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Carga hueca

Diagrama de sección transversal de un proyectil de carga hueca. 1: Cápsula balística ; 2: Cavidad llena de aire; 3: Revestimiento cónico; 4: Detonador ; 5: Alto explosivo ; 6: E...

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Diagrama de sección transversal de un proyectil de carga hueca. 1: Cápsula balística ; 2: Cavidad llena de aire; 3: Revestimiento cónico; 4: Detonador ; 5: Alto explosivo ; 6: Espoleta piezoeléctrica .

Una carga hueca , también conocida como carga moldeada si tiene una cavidad, es una carga explosiva diseñada para concentrar el efecto de su energía. Se utilizan diferentes tipos de cargas huecas para diversos fines, como cortar y dar forma a metales, iniciar armas nucleares , penetrar blindajes o perforar pozos en la industria del petróleo y el gas .

La efectividad de una carga hueca se ve significativamente influenciada por la tecnología de fabricación. A partir del uso militar y civil de cargas huecas, se sabe que una carga hueca moderna típica, con una cavidad cónica equipada con un revestimiento metálico y producida con tecnologías convencionales y materiales de revestimiento tradicionales, puede penetrar una barrera de acero endurecido hasta una profundidad de no más de 6 diámetros de carga (CD). Sin embargo, al aumentar la precisión en la fabricación de cargas huecas, cumpliendo con todos los requisitos de calidad para el material de revestimiento y la carga explosiva, utilizando métodos avanzados de llenado con explosivos de alta potencia y empleando sistemas de iniciación capaces de controlar con precisión el frente de detonación, es posible aumentar este límite a 8-10 diámetros de carga. Finalmente, para cargas huecas fabricadas a la perfección, se espera que se puedan alcanzar profundidades de penetración en barreras de acero equivalentes a 12 calibres o diámetros de carga. [ 1 ] [ 2 ]

Contrariamente a la idea errónea, posiblemente derivada del acrónimo HEAT ( alto explosivo antitanque ), la carga hueca no depende en absoluto del calentamiento o la fusión para su efectividad; es decir, el chorro de una carga hueca no funde el blindaje, ya que su efecto es puramente cinético . [ 3 ] Sin embargo, el proceso sí genera un calor significativo y, a menudo, tiene un importante efecto incendiario secundario tras la penetración.

Función

Funcionamiento de una carga hueca (animación 2D).

La onda expansiva de un explosivo es perpendicular a su superficie. El interior de un cono enfoca y concentra la onda expansiva en puntos a lo largo del eje del cono. A medida que la explosión se propaga desde el punto de detonación, la onda expansiva concentrada avanza a lo largo del eje del cono, acumulando energía en el proceso. [ 4 ]

La adición de un revestimiento aumenta el efecto de la explosión al proporcionar una masa pesada que se expulsa como un chorro de alta velocidad desde el cono.

Efecto Munroe

El efecto Munroe o Neumann consiste en la concentración de la energía de la explosión mediante un hueco o cavidad cortada en la superficie de un explosivo. La primera mención de cargas huecas data de 1792. Franz Xaver von Baader (1765-1841), ingeniero de minas alemán de la época, propuso en una revista minera la creación de un espacio cónico en el extremo frontal de la carga explosiva para aumentar su efecto y, por lo tanto, ahorrar pólvora. [ 5 ] Hacia 1805, la idea se adoptó, durante un tiempo, en Noruega y en las minas de las montañas Harz de Alemania, aunque el único explosivo disponible en aquel entonces era la pólvora, que no es un explosivo de alta potencia y, por consiguiente, incapaz de producir la onda expansiva que requiere el efecto de carga hueca. [ 6 ]

El primer efecto de carga hueca verdadero se logró en 1883, por Max von Foerster (1845–1905), jefe de la fábrica de nitrocelulosa de Wolff & Co. en Walsrode , Alemania. [ 7 ] [ 8 ]

En 1886, Gustav Bloem de Düsseldorf , Alemania, presentó la patente estadounidense 342,423 para detonadores metálicos de cavidad hemisférica para concentrar el efecto de la explosión en una dirección axial. [ 9 ]

El efecto Munroe recibe su nombre de Charles E. Munroe , quien lo descubrió en 1888. Siendo un químico civil que trabajaba en la Estación de Torpedos Navales de los Estados Unidos en Newport, Rhode Island , notó que cuando se detonaba un bloque de algodón pólvora explosivo con el nombre del fabricante estampado junto a una placa de metal, las letras se grababan en la placa. Por el contrario, si las letras estaban en relieve sobre la superficie del explosivo, entonces las letras en la placa también se elevarían sobre su superficie. [ 10 ] En 1894, Munroe construyó su primera carga explosiva con forma rudimentaria: [ 11 ] [ 12 ]

Entre los experimentos realizados [...] hubo uno sobre un cubo seguro de veintinueve pulgadas, con paredes de cuatro pulgadas y tres cuartos de espesor, hecho de placas de hierro y acero [...] Cuando se detonó sobre él una carga hueca de dinamita de nueve libras y media de peso y sin compactar, se abrió un agujero de tres pulgadas de diámetro que atravesó la pared [...] El cartucho hueco se hizo atando los cartuchos de dinamita alrededor de una lata, con la boca abierta de esta última colocada hacia abajo.

