Una carica cava è una carica esplosiva perforante, sagomata per concentrare l'effetto dell'energia esplosiva. Diversi tipi di cariche cave vengono utilizzati per vari scopi, come il taglio e la formatura del metallo, l'innesco di armi nucleari (lente esplosiva), la penetrazione di corazze o la perforazione di pozzi nell'industria petrolifera e del gas.
L'efficacia di una carica cava è significativamente influenzata dalla tecnologia di produzione. Dall'impiego militare e civile di cariche cave, è noto che una tipica carica cava moderna, avente una cavità conica dotata di un rivestimento metallico, e prodotta con tecnologie convenzionali e utilizzando materiali di rivestimento tradizionali, può penetrare una barriera d'acciaio temprato fino a una profondità non superiore a 6 diametri di carica (). Tuttavia, aumentando la precisione nella produzione di cariche cave, soddisfacendo tutti i requisiti di qualità del materiale di rivestimento e della carica esplosiva, utilizzando metodi avanzati di riempimento con esplosivi ad alto potenziale, e sviluppando inneschi capaci di controllare con precisione il fronte di detonazione, è possibile aumentare questo limite fino a 8-10 diametri di carica. Infine, per cariche cave perfettamente realizzate, si prevede di raggiungere profondità di penetrazione di barriere d'acciaio pari a 12 calibri o diametri di carica.
Contrariamente a quanto si pensa erroneamente – probabilmente a causa dell'acronimo inglese HEAT () che può significare anche "calore" – l'efficacia della carica cava non dipende in alcun modo dal riscaldamento o dalla fusione: il getto perforante prodotto da una carica cava non si apre la strada attraverso una corazza fondendola, poiché il suo effetto è puramente cinetico. Tuttavia, il processo genera un calore significativo e spesso ha un significativo effetto incendiario secondario dopo la penetrazione.
Funzionamento
L'onda d'urto generata da una carica esplosiva è perpendicolare alla superficie della carica esplosiva. L'interno di un cono focalizza e concentra l'onda d'urto in punti lungo l'asse del cono. Man mano che l'esplosione procede dal punto di detonazione, l'onda d'urto concentrata avanza lungo l'asse del cono, accumulando energia lungo il percorso.
L'aggiunta di un rivestimento aumenta l'effetto dell'esplosione, fornendo una massa pesante che viene espulsa dal cono come un getto di particelle ad alta velocità.
Effetto Munroe L'effetto Munroe o Neumann consiste nella focalizzazione dell'energia di un'esplosione mediante un taglio cavo o vuoto effettuato sulla superficie di una carica esplosiva. La prima menzione delle cariche cave risale al 1792. Franz Xaver von Baader (1765-1841) era un ingegnere minerario tedesco dell'epoca; in una rivista dedicata all'industria mineraria, sostenne la necessità di uno spazio conico all'estremità anteriore di una carica esplosiva, per aumentarne l'effetto e quindi risparmiare polvere. Intorno al 1805, l'idea fu adottata, per un certo periodo, in Norvegia e nelle miniere dei monti Harz in Germania, sebbene l'unico esplosivo disponibile all'epoca fosse la polvere da sparo, che non essendo un esplosivo ad alto potenziale è perciò incapace di produrre l'onda d'urto necessaria per il corretto funzionamento della carica cava.
Il primo vero effetto di carica cava fu ottenuto nel 1883 da Max von Foerster (1845-1905), capo della fabbrica di nitrocellulosa della Wolff & Co. a Walsrode, in GermaniaKennedy, op. cit., pp. 5, 66..
Nel 1886, Gustav Bloem di Düsseldorf, in Germania, depositò il brevetto statunitense 342,423 () per detonatori metallici a cavità emisferica per concentrare l'effetto dell'esplosione in direzione assialeU.S. patent 342423, Gustav Bloem, Shell for detonating caps, 25 maggio 1886..
