella del piombo. Così, un rivestimento non uniforme potrebbe fare la differenza. Credo comunque che il rivestimento da me ottenuto sia un buon rivestimento tra quelli tipicamente realizzabili.

4) Si sostiene che i proiettili moly-coated riducano la formazione di incrostazioni e residui in canna. Credo che questo possa essere vero, anche se non ho sparato abbastanza proiettili rivestiti al moly tali da consentire una stima quantitativa degli effetti. Tuttavia, ho avuto l’impressione che non fosse necessario pulire frequentemente la canna.

5) La Norma Precision sostiene che la vita media della canna venga estesa con l’uso di pallottole rivestite. Credo che questo possa essere vero e logico. Dopo tutto, la pressione e la temperatura vengono ridotte a parità di carica e questo dovrebbe ridurre l’erosione della canna. Tuttavia, non voglio sparare decine di migliaia di colpi solo per scoprirlo e poter essere certo di tale affermazione.

In sintesi

Non ho trovato alcuna prova significativa di una migliorata prestazione velocità/pressione, né di un miglioramento della precisione o del coefficiente balistico. I proiettili moly-coated sembrano invece mantenere più pulita la canna. L’effetto sulla vita media della canna non è stato testato. In questo limitato test e per i miei scopi, non vedo alcun motivo che mi spinga all’utilizzo di proiettili rivestiti. Tuttavia, si consiglia di provare, perché al cambiamento delle condizioni si potrebbero ottenere risultati differenti.

Rilevamento allo sparo di una Para-USA LDA in cal. 45
Foto originale di Joe Huffman: blog.joehuffman.org
Ottimizzazione a cura di: ArtMagicBox.com

• Presupposti teorici del rinculo
  
• Il sistema di misura utilizzato
  
• Organizzazione dell’esperimento
  
• Risultati sperimentali
  
• Conclusioni
  
• Considerazioni finali
  

Spesso, sui campi di tiro dinamico, si discute della convenienza di raggiungere il Power Factor desiderato (di seguito PF) usando palle dal peso maggiorato piuttosto che standard. La tradizione di questo sport suggerisce infatti che il minor rinculo (e quindi il minore rilevamento dell’arma, potendo doppiare più velocemente i colpi) è ottenibile utilizzando ogive, ancora compatibili con il calibro in uso ma, dal peso più elevato possibile. Oltre alle considerazioni soggettive ed alla sensibilità di ciascun tiratore, pochi sono stati coloro i quali hanno tentato di giustificare teoricamente il presunto fenomeno e ancor meno, coloro che hanno effettuato delle prove ripetibili ed oggettive in una comparazione misurabile. Di contro, proprio perchè basata su dati soggettivi, la questione risulta piuttosto controversa.

Determinati a porre rimedio a questa lacuna di sperimentazione, dopo diverse decine di ore trascorse in laboratorio e sui campi di tiro per la messa a punto del sistema di misura, siamo oggi in grado di proporre ai nostri lettori i risultati dei test sul supposto vantaggio offerto dall’uso delle ogive pesanti. A seguire potremo finalmente dare un’idea quanto meno qualitativa, se non addirittura quantitativa, della diversità di reazione dell’arma. Oltre all’impennamento della stessa, abbiamo anche voluto rilevare i tempi di riarmo: misurando infatti la reazione del carrello, abbiamo verificato se anche da questo punto di vista, ci fossero variazioni degne di nota al mutamento del peso palla.

In quest’articolo proveremo dunque a rispondere alle seguenti domande:

1) Esiste un presupposto teorico che fa propendere per il caricamento con palla pesante?
2) A parità di fattore, è conveniente usare palle pesanti piuttosto che leggere per ridurre il rilevamento dell’arma ?
3) Usando palle pesanti, si rallenta il ciclo di riarmo della pistola ?

Presupposti teorici del rinculo (↑)

Questa sezione tratterà di alcuni presupposti teorici, a volte un po’ astratti. Per coloro che non fossero particolarmente interessati a questi passaggi matematici, suggeriamo di procedere alla lettura della sezione successiva.

Un noto principio della fisica scoperto da Newton (1643-1727), afferma che ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Questo principio lo conoscono bene tutti coloro a cui è mai capitato di sparare un colpo con armi da fuoco.

La teoria che sta alla base del rinculo è piuttosto complessa, ma in estrema sintesi, possiamo affermare che un’arma rincula a causa della legge di conservazione della quantità di moto. In sistemi isolati, ossia non soggetti a forze esterne al sistema stesso, per una legge della fisica, la quantità di moto totale del sistema non può cambiare  (la quantità di moto iniziale deve uguagliare quella finale). Si definisce quantità di moto q di un corpo di massa m, che si muove alla velocità V, proprio il prodotto massa per velocità: q=m•V (per semplicità, si ometteranno le indicazioni di vettore).

Ad esempio, possiamo considerare come un sistema, un fucile carico. La quantità di moto totale di questo sistema è nulla perché, considerando il sistema in quiete, ogni sua parte è ferma, quindi le velocità sono nulle. Al momento dello sparo si ha una variazione di quantità di moto perché all’interno della canna del fucile si sta accelerando la pallottola che assumerà alla volata la propria V₀ ed una quantità di moto pari a:

q_palla = m_palla • V₀

Ipotizzando il sistema isolato (esso cioè non interagisce con l’ambiente che lo circonda), possiamo applicare la legge di conservazione della quantità di moto: se inizialmente, la quantità di moto del sistema “fucile più pallottola” era nulla, anche dopo lo sparo dovrà rimanere nulla (la quantità di moto si conserva). Quindi il fucile dovrà assumere una sua quantità di moto uguale e contraria a quella assunta dal proiettile: somma “algebrica” nulla (sarebbe più corretto parlare di somma vettoriale). In definitiva, il fucile verrà “spinto” nel senso opposto (all’indietro) rispetto all’espulsione del proiettile, sino ad assumere una velocità per cui:

m_arma • V_arma = m_palla • V₀

La quantità di moto del fucile deve eguagliare quella del proiettile: q_arma = q_palla. A questo, in definitiva, è dovuto l’impulso di forza (I_r) che si avverte allo sparo di un’arma, impulso noto come “rinculo”.