— Charles E. Munroe, Las aplicaciones de los explosivos [ 13 ]

Cohete RL-83 Blindicide seccionado .

Aunque el experimento de Munroe con la carga hueca fue ampliamente difundido en 1900 en Popular Science Monthly , la importancia del revestimiento de lata de la carga hueca permaneció sin ser reconocida durante otros 44 años. [ 14 ] Parte de ese artículo de 1900 fue reimpreso en el número de febrero de 1945 de Popular Science , [ 4 ] describiendo cómo funcionaban las ojivas de carga hueca. Fue este artículo el que finalmente reveló al público general cómo funcionaba realmente el bazooka del Ejército de los Estados Unidos contra los vehículos blindados durante la Segunda Guerra Mundial.

En 1910, Egon Neumann de Alemania descubrió que un bloque de TNT , que normalmente abollaría una placa de acero, perforaba un agujero a través de ella si el explosivo tenía una hendidura cónica. [ 15 ] [ 16 ] La utilidad militar del trabajo de Munroe y Neumann no fue apreciada durante mucho tiempo. Entre las guerras mundiales, académicos de varios países —Myron Yakovlevich Sukharevskii (Мирон Яковлевич Сухаревский) en la Unión Soviética, [ 17 ] William H. Payman y Donald Whitley Woodhead en Gran Bretaña, [ 18 ] y Robert Williams Wood en los EE. UU. [ 19 ] — reconocieron que se podían formar proyectiles durante las explosiones.  

En 1932, Franz Rudolf Thomanek, estudiante de física en la Technische Hochschule de Viena , concibió un proyectil antitanque basado en el efecto de carga hueca. Ante la falta de interés del gobierno austriaco en desarrollar la idea, Thomanek se trasladó a la Technische Hochschule de Berlín , donde continuó sus estudios con el experto en balística Carl Julius Cranz. [ 20 ] Allí, en 1935, él y Hellmuth von Huttern desarrollaron un prototipo de proyectil antitanque. Si bien el rendimiento del arma resultó decepcionante, Thomanek prosiguió su trabajo de desarrollo, colaborando con Hubert Schardin en el Waffeninstitut der Luftwaffe (Instituto de Armamento de la Fuerza Aérea) en Braunschweig. [ 21 ]

En 1937, Schardin creía que los efectos de carga hueca se debían a las interacciones de las ondas de choque. Fue durante la comprobación de esta idea que, el 4 de febrero de 1938, Thomanek concibió el explosivo de carga hueca (o Hohlladungs-Auskleidungseffekt [efecto de revestimiento de carga hueca]). [ 22 ] (Fue Gustav Adolf Thomer quien en 1938 visualizó por primera vez, mediante radiografía instantánea, el chorro metálico producido por la explosión de una carga hueca. [ 23 ] ) Mientras tanto, Henry Hans Mohaupt , un ingeniero químico suizo, había desarrollado de forma independiente una munición de carga hueca en 1935, que fue demostrada a los ejércitos suizo, francés, británico y estadounidense. [ 24 ]

Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania ( Panzerschreck , Panzerfaust , Panzerwurfmine , Mistel ), Gran Bretaña ( granada AT n.º 68 , PIAT , carga craterizante Beehive ), la Unión Soviética ( RPG-43 , RPG-6 ), los EE. UU. ( granada de fusil M9 , bazuca ), [ 25 ] [ 26 ] Italia ( proyectiles Effetto Pronto Speciale para varias piezas de artillería) [ 27 ] y Japón ( granada Tipo 3 , mina Lunge ). [ 28 ] [ 29 ] El desarrollo de las cargas huecas revolucionó la guerra antitanque . Los tanques se enfrentaron a una grave vulnerabilidad ante un arma que podía ser transportada por un soldado de infantería o una aeronave.

Uno de los primeros usos de cargas huecas fue por tropas alemanas transportadas en planeadores contra el fuerte belga Eben-Emael en 1940. [ 30 ] Estas cargas de demolición, desarrolladas por el Dr. Wuelfken de la Oficina de Armamento alemana, eran cargas explosivas sin revestimiento [ 31 ] y no producían un chorro metálico como las ojivas HEAT modernas. Debido a la falta de revestimiento metálico, sacudían las torretas, pero no las destruían, y otras tropas aerotransportadas se veían obligadas a subir a las torretas y destrozar los cañones. [ 32 ]

Aplicaciones

Ejército moderno

Proyectil antitanque de alto explosivo seccionado , con la carga hueca interior visible.