L'effetto Munroe prende il nome da Charles E. Munroe, che lo scoprì nel 1888. Come chimico civile che lavorava presso la U.S. Naval Torpedo Station a Newport, nel Rhode Island, notò che quando un blocco di fulmicotone esplosivo, con il nome del produttore stampato in esso, veniva fatto detonare vicino a una piastra metallica, le lettere venivano incise nella piastra. Al contrario, se le lettere erano sollevate in rilievo sopra la superficie dell'esplosivo, anche le lettere sulla piastra sarebbero state sollevate sopra la sua superficieKennedy, op. cit., pp. 5–6.. Nel 1894, Munroe costruì la sua prima carica cava rudimentaleC.E. Munroe, Executive Document No. 20, 53rd Congress, 1st Session, Washington, D.C., 1894.:
Sebbene l'esperimento di Munroe con la carica cava fu ampiamente pubblicizzato nel 1900 sulla rivista Popular Science Monthly, l'importanza del "rivestimento" di latta della carica cava rimase sconosciuta per altri 44 anniKennedy, op. cit., p. 6.. Parte di quell'articolo del 1900 fu ristampata nel numero di febbraio 1945 della rivista Popular Science, che descrisse il funzionamento delle testate a carica cava. Fu questo articolo a rivelare al grande pubblico come funzionasse effettivamente il Bazooka dell'esercito degli Stati Uniti contro i veicoli corazzati durante la Seconda guerra mondiale.
Nel 1910, il tedesco Egon Neumann scoprì che un blocco di tritolo (TNT), che normalmente avrebbe solo ammaccato una piastra d'acciaio, la perforava se l'esplosivo aveva un incavo conico. L'utilità militare del lavoro di Munroe e Neumann non fu apprezzata per molto tempo. Tuttavia, tra le due guerre mondiali, accademici di diversi paesi – Miron Yakovlevich Sukharevskij (Мирон Яковлевич Сухаревский) nell'Unione SovieticaМ. Сухаревский [M. Sukharevskij], Техника и Снабжение Красной Армии [Tecnologia ed equipaggiamento dell'Armata Rossa], n. 170, 1925, pp. 13–18.Война и Техника [Guerra e tecnologia], n. 253, 1926, pp. 18–24., William H. Payman e Donald Whitley Woodhead in Gran Bretagna, e Robert Williams Wood negli Stati Uniti – riconobbero e studiarono il fenomeno.
Nel 1932 Franz Rudolf Thomanek, studente di fisica alla Technische Hochschule di Vienna, concepì un proiettile anticarro basato sull'effetto della carica cava. Quando il governo austriaco non mostrò alcun interesse nello sviluppo dell'idea, Thomanek si trasferì alla Technische Hochschule di Berlino, dove continuò i suoi studi con l'esperto di balistica Carl Julius Cranz. Lì, nel 1935, lui e Hellmuth von Huttern svilupparono un prototipo di proiettile anticarro. Sebbene le prestazioni dell'arma si rivelarono deludenti, Thomanek continuò il suo lavoro di sviluppo, collaborando con Hubert Schardin presso il Waffeninstitut der Luftwaffe (Istituto per le armi dell'aeronautica militare) di Braunschweig.
Nel 1937, Schardin ritenne che gli effetti della carica cava fossero dovuti alle interazioni delle onde d'urto. Fu durante la sperimentazione di questa idea che, il 4 febbraio 1938, Thomanek concepì l'effetto dell'esplosivo con carica cava rivestita ()Kennedy, op. cit., p. 9.. Nel 1938 Gustav Adolf Thomer fu il primo a visualizzare, tramite radiografia flash, il getto metallico prodotto dall'esplosione di una carica cava rivestitaKennedy, op. cit., p. 63.Krehl, op. cit., p. 513.. Nel frattempo, nel 1935, Henry Hans Mohaupt, un ingegnere chimico svizzero, sviluppò indipendentemente una munizione a carica cava, che fu dimostrata alle forze armate svizzere, francesi, britanniche e statunitensiKennedy, op. cit., pp. 10–11..
Durante la Seconda guerra mondiale, le munizioni a carica cava furono sviluppate dalla Germania (Panzerschreck, Panzerfaust, Panzerwurfmine, Mistel), dalla Gran Bretagna (granata No. 68 AT, PIAT, carica craterizzante Beehive), dall'Unione Sovietica (RPG-43, RPG-6), dagli Stati Uniti (granata da fucile M9, Bazooka)Kennedy, op. cit., dall'Italia (granate "Effetto Pronto Speciale" per vari pezzi d'artiglieria) e dal Giappone (granata Tipo 3, Lunge AT-mine). Lo sviluppo delle cariche cave rivoluzionò la guerra anticarro: i carri armati si trovarono di fronte a una grave vulnerabilità, causata da un'arma che poteva essere trasportata da un singolo fante o da un aereo.