Dovendo andare nel dettaglio, al momento dello sparo, oltre ad imprimere una certa velocità al proiettile, stanno accelerando, subendo quindi anch’essi variazione di quantità di moto, i gas di deflagrazione. La loro massa totale, nell’ipotesi di interazione nulla con l’aria, può essere considerata pari a quella della polvere propellente contenuta nella cartuccia (legge chimica di Lavoisier sulla conservazione della massa). La velocità di tali gas è nulla in corrispondenza del fondello del bossolo (culatta dell’arma) e pari alla velocità del proiettile un istante prima che esso lasci il vivo di volata. Per semplificare, possiamo quindi considerare una velocità media dei gas all’interno della canna pari a V₀/2. Ritornando all’equazione ed effettuando le medesime considerazioni sulla conservazione della quantità di moto, dovremo quindi avere:

m_arma • V_arma = m_palla • V₀ + m_polvere • V₀/2

Il fucile, pertanto, verrà spinto all’indietro non solo a causa dell’accelerazione del proiettile, ma anche a causa dell’accelerazione dei gas di deflagrazione. Queste due prime componenti del rinculo costituiscono quello che viene definito “rinculo primario”.

Esiste una terza componente da considerare, componente che viene denominata di “rinculo secondario”: essa, a differenza delle prime due, interviene al momento dell’uscita del proiettile dalla canna (cioè dopo il “tempo di canna”). Non appena il proiettile lascia la volata infatti, i gas contenuti nella canna si espandono rapidamente sino a raggiungere la pressione atmosferica. Questa violenta fuoriuscita dei gas provoca una sorta di “propulsione”, un “effetto razzo” o “Jet”, che determina una quantità di moto addizionale pari a

q_gas = m_polvere • V_gas

La velocità di efflusso dei gas di deflagrazione dalla volata è generalmente, soprattutto in armi a canna corta, di molto superiore alla velocità del proiettile (i gas superano il proiettile appena oltrepassata la volata). Quindi sommando tutte le componenti del rinculo avremo infine:

m_arma•V_arma = m_palla•V₀ + m_polvere•V₀/2 + m_polvere•V_gas

La velocità di efflusso dei gas, V_gas , non è facilmente rilevabile e spesso ci si affida a stime di massima, relazioni empiriche (es. Hatcher) o a tabelle sperimentali raccolte da laboratori balistici. Applicando quanto detto al nostro caso sperimentale, che prevede l’uso di una pistola, proprio facendo riferimento a tali tabelle per il calibro e la lunghezza di canna considerata (9×21, 113mm), abbiamo approssimato che la velocità di efflusso dei gas fosse quasi doppia rispetto alla velocità del proiettile.
Più esattamente, supporremo:

V_gas = 1,9 • V₀

Semplificando e sostituendo V_gas , avremo le equazioni:

m_arma • V_arma = m_palla • V₀ + m_polvere • V₀ • ( 0,5 + 1,9)

m_arma • V_arma = m_palla • V₀ + m_polvere • V₀ • 2,4

Da questa relazione capiamo che ciò che chiameremo impulso di rinculo Ir = m_arma • V_arma (l’unità di misura dell’impulso è il Newton x secondo: N•s), dipenderà sia dal prodotto tra massa della palla e velocità di questa alla volata (definizione che ricorda, non casualmente, quella del PF: m_palla in grani moltiplicata la V₀ in fps, diviso 1000), che dalla quantità di polvere contenuta nella cartuccia moltiplicata per K volte la V₀, con K da definire in base al calibro, all’arma, alla lunghezza della canna e alla tipologia di munizionamento (nella nostra ipotesi K=2,4).

Venendo adesso ai presupposti teorici che dovrebbero avvantaggiare una ogiva pesante rispetto ad una leggera a parità di PF, ci rendiamo immediatamente conto che, avendo dato come condizione iniziale l’avere appunto il medesimo PF o in altri termini la medesima quantità di moto del proiettile (m_palla•V₀), i due caricamenti avranno impulsi di rinculo che differiranno solo per la quantità di moto legata alla massa della polvere, presumibilmente inferiore per la palla pesante che inoltre si muoverà a V₀ più basse. Ecco in cosa consiste il vantaggio legato all’uso delle palle pesanti, vantaggio accresciuto dall’impiego di polveri veloci tali da minimizzarne la dose (e quindi la massa). In conclusione, il vantaggio ottenuto in termini di impulso di rinculo sarà nel nostro caso:

ΔI_r = I_{r palla leggera 1} - I_{r palla pesante 2} =

= 2.4 • (m_{polvere 1} • V₀₁ – m_{polvere 2} • V₀₂)

con m_{polvere 1} > m_{polvere 2} e V₀₁ > V₀₂.

La quantificazione del vantaggio sopra determinato e quanto questo incida in termini di rilevamento dell’arma, saranno oggetto della parte seguente dell’articolo.

Il sistema di misura utilizzato (↑)

Per esigenze costruttive, l’impugnatura di una pistola si trova fuori asse in posizione inferiore alla canna. A causa di tale configurazione, al momento dello sparo, l’impulso di rinculo non provoca un semplice arretramento dell’arma, ma il vincolo sull’impugnatura determina una coppia che tende a far ruotare la pistola verso l’alto. Il moto retrogrado di rinculo verrà quindi scomposto ed assorbito anche nel rilevamento. Per le nostre prove ci siamo avvalsi di un rest rinculante che, a causa dei propri vincoli meccanici, “convertirà” l’impulso di rinculo nel “solo” movimento permesso: il rilevamento. Per misurare sia il rilevamento che la velocità del ciclo di riarmo, abbiamo utilizzato un Caldwell Hammr rest opportunamente modificato. In particolare abbiamo aggiunto, in parallelo alla molla idraulica di richiamo, un sensore elettronico di tipo potenziometrico tale da rilevarne l’elongazione (ad essa è infatti riconducibile la rotazione retrograda del rest in rilevamento - Figura1).

Figura1 - Rest e sensore potenziometrico

Inoltre, è stato costruito un sensore ad infrarossi che accoppiato ad un profilo ad “L” applicato alla pistola, è in grado di segnalare elettronicamente la posizione di carrello chiuso, permettendoci così di rilevare i tempi necessari per il ciclo di riarmo (Figura2).

Figura2 - Rest e sensore carrello

Per maggiori dettagli sulle modifiche effettuate al rest, attraverso l’indice potrete visionare tutti gli articoli relativi al Caldwell Hammr.