El término común en la terminología militar para las ojivas de carga hueca es ojiva antitanque de alto explosivo (HEAT). Las ojivas HEAT se utilizan frecuentemente en misiles guiados antitanque , cohetes no guiados , proyectiles disparados por armas de fuego (tanto estabilizados por giro como sin estabilizar), granadas de fusil , minas terrestres , submuniciones , torpedos y otras armas diversas.

Protección

Durante la Segunda Guerra Mundial , la precisión de la construcción de la carga y su modo de detonación eran inferiores a las de las ojivas modernas. Esta menor precisión provocaba que el chorro se curvara y se fragmentara antes, y por lo tanto a menor distancia. La dispersión resultante disminuía la profundidad de penetración para un diámetro de cono dado y también acortaba la distancia de seguridad óptima. Dado que las cargas eran menos efectivas a mayores distancias, se descubrió que los faldones laterales y de torreta (conocidos como Schürzen ) instalados en algunos tanques alemanes para protegerlos contra los fusiles antitanque convencionales [ 33 ] permitían que el chorro se dispersara y, por lo tanto, también reducían la penetración de HEAT.

El uso de faldones de blindaje espaciado adicionales en vehículos blindados puede tener el efecto contrario y aumentar la penetración de las ojivas de carga hueca en algunos casos. Debido a las limitaciones en la longitud del proyectil/misil, la separación incorporada en muchas ojivas es menor que la distancia óptima. En tales casos, el faldón aumenta efectivamente la distancia entre el blindaje y el objetivo, y la ojiva detona más cerca de su separación óptima. [ 34 ] El faldón no debe confundirse con el blindaje de jaula que se usa principalmente para dañar el sistema de espoleta de los proyectiles RPG-7 , pero que también puede hacer que un proyectil HEAT se incline hacia arriba o hacia abajo al impactar, alargando la trayectoria de penetración para el flujo penetrante de la carga hueca. Si la sonda de la punta golpea una de las lamas del blindaje de jaula, la ojiva funcionará normalmente.

No militar

En aplicaciones no militares, las cargas huecas se utilizan en la demolición explosiva de edificios y estructuras , en particular para cortar pilotes, columnas y vigas metálicas [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] y para perforar agujeros. [ 38 ] En la siderurgia , las pequeñas cargas huecas se utilizan a menudo para perforar grifos que se han obstruido con escoria. [ 38 ] También se utilizan en canteras, para romper hielo, desatascar troncos, talar árboles y perforar agujeros para postes. [ 38 ]

Las cargas huecas se utilizan de forma más extensa en las industrias del petróleo y el gas natural , en particular en la terminación de pozos de petróleo y gas , en los que se detonan para perforar el revestimiento metálico del pozo a intervalos para permitir la entrada de petróleo y gas. [ 39 ] [ 40 ] Otro uso en la industria es apagar incendios de petróleo y gas privando al fuego de oxígeno.

En la misión Hayabusa2, se utilizó una carga hueca de 4,5 kg (9,9 lb) en el asteroide 162173 Ryugu . La nave espacial arrojó el dispositivo explosivo sobre el asteroide y lo detonó a cubierto. La detonación excavó un cráter de unos 10 metros de ancho, lo que permitió obtener una muestra prístina del asteroide. [ 41 ]  

Características técnicas

Diagrama de sección transversal de una carga hueca típica. En el extremo inferior se observa la cavidad cónica con su revestimiento metálico, mientras que en el extremo superior se aprecia el pequeño pozo central que aloja el detonador .

Un dispositivo típico consiste en un cilindro sólido de explosivo con una cavidad cónica revestida de metal en un extremo y un detonador central , un conjunto de detonadores o una guía de ondas de detonación en el otro. La energía explosiva se libera directamente lejos de la superficie del explosivo ( perpendicular a ella ), por lo que darle forma concentrará dicha energía en la cavidad. Si la cavidad tiene la forma adecuada, generalmente cónica, la enorme presión generada por la detonación del explosivo empuja el revestimiento hacia adentro, provocando su colapso sobre su eje central.

La colisión resultante forma y proyecta un chorro de partículas metálicas a alta velocidad hacia adelante a lo largo del eje. La mayor parte del material del chorro proviene de la parte más interna del revestimiento, una capa que representa entre el 10 % y el 20 % de su espesor. El resto del revestimiento forma una masa de material que se mueve más lentamente y que, debido a su apariencia, a veces se denomina "zanahoria".

Debido a la variación en la velocidad de colapso del revestimiento, la velocidad del chorro también varía a lo largo de su longitud, disminuyendo desde el frente. Esta variación en la velocidad del chorro lo estira y, finalmente, provoca su fragmentación. Con el tiempo, las partículas tienden a desalinearse, lo que reduce la profundidad de penetración a distancias prolongadas.

