Quando la geometria diventa un’arma letale: il munizionamento a carica cava

I proietti, i razzi e più in generale gli ordigni della tipologia HEATⁱ(High Explosive Anti Tank) sono largamente utilizzati nei moderni conflitti ma non si tratta certo di una invenzione recente; esistono infatti da oltre ottant’anni. IlPanzerfaust,il“pugno corazzato” tedesco, o ilBazookastatunitense durante la Seconda Guerra Mondiale sono i tipici esempi.

L’“effetto Munroe” è alla base del funzionamento di tale tipologia di ordigni, che ospitano le cosiddette cariche cave (shaped chargesohollow chargesnella letteratura in lingua inglese); tuttavia l’ingegnere statunitense Charles Edward Munroe non fu il primo a scoprirne gli effetti ma probabilmente il primo a dimostrare con successo ciò che, sessant’anni dopo, sarebbe stato più funzionale all’utilizzo bellico.

Cenni storici

I primi studi al riguardo sarebbero a cura di scienziati tedeschi. AFranz Xaver von Baader, medico, ingegnere e filosofo del XVIII secolo, viene attribuito il merito di aver proposto uno spazio conico, o a forma di fungo all’estremità anteriore, della carica esplosiva utilizzata nelle miniere per aumentare l’effetto esplosivo e risparmiare polvere. Si trattava di un “effetto cavità” ma la carica non era sagomata.

Max Von Foersterè considerato lo scopritore dell’effetto della carica cava, avendo pubblicato per la prima volta le sue scoperte nel 1883 (circa cinque anni prima delle pubblicazioni di Munroe), relative ad esperimenti con nitrocellulosa compressa. Un brevetto statunitense, rilasciato nel maggio 1886 aGustav Bloemdi Düsseldorf, riguardava la sua invenzione “guscio per capsule detonanti” che consisteva in una cavità emisferica alla base di un detonatore metallico in modo che “grazie a queste costruzioni la concentrazione dell’effetto dell’esplosione in direzione assiale venga aumentata”.

Il nome più comunemente associato all’effetto della carica cava è quello del professorCharles E. Munroe(foto), chimico statunitense impiegato presso la Stazione Siluri Navale della Marina degli Stati Uniti a Newport.

Le sue scoperte risalgono al 1888 e non fu possibile stabilire con certezza se fosse o meno a conoscenza della pubblicazione di Von Foerster di cinque anni prima. Il suo nome è tradizionalmente legato alla carica cava poiché, come anticipato in premessa, fu il primo a dimostrare con successo il principio della cavità “rivestita”, ossia con inserimento di sottile strato di metallo, con un esperimento del 1894.ⁱⁱ

Sembra che sia Von Foerster che Munroe non si affrettarono a brevettare le loro scoperte, così i brevetti furono concessi alla WASAG (Westfalische Anhaltische Sprengstoff Actien Gesellschaft –azienda di esplosivi della Westfalia-Anhalt)ⁱⁱⁱ.

Gli studi progredirono ancora: fondamentale fu il contributo del tedescoEgon Neumann,che nel 1910 dimostrò scientificamente che le cavità rivestite aumentavano drasticamente le capacità di perforazione. Quest’ultimo quindi diede una base scientifica a ciò che Munroe aveva osservato pur con esperimenti.

E ancora, negli anni ’30 i lavori a cura del tedescoFranz Rudolf Thomaneke dello svizzero-statunitenseHenry Hans Mohaupt. Il primo prodotto basato sul trasferimento di tecnologia di Mohaupt per lacavità rivestita fu la granata da fucile M9A1 da 2,36 pollici (59,9 mm). L’aggiunta di un motore a razzo alla testata della granata M9A1 portò poi alla creazione del razzo HEAT M2A3, sempre da 2,36 pollici, delBazooka^iv.

Struttura e funzionamento del munizionamento HEAT

Il tipico proietto^va carica cava per MBT (Main Battle Tank)^viè costituito da un oggetto emisferico o da un cono metallico (liner), circondato da esplosivo detonante; il tutto, racchiuso in un contenitore d’acciaio o d’alluminio. Nel momento in cui il proietto viene a contatto con il veicolo/carro, un sensore di impatto trasmette un segnale all’innesco che fa detonare l’esplosivo. La detonazione provoca la compressione e lo schiacciamento del liner metallico, il quale fuoriesce formando un getto propulso.