Uno dei primi utilizzi in battaglia di cariche cave si ebbe nel 1940, quando truppe tedesche trasportate da alianti attaccarono il forte belga Eben-Emael. Tuttavia, tali cariche da demolizione – sviluppate dal Dr. Wuelfken dell'Ufficio per le munizioni tedesco – erano cariche esplosive non rivestite e non producevano il getto metallico tipico delle moderne testate HEAT. Le cariche, a causa della mancanza di rivestimento metallico, scossero le torrette del forte ma non le distrussero, così altre truppe aviotrasportate furono costrette a salire sulle torrette e a rompere le canne dei cannoni con altri mezzi.
Applicazioni
Militari
Nella terminologia militare, un nome comune per le testate a carica cava è "esplosivo ad alto potenziale contro-carri" (). Le testate HEAT sono frequentemente utilizzate in missili anticarro guidati, razzi non guidati, granate sparate da artiglierie (sia rigate – stabilizzate con rotazione – che non rigate), granate da fucile, granate a mano, mine terrestri, bombe a grappolo, siluri e varie altre armi.
Protezione Durante la Seconda guerra mondiale, la precisione costruttiva della carica cava e la sua modalità di detonazione erano entrambe inferiori a quelle delle testate moderne. Questa minore precisione causava una curvatura e una rottura anticipate del getto. La dispersione risultante riduceva la profondità di penetrazione per un dato diametro del cono e riduceva anche la distanza ottimale dal bersaglio () a cui la carica avrebbe dovuto detonare. Poiché le cariche erano meno efficaci a distanze maggiori, si scoprì che l'installazione di "gonne" metalliche o corazze distanziate (, ) sui fianchi dello scafo e della torretta di un carro armato – montate su alcuni carri armati tedeschi per proteggerli dai normali fucili anticarro – dava al getto spazio per disperdersi e quindi riduceva anche la penetrazione HEAT.
Tuttavia, in alcuni casi, l'uso delle "gonne" corazzate distanziate aggiuntive sui veicoli corazzati può avere l'effetto opposto e aumentare la penetrazione delle testate a carica cava. A causa dei vincoli progettuali riguardanti la lunghezza del proiettile/missile, la distanza di stand-off integrata in molte testate è inferiore alla distanza ottimale. In tali casi, la "gonna" aumenta efficacemente la distanza tra l'armatura e il bersaglio e la testata esplode più vicino alla sua posizione ottimale. La "gonna" non deve essere confusa con la corazza a gabbia (), che viene utilizzata principalmente per danneggiare il sistema d'innesco di proiettili come quelli dell'RPG-7, ma può anche portare un proiettile HEAT a inclinarsi verso l'alto o verso il basso al momento dell'impatto, allungando il percorso del getto penetrante della carica cava. Se la punta anteriore della munizione HEAT colpisce una delle lamelle della corazza a gabbia, la testata funzionerà normalmente.
Nel tentativo di contrastare le armi dotate di testate HEAT sono state sviluppate corazze più perfezionate, come quelle composite e quelle reattive.
Civili Nelle applicazioni civili, le cariche cave vengono utilizzate nella demolizione controllata esplosiva di edifici e strutture, in particolare per tagliare pali, colonne e travi metalliche e per praticare fori. Nella produzione di acciaio, piccole cariche cave vengono spesso utilizzate per perforare condutture ostruite dalle scorie. Vengono inoltre utilizzate nelle cave, nella rottura del ghiaccio, nella rottura di ingorghi di tronchi, nell'abbattimento di alberi e nella perforazione di fori per l'installazione di pali.
Le cariche cave sono utilizzate più ampiamente nell'industria petrolifera e del gas naturale, in particolare nel completamento dei pozzi di petrolio e gas, dove vengono fatte detonare per perforare il rivestimento metallico del pozzo a intervalli allo scopo di consentire l'afflusso di petrolio e gas. Un altro utilizzo nell'industria è quello di spegnere incendi di petrolio e gas privando l'incendio di ossigeno.