En el vértice del cono, que forma la parte frontal del chorro, el revestimiento no tiene tiempo de acelerarse por completo antes de integrarse al mismo. Esto provoca que una pequeña porción del chorro se proyecte a menor velocidad que la que se forma posteriormente detrás. Como resultado, las partes iniciales del chorro se fusionan para formar una punta más ancha y pronunciada.

Una carga hueca de composición B de 40 lb (18 kg) utilizada por ingenieros de combate para perforar un agujero para una carga de cráter. Los soportes inferiores sirven para mantener la carga hueca a la distancia de separación óptima del objetivo (generalmente igual a un diámetro y medio del cono [ 42 ] ).

La mayor parte del chorro viaja a velocidad hipersónica . La punta se mueve a 7-14  km/s, la cola del chorro a una velocidad menor (1-3  km/s) y el núcleo a una velocidad aún menor (menos de 1  km/s). Las velocidades exactas dependen de la configuración y el confinamiento de la carga, el tipo de explosivo, los materiales utilizados y el modo de iniciación del explosivo. A velocidades típicas, el proceso de penetración genera presiones tan enormes que puede considerarse hidrodinámico ; en una buena aproximación, el chorro y el blindaje pueden tratarse como fluidos compresibles no viscosos ( véase, por ejemplo, [ 43 ] ), ignorando sus resistencias materiales.

Una técnica reciente que utiliza análisis de difusión magnética mostró que la temperatura del 50% exterior en volumen de la punta de un chorro de cobre en vuelo estaba entre 1100 K y 1200 K, [ 44 ] mucho más cerca del punto de fusión del cobre (1358 K) de lo que se suponía anteriormente. [ 45 ] Esta temperatura es consistente con un cálculo hidrodinámico que simuló todo el experimento. [ 46 ] En comparación, las mediciones de radiometría de dos colores de finales de la década de 1970 indican temperaturas más bajas para diversos materiales de revestimiento de carga conformada, construcción de cono y tipo de relleno explosivo. [ 47 ]

Una carga hueca con revestimiento de cobre y punta cónica puntiaguda, cargada con Comp-B, presentó una temperatura en la punta del chorro que osciló entre 668 K y 863 K en un muestreo de cinco disparos. Las cargas con Octol y punta cónica redondeada generalmente presentaron temperaturas superficiales más altas, con un promedio de 810 K, y la temperatura de un revestimiento de estaño-plomo con relleno de Comp-B promedió 842 K. Si bien se determinó que el chorro de estaño-plomo era líquido, los chorros de cobre se encuentran muy por debajo del punto de fusión del cobre. Sin embargo, estas temperaturas no son completamente consistentes con la evidencia de que las partículas de chorro de cobre recuperadas muestran signos de fusión en el núcleo, mientras que la porción exterior permanece sólida y no puede equipararse con la temperatura global. [ 48 ]

La ubicación de la carga con respecto a su objetivo es crucial para una penetración óptima por dos razones. Si la carga se detona demasiado cerca, no hay tiempo suficiente para que el chorro se desarrolle por completo. Sin embargo, el chorro se desintegra y dispersa tras una distancia relativamente corta, generalmente muy inferior a dos metros. A tales distancias, se fragmenta en partículas que tienden a girar y desviarse del eje de penetración, de modo que las partículas sucesivas tienden a ensanchar en lugar de profundizar el orificio. A distancias muy largas, la velocidad se pierde debido a la resistencia del aire , lo que degrada aún más la penetración. Normalmente, la distancia de separación habitual es de un diámetro y medio del cono. [ 42 ]

Otro factor clave para la efectividad de la carga hueca es su diámetro. A medida que la penetración continúa a través del objetivo, el ancho del orificio disminuye, lo que produce una acción característica de "puño a dedo", donde el tamaño del "dedo" resultante se basa en el tamaño del "puño" original. En general, las cargas huecas pueden penetrar una placa de acero de hasta un 150 % a un 700 % [ 49 ] de su diámetro, dependiendo de la calidad de la carga. Esta cifra corresponde a una placa de acero básica, no a la armadura compuesta , la armadura reactiva u otros tipos de armadura moderna.

Transatlántico

Ejemplo de un cono de cobre utilizado como revestimiento de una carga explosiva conformada.

La forma más común del revestimiento es cónica , con un ángulo de vértice interno de 30 a 90 grados. [ 50 ] [ 51 ] Diferentes ángulos de vértice producen diferentes distribuciones de masa y velocidad del chorro. Ángulos de vértice pequeños pueden provocar la bifurcación del chorro , o incluso la imposibilidad de que se forme; esto se atribuye a que la velocidad de colapso supera un cierto umbral, normalmente ligeramente superior a la velocidad del sonido global del material del revestimiento. Otras formas ampliamente utilizadas incluyen hemisferios, tulipanes, trompetas, elipses y bicónicas; las diversas formas producen chorros con diferentes distribuciones de velocidad y masa.