Organizzazione dell’esperimento (↑)

Per la prova sperimentale abbiamo utilizzato una pistola molto diffusa per il tiro dinamico (in categoria Production), la Tanfoglio Stock II in 9×21, dotata di molla di recupero standard da 5,37Kg e canna poligonale da 113mm. Come munizioni ricaricate abbiamo considerato l’adozione di polveri medio-vivaci, medio-progressive e progressive. In quest’ordine abbiamo usato: l’economica e diffusa Cheddite Granular S in granulometria grossa e le note Vihtavuori N340 e 3N37. Per le ogive, volendo avere omogeneità di sagoma al mutamento di peso, abbiamo scelto delle RNFMJ della Frontier/Northwest da 115, 124 e 146gr (queste ultime dalla particolare rastrematura di tipo boat-tail). In un processo di approssimazioni successive tra simulazioni al PC (grazie alla collaborazione di Andrea Gatti) e prove a fuoco, sono state determinate le dosi di propellente tali da produrre valori di PF quanto più possibili vicini a 125. La Tabella1 riassume le dosi determinate alla conclusione delle prove.

Per ciascuna delle nove combinazioni possibili tra ogive e polveri, riferendoci alla relazione matematica prima determinata (I_r = V₀•[m_palla + 2,4 • m_polvere]), abbiamo calcolato l’impulso di rinculo teorico. Come mostrato sulla Tabella2, a parità di polvere, l’uso di un’ogiva da 146gr contro una da 115gr, comporta un vantaggio massimo in termini di impulso, prossimo al 4%, che si abbassa a meno del 2,5% nel confronto con una 124gr. Come supposto precedentemente, abbiamo l’evidenza che: il rinculo minimo si ottiene con palle pesanti spinte da polveri vivaci; quello massimo, con palle leggere spinte da polveri progressive. Tra tutte le combinazioni esaminate, abbiamo sottoposto a test di rilevamento proprio questi due accostamenti, essi danno uno scarto massimo calcolato prossimo al 6%, avremo quindi: palla da 146gr con dose da 3,7gr di Cheddite Granular S (impulso minimo a 2,62N•s) e palla da 115 grani con dose da 6,1gr di Vihtavuori 3N37 (impulso massimo a 2,79N•s). Come combinazione per un impulso intermedio, abbiamo scelto la cartuccia con palla da 124gr e dose di 4,9gr di Vihtavuori N340 (impulso a 2,71N•s).

Tab.2 - Tabella degli Impulsi teorici

In teoria quindi, tra tutte le combinazioni di Tabella2, il vantaggio nell’uso di una palla da 146gr è piuttosto contenuto, soprattutto in comparazione ad una ricarica con palla standard da 124gr.

Tab.3 - Tabella vantaggio % teorico per palla da 146gr (per tutte le combinazioni esaminate)

Fig.3 – Proporzione teorica tra l’impulso totale e la componente relativa alla polvere

Sulla Tabella3 riassumiamo le differenze teoriche, tra impulsi di forza, per le combinazioni palla/polvere prescelte. La Figura3 illustra quanto, la componente di rinculo dovuta al propellente, incida sull’impulso di rinculo totale.

parte1 ↑

parte2 ↓

Risultati sperimentali (↑)

Lasciamo adesso l’ambito teorico e proviamo ad esaminare gli effetti pratici. Per la raccolta dei dati sperimentali, secondo quanto indicato in Tabella4, abbiamo effettuato una selezione ponderale delle ogive utilizzate .

Tab.4 - Selezione ponderale e caratteristiche ogive

Naturalmente, nei risultati di calcolo non si è considerato il peso nominale, ma il peso medio reale delle ogive. La prova a fuoco si è svolta alla temperatura ambiente di 32°C con una umidità relativa del 21%, il cronografo è stato posizionato ad una distanza dalla volata di 2,5m. Le munizioni sono state assemblate con: OAL a 29,5mm, inneschi CCI500sp, bossoli Fiocchi al primo sparo e propellente in dose come da Tabella3. I lotti di polvere usati sono mostrati in Tabella5.

Tab.5 - Lotti della polvere usata

La sensoristica elettronica che equipaggia il rest, viene connessa ad un sistema di acquisizione tramite PC. I segnali elettrici monitorati sono mostrati a video e salvati su hard-disk. In Figura4 presentiamo una visualizzazione tipica: la traccia blu dell’immagine rappresenta il movimento di estensione/contrazione della molla di richiamo del rest. Essa si allungherà sino ad un apice dipendente dall’intensità dell’impulso di rinculo, per poi richiamare il rest alla posizione di riposo. Al ritorno in batteria è possibile notare un lieve rimbalzo del sistema meccanico rinculante (assestamento del segnale elettrico). Per la valutazione del rilevamento dell’arma si è considerato il valore massimo della traccia, poi correlato all’allungamento in millimetri della molla.

Fig.4 – Segnali elettrici generati dal rest ed acquisiti su PC

La traccia rossa (sempre di Figura4) rappresenta invece la sequenza del carrello. Se il segnale elettrico è alto, il carrello si intende aperto. Dopo il ciclo di riarmo, si nota un rimbalzo in chiusura che porta il carrello ad aprirsi nuovamente, per poi assestarsi pronto al colpo successivo. Per la valutazione del tempo necessario al riarmo della pistola si è considerata la durata di apertura precedente al rimbalzo (prima parte del segnale, circa 45ms).

Fig.5 – Confronto dei segnali elettrici acquisiti per ogive da 115 e 146gr

Fig.6 – Segnali elettrici generati dal rest ed acquisiti su PC

In Figura5 viene mostrato il confronto tra i segnali elettrici ottenuti al cambiamento del peso dell’ogiva (un colpo per tipo). I segnali sono sincronizzati nell’istante di prima apertura del carrello. Operando uno zoom sulla visualizzazione, nel momento dell’iniziale chiusura dell’otturatore (vedi Figura6), ci sembra di notare un cambiamento di pendenza del segnale elongazione (minore velocità di ascesa del rest). Ipotizziamo che in quel punto avvenga la restituzione al sistema di parte dell’energia accumulata da molla di recupero e massa scorrevole del carrello.

Diciamo subito che le differenze tra le munizioni esaminate danno luogo a variazioni estremamente contenute, sia in termini di elongazione della molla (differenze nell’ordine dei 2mm) che di ritardo nella chiusura dell’arma (differenze prossime ad un millesimo di secondo). Per questa ragione è stato necessario considerare il valor medio su un campione sufficientemente numeroso (20 colpi per tipologia), in modo da ridurre l’effetto della naturale variabilità di risposta (disturbi, condizioni di test non totalmente controllabili, etc). Per rendere omogenee le condizioni di misura, prova dopo prova, si è anche considerato un numero costante di munizioni all’interno del caricatore (inerzia e bilanciamento dell’arma). Troverete in Tabella6 la sintesi dei valori medi ottenuti durante le prove.