Più nel dettaglio: all’innesco, un’onda d’urto sferica si propaga verso l’esterno dal punto di innesco, con una velocita intorno agli 8 km/s. Quando l’onda avvolge la cavità rivestita, il materiale viene accelerato dall’elevata pressione di detonazione, provocando il collasso del cono. Il materiale del rivestimento subisce deformazioni molto violente in intervalli di tempo brevissimi, con velocità di deformazione di 10⁴-10⁷ s. Il collasso del materiale del rivestimento conico all’interno dell’asta costringe una porzione del rivestimento a fluire sotto forma di getto, la cui velocità all’estremità può superare i 10 km/s. L’asta ha lunghezze ben definite, affinché la formazione del getto possa avvenire in modo ottimale (standoff)^vii.

Il getto si allunga fino a fratturarsi in una colonna di particelle frastagliate, e quando colpisce la parete metallica del mezzo si forma una cavità profonda, con picchi di pressione di 100-200 GPa che gradualmente diminuiscono fino a una media di 10-20 GPa. Le temperature all’impatto dipendono dalla tipologia del rivestimento delliner(rame, lega stagno-piombo, ecc.), e normalmente variano tra 500°C e 600 °C.; il processo di penetrazione avviene a velocità di deformazione di 10⁶-10⁷ s. La cavità prodotta sul bersaglio non è dovuta all’effetto termico, bensì allo spostamento laterale della corazza causato dalle enormi pressioni generate^viii.

In base alla tipologia di energia utilizzata, i proietti sono generalmente suddivisi in due grandi categorie: quelli adenergia chimica,^ixcome gli HEAT qui trattati, e quelli adenergia cinetica, come ad esempio gli APFSDS (Armour Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot)^x; questi ultimi devono possedere un’elevata velocità residua all’impatto ossia sufficiente a perforare le corazze; devono quindi uscire dalla volata dell’arma con una velocità iniziale molto elevata e naturalmente possedere un profilo aerodinamico che consenta di non perdere troppa velocità in volo.

Per i proietti HEAT, questi requisiti sono importanti solo in determinati contesti^xi, per cui sono particolarmente adatti ad essere impiegati con armi controcarro portatili che per loro natura in questo aspetto hanno dei limiti. La famiglia degli RPG (Ruchnoy Protivotankovy Granatomyot, lanciagranate controcarro portatile – foto precedente) o dei già citatiPanzerfaustfanno scuola in tal senso.

Il vantaggio dei sistemi controcarro portatili, oltre a quello facilmente intuibile connesso alla trasportabilità e maneggevolezza, sta nel poter impiegare testate di calibro maggiore (e quindi carichi paganti più prestazionali) rispetto al tubo di lancio, il quale ospita solo il motore a razzo e le alette (ripiegate, che si aprono all’uscita dal tubo).

I proietti a carica cava possono avere anche meccanismi di funzionamento parzialmente diversi, ma il principio non muta.
È il caso della granata controcarro HEAT M67 cal. 105 mm in dotazione, tra gli altri, al sempreverde obice da 105/14 a traino meccanico mod. 56^xii. Non è presente un sensore sulla punta dell’ogiva ma la spoletta, alloggiata nella parte inferiore del proietto, è del tipobase detonating. Questo tipo di spolette ospitano una massa battente, che all’impatto viene spinto per inerzia e attiva la catena detonante.

Senza troppi tecnicismi, è sufficiente sottolineare che i proietti per MBT e sistemi portatili sono stabilizzati con alette, mentre quelli per artiglierie sono stabilizzati giroscopicamente e ciò impone delle scelte costruttive differenti^xiii.

Si sa, l’eterna lotta tra la Spada e lo Scudo è in continua evoluzione. I proietti a carica cava hanno fatto diventare di carta le corazze prodotte fino agli anni ’50; poi, parallelamente all’evoluzione dei materiali per la realizzazione di corazzature con leghe più sofisticate ma non sempre sufficienti, sono state realizzate delle protezioni aggiuntive (passive, reattive ed attive), in grado di inibire gli effetti della carica cava.

Ogni tanto, sui media sarà capitato di vedere alcuni mezzi curiosamente coperti, anche solo in parte, con gabbie metalliche. Sono lecage armourse fanno parte della categoria delleprotezioni aggiuntive passive;sono montate sul mezzo ma ad una certa distanza dalle pareti, con lo scopo di far attivare precocemente il proietto a carica cava in modo tale che il dardo non sortisca effetti. Alcuni MBT, ad esempio l’israelianoMerkawa, montano delle catene sul retro tra torretta e scafo che hanno la medesima funzione.

Diprotezioni aggiuntive reattivene esistono diverse tipologie e qui si descriveranno, sinteticamente, le più diffuse.