Los revestimientos se han fabricado con muchos materiales, incluidos varios metales [ 52 ] y vidrio. Las penetraciones más profundas se logran con un metal denso y dúctil , pero por supuesto esos no son los únicos calificadores, o el plomo sería más popular de lo que es para este propósito; en cambio, una opción muy común ha sido el cobre . Para algunas armas antitanque modernas, se han adoptado molibdeno y pseudoaleaciones de relleno de tungsteno y aglutinante de cobre (9:1, por lo que la densidad es ≈18  Mg/m 3 ). Se ha probado casi todos los elementos metálicos comunes, incluidos aluminio , tungsteno , tantalio , uranio empobrecido , plomo , estaño , cadmio , cobalto , magnesio , titanio , zinc , circonio , molibdeno , berilio , níquel , plata e incluso oro y platino . [ 53 ] La selección del material depende del objetivo a penetrar; Por ejemplo, se ha comprobado que el aluminio es ventajoso para objetivos de hormigón . [ 54 ]

En las primeras armas antitanque, el cobre se utilizaba como material de revestimiento. Posteriormente, en la década de 1970, se descubrió que el tantalio era superior al cobre, debido a su densidad mucho mayor y su elevada ductilidad a altas velocidades de deformación. Otros metales y aleaciones de alta densidad suelen presentar inconvenientes en cuanto a precio, toxicidad, radiactividad o falta de ductilidad. [ 55 ]

Para penetraciones más profundas, los metales puros ofrecen los mejores resultados, ya que presentan la mayor ductilidad, lo que retrasa la fragmentación del chorro a medida que se estira. Sin embargo, en las cargas para la terminación de pozos petrolíferos , es fundamental evitar la formación de un tapón sólido, puesto que obstruiría el orificio recién perforado e interferiría con la entrada de petróleo. Por consiguiente, en la industria petrolera, los revestimientos se fabrican generalmente mediante metalurgia de polvos , a menudo con pseudoaleaciones que, si no se sinterizan , producen chorros compuestos principalmente por finas partículas metálicas dispersas.

Sin embargo, los revestimientos prensados ​​en frío no sinterizados no son impermeables y tienden a ser quebradizos , lo que los hace fáciles de dañar durante su manipulación. Se pueden utilizar revestimientos bimetálicos , generalmente de cobre revestido de zinc; durante la formación del chorro, la capa de zinc se vaporiza y no se forma un bloque sólido; la desventaja es un mayor costo y la dependencia de la formación del chorro de la calidad de la unión de las dos capas. Se pueden utilizar aleaciones de soldadura o de latón  de bajo punto de fusión (por debajo de 500 °C) (por ejemplo, Sn 50 Pb 50 , Zn 97.6 Pb 1.6 o metales puros como plomo, zinc o cadmio); estos se funden antes de llegar al revestimiento del pozo y el metal fundido no obstruye el orificio. Otras aleaciones, eutécticos binarios (por ejemplo, Pb 88,8 Sb 11,1 , Sn 61,9 Pd 38,1 o Ag 71,9 Cu 28,1 ), forman un material compuesto de matriz metálica con una matriz dúctil y dendritas frágiles ; estos materiales reducen la formación de lingotes, pero son difíciles de moldear.

Un compuesto de matriz metálica con inclusiones discretas de material de bajo punto de fusión es otra opción; las inclusiones se funden antes de que el chorro alcance el revestimiento del pozo, debilitando el material, o bien actúan como puntos de nucleación de grietas , y el proyectil se rompe al impactar. La dispersión de la segunda fase también puede lograrse con aleaciones fundibles (por ejemplo, cobre) con un metal de bajo punto de fusión insoluble en cobre, como bismuto, 1-5% de litio o hasta un 50% (generalmente 15-30%) de plomo; el tamaño de las inclusiones puede ajustarse mediante tratamiento térmico. También puede lograrse una distribución no homogénea de las inclusiones. Otros aditivos pueden modificar las propiedades de la aleación; el estaño (4-8%), el níquel (hasta un 30% y a menudo junto con el estaño), hasta un 8% de aluminio, el fósforo (que forma fosfuros frágiles) o el 1-5% de silicio forman inclusiones frágiles que actúan como puntos de iniciación de grietas. Se puede añadir hasta un 30% de zinc para reducir el coste del material y formar fases frágiles adicionales. [ 56 ]