Tab.6 – Sintesi dei valori rilevati (medie su 20 campioni per tipo)

Il grafico di correlazione di Figura7, mostra la relazione tra il rilevamento dell’arma (elongazione) e l’impulso di rinculo calcolato (considerando: massa proiettile, massa polvere, V0 rilevata ed il modello matematico ipotizzato). Le nubi di punti di vario colore, rappresentano i diversi caricamenti: con palla da 115 (in viola), 124 (in giallo) e 146 grani (in grigio), tutti i colpi prossimi a fattore 125 (in realtà 127), ed un gruppo di colpi di controllo con palla da 124 grani ma, a fattore 137 (in verde). I cerchietti rossi rappresentano la media di ogni gruppo di colpi, la retta ne è invece l’interpolazione lineare, essa definisce “la tendenza di variazione”. La correlazione (la variazione congiunta) tra elongazione ed impulso calcolato risulta elevata (R2=0,88; R=0,94), questo ci fornisce ragionevole certezza che, la relazione intuitiva tra rinculo più intenso e maggiore elongazione del rest, sia comprovata dai dati sperimentali. Misurare elettricamente l’allungamento del sensore, implica quindi valutare l’intensità del rinculo.

Notiamo inoltre che le nubi di punti si “compenetrano”, in altre parole esistono colpi la cui risposta (di elongazione ed impulso), ad un esame puntuale, può essere facilmente confusa con quella dei colpi del gruppo adiacente. Se i test “manuali”, affidati alla sensibilità del tiratore, soffrissero della medesima variabilità, definire quale tipologia di ricarica fornisca il più basso rinculo, sarebbe veramente arduo (difficoltà peraltro accresciuta dalla piccola entità delle variazioni).

Fig.7 – Correlazione elongazione/impulso e valori rilevati

Fig.8 – Correlazione tempo di carrello/impulso e valori rilevati

Il grafico di Figura8 mostra la correlazione tra il tempo di carrello e l’impulso calcolato. Osservando le medie delle diverse tipologie di colpi (cerchietti rossi), tale relazione sembrerebbe evidente: rallentamento del carrello al decrescere dell’impulso. Passando dai 115 ai 146 grani, la variazione del tempo di carrello è prossima ad 1ms (1ms = 1 millesimo di secondo). Il coefficiente di correlazione calcolato sulla totalità dei punti è invece basso (R2=0,32; R=0,56): notiamo infatti una “dispersione” dei dati che determina globalmente, una debole dipendenza(matematica) del tempo di carrello, dall’impulso di rinculo.

Fig.9 – Grafico del tempo di carrello e della variazione % dello stesso al cambiamento del peso palla (variazione % riferita al test con ogiva da 124gr)

Sul grafico di Figura9 abbiamo riportato l’andamento del valor medio del tempo di carrello (curva in rosso, scala di sinistra) in funzione del peso dell’ogiva usata (115, 124 e 146gr). Prendendo a riferimento la risposta con palla da 124gr, è possibile anche leggere la variazione percentuale di tali tempi (curva in blu, scala di destra). Come accennato, al crescere del peso dell’ogiva, la risposta del carrello rallenta di circa 1ms (le variazioni sono contenute approssimativamente in un ±1%).

Ai fini pratici una risposta di riarmo in 45ms o, in 65ms comprendendo il rimbalzo del carrello, risulta già molto al di là delle migliori performance di un ottimo tiratore. Jerry Miculek, uno dei tiratori più veloci al mondo, è in grado di piazzare su bersaglio (con un revolver) 8 colpi in un secondo. Ipotizzare di essere limitati da un ciclo di riarmo di 65ms, implica poter esplodere sul bersaglio più di 15 colpi al secondo (dal rapporto 1/0,065). In quest’ottica, il millisecondo di ritardo mostrato dalle cartucce con palla da 146gr (rispetto a quelle con palla da 115gr), ci sembra veramente trascurabile. Anche volendo considerare un abbondante errore di rilevazione sui tempi del 10%, rimaniamo sempre ad un rateo di circa 14 colpi al secondo.

Passiamo adesso ad esaminare gli effetti di una palla pesante sulla dinamica di rinculo e rilevamento. Il grafico di Figura10 mostra l’andamento dell’impennata sul rest in funzione del peso della palla utilizzata (curva in rosso, scala di sinistra), inoltre è possibile comparare il rilevamento con la curva dell’impulso di rinculo calcolato (in blu, scala di destra). Tra l’ogiva da 115 grani e quella da 146 si registra una riduzione nell’impennamento di circa 2mm su una media prossima ai 28.

Fig.10 – Grafico dell’elongazione a confronto con l’impulso di rinculo calcolato, in funzione del peso palla

Ancora più esplicativo è il grafico di Figura11, prendendo a riferimento la ricarica con palla da 124 grani, viene mostrata la variazione percentuale del rilevamento e dell’impulso di rinculo. La variazione calcolata sull’impulso è circoscritta al ±3% (scala di destra) che diventa, come impennamento misurato del rest, un +3% con palla da 115 grani e un quasi -5% con palla da 146 grani (scala di sinistra). Quindi, il dato teorico approssima bene gli effetti reali con ogiva da 115gr ma, passando ai 146gr, esso sembra sottostimato (-3% contro -5%).

Fig.11 – Grafico delle variazioni di impulso ed di elongazione, in funzione del peso palla (riferito al test con ogiva da 124gr)

Misurata la costante elastica della molla di richiamo del rest, possiamo anche esprimere le differenze di elongazione, in forze di contrasto. La costante elastica della molla di richiamo è di circa 39,0 g/mm, a rest in batteria essa esercita una forza iniziale prossima a 3,4Kg. La massima forza di contrasto durante il rinculo, al movimento rotatorio del rest, è rappresentata sul grafico di Figura12. Possiamo meglio valutare le differenze sulle forze in gioco usando il grafico di Figura13: prendendo a riferimento quanto accade con palla da 124gr, il grafico mostra una forza di contrasto di +34 grammi per palle da 115gr e di -54 grammi per palle da 146gr.

