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軍隊(duì)在不斷提升混凝土掩體的防護(hù)能力,同時(shí)在升級(jí)摧毀它們的炸彈,但混凝土(UHPC)可能會(huì)贏得競(jìng)賽。在2000年代后期,有傳言伊朗的一個(gè)掩體被鉆地彈擊中。鉆地彈未能穿透掩體,掩體內(nèi)人員叫來炸彈處理小組前,鉆地彈一直卡在掩體表面。鉆地彈意外地停了下來,沒有砸穿混凝土。不難猜出原因,伊朗是超高性能混凝土(UHPC)新技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。顯然,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)鉆地彈,他們最新的掩體有足夠的防護(hù)能力。

英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)Stephanie Barnett博士致力于開發(fā)更堅(jiān)固的混凝土,用于保護(hù)民用建筑抵抗恐怖襲擊,促進(jìn)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)能力的提升。她聽說過這個(gè)故事,明白進(jìn)攻和防守是拉鋸平衡的兩端。聽她演講,普通聽眾很興奮,但軍事人員的反應(yīng)有時(shí)不太積極?!耙幻姽俑艺f,’你如果制造出這種更加堅(jiān)固的抗爆抗沖擊材料,我們需要考慮的是如何穿透它。’”

Barnett告訴《大眾力學(xué)》。更好的混凝土逼迫掩體爆破者提高他們的技藝。長(zhǎng)期將伊朗視作潛在目標(biāo)的以色列,2005年要求美國(guó)提供新的、更強(qiáng)大的鉆地彈,最終在2009年得到5,000磅(2270kg)GBU-28 鉆地彈。與以前提供給以色列空軍 2,000 磅 (908kg)GBU-31v3鉆地彈相比,GBU-28的穿透能力大約提高到四倍。

如今,以色列再次提高了標(biāo)準(zhǔn),要求擁有美國(guó)空軍 (USAF)的新型 GBU-72 “高級(jí) 5K 侵徹器” 鉆地彈。該鉆地彈尚未服役,去年 10 月(指2021 年10月)才首次進(jìn)行測(cè)試。如同GBU-28,GBU-72也是5000磅重的鉆地彈,但有了重大改進(jìn)——盡管空軍不會(huì)提供細(xì)節(jié)。

研發(fā)GBU-72以及以色列對(duì)它的迫切需求,似乎透露出一個(gè)信號(hào),即在混凝土和鉆地彈之間悄無聲息的軍備競(jìng)賽中,混凝土正在獲勝。

在1985 年,美國(guó)空軍擁有了第一代現(xiàn)代鉆地彈。通用炸彈是在薄鋼殼內(nèi)裝滿炸藥,鉆地彈的外形較纖細(xì)、外殼較厚,內(nèi)裝的炸藥則較少。這種設(shè)計(jì)將所有重量集中在較小的面積,使其如同冰錐而不是榔頭,炸彈因此能夠擊穿混凝土或鉆入地層打擊深埋的目標(biāo)。如今使用的通用炸彈與 90 年代使用的相同,但鉆地彈則經(jīng)歷了幾代升級(jí)。在 2000 年代初期,空軍還與專業(yè)鋼鐵公司 Ellwood?National Forge Company 合作開發(fā)了一種特殊類型的鋼材,稱為埃格林鋼( Eglin Steel)。埃格林鋼是一種低碳、低鎳鋼,含微量鎢、鉻、錳、硅和其他元素,每一種元素都對(duì)期望的整體性能有貢獻(xiàn)。埃格林鋼是鉆地彈對(duì)標(biāo)的鋼材,近年來埃格林鋼被新的USAF-96 鋼替代,因?yàn)閁SAF-96鋼既擁有與埃格林鋼相似的性能,又更容易生產(chǎn)和加工。材料科學(xué)家以韌性和硬度辨識(shí)材料的兩種品質(zhì),兩者間的平衡驅(qū)動(dòng)著武器與裝甲(矛與盾)之間的軍備競(jìng)賽。例如,當(dāng)一顆軟鉛彈擊中凱夫拉(芳綸纖維)防彈背心時(shí),子彈會(huì)皺折變形,因缺乏硬度而失去能量。如果給子彈裝上堅(jiān)硬的外殼,凱夫拉防彈背心就防不住了。應(yīng)對(duì)的方法是加裝碳化硼等材料制成的超硬陶瓷板,防彈背心配上更堅(jiān)硬鎧甲,其堅(jiān)硬程度能使鋼殼子彈在撞擊時(shí)破碎。這又導(dǎo)致發(fā)明了特殊的穿甲彈,當(dāng)裝有硬鎢尖端的穿甲彈擊中陶瓷板時(shí),陶瓷板會(huì)破碎,即發(fā)生脆性失效。