Los revestimientos de vidrio de óxido producen chorros de baja densidad, lo que resulta en una menor profundidad de penetración. Los revestimientos de doble capa, con una capa de un metal menos denso pero pirofórico (por ejemplo, aluminio o magnesio ), pueden utilizarse para mejorar los efectos incendiarios tras la perforación del blindaje; la soldadura explosiva puede emplearse para su fabricación, ya que la interfaz metal-metal es homogénea, no contiene una cantidad significativa de compuestos intermetálicos y no tiene efectos adversos sobre la formación del chorro. [ 57 ]

La profundidad de penetración es proporcional a la longitud máxima del chorro, que es producto de la velocidad de la punta del chorro y el tiempo de particulación. La velocidad de la punta del chorro depende de la velocidad del sonido en el material del revestimiento, mientras que el tiempo de particulación depende de la ductilidad del material. La velocidad máxima alcanzable del chorro es aproximadamente 2,34 veces la velocidad del sonido en el material. [ 58 ] La velocidad puede alcanzar los 10  km/s, con un pico unos 40 microsegundos después de la detonación; la punta del cono está sometida a una aceleración de unos 25  millones de g. La cola del chorro alcanza unos 2–5  km/s. La presión entre la punta del chorro y el objetivo puede alcanzar un terapascal. La inmensa presión hace que el metal fluya como un líquido, aunque la difracción de rayos X ha demostrado que el metal permanece sólido; una de las teorías que explican este comportamiento propone un núcleo fundido y una vaina sólida del chorro. Los mejores materiales son los metales cúbicos centrados en las caras , ya que son los más dúctiles, pero incluso el grafito y los conos cerámicos de ductilidad cero muestran una penetración significativa. [ 59 ]

Carga explosiva

Para una penetración óptima, normalmente se elige un explosivo de alto poder con una alta velocidad y presión de detonación. El explosivo más común utilizado en ojivas antitanque de alto rendimiento es el HMX (octógeno), aunque nunca en su forma pura, ya que sería demasiado sensible. Normalmente se combina con un pequeño porcentaje de algún tipo de aglutinante plástico, como en el explosivo polimérico (PBX) LX-14, o con otro explosivo menos sensible, como el TNT , con el que forma Octol . Otros explosivos comunes de alto rendimiento son las composiciones a base de RDX , también como PBX o mezclas con TNT (para formar la Composición B y los Ciclotoles ) o cera (Ciclonitas). Algunos explosivos incorporan aluminio en polvo para aumentar su explosión y temperatura de detonación, pero esta adición generalmente resulta en una disminución del rendimiento de la carga hueca. Se ha investigado el uso del explosivo CL-20, de muy alto rendimiento pero sensible , en ojivas de carga hueca, pero, actualmente, debido a su sensibilidad, se ha utilizado en forma del compuesto PBX LX-19 (CL-20 y aglutinante Estane). [ 60 ]

Otras características

Un «conformador de onda» es un cuerpo (típicamente un disco o bloque cilíndrico) de un material inerte (generalmente plástico sólido o espumado, pero a veces metal, o incluso hueco) insertado dentro del explosivo con el fin de cambiar la trayectoria de la onda de detonación. El efecto es modificar el colapso del cono y la formación del chorro resultante, con la intención de aumentar el rendimiento de penetración. Los conformadores de onda se utilizan a menudo para ahorrar espacio; una carga más corta con un conformador de onda puede lograr el mismo rendimiento que una carga más larga sin él. [ 60 ] [ 61 ] Dado que el espacio de posibles formas de onda es infinito, se han desarrollado métodos de aprendizaje automático para diseñar conformadores de onda más óptimos que pueden mejorar el rendimiento de una carga conformada mediante diseño computacional. [ 62 ]

Otra característica de diseño útil es la subcalibración , que consiste en el uso de un revestimiento con un diámetro (calibre) menor que el de la carga explosiva. En una carga ordinaria, el explosivo cerca de la base del cono es tan delgado que no puede acelerar el revestimiento adyacente a la velocidad suficiente para formar un chorro efectivo. En una carga subcalibrada, esta parte del dispositivo se elimina, lo que resulta en una carga más corta con el mismo rendimiento. [ 60 ]

Variantes

Existen varios tipos de cargas huecas.

Cargas con forma lineal

Diagrama de una carga explosiva lineal. Rojo: detonador; azul: carcasa; amarillo: explosivo de alta potencia; naranja: perfil en "V" con líneas.