Fig.12 – Grafico della forza di richiamo sul rest a confronto con l’impulso di rinculo calcolato, in funzione del peso palla

Fig.13 – Grafico della variazione sulla forza di richiamo del rest, in funzione del peso palla (riferita al test con ogiva da 124gr)

L’esito delle prove ci porta a credere che, la riduzione del rinculo con palla da 146gr è presente e rilevabile ma, di entità comunque contenuta. Inoltre, ricordiamolo, i grafici si riferiscono a caricamenti tali da estremizzare le differenze di rinculo. Se ci fossimo limitati alla sostituzione della sola ogiva (da 124 a 146 grani), mantenendo ad esempio, la medesima polvere medio-vivace (la Granular S), gli scarti sulle risposte di rilevamento sarebbero stati ulteriormente più piccoli.

Conclusioni (↑)

Anche se limitatamente ai casi esaminati, possiamo adesso rispondere alle domande iniziali che, di fatto, hanno motivato l’intera ricerca qui esposta:

1) Esiste un presupposto teorico che fa propendere per il caricamento con palla pesante?

Sì, esiste. Le leggi fisiche sul rinculo, per la riduzione dello stesso, assegnano effettivamente un vantaggio al munizionamento con palla pesante (a parità di PF). Di contro, limitando l’osservazione a caricamenti ancora “normali”, ossia con pesi palla non estremi, il vantaggio teorico risulta piuttosto limitato e prossimo a qualche punto percentuale (per i casi esaminati un massimo teorico del 6%).

2) A parità di fattore, è conveniente usare palle pesanti piuttosto che leggere per ridurre il rilevamento dell’arma ?

Sì, se si segue la filosofia “poco è meglio di niente”. E’ infatti vero che l’uso di ogive da 146gr comporta un vantaggio in termini di rinculo ma, esso risulta contenuto, soprattutto a parità di polvere e ancor di più, se quest’ultima è sufficientemente vivace (massa ridotta).

Il vantaggio in rinculo della 146gr rispetto alla 124gr, per le combinazioni più “distanti” tra quelle valutate (in termini di polveri), è prossimo al 5% (dato misurato), con una differenza sulla forza di contrasto del rest di circa 50 grammi. A parità di polvere medio-vivace (Granular S), il vantaggio si riduce a circa il 2,5% (dato teorico corretto in base al dato sperimentale). Per rendere l’idea e con riferimento al PF, usando la Granular S, avere un vantaggio del 2,5% implica sparare una 146gr a fattore 128 ma, avere il rinculo di una 124gr a fattore 125.

L’uso di un’ogiva atipicamente pesante, di contro, rischia di snaturare il comportamento del calibro in oggetto (9×21). Possiamo anche aggiungere che, a fronte di una riduzione di rilevamento parecchio modesta, l’uso di ogive pesanti ha come controindicazione una potenziale criticità sul dosaggio della polvere (risulta infatti più “semplice” il superamento dei limiti pressori CIP).

Il margine di riduzione del rinculo, per una palla da 146gr rispetto ad una da 124, è così contenuto che la sola variabilità naturale della velocità tra colpi di una stessa tipologia di caricamento (deviazione standard della V₀, non considerando altre possibili variabili) , è sufficiente a determinare delle sovrapposizioni di risposta. In altre parole, risulta consistente il numero delle munizioni che, nonostante abbiano palla da 124gr, rinculeranno meno dei colpi con palla maggiorata da 146gr.

In Figura14 è visibile un grafico esplicativo in cui sono rappresentate le due distribuzioni per l’impulso calcolato (numero di campioni in funzione del rinculo, corretto in base ai dati sperimentali), per enfatizzare il fenomeno si è supposta una deviazione standard della velocità pari al 2% (circa 6m/s). La zona di sovrapposizione tra le distribuzioni (colorata in verde) rappresenta le munizioni con ogiva da 124 grani (caricate con N340) che potrebbero avere rinculo inferiore ai colpi analoghi ma, con ogiva da 146 (caricati con Granular S). L’inversione di risposta rappresenta circa il 10% della totalità delle cartucce (una su 10).

Naturalmente, più la deviazione standard del riscontro cronografico cresce, più la zona di sovrapposizione diventerà ampia. La sovrapposizione risulterà ancora più estesa se, per entrambi i pesi palla, consideriamo l’uso della medesima polvere medio-vivace (Figura15). In questo caso, circa il 27% dei colpi (quasi 3 su 10) presenteranno una risposta “opposta”.

Fig.14 – Comparazione statistica tra impulsi di rinculo per ogive da 124gr/N340 e 146gr/Granular S (DevStd della velocità supposta pari al 2%)

Fig.15 – Comparazione statistica tra impulsi di rinculo per ogive da 124 e 146gr con Granular S (DevStd della velocità supposta pari al 2%)

I dati presentati fanno comprendere che, in termini di rinculo, una vera differenza tra i caricamenti emergerebbe solo nel confronto tra palle molto leggere ed estremamente veloci (con dosi elevate di polvere) e palle pesanti e lente. Ad esempio una palla THV (Très Haut Vitesse), calibro 9 da 51gr, può essere spinta ad oltre 700 m/s (2300 fps) da 14gr di polvere (omettiamo intenzionalmente il tipo). La palla svilupperebbe un fattore di 118, nemmeno minor, ma presenterebbe un rinculo teorico (ipotizzando valida la relazione sull’impulso da noi considerata) di circa il 45% più elevato rispetto alla migliore cartuccia con palla da 146gr qui esaminata.

3) Usando palle pesanti si rallenta il ciclo di riarmo della pistola ?

Sì, il ciclo di riarmo è lievemente più lento ma, tale rallentamento è di entità “strumentale”. In altre parole, per i casi esaminati, l’ogiva pesante non apporta sensibili variazioni ai tempi di riarmo “normali” (il rallentamento è di circa l’1%, prossimo a 0,5ms, tra ogive da 124 e 146gr). Il tempo di riarmo medio della pistola, circa 65ms, rimane inoltre notevolmente più basso del miglior tempo di esecuzione del tiratore.

Considerazioni finali (↑)

Come esposto, dal punto di vista strettamente sperimentale, le differenze in rinculo tra caricamenti con palla da 124 e 146gr, ci sono, sono misurabili ma, contenute. Non emerge nessuna netta prevalenza di una soluzione rispetto all’altra, ed in questo trova spazio la soggettività del tiratore. In mancanza di marcati e determinanti vantaggi pratici, come criteri di scelta, rimangono le sensazioni individuali.