Le ERA (Explosive Reactive Armour) furono inizialmente adottate dall’URSS (progettoKontakt-1) e poi da Israele alla fine del 1970 (con il nomeBlazer). L’URSS riprese poi il progetto per svilupparne un altro più evoluto, ilKontakt-5. Sono entrambe in pratica delle “mattonelle” di esplosivo racchiuse in un involucro metallico; vengono montate all’esterno del carro e funzionano con questo principio: all’impatto di un proietto HEAT, un innesco a pressione fa detonare la carica esplosiva alloggiata nella singola “mattonella” che spinge contro l’offesa la piastra metallica esterna, mentre quella più interna rimbalza contro la corazza del carro. L’effetto combinato dell’esplosione e delle proiezioni delle piastre indebolisce il dardo, che non riesce a penetrare la corazza del carro.

Le protezioni ERA convenzionali si distruggono all’impatto col proietto, mentre le più evolute leKontakt-5, che hanno una forma triangolare, riescono a contenere la detonazione agli strati più esterni della piastra^xiv.

Si diceva della lotta tra la Spada e lo Scudo, ed ecco la “replica” della Spada: le doppie cariche cave “in tandem”. Sono appunto due cariche cave sullo stesso ordigno: la prima (precursor) attiva la protezione aggiuntiva e la seconda (main) consente la perforazione del mezzo dal momento che, in quel punto, la protezione è neutralizzata. Questi sistemi sono già diffusi da tempo, come ad esempio nel missile del sistemaSpike,nelPanzerfaust3 T600 DM22^xve nell’ RPG-27. Una delle “controrepliche” dello Scudo sono le statunitensi ARAT-2 (Abrams Reactive Armor Tile- 2), nate per il carro Abrams (il numero 2 sta per seconda generazione); sono datate ma ancora in uso in contesti specifici^xvi. Consistono nella combinazione tra mattonelle reattive tipo ERA e piastre spaziate di forma curva (tile, tegola) esterne alle mattonelle. Le piastre esterne non sono esplosive, ma all’impatto di un proietto a doppia carica cava in tandem fanno sì che si crei spazio per far sfogare il primo getto; il secondo, poi, verrebbe respinto dalla mattonella reattiva sottostante.

I sistemi controcarro più evoluti come l’israelianoSpikeo lo statunitense FGM^xvii148FJavelin(foto) hanno modalità di ingaggio di tipotop attack,ossia possono assumere traiettorie che vanno a colpire il mezzo dall’alto, normalmente la parte più vulnerabile perché più sottile, comprende le botole e sulla quale sono spesso montate antenne e sensori di ogni tipo.

Già da tempo esistono leprotezioni aggiuntive attive, sistemi in grado di fornire un elevato grado di protezione al mezzo su cui sono montati, andando ad ingaggiare direttamente la minaccia, deviandola (sistemisoft kill) oppure eliminandola (hard kill). Lo scopo è di evitare l’impatto di un proietto piuttosto che dover resistere allo stesso, cercando di limitarne gli effetti. Il tutto in ogni condizione ambientale, in un tempo minimo di rilevamento minaccia e adozione delle contromisure e con un rischio di danni collaterali molto ridotto. Alcuni esempi: i russiArena(che ha sostituito i precedentiDrozd e Shtora) eAfganit(sul carro T14Armata), gli israelianiTrophyeIron Fist(adottati anche dagli USA), operativi già da alcuni anni ma che periodicamente vengono aggiornati.

Va infine precisato che le tipologie di protezioni sopra descritte sono spesso utilizzate in modo combinato, proprio per offrire la maggiore protezione possibile e limitare drasticamente i danni al mezzo e all’equipaggio. Va da sé che tutto ciò che si “aggiunge” ad un mezzo, che già possiede di suo una massa importante, ne limita la mobilità quindi le scelte in tal senso sono sempre frutto di ponderati compromessi.

Altri impieghi

L’angolo con il quale si realizza illinerinfluisce sulla formazione del dardo. Più aumenta e più il dardo assume forme differenti.

Ecco che le cariche cave possono essere impiegate anche in altri modi, come ad esempio gli EFP (Explosively Formed Projectiles); la differenza sostanziale tra una classica carica cava e questo tipo di ordigni è proprio nella geometria del rivestimento: nell’EFP il rivestimento assume una forma molto più piatta, come una calotta, e il collasso dellinerdetermina la formazione di un “proiettilone”. Gli EFP trovano applicazione in impieghi ove si richiede un elevatostandoff. Essi, ovviamente possiedono una capacità di perforazione molto inferiore alle cariche cave, ma mantengono un notevole effettospalling(scheggiatura)^xviii.