Una carga hueca lineal (LSC) tiene un revestimiento con perfil en V y longitud variable. El revestimiento está rodeado de explosivo, que a su vez está encapsulado en un material adecuado que sirve para protegerlo y confinarlo (comprimirlo) al detonar. "Al detonar, la concentración de la onda de alta presión del explosivo al incidir sobre la pared lateral provoca el colapso del revestimiento metálico de la LSC, creando así la fuerza de corte." [ 63 ] La detonación se proyecta dentro del revestimiento, formando un chorro continuo, similar a un cuchillo (planar). El chorro corta cualquier material a su paso, a una profundidad que depende del tamaño y los materiales utilizados en la carga. Generalmente, el chorro penetra entre 1 y 1,2 veces [ 63 ] el ancho de la carga. Para el corte de geometrías complejas, también existen versiones flexibles de la carga hueca lineal, con una funda de plomo o espuma de alta densidad y un revestimiento dúctil/flexible, que también suele ser de plomo. Las LSC se utilizan comúnmente en el corte de vigas de acero laminado (RSJ) y otros elementos estructurales, como en la demolición controlada de edificios. Las LSC también se utilizan para separar las etapas de cohetes multietapa y destruirlas cuando se desvían de su trayectoria. [ 64 ]

Penetrador de formación explosiva

Desarrollo aerodinámico de la placa metálica de una munición penetrante formada por explosión (EFP), unos pocos microsegundos después de la detonación de la carga explosiva. [ 65 ]

El penetrador formado por explosión (EFP) también se conoce como fragmento autoforjante (SFF), proyectil formado por explosión (EFP), proyectil autoforjante (SEFOP), carga de placa y carga Misnay-Schardin (MS). Un EFP utiliza la acción de la onda de detonación del explosivo (y en menor medida el efecto propulsor de sus productos de detonación) para proyectar y deformar una placa o disco de metal dúctil (como cobre, hierro o tantalio) en un proyectil compacto de alta velocidad, comúnmente llamado bala. Esta bala se proyecta hacia el objetivo a unos dos kilómetros por segundo. La principal ventaja del EFP sobre una carga hueca convencional (por ejemplo, cónica) es su eficacia a distancias muy grandes, equivalentes a cientos de veces el diámetro de la carga (quizás cien metros para un dispositivo práctico). [ 66 ] [ 67 ]

El EFP es relativamente insensible a la armadura reactiva de primera generación y puede viajar hasta quizás 1000 diámetros de carga (CD) [ 68 ] antes de que su velocidad se vuelva ineficaz para penetrar la armadura debido a la resistencia aerodinámica, o antes de que impactar con éxito en el objetivo se convierta en un problema. El impacto de una bola o proyectil EFP normalmente causa un agujero de gran diámetro pero relativamente poco profundo, de, como máximo, un par de CD. Si el EFP perfora la armadura, se producirán esquirlas y extensos efectos detrás de la armadura (BAE, también llamados daños detrás de la armadura, BAD).

La explosión explosiva (EPE) se debe principalmente a la inyección de fragmentos de blindaje y bala a alta temperatura y velocidad en el espacio interior, así como a la sobrepresión de la explosión causada por estos escombros. Las versiones más modernas de ojivas EFP, mediante el uso de modos de iniciación avanzados, también pueden producir varillas largas (balas alargadas), balas múltiples y proyectiles de varilla/bala con aletas. Las varillas largas pueden penetrar a mayor profundidad en el blindaje, aunque con cierta pérdida de EPE; las balas múltiples son más eficaces contra objetivos ligeros o de área, y los proyectiles con aletas son mucho más precisos.

El uso de este tipo de ojiva se limita principalmente a las zonas ligeramente blindadas de los carros de combate principales (MBT), como la parte superior, inferior y trasera. Es muy adecuada para atacar otros vehículos blindados de combate (AFV) con menor protección y para la destrucción de objetivos materiales (edificios, búnkeres, pilares de puentes, etc.). Los nuevos proyectiles de varilla pueden ser eficaces contra las zonas más blindadas de los MBT. Ya se han utilizado en combate armas que emplean el principio EFP; las submuniciones " inteligentes " de la bomba de racimo CBU-97, empleadas por la Fuerza Aérea y la Armada de EE. UU. en la guerra de Irak de 2003, utilizaban este principio, y, según se informa, el Ejército de EE. UU. está experimentando con proyectiles de artillería guiados de precisión en el marco del Proyecto SADARM (Seek And Destroy ARMor). También existen otros proyectiles (BONUS, DM 642), submuniciones de cohete (Motiv-3M, DM 642) y minas (MIFF, TMRP-6) que emplean el principio EFP. Ejemplos de ojivas EFP son las patentes estadounidenses 5038683 [ 69 ] y US6606951. [ 70 ]

ojiva en tándem

Munición PG-7VR para el lanzagranadas RPG-7 , equipado con una ojiva en tándem.

Algunos cohetes antitanque modernos ( RPG-27 , RPG-29 ) y misiles ( TOW-2 , TOW-2A, Eryx , HOT , MILAN ) utilizan una ojiva de carga hueca en tándem , que consiste en dos cargas huecas separadas, una delante de la otra, normalmente con cierta distancia entre ellas. El TOW-2A fue el primero en utilizar ojivas en tándem a mediados de la década de 1980, un aspecto del arma que el Ejército de los EE. UU. tuvo que revelar bajo la presión de los medios de comunicación y del Congreso, debido a la preocupación de que los misiles antitanque de la OTAN fueran ineficaces contra los tanques soviéticos equipados con las nuevas cajas ERA . El Ejército reveló que una  ojiva de carga hueca precursora de 40 mm estaba instalada en la punta de la sonda plegable del TOW-2 y del TOW-2A [ 71 ].