Speriamo di non avervi annoiato con la lunghezza dell’articolo: l’argomento non è di semplice trattazione ed il dettaglio assume rilevanza particolare.
Ci auguriamo infine che, quanto qui elaborato abbia soddisfatto una delle vostre curiosità e sia utile nelle scelte dei parametri di ricarica.

Note

Ribadiamo che l’esperimento sopra descritto era teso alla valutazione comparata dell’impulso di rinculo, impulso valutato come intensità totale dello stesso e non scisso nelle sue diverse componenti. Si è considerato quindi l’impulso senza distinzione tra rilevamento e rinculo, quest’ultimo inteso come la quota parte dell’impulso di forza tradotta in un movimento orizzontale dell’arma.

Come già scritto sull’articolo, per le nostre prove ci siamo avvalsi di un rest rinculante che, a causa dei propri vincoli meccanici, converte l’impulso di rinculo nel solo movimento permesso: il rilevamento. Alcuni tiratori passando da caricamenti con palla pesante a quelli con palla leggera (a parità di PF), avvertono una diversa ripartizione del rinculo tra movimento orizzontale dell’arma e rilevamento, pare che quest’ultimo sia maggiore con palle pesanti. Per poter testare anche quest’aspetto dell’argomento sarà necessario modificare opportunamente il sistema di rilevazione.

Un altro particolare di cui non abbiamo tenuto conto nella sperimentazione è il tempo di canna del proiettile. A parità di impulso totale di rinculo, una distribuzione dello stesso in tempi più ampi, agevola la riduzione della sensazione di “urto” tra arma e tiratore. Stiamo comunque parlando di differenze temporali estremamente brevi. Si tenga conto che il tempo di canna medio (al netto del ritardo di accensione) è nell’ordine dei 500μs con differenze massime, al cambiamento del peso palla (115÷146gr), che non crediamo superiori ai 100μs.

In queste condizioni, considerando la massa dell’arma come “flottante” e pari a Kg 1,2 (m_arma), sottoposta ad un impulso totale medio (It) di 2,75 N*s, otteniamo una velocità di rinculo della pistola di: V_arma= It/m_arma= 2,75/1,2= 2,29m/s. Tale velocità di rinculo viene raggiunta dall’arma sostanzialmente nel tempo di canna, più esattamente nel tempo di transizione del fenomeno di deflagrazione.

L’accelerazione dell’arma, ipotizzata costante, sarà dunque pari a:

- nel caso dell’ogiva da 115 grani, per un tempo di transizione supposto di 450μs (tc1) avremo, a₁₁₅=V_arma/tc1=2,29/(0,45*10^-3)=5089m/s²

- nel caso dell’ogiva da 146 grani, per un tempo di transizione supposto di 550μs (tc2) avremo, a₁₄₆=V_arma/tc2=2,29/(0,55*10^-3)=4164m/s²

Le forze applicate rispettivamente all’arma saranno:

- nel caso dell’ogiva da 115 grani, F₁₁₅=m_arma*a₁₁₅=1,2*5089=6107 N

- nel caso dell’ogiva da 146 grani, F₁₄₆=m_arma*a₁₄₆=1,2*4164=4997 N

Per quanto esposto sull’articolo, abbiamo evidenza teorica e sperimentale che gli impulsi di rinculo per entrambi i caricamenti sono confrontabili (simile energia di rinculo assunta dall’arma). Le diverse forze applicate alla pistola differiranno quindi per il tempo di applicazione: inferiore per la forza maggiore (tempo di canna minore) e superiore per la forza minore (tempo di canna maggiore), accelerando infine l’arma a velocità confrontabili.

Articolo pubblicato anche sui numeri di Novembre e Dicembre 2009 della rivista “Armi Magazine”

Esempio di canna manometrica

In quest’articolo esamineremo nel dettaglio un certificato di prova in canna manometrica (per munizioni con bossolo metallico destinate alle canne rigate). Oltre ad una breve descrizione di tutte le sue sezioni, faremo particolare riferimento al significato dei parametri calcolati.

Esistono diversi formati del certificato di prova, esamineremo quello che ci è parso più completo. Come visibile sull’immagine a seguire (Fig.1), un certificato di test è tipicamente suddiviso in quattro sezioni orizzontali:

Fig.1 - Esempio di certificato di prova in canna manometrica

Sezione 1 - la prima sezione fa riferimento ai numeri identificativi del lotto di cartucce oggetto del test. I produttori di cartucce sono tenuti ad effettuare dei test a campione, sia per i controlli dimensionali che per la massima pressione di esercizio. Per i controlli in manometrica, la normativa prevede un campione di 20 colpi per lotti sino a 35.000 cartucce e di 30 campioni per lotti sino a 150.000 pezzi. Sulla sezione_1 del certificato viene inoltre descritta la costituzione generale delle munizioni in prova: calibro, tipo di bossolo, tipologia e quantità di polvere, tipo di ogiva, OAL della cartuccia e tipo di innesco.

Sezione 2 - la seconda sezione riporta le caratteristiche della canna manometrica utilizzata: eventuale identificativo e lunghezza della stessa. Vengono inoltre indicate le condizioni ambientali in cui viene eseguito il test in termini di: pressione barometrica, temperatura ed umidità relativa. Chiude la sezione_2 una legenda minimima per l’interpretazione dei parametri rilevati.

Troveremo:

• TC = tempo di canna.
  E’ il tempo che intercorre tra il contatto elettrico del percussore sull’innesco, istante detto T₀, e l’uscita del proiettile dalla volata. Il rilevatore alla volata, tale da interrompere il conteggio temporale partito da T₀, può essere realizzato mediante una delle principali tre tecniche di seguito riportate:

  Barriera ottica: è costituita da un raggio di luce (visibile o non visibile, tipicamente nella banda degli infrarossi) che attraversa, secondo un suo diametro, la bocca della canna. In prossimità della volata si avrà quindi l’accoppiameto tra un trasmettitore ed un ricevitore fotoelettrico, l’interruzione del fascio luminoso di accoppiamento, genera il segnale di stop del conteggio. Il fascio di luce può essere radente alla volata, in questo caso il tempo di canna sarà carente del tempo necessario a percorrere la lunghezza del proiettile o, posizionato alla distanza per cui l’intera lunghezza del proiettile, nel momento di rilevazione da parte della barriera fotoelettrica, può considerarsi appena fuoriuscito dalla canna .
  Questo sistema è sensibile alla proiezioni di corpi solidi o di fumi opachi che, precedendo il proiettile, possono falsare la rilevazione (stima in difetto). L’uso del laser, essendo una luce più intensa e coerente, rende il sistema meno sensibile a tale problema.