I MEFP (MultipleEFP), concepiti negli anni ’80 come evoluzione degli EFP, hanno la carica multidirezionale e non direttiva come nel caso degli EFP tradizionali. Lo scopo di questo tipo di ordigni è creare molti dardi per offendere bersagli con protezione modesta. Le esperienze in tal senso hanno evidenziato che i MEFP sono in grado di perforare spessori di acciaio fino a un pollice con unostandofffino a 100 m. e con tali caratteristiche trovano impiego, purtroppo, anche come IED (Improvised Explosive Devices)^xix.

Va infine aggiunto che le cariche cave sono altresì utilizzate da unità militari specializzate nelle demolizioni, ove tale approccio sia da preferire agli esplosivi tradizionali, e per impieghi civili (taglio di strutture metalliche, nel settore petrolifero e geotermico)^xx.

In questo lavoro, per ovvi motivi, i dettagli tecnici sono stati contenuti allo stretto indispensabile. In realtà c’è molto altro da dire e la vasta letteratura al riguardo, anche recente e solo in parte utilizzata e citata nella bibliografia lo dimostra.

Ciò che comunque dovrebbe emergere con chiarezza è che l’utilizzo della carica cava, così semplice nel progetto ma spesso letale nel risultato e dove l’efficacia non dipende dalla velocità del vettore ma dalla precisione della geometria esplosiva, è sempre di attualità oltre che molto versatile.

BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA

1. COLLECTIVE AWARENESS TO UXO suhttps://cat-uxo.com/.
2. KENNEDY D.R. (1983),History of the shaped charge effect-the first 100 years,D.R. Kennedy & Associates, Inc.
3. LIN J., YANG D. (2021),Numerical investigation on the formation and penetration behavior of explosively formed projectile with variable thickness liner.
4. STORIA MILITARE DOSSIER (2021), n 53,Armi portatili e di reparto dell’Esercito Italiano 1945-2020,parte 2^, Edizioni Storia Militare s.r.l. Genova.
5. WALTERS W.P., ZUKAS J.A (1989),Fundamentals of shaped charges,John Wiley & Sons, Inc. suhttps://archive.org/details/FundamentalsOfShapedCharges/.
6. Altri sitiweb, citati direttamente nel testo o nelle note.

iGli acronimi spesso sono creati ad hoc:heatsignifica “calore”.

iiL’esperimento consistette nell’applicazione di una carica cava di dinamite del peso di 4,3 kg, realizzata legando i candelotti attorno a una lattina che fu fatta detonare su un cubo di ferro e acciaio di 74 cm di lato con pareti spesse 11 cm, producendo un foro di 7,6 cm di diametro.

iiiNel 1913, il Regno Unito esplorò lo sviluppo di una testata a carica cava per siluro. Le prove condotte confermarono le affermazioni contenute nel brevetto WASAG, secondo cui “la cavità della carica sembrava concentrare la forza dell’esplosione e conferiva un effetto apparentemente direzionale”. Non è specificato se la testata del siluro fosse rivestita, ma se furono seguite le indicazioni del brevetto WASAG è probabile che fosse rivestita con una sottile lamiera.

ivIlBazooka, prima nella versione calibro 60 mm e poi in quella calibro 88 mm, entrò in servizio nell’Esercito Italiano nel 1949, inizialmente affiancando e poi sostituendo il meno prestazionale lanciabombe britannico PIAT (Projector Infantry Anti Tank) calibro 50,8 mm, che fu il primo sistema d’arma controcarro individuale in dotazione alle unità di fanteria (STORIA MILITARE DOSSIER 2021, n 53,Armi portatili e di reparto dell’Esercito Italiano 1945-2020, parte 2^),p. 71 e seguenti.

vNella terminologia militare il “proietto” ha un calibro uguale o superiore ai 25 mm, mentre con “proiettile” si intende tutto ciò che ha calibro inferiore. A titolo di esempio: i proiettili sono i calibri 5,56 mm, 7,62 mm e 9 mm delle armi portatili; i proietti sono i calibri 105 mm e 120 mm per MBT e 155 mm per obici di artiglieria.

viQuesta è la definizione corretta rispetto alla più popolare “carro armato”, per distinguere il carro da combattimento sviluppatosi dopo il secondo dopoguerra dai precedenti.

viiGli studi al riguardo dimostrano che la penetrazione media del getto in un bersaglio dapprima aumenta e poi diminuisce man mano che lostandoffaumenta. È quindi necessario un tempo finito affinché il getto si formi e sia accelerato fino alla sua massima velocità; superata la distanza “ottimale”, la capacità di penetrazione diminuisce sensibilmente a seguito della perdita di velocità del getto, della sua frammentazione e disallineamento.