Por lo general, la carga frontal es algo más pequeña que la trasera, ya que está destinada principalmente a perturbar las cajas o placas de ERA. Ejemplos de ojivas en tándem son las patentes estadounidenses 7363862 [ 72 ] y US 5561261. [ 73 ] El misil antitanque estadounidense Hellfire es uno de los pocos que ha logrado la compleja hazaña de ingeniería de tener dos cargas huecas del mismo diámetro apiladas en una ojiva. Recientemente, una empresa de armas rusa reveló un proyectil de cañón de tanque de 125 mm con dos cargas huecas del mismo diámetro una detrás de la otra, pero con la trasera desplazada para que su flujo de penetración no interfiera con el flujo de penetración de la carga hueca frontal. El razonamiento detrás de que tanto el Hellfire como las  municiones rusas de 125 mm tengan ojivas en tándem del mismo diámetro no es aumentar la penetración, sino aumentar el efecto más allá del blindaje .

Compresor Voitenko

Diagrama de sección transversal de un compresor Voitenko.

En 1964, un científico soviético propuso adaptar una carga hueca, originalmente desarrollada para perforar blindajes de acero gruesos, para acelerar ondas de choque. [ 74 ] El dispositivo resultante, que se asemeja a un túnel de viento , se denomina compresor Voitenko. [ 75 ] El compresor Voitenko separa inicialmente un gas de prueba de una carga hueca mediante una placa de acero maleable . Al detonar la carga hueca, la mayor parte de su energía se concentra en la placa de acero, impulsándola hacia adelante y empujando el gas de prueba. El Laboratorio Ames transformó esta idea en un tubo de choque autodestructivo. Una carga hueca de 30 kg (66 libras) aceleró el gas en un tubo de 2 metros de longitud con paredes de vidrio de 3 cm de espesor. La velocidad de la onda de choque resultante fue de 67  km/s (220 000 pies por segundo). El aparato expuesto a la detonación quedó completamente destruido, pero no sin antes extraer datos útiles. [ 75 ] [ 76 ]

In a typical Voitenko compressor, a shaped charge accelerates hydrogen gas which in turn accelerates a thin disk up to about 40 km/s.[77][78] A slight modification to the Voitenko compressor concept is a super-compressed detonation,[79][80] a device that uses a compressible liquid or solid fuel in the steel compression chamber instead of a traditional gas mixture.[81][82] A further extension of this technology is the explosive diamond anvil cell,[83][84][85][86] utilizing multiple opposed shaped-charge jets projected at a single steel encapsulated fuel,[87] such as hydrogen. The fuels used in these devices, along with the secondary combustion reactions and long blast impulse, produce similar conditions to those encountered in fuel-air and thermobaric explosives.[88][89][90][91]

Nuclear shaped charges

The proposed Project Orion nuclear propulsion system would have required the development of nuclear shaped charges for reaction acceleration of spacecraft. Shaped-charge effects driven by nuclear explosions have been discussed speculatively, but are not known to have been produced in fact.[92][93][94] For example, the early nuclear weapons designer Ted Taylor was quoted as saying, in the context of shaped charges, "A one-kiloton fission device, shaped properly, could make a hole ten feet (3.0 m) in diameter a thousand feet (305 m) into solid rock."[95] Also, a nuclear driven explosively formed penetrator was apparently proposed for terminal ballistic missile defense in the 1960s.[96][97]

See also

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Lecturas adicionales

  • Fundamentos de cargas conformadas , WP Walters, JA Zukas, John Wiley & Sons Inc., junio de 1989, ISBN 0-471-62172-2.
  • Ojivas de misiles tácticos , Joseph Carleone (ed.), Serie Progreso en Astronáutica y Aeronáutica (V-155), Publicado por AIAA, 1993, ISBN 1-56347-067-5.
  • Artículo de 1945 de la revista Popular Science que finalmente reveló los secretos de las armas de carga hueca; el artículo también incluye reimpresiones de dibujos de 1900 de Popular Science sobre los experimentos del profesor Munroe con cargas huecas rudimentarias.
  • Elementos del diseño de armas de fisión
  • Las bombas con forma amplifican los ataques en Irak.
  • Las cargas huecas perforan los objetivos más resistentes.
  • El desarrollo de las primeras cargas huecas por los alemanes en la Segunda Guerra Mundial
  • Uso de cargas huecas y protección contra ellas en la Segunda Guerra Mundial