  Flash detector o trasduttore di pressione: l’uscita del proietto dalla canna è normalmente accompagnata da una espansione di gas (mutamento della pressione) e da un flash luminoso. Idonei trasduttori elettro-ottici o piezoelettrici, permettono di rilevare l’una o l’altra variazione, generando il segnale elettrico utile al conteggio temporale. Questi sistemi possono essere influenzati da vampe o variazioni pressorie, precursorie all’uscita effettiva del proietto.

• RT = ritardo di accensione.
  E’ il tempo che intercorre tra T₀ e l’aumento della pressione nella camera a polvere. Tipicamente la soglia di stop al conteggio è rappresentata dal superamento di una pressione pari al 10% della pressione massima registrata.

  Considerando che, sia il tempo di canna TC, che il ritardo di accensione RT, si basano sul medesimo evento di inizio conteggio, a parità di condizioni, un ritardo di accensione maggiore determinerà un tempo di canna maggiore.

Fig.2 - Tempi tipici rilevati in manometrica

Oltre al tempo di canna ed al ritardo di accensione riportati sul certificato di prova, si fa spesso riferimento ad altri tempi intermedi, individuati sul grafico pressione-tempo e mostrati in Figura 2:

Tempo di accensione – tempo intercorso tra T₀ e tipicamente l’1% della pressione massima (t1 nell’immagine)

Tempo di salita – tempo intercorso nel passaggio dal 10% al 90% della pressione massima (t2 nell’immagine)

Tempo al picco – tempo necessario per passare dall’istante iniziale T₀, all’istante di picco pressorio (t3 nell’immagine)

Tempo di transizione – è il tempo differenza tra il tempo di canna Tc ed il ritardo di accensione RT.

Torniamo alle altre indicazioni presenti sulla sezione_2 del certificato:

• V1 = velocità rilevata a 2,5m su base 1m (ossia sfruttando due barriere cronografiche distanti tra loro 1m - il punto medio del sistema di rilevazione coincide con il riferimento per la distanza dalla volata).

• V2 = velocità rilevata a 25m su base 1m.

• P1 = pressione massima rilevata, viene anche indicata la tipologia del sensore piezoelettrico usato ed il posizionamento, rispetto al vivo di culatta, della presa dei gas in camera a polvere.

Sezione 3 - la terza sezione riporta i dati rilevati su ciascun colpo testato. Avremo quindi i valori puntuali di: TC (tempo di canna in µs); V1 (velocità a 2.5m in m/s); V2 (velocità a 25m in m/s); P1 (pressione di picco in Bar); RT (tempo di ritardo di accensione in µs); la colonna PC riportava in passato il valore massimo pressorio rilevato mediante crusher (deformazione del provino), tale metodo non viene più usato; INT è l’integrale della curva pressione-tempo arrestato all’istante Tc, in altre parole rappresenta l’area sottostante la curva pressoria così come mostrato sulla figura a seguire (campitura in giallo):

Fig.3 - Area che rappresenta l’integrale pressione-tempo (in giallo) ed area, oltre Tc, esclusa dall’integrazione (in arancio)

L’integrale pressione-tempo può essere interpretato come l’impulso totale, per unità di superficie della sezione retta della canna, fornito al proiettile durante il tempo di canna Tc (approssimando la sezione del proiettile pari a quella interna della canna). Per spiegare meglio quanto detto, facciamo un esempio numerico:

INT = 0.361 Bar•s

un Bar è definito come 10N/cm², avremo quindi un impulso totale medio applicato al proiettile, per unità di superficie di base, di 3.61N•s/cm². Nel nostro caso il calibro dell’arma è di 0.45 pollici, considereremo un diametro medio della canna di 11.455 mm per una superficie della sua sezione retta di 1.03 cm². L’impulso totale (It) applicato al proiettile (ed a parte del propellente), sarà dunque:

It = 3.61•1.03 = 3.72 N•s

(dato utile ad esempio, per il calcolo orientativo ed a priori della velocità del proiettile o per una stima sul rinculo subito dall’arma)

Dal dato dell’impulso totale (It), proviamo a determinare la velocità teorica raggiunta dal proiettile:

per il “teorema dell’impulso” possiamo scrivere che l’impulso totale applicato ad una massa, eguaglia la variazione di quantità di moto della stessa. In altri termini avremo:

It=Q_p

indicando con Q_p la quantità di moto assunta dal proiettile. Quindi:

It=m_p•V₀ (massa del proiettile per velocità alla volata)

La V₀ sarà dunque:

V₀=It/m_p

Considerando la massa del proiettile pari a 202gr (valore esatto), equivalenti a circa 13.09g, avremo:

V₀ ≈ 3.72•1000/13.09 = 284.2 m/s (al lordo delle perdite)

valore prossimo al risultato medio ottenuto in manometrica (al netto delle perdite) e pari a 260.1 m/s (-9%).

La conoscenza dell’integrale pressione-tempo permette anche di risalire al valore medio, nel tempo, della pressione in canna. Osservando la Figura 4, possiamo infatti pensare la pressione media come l’altezza del rettangolo, di larghezza pari a Tc, tale che la sua superficie eguagli l’area sottesa dalla curva di pressione. In altre parole, l’area del rettangolo (in verde) sarà pari a Pm•Tc ed uguale anche al valore dell’integrale INT (area in giallo). Ne consegue che la pressione media (Pm) sarà uguale al rapporto tra l’integrale della curva pressione-tempo e l’intervallo di integrazione che coincide con il tempo di canna (Tc): Pm = INT/Tc.

Fig.4 - Calcolo della prassione media dal valore dell’integrale

A seguire un esempio di calcolo utilizzando le relazioni appena esposte:

INT = 0.361 Bar•s

Il valore medio del tempo di canna Tc risulta pari a:

Tc = 1012 µs = 1.012 10^-3 s

La pressione media (Pm) sarà quindi data da:

Pm = 0.361/ (1.012 • 10^-3) = 356.7 Bar

Una seconda interpretazione dell’integrale della curva pressione-tempo, può essere esposta se esso si lega alla densità sezionale del proiettile.

