Cenni sui fenomeni delle esplosioni subacquee e sulla progettazione dei sistemi di protezione passiva

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ARGOMENTO: ARCHITETTURA NAVALE
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: architettura navale, resistenza alle esplosioni, strutture,

In questa breve sintesi sull’argomento mi rifarò alle sempre validissime lezioni degli anni’60 del Generale Ispettore del Genio Navale Italo Battigelli e del Colonello G.N Gaspare Puleo. 

Innanzitutto, l’esplosione di una carica subacquea può avvenire sia a contatto dello scafo, per effetto dell’innesco di un ordigno navale, sia ad una determinata distanza “utile” dal bersaglio per effetto dell’attivazione di sensori di prossimità (ad esempio magneto, acustici, pressori o una loro combinazione) causata dalla variazione di questi parametri fisici che la nave o un sommergibile, transitando, provoca nell’ambiente marino.

Nel primo caso, in genere a causa dell’urto di un siluro o di un ordigno) avviene lo sfondamento del fasciame e delle relative strutture di sostegno, con conseguente allagamento dei locali retrostanti e danni diretti e indiretti (dovuti sia agli allagamenti sia all’onda di pressione). L’esplosione a distanza dello scafo determinerà invece deformazioni o rotture alle lamiere nella zona interessata (anche fatali), e potrà mettere fuori uso importanti servizi della nave (sistemi di bordo). Ovviamente fra questi due estremi vi è un numero illimitato di casi intermedi.

Una progettazione tutt’altro che semplice
Per quanto sopra nella progettazione di una nave militare, sono svolti studi per determinare quale sistema di protezione sia più efficace e compatibile con gli altri parametri di disegno. L’ingegnere navale per l’effettuazione dei suoi calcoli ipotizza quindi:
 – il peso e il tipo della carica esplosiva;
 – la posizione del centro di gravità dell’arma;
 – l’ingombro le caratteristiche della traiettoria del siluro o la posizione della mina rispetto al livello dell’acqua.

Tutti questi elementi determinano i valori dell’energia cinetica, della pressione e dell’impulso che sono necessari per studiare la difesa subacquea della nave. Inoltre, vengono presi in considerazione il tipo di esplosivo e la distanza di esplosione dallo scafo.

Il fenomeno dell’esplosione subacquea
Quando si produce la detonazione di una carica esplosiva si genera un’onda di detonazione, praticamente sferica, che si propaga radialmente alla velocità di circa 6000 m/s in un tempo valutabile in pochi micro secondi. In particolare, a seguito della detonazione, l’esplosivo si trasforma in gas, raggiungendo la pressione di oltre 50.000 atmosfere e temperature superiori a 3800°. Nel momento in cui l’onda di detonazione raggiunge la zona di contatto tra carica e acqua, produce l’onda d’urto che trasmette al liquidò circostante la maggior parte dell’energia sviluppata nell’esplosione.

Senza voler entrare in dimostrazioni e calcoli, sempre nemici di una sana divulgazione, è sufficiente comprendere che la pressione che si genera nell’acqua intorno alla carica (immaginatevi una sorta di bolla sferica) è proporzionale al valore risultante dalla seguente equazione, chiamato fattore di shock

dove C è il peso della carica e r il suo raggio. Il gas generato dall’esplosione continua a dilatarsi sotto forma sferica fino a che non raggiunge e supera la pressione di equilibrio rispetto a quella dell’acqua circostante.

E’ in questo breve periodo che l’onda del gas trasmette all’acqua circostante tutta la sua energia distruttiva. Il raggio della bolla sferica, raggiunto il suo massimo valore in relazione all’equilibrio delle pressioni, tende a diminuire secondo un fenomeno inverso a quello precedente sino a raggiunge un valore minimo. Il fenomeno quindi si ripete in misura decrescente e la bolla di gas esegue così una serie di oscillazioni. Queste pulsazioni sì annullano quando tutta l’energia della bolla è dissipata o quando raggiunge la superficie del mare. I vari centri di pulsazione seguono una traiettoria nell’acqua che determina il moto di migrazione del fenomeno esplosivo.

Questo movimento. in acqua ferma, dovrebbe teoricamente seguire la verticale verso il libero livello, ma in pratica è influenzato da un numero di fattori come il tipo di carica esplosiva, la temperatura dell’acqua, la presenza di ostacoli, il passaggio di navi in superficie, la presenza di ostacoli, la vicinanza del fondo, il moto ondoso e le correnti.

Quando l’esplosione avviene in vicinanza del fondo si genera un effetto di riflessione che si traduce in una concentrazione di energia sull’acqua soprastante. Tutte le ricerche teoriche o sperimentali hanno condotto a una sufficiente conoscenza dei fenomeni che caratterizzano l’esplosione. All’inizio del fenomeno esplosivo si verifica la creazione di un’onda di shock e ciò avviene quando l’onda di detonazione dell’esplosivo incontra l’acqua circostante. Il valore massimo della pressione si raggiunge in un periodo inferiore al microsecondo quindi la pressione decresce secondo una curva determinabile matematicamente ricavando curve di pressione utili ai progettisti.

La bolla di gas
Come ho accennato la bolla di gas creata dall’esplosione subisce un certo numero di pulsazioni e si sposta dal punto dell’esplosione con una propagazione radiale. La sua velocità iniziale è molto superiore alla velocità del suono e tende progressivamente verso un valore di 1500 m/s che viene raggiunto normalmente a una distanza di 15 volte il raggio della carica. Per distanze superiori le caratteristiche dell’onda esplosive si mantengono uguali a quelle di una ordinaria onda acustica. Per sperimentare gli effetti delle esplosioni subacquee sulle strutture si fanno quindi delle prove su modelli in scala. Questo tipo di esperimento è normalmente adottato per le esplosioni a contatto con lo scafo mentre per avere qualche elemento di confronto tra le strutture per esplosioni non a contatto con lo scafo ci si deve basare più che altro sul calcolo convenzionale.

