Formazione di getti non coesivi da liner di carica cava in lega amorfa a base di Zr: un modello predittivo

Perché rompere un getto metallico può essere utile

Gli esplosivi sono spesso impiegati per praticare fori stretti e profondi in corazze o calcestruzzo comprimendo un cono metallico fino a ottenere un getto veloce e a forma di ago. Questo studio esamina un nuovo modo di modellare quei getti usando un metallo “amorfo” speciale a base di zirconio. Invece di formare una singola lancia liscia, questo materiale si frammenta naturalmente in una spruzzata di frammenti ad alta velocità. Questo compromesso — leggermente meno penetrazione, ma un foro molto più ampio — potrebbe risultare utile per testate di nuova generazione e tecnologie protettive.

Un metallo esplosivo di tipo diverso

Le cariche cave tradizionali impiegano metalli duttili come il rame, che collassano in un lungo getto coesivo che scava in profondità seguendo un percorso stretto. I progettisti hanno appreso che i getti “non coesivi” — che si frammentano rapidamente in molti pezzi — possono essere preferibili quando si vuole danneggiare un’area più ampia, per esempio per liberare un ampio tunnel per una seconda carica o per compromettere strutture complesse. La maggior parte dei getti non coesivi esistenti si basa su miscele leggere di plastica e metallo, che non penetrano molto. Le leghe amorfe a base di Zr, talvolta chiamate vetri metallici massicci, combinano alta densità con elevata resistenza e reattività chimica, rendendole candidati promettenti per getti potenti ma ampiamente dispersi. Test precedenti avevano mostrato che queste leghe producono getti discreti, simili a particelle, ma fino a ora non esisteva una teoria predittiva che spiegasse il perché.

Modellare il collasso del cono

Gli autori costruiscono un modello matematico che si concentra sulla piccolissima regione dove il liner metallico viene schiacciato verso l’interno dall’esplosivo. Vicino all’asse, il flusso del metallo viene deviato attorno a un piccolo “nocciolo di stasi”, seguendo percorsi curvi anziché linee rette. Il modello tratta questa regione come un flusso circolare comprimibile e utilizza una descrizione del materiale adattata a solidi fragili e simili al vetro (il modello JH‑2). Risolvendo gli equilibri di massa e quantità di moto in questa zona a flusso curvo, e raccordandoli al resto del cono in collasso, il modello predice come pressione, densità e velocità del flusso cambino dalle linee di flusso interne a quelle esterne. Queste previsioni sono quindi collegate a una domanda chiave: in quale punto le velocità locali del flusso raggiungono o superano la velocità del suono nel materiale, una condizione che tende a destabilizzare il getto e a deviare le particelle lateralmente anziché in avanti.

Un limite nascosto: l’angolo massimo di collasso

Quando il cono collassa, ogni anello di materiale si chiude con un angolo e una velocità particolari. Il nuovo modello mostra che per la lega amorfa a base di Zr esiste un angolo massimo di collasso: oltre questo valore, le equazioni che descrivono un flusso stazionario e ben comportato semplicemente non hanno più soluzione. In termini fisici, ciò significa che il metallo si frammenta precocemente, la regione di flusso curvo non può rimanere stabile e si sviluppano forti velocità laterali (radiali). I ricercatori ricavano una velocità critica di ingresso per il metallo che entra in questa regione e mostrano come essa dipenda dalla geometria e dalla velocità del suono del materiale. Affinano inoltre un rapporto geometrico che caratterizza la dimensione della regione di flusso, portando le previsioni numeriche del modello in stretta corrispondenza (entro circa mezzo percento) con i loro calcoli dettagliati.

Osservare il getto che si spezza in tempo reale

Per verificare la teoria, il team ha costruito cariche cave reali con liner in lega amorfa Vit1 e le ha fatte detonare registrando il getto con camere a raggi X ad alta energia. Circa 30 microsecondi dopo la detonazione, il getto appariva molto simile a uno convenzionale: lungo e quasi continuo, con solo un rigonfiamento a forma di bulbo all’apice dove le particelle si concentravano. Dopo 60 microsecondi, tuttavia, la punta del getto si era aperta in una cavità a forma di tromba e ammassi di materiale si stavano staccando radialmente, segni evidenti di un getto non coesivo. Le simulazioni numeriche usando le stesse leggi del materiale hanno riprodotto queste caratteristiche — la punta rigonfia, la cavità in espansione e la nube di frammenti — confermando che il modello coglie la fisica essenziale.

Dai piccoli elementi al comportamento complessivo del getto

Poiché il modello collega ogni piccolo pezzo del liner al suo moto finale nel getto, gli autori possono mappare quali regioni del cono producono segmenti coesivi e quali generano particelle sciolte. Risultano che il materiale vicino al naso del cono e alla sua base tende a rimanere coesivo, alimentando la punta del getto e il “tappo” posteriore, mentre il materiale della regione centrale è il più probabile a diventare non coesivo. Questo schema corrisponde alle immagini ai raggi X, dove il corpo del getto mostra infine una forte disgregazione mentre la coda resta relativamente solida. È importante che il modello spieghi perché questa frammentazione avviene anche se le velocità di collisione nella lega amorfa rimangono sotto la soglia tradizionale della velocità del suono che vale per il rame: il carattere fragile e simile al vetro della lega e l’esistenza dell’angolo massimo di collasso guidano insieme la frammentazione del getto.

Cosa significa in pratica

Per i non specialisti, la conclusione chiave è che il modo in cui un cono metallico si guasta sotto carico esplosivo — se scorre in modo uniforme o si frantuma — può essere predetto e progettato. Questo lavoro fornisce uno strumento basato sulla fisica che i progettisti possono usare per scegliere forme di liner e materiali per ottenere o una penetrazione profonda e stretta o un’apertura più ampia e più distruttiva, mantenendo al contempo una buona spinta in avanti. In particolare, mostra che le leghe amorfe a base di Zr favoriscono naturalmente una rottura controllata del getto, offrendo una via verso dispositivi compatti in grado di scavare ampi passaggi o produrre danni interni estesi con una singola carica.

Citazione: Niu, Y., Ji, L., Jia, X. et al. Non-cohesive jet formation of Zr-based amorphous alloy shaped charge liners: a predictive model. Sci Rep 16, 5647 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35608-0

Parole chiave: getti di carica cava, leghe amorfe, getti non coesivi, liner in vetro metallico, penetrazione esplosiva