ETD

• Ammunition
• Balistica
• Ballistics
• Convenzionale
• Munizione
• System
• Vulcano

The thesis aims to analyse the Vulcano 127 mm guided munition, developed by Leonardo (formerly Oto Melara) in cooperation with Diehl Defence, placing it within the broader theoretical framework of modern ballistics. The approach is deliberately progressive: beginning with the classical foundations of the discipline and advancing, chapter by chapter, toward a deep understanding of a weapon system that represents the current frontier of precision naval artillery.
The first chapter establishes the conceptual language and tools underlying the entire work. Ballistics is classified into its four traditional branches — internal, intermediate, external, and terminal — each describing a physically distinct phase of a projectile's operational life. Internal ballistics is governed by the thermodynamics of deflagration gases, and the pressure-travel diagram synthesises the entire physics of firing: the area under the curve is proportional to the work performed by the gases on the projectile and, therefore, to the kinetic energy acquired at the muzzle. Gyroscopic stabilisation, achieved through barrel rifling, imparts a spin of hundreds of hertz to the projectile, making it resistant to overturning moments during flight. The chapter then addresses intermediate ballistics, covering the brief but physically intense transition from the muzzle to free air, describing gas expansion, Mach cone formation, and their influence on the projectile's initial stability. Terminal ballistics closes the overview by examining damage mechanisms — kinetic penetration, shaped-charge jet, fragmentation — and introducing the ballistic coefficient as the quantity that encapsulates a projectile's ability to overcome atmospheric resistance. The chapter concludes with a survey of the principal munition types, from kinetic variants to multi-function electronic fuzes, all essential for understanding the Vulcano's architecture.
The second chapter addresses external ballistics in two clearly distinct parts. The first treats the ideal case of motion in vacuum, which admits a complete analytical solution: the trajectory is a perfectly symmetrical parabola, maximum range is achieved at 45°, time of flight is proportional to the vertical component of the initial velocity, and mechanical energy is conserved exactly. These symmetry properties — equal speed at launch and impact, equal angles of departure and fall, apogee precisely at half the range — constitute the theoretical reference against which all deviations of the real case are measured. The second part addresses the complexity of flight in the atmosphere, where aerodynamic drag can reduce range by 60% or more compared to the vacuum case, breaking all parabolic symmetry. Superimposed on this dominant force are the Magnus force (linked to projectile spin), the Coriolis force (due to Earth's rotation, significant for ranges exceeding 30 km), aerodynamic lift, and the variation of air density with altitude according to the ICAO standard atmosphere model. The chapter closes with an analysis of the statistical dispersion of rounds and the concept of Circular Error Probable (CEP), showing how the physical impossibility of controlling a ballistic body after firing yields, for conventional ammunition, a CEP of the order of 200–350 metres at maximum range — the very limit that the Vulcano is designed to overcome radically.
The third chapter presents the Vulcano 127 mm munition in its overall architecture. The system is built around a fundamental physical concept: sub-calibration. The projectile itself has a diameter of only 64–70 mm but is fired from a 127 mm barrel by means of a light-alloy sabot that fills the entire bore cross-section. This reduction in cross-section — approximately a factor of 3.3 compared to full calibre — drastically reduces aerodynamic drag and allows muzzle velocities exceeding 1,000 m/s, substantially higher than the approximately 870 m/s of a conventional projectile. The ballistic coefficient increases by a factor greater than three, resulting in a markedly higher residual velocity and a potential range that can exceed 100 km in the long-range guided (GLR) configuration. After sabot separation, the projectile is aerodynamically stabilised by four tail fins that replace gyroscopic stabilisation and allow a residual spin of only 10–12 Hz, essential for the operation of the guidance system. The warhead is a controlled-fragmentation projectile with preformed tungsten rings ensuring high-kinetic-energy fragments; the multi-function RF fuze can operate in airburst mode (at 5, 10, or 20 metres from the ground), on point impact, or with a delay. The guidance system comprises three interchangeable configurations: pure GPS/IMU (CEP below 20 m), semi-active laser SAL (CEP below 5 m), and infrared IR for the terminal phase. The rotating tail section, decoupled from the projectile body by ball bearings, ensures that the spin imparted by the rifling does not interfere with canard fin deflection — an elegant engineering solution enabling active guidance on a high-spin projectile.