viiiWALTERS W.P., ZUKAS J.A (1989),Fundamentals of shaped charges.

ixIn alcuni testi specializzati sono definiti “vettori di carico”.

xProietti decalibrati, il cui nucleo centrale è costituito da materiali ad elevata densità, contenuti in un involucro a frattura prestabilita, ilsabot,avente lo stesso calibro della bocca da fuoco che si separa dal proietto nei primi istanti della traiettoria. Gli APFSDS sono decisamente molto più complicati da fermare.

xiI proietti HEAT sparati da bocche da fuoco di mezzi corazzati devono possedere un’elevata velocità iniziale (oltre i 1000 m/s), per due motivi principali. Il primo: il profilo di essi non è particolarmente aerodinamico, ciò provoca la progressiva perdita di velocità durante la traiettoria che determina un decadimento della precisione. Il secondo: tali mezzi, a differenza delle armi controcarro portatili, non sono concepiti per il combattimento ravvicinato ma devono poter conseguire gli effetti voluti sul bersaglio (tiro utile) a distanze maggiori. I razzi controcarro per sistemi portatili hanno velocità iniziali dell’ordine di qualche centinaio di metri al secondo.

xiiSi tratta di un materiale di artiglieria sviluppato a metà anni ’50, di concezione e produzione interamente italiana e adottato da numerosi eserciti stranieri. Dismesso dall’Esercito Italiano nel 2003, è stato recentemente reintrodotto in servizio in un numero limitato di pezzi, con alcune modifiche relative prevalentemente ai ceppi dei freni, agli pneumatici e alle ottiche di puntamento.

xiiiI proietti ad alette sono impiegati su bocche da fuoco ad anima liscia, mentre quelli girostabilizzati su quelle ad anima rigata. Vi sono tuttavia alcune eccezioni, come il proietto cal. 105 mm impiegato sulla blindo “Centauro” da 105/52. Sul proietto vi sono alcuni accorgimenti tecnici che ne consentono l’impiego su bocche da fuoco ad anima rigata, affinché la rotazione sul proprio asse sia molto più bassa dei proietti girostabilizzati e quindi ininfluente sulla stabilità in volo.

xivA differenza delle ERA “classiche”, leKontakt-5 riescono a contenere, seppur limitatamente, anche gli effetti dei penetratori ed energia cinetica.

xvT indica che si tratta si un sistema a doppia carica cava in tandem, 600 la gittata in metri e D22 è il nominativo della testata (CAT-UXO).

xviCome il TUSK (Tank Urban Survival Kit)per potenziarne le capacità di combattimento dei carri Abrams in ambienti urbani. IlDefense Express,in un articolo del 15 gennaio 2024, riferisce che è anche montato sui carri Abrams ceduti all’Ucraina nella versione ARAT-1, ossia la sola mattonella esplosiva.

(https://en.defence-ua.com/news/ukrainian_m1_abrams_tank_spotted_with_arat_reactive_armor-9184.html) .

xviiAcronimo diFire proximity Guided Missile.

xviiiLospallingavviene in tutte quelle situazioni in cui l’azione di compressione al contatto investe un’area del bersaglio sufficientemente estesa. La velocità d’impatto deve essere idonea per creare una pressione tale da superare il limite elastico del materiale impattato. Dalla parte opposta della zona d’impatto (come all’interno di un mezzo) si distaccano dei grossi frammenti della corazza/blindatura che viaggiano a velocità molto elevate.

xixOrdigni esplodenti fabbricati utilizzando materiali di recupero provenienti dal mercato nero, ordigni inesplosi e/o munizionamento abbandonato. Possono essere attivati direttamente dalla vittima, oppure con dispositivi a distanza (radiocomando, cavi, ecc.) o con attacco suicida.

xxPer garantire il taglio degli stralli vincolanti il Ponte Morandi alla struttura dell’Autostrada A7 , il 9° Reggimento d’Assalto Paracadutisti “Col Moschin” ha impiegato una tipologia di esplosivo appositamente sviluppato per il taglio di manufatti in ferro, utilizzando tecniche militari classificate (dahttps://www.esercito.difesa.it/comunicazione/l-esercito-a-genova-per-il-ponte-morandi/89750.html), e potrebbe aver utilizzato cariche cave emisferiche (dahttps://www.difesaonline.it/2019/07/01/mondo-militare-gli-incursori-del-nono-col-moschin-finiscono-di-demolire-il-ponte-morandi/).

_{Immagini: USMC / U.S. Army / U.S. DoD / web / autore}

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