Image via Youtube / TheBackyardScientist da Squished-booms: looking at the behavior of underwater explosions (zmescience.com)

Gli effetti delle esplosioni sui modelli sono comunque di difficile interpretazione, nel senso che si dovrebbe misurare anche gli effetti indiretti delle esplosioni dovuti sia alla pressione sugli apparati interni della nave sia agli allagamenti conseguenti alle possibili vie d’ acqua interne allo scafo. Come tutte le esperienze sarebbe opportuno agire con modelli piuttosto grandi per avvicinarsi il più possibile alle reali condizioni. Determinata la struttura relativamente più efficiente, conviene sperimentarla con modelli più grandi e con cariche di maggior peso.

Per confrontare la vera efficienza delle strutture le prove vanno fatte in condizioni severe e costanti, tenendo anche conto della sensibilità dell’innesco, della sua posizione nella carica, della vivacità e forma dell’esplosivo. Semplificando al massimo, e tralasciando pertanto considerazioni sui fenomeni associati come le onde secondarie, la bolla di gas creata dall’esplosione subisce un certo numero di pulsazioni mentre si sposta dal punto dell’esplosione. Le pulsazioni sono dovute ovviamente all’energia contenuta nella bolla e dalla pressione idrostatica locale e questi valori sono legati da una formula che tiene anche conto delle caratteristiche dell’esplosivo.

plume (emissione verticale a seguito dell’esplosione in ambiente aereo) – photo credit marina militare italiana 

Effetti dell’esplosione
Prima di passare all’esame dei sistemi di protezione subacquea occorre ricordare che in prossimità della superficie del mare gli effetti dell’esplosione sono ridotti. Essi crescono quando:

Gli effetti dell’esplosione si convogliano naturalmente verso l’alto o sfogano verso zone di minor pressione (in quanto zone di minor resistenza).

Considerazioni ingegneristiche
Da quanto precede derivano le seguenti considerazioni per lo sviluppo di sistemi di protezione subacquea:

• Non conviene opporre una struttura unica rigida di grosso spessore all’azione dell’onda esplosiva perché la prima onda potrebbe lesionarla e quelle successive distruggerla; inoltre la sua rigidezza trasmetterebbe alle strutture retrostanti sollecitazioni molto elevate.
• Risulta invece più conveniente costruire strutture navali protettive con idoneo acciaio, senza collegamenti eccessivamente rigidi tra di loro, avendo cura che il vano tra la prima struttura e quella retrostante non contengano liquidi in quanto si verrebbe a costituire un sistema a forte inerzia, non deformabile. In questo caso, tenendo conto della incomprimibilità del liquido, l’energia dell’esplosione sarebbe infatti trasmessa quasi integralmente alle strutture retrostanti con effetti devastanti. Altresì è opportuno sistemare i depositi liquidi fra paratie longitudinali più interne per assorbire l’energia residua dell’esplosione (che decresce rapidamente nel tempo e nello spazio).
• Altro fattore da considerare è la non convenienza a progettare strutture con uguale resistenza secondo tutte le direzioni dell’onda esplosiva. E’ opportuno che le zone con minore resistenza siano verso l’alto, in modo che l’effetto dell’esplosione sia convogliato verso la direzione di minor danno, allontanando, per quanto possibile, il punto dell’esplosione dai locali vitali della nave con l’uso di controcarene,  accentrando verso l’asse longitudinale i servizi più importanti e prevedendo, se possibile, un’adeguata difesa del fondo nave oltre a quella laterale.

Vedremo in un prossimo articolo le possibili soluzioni ingegneristiche per  ridurre gli effetti dell’esplosione.

Gian Carlo Poddighe

per un ulteriore approfondimento si consiglia la lettura del saggio Sistemi di protezione subacquea nella 2^ G.M. PRECEDENTI, SCELTE, TECNOLOGIE ASPETTI COSTRUTTIVI 

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Gian Carlo Poddighe

Ufficiale del Genio Navale della Marina Militare Italiana in congedo, nei suoi anni di servizio è stato destinato a bordo di unità di superficie, con diversi tipi di apparato motore, Diesel, Vapore, TAG. Transitato all’industria nazionale ha svolto incarichi di responsabilità per le costruzioni della prima legge navale diventando promotore delle Mostre Navali Italiane. Ha occupato posizioni dirigenziali sia nel settore impiantistico che delle grandi opere e dell’industria automobilistica, occupandosi della diversificazione produttiva e dei progetti di decarbonizzazione, con il passaggio alle motorizzazioni GNV.
E’ stato membro dei CdA di alcune importanti JV internazionali nei settori metallurgico, infrastrutturale ed automotive ed è stato chiamato a far parte di commissioni specialistiche da parte di organismi internazionali, tra cui rilevanti quelle in materia di disaster management. Giornalista iscritto all’OdG nazionale dal 1982, ha collaborato con periodici e quotidiani, ed è stato direttore responsabile di quotidiani ricoprendo incarichi di vertice in società editoriali. Membro di alcuni Think Tank geopolitici, collabora con quotidiani soprattutto per corrispondenze all’estero, pubblica on line su testate del settore marittimo e navale italiane ed internazionali. Non ultimo ha pubblicato una serie di pregevoli saggi sull’evoluzione tecnologica e militare sino alla 2^ Guerra Mondiale, in particolare della Regia Marina, pubblicati da Academia.edu.

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