The fourth and final chapter analyses, phase by phase, the physics of the entire Vulcano flight, integrating the fundamental laws of physics with experimental data collected during test campaigns conducted between 2011 and 2022. Sabot separation occurs within a few milliseconds through the differential drag generated by the Mach cone; the onboard electronics initialise during the ascent phase, acquiring the GPS signal and calibrating the IMU via the Kalman filter. The ascent phase is essentially ballistic, with significantly lower deceleration than a conventional projectile due to the optimised ballistic coefficient. At apogee — reached at approximately 18 km altitude after 60 seconds of flight and approximately 50 km of horizontal distance — the canard fins activate and the projectile enters the glide phase: exploiting the generated lift, it progressively converts gravitational potential energy into additional horizontal distance, covering a further 40–50 km in the glide phase with gravity alone as its engine. The terminal phase involves a zenithal pull-down — a circular-motion manoeuvre that orients the projectile toward the target at a programmable impact angle of up to 90° — and activation of GPS/IMU, SAL, or IR terminal guidance, which closes the control loop with metric precision.

La tesi si propone di analizzare il munizionamento guidato Vulcano da 127 mm, sviluppato da Leonardo (già Oto Melara) in cooperazione con Diehl Defence, collocandolo nel più ampio quadro teorico della balistica moderna. Il percorso seguito è volutamente progressivo: si parte dai fondamenti classici della disciplina per giungere, capitolo dopo capitolo, alla comprensione profonda di un sistema d'arma che rappresenta l'attuale frontiera dell'artiglieria navale di precisione.
Il primo capitolo costruisce il linguaggio e gli strumenti concettuali dell'intera trattazione. La balistica viene classificata nelle sue quattro branche tradizionali — interna, intermedia, esterna e terminale — ciascuna delle quali descrive una fase fisicamente distinta della vita operativa del proietto. La balistica interna è governata dalla termodinamica dei gas di deflagrazione e il diagramma pressione-corsa sintetizza l'intera fisica dello sparo: l'area sottesa dalla curva è proporzionale al lavoro compiuto dai gas sul proietto e, quindi, all'energia cinetica acquisita alla volata. La stabilizzazione giroscopica, ottenuta mediante la rigatura della canna, conferisce al proietto una rotazione di centinaia di hertz che lo rende resistente ai momenti ribaltanti durante il volo. Il capitolo affronta poi la balistica intermedia, che copre la breve ma fisicamente intensa transizione dalla volata all'aria libera, descrivendo i fenomeni di espansione dei gas, formazione del cono di Mach e influenza sulla stabilità iniziale del proietto. La balistica terminale chiude la panoramica esaminando i meccanismi di danneggiamento — penetrazione cinetica, getto di carica cava, frammentazione — e introducendo il coefficiente balistico come grandezza che sintetizza la capacità di un proietto di vincere la resistenza atmosferica. Il capitolo si conclude con una rassegna delle principali tipologie di munizionamento, dalle varianti cinetiche alle spolette elettroniche multifunzione, strumenti indispensabili per comprendere l'architettura del Vulcano.