In questo caso considereremo come densità sezionale (Ds) la grandezza fisica data dal rapporto tra la massa del proiettile e la superficie della sua sezione retta (tipicamente in balistica si considera invece il rapporto tra massa e diametro del proiettile al quadrato).

L’integrale della curva pressione-tempo (INT) risulterà circa uguale (a meno delle perdite), al prodotto tra la densità sezionale così calcolata e la velocità alla volata del proiettile (stiamo trascurando la massa del propellente). In definitiva otterremo che:

INT ≈ Ds • V₀ (dimensionalmente avremo “pressione x tempo” sia al primo che al secondo membro)

Facciamo un esempio:

La massa della pallottola utilizzata è pari a 202gr (valore esatto), equivalenti a circa 13.09g. La sezione di una ogiva trafilata a 0.451 pollici è pari a 103.0 mm² (1.03 cm²). La densità sezionale intesa come rapporto tra massa e sezione sarà pari a Ds=13.09/1.03= 127.1 Kg/m²

Per quanto detto, l’integrale pressione-tempo (INT) dovrà essere circa uguale al seguente valore:

INT ≈ Ds•V₀ = 127.1•260.09 = 33057.44 Kg/mq • m/s = 0.331 Bar•s

Il dato medio rilevato in canna manometrica è pari a 0.361 Bar•s, come accennato, prossimo e lievemente in eccesso (+9%) rispetto a quanto ottenuto considerando: densità sezionale e velocità alla volata.

Sezione 4 - La quarta sezione del certificato di prova, riporta i dati statistici calcolati a partire dalle rilevazioni puntuali e dal numero di campioni esaminati. Ogni colonna della sezione 4, in modo corrispondente alla sezione 3, sarà relativa ai medesimi parametri: TC, V1, V2 etc.

Fig.5 - Certificato di prova, dettaglio della sezione 4

Come visibile in Figura5, le diverse righe orizzontali della sezione 4 riporteranno i seguenti valori:

• Media - media aritmetica dei valori rilevati. Per il superamento del test in manometrica, tale valore deve essere inferiore od uguale alla pressione di esercizio prescritta dal CIP (comitato internazionale permanente) e specifica per ciscun calibro (Pmax_CIP). Quindi dovrà essere verificata la relazione:

  Media ≤ Pmax_CIP

• Max - massimo tra i valori rilevati
• Min - minimo tra i valori rilevati
• Delta - differenza tra i valori estremi (Delta=Max-Min)
• SD - deviazione standard sui campioni rilevati. Per una distribuzione “normale”, l’intervallo(Media-SD) e (Media+SD), contiene circa il 68.3% della popolazione dei colpi. Nel caso di bassa numerosità del campione, soprattutto se esso è inferiore a 30 unità, per una migliore corrispondenza con la realtà, spesso si preferisce fare riferimento non alla distribuzione “normale” (di Gauss), ma a quella che viene chiamata distribuzione di T-Student. (La deviazione standard calcolata è quella relativa ai piccoli campioni: media su n-1)
• C 95% - rappresenta l’intervallo sulla media con una confidenza del 95%. In altre parole, con una probabilità del 95%, la vera media del campione, rispetto alla media calcolata, cadrà nell’intervallo: (Media-C95%) e (Media+C95%). Ecco come viene calcolato:

  C 95% = t_(n-1;0.975) • SD/√n

  dove:
  * n rappresenta il numero di colpi esaminati
  * t_(n-1;0.975) è il coefficiente individuato dai numeri (n-1) e (0.975) sulla matrice della distribuzione di T-Student (ecco la selezione dei valori da usare: link).
  * √n è la radice quadra del numero di colpi esaminati
  * SD è la deviazione standard del parametro considerato (Tc, V1, V2, P1, INT o RT)

• PK1 - rappresenta la pressione massima statistica, su una serie di almeno 5 misure, e viene calcolta secondo la relazione:

  PK1 = Media + (K_1n • SD)

  Il valore del coefficiente di tolleranza K_1n è rilevabile su apposite tabelle (vedi sotto) e dipende dalla numerosità del campione.
  Per il test in canna manometrica delle cartucce destinate all’uso in canna liscia, si fa riferimento non a PK1 bensì a PK2, analogo al precedente ma, con coefficienti di tolleranza inferiori (valori meno restrittivi).

  PK2 = Media + (K_2n • SD)

  Per il test in canna manometrica delle cartucce a percussione anulare, si fa riferimento a PK3, con coefficienti di tolleranza ancora inferiori (valori ancora meno restrittivi).

  PK3 = Media + (K_3n • SD)

  Per il superamento del test in manometrica, oltre alla condizione già citatata per la media delle pressioni, deve verificarsi che PK1, PK2 o PK3, non siano superiori più del 15%, alla pressione massima prescritta. In altre parole le munizioni dovranno soddisfare le seguenti disuguaglianze:

  Media ≤ Pmax_CIP
  PK1 ≤ 1.15 • Pmax_CIP    (per canna rigata percussione centrale)
  PK2 ≤ 1.15 • Pmax_CIP    (per canna liscia)
  PK3 ≤ 1.15 • Pmax_CIP    (per canna rigata percussione anulare)

  estraendo i valori di K_1n, K_2n e K_3n dalla tabella normata dal C.I.P. :

Considerando la distribuzione T-Student ed i coefficienti K_1n e K_2n, possiamo dire che per un lotto di munizioni qualificato dal test in manometrica, nella peggiore delle ipotesi, solo lo 0.3% dei campioni supererà il 15% della pressione massima ammessa per le canne rigate e solo il 2% per le canne lisce.

Considerazioni finali

Speriamo, per quanto possibile, di aver fatto chiarezza a riguardo dell’interpretazione (anche nostra) dei parametri presenti sul certificato di prova in canna manometrica. Molte delle informazioni presenti su quest’articolo sono state reperite presso le aziende che usano e/o costruiscono i sistemi di test: STAS, Northwest, Banco Nazionale di Prova, etc. Alcune delle implicazioni concettuali (integrale e densità sezionale) ed il calcolo dei valori statistici (C95% e copertura % dei coefficienti normati) sono stati invece determinati dopo nostre elaborazioni. Oltre al dato grezzo della sola pressione massima, scopriamo quante informazioni sono ricavabili dal certificato di prova, solo se lo si osserva in modo più attento ed approfondito.

Speedy.