Il secondo capitolo affronta la balistica esterna in due parti nettamente distinte. La prima tratta il caso ideale del moto nel vuoto, che ammette una soluzione analitica completa: la traiettoria è una parabola perfettamente simmetrica, la gittata massima si raggiunge a 45°, il tempo di volo è proporzionale alla componente verticale della velocità iniziale e l'energia meccanica si conserva in modo esatto. Queste proprietà di simmetria — stessa velocità al lancio e all'impatto, uguale angolo di caduta e di lancio, apogeo esattamente a metà della gittata — costituiscono il riferimento teorico rispetto al quale misurare tutte le deviazioni del caso reale. La seconda parte affronta la complessità del volo in atmosfera, dove la resistenza aerodinamica può ridurre la gittata del 60% o più rispetto al caso nel vuoto, rompendo ogni simmetria parabolica. A questa forza dominante si sommano la forza di Magnus (legata alla rotazione del proietto), la forza di Coriolis (dovuta alla rotazione terrestre, rilevante a gittate superiori a 30 km), la portanza e la variazione della densità dell'aria con la quota secondo il modello di atmosfera standard ICAO. Il capitolo si chiude con l'analisi della dispersione statistica dei colpi e del concetto di Errore Circolare Probabile (CEP), evidenziando come l'impossibilità fisica di controllare un corpo balistico dopo lo sparo produca, per il munizionamento convenzionale, un CEP dell'ordine di 200–350 metri alla portata massima — limite che il Vulcano è progettato per superare radicalmente.
Il terzo capitolo presenta il munizionamento Vulcano 127 mm nella sua architettura complessiva. Il sistema è concepito attorno a un'idea fisica fondamentale: la sottocalibrazione. Il proietto vero e proprio ha un diametro di soli 64–70 mm, ma viene lanciato dalla canna da 127 mm grazie a un sabot in lega leggera che ne occupa l'intera sezione. Questa riduzione di sezione — circa un fattore 3,3 rispetto al pieno calibro — abbatte drasticamente la resistenza aerodinamica e consente di raggiungere velocità alla volata superiori a 1000 m/s, sensibilmente più elevate rispetto ai circa 870 m/s del proietto convenzionale. Il coefficiente balistico aumenta di un fattore superiore a tre, determinando una velocità residua nettamente maggiore e una gittata potenziale che può superare i 100 km nella configurazione a guida lunga (GLR). Dopo la separazione del sabot il proietto è stabilizzato aerodinamicamente da quattro alette di coda che sostituiscono la stabilizzazione giroscopica e consentono uno spin residuo di soli 10–12 Hz, imprescindibile per il funzionamento del sistema di guida. La testa in guerra (TIG) è un proietto a frammentazione controllata, con anelli preformati di tungsteno che garantiscono schegge ad elevata energia cinetica; la spoletta RF multifunzione può operare in modalità airburst (a 5, 10 o 20 metri dal suolo), a impatto istantaneo o ritardato. Il sistema di guida si articola in tre configurazioni intercambiabili: GPS/IMU puro (CEP inferiore a 20 m), SAL semi-attivo laser (CEP inferiore a 5 m), e IR a infrarosso per la fase terminale. La coda rotante, disaccoppiata dal corpo proietto tramite cuscinetti a sfere, garantisce che lo spin impresso dalla rigatura non interferisca con il puntamento delle alette canard, soluzione ingegneristica elegante che consente la guida attiva su un proietto ad alta rotazione.
Il quarto e ultimo capitolo analizza, fase per fase, la fisica dell'intero volo del Vulcano, integrando le leggi fondamentali della fisica con i dati sperimentali raccolti nelle campagne di prova condotte tra il 2011 e il 2022.La separazione del sabot avviene in pochi millisecondi per effetto della resistenza differenziale generata dal cono di Mach; l'elettronica di bordo si inizializza durante la fase di ascesa, acquisendo il segnale GPS e calibrando l'IMU tramite filtro di Kalman. La fase di ascesa è sostanzialmente balistica, con decelerazione significativamente inferiore rispetto al proietto convenzionale grazie al coefficiente balistico ottimizzato. All'apogeo, raggiunto a circa 18 km di quota dopo 60 secondi di volo e a circa 50 km di distanza orizzontale, le alette canard si attivano e il proietto transita in planata: sfruttando la portanza generata, converte progressivamente l'energia potenziale gravitazionale in distanza orizzontale aggiuntiva, percorrendo nella fase di planata ulteriori 40–50 km con la sola forza della gravità come motore. La fase terminale prevede un pull-down zenitale — una manovra di moto circolare che orienta il proietto verso il bersaglio con angolo di impatto programmabile fino a 90° — e l'attivazione della guida terminale GPS/IMU, SAL o IR, che chiude il ciclo di controllo con precisione metrica.