鉆地彈的軍備競(jìng)賽與之相似,但當(dāng)攻擊者擁有鋼鐵的優(yōu)勢(shì)時(shí),防御還是基于混凝土的,而混凝土原本有其內(nèi)在劣勢(shì)。利茲大學(xué)混凝土技術(shù)專家Phil?Purnell教授說:“混凝土天然是脆性的,它抗壓不錯(cuò),抗拉不行。弱點(diǎn)在于抗拉能力和韌性”。Purnell 指出,雖然一些現(xiàn)代混凝土實(shí)際上比鋁更堅(jiān)固,但脆性是其致命弱點(diǎn),并且會(huì)因開裂失效。然而,被稱作UHPC的混凝土類型出現(xiàn),情況發(fā)生了變化。以前,抗壓強(qiáng)度達(dá)到5,000 磅/平方英寸 (psi)(34.5MPa) 的混凝土被評(píng)為“高強(qiáng)度”,最好抗壓強(qiáng)度高達(dá)10,000 psi(69MPa)。新的 UHPC 可以承受 40,000 psi (276MPa)或更多。獲得更高的強(qiáng)度可以通過添加鋼纖維或其他纖維將混凝土變成復(fù)合材料。這些纖維將混凝土保持在一起,防止裂縫在混凝土中擴(kuò)展,降低脆性。Barnett 說:“混凝土板不會(huì)出現(xiàn)少量大裂縫,而是很多小裂縫?!袄w維賦予混凝土更多的斷裂能?!?/p>

斷裂能定義為分裂材料所需的能量。混凝土吸收侵入彈丸的動(dòng)能,使其破損、減速和停止侵徹。當(dāng)然,研究人員一直通過試驗(yàn)尋找用于UHPC的最佳纖維組成。越多越好,但也有限制。Purnell說:“問題是,如果加入超過百分之一的鋼纖維,纖維就會(huì)開始結(jié)團(tuán)。技術(shù)訣竅是如何將超過百分之一的纖維混合分散到混凝土中?!?/p>

世界上各種團(tuán)隊(duì)一直在研究能夠很好混合纖維的技術(shù)。其中的大部分工作是軍隊(duì)開展的;但正如Barnett所指出的,根據(jù)她的經(jīng)驗(yàn),軍方時(shí)常會(huì)向民用研究人員請(qǐng)教,但對(duì)他們自己的工作守口如瓶。在抗沖擊混凝土領(lǐng)域,民用工程對(duì)此關(guān)注度不高,軍方可能在一定程度上領(lǐng)先于民用的同行。1991 年 1 月,美國(guó)在領(lǐng)導(dǎo)科威特的行動(dòng)時(shí),美國(guó)情報(bào)部門發(fā)現(xiàn)了一些令人震驚的事情。伊拉克人在巴格達(dá)周圍建造了系列深埋地下的新指揮掩體,由幾英尺厚的鋼筋混凝土保護(hù),估計(jì)美國(guó)空軍現(xiàn)有的2000磅鉆地彈無法破壞。為此,啟動(dòng)了制造一種新的5,000磅鉆地彈的緊急計(jì)劃。1月18日美國(guó)空軍提出需求,佛羅里達(dá)州埃格林空軍基地軍需局的空軍研究實(shí)驗(yàn)室立即開始工作。沒有時(shí)間從頭開始制作炸彈殼,就以多余的8 英寸榴彈炮炮管為基礎(chǔ)制作彈體,人工填充炸藥,裝上新的彈頭。不到一個(gè)月后,第一批原型彈就交付給了美國(guó)空軍;在一次火箭滑車測(cè)試中,新武器穿透了超過20多英尺(6米多)厚的混凝土。2月27日,兩枚作戰(zhàn)炸彈被空運(yùn)到戰(zhàn)區(qū),由F-111F戰(zhàn)斗機(jī)投送。在伊拉克一個(gè)新掩體被擊中的六秒鐘后,煙霧從入口涌出,表明掩體被攻破和摧毀。這一天由一種連續(xù)六周開發(fā)的彈藥記入檔案。但是,空軍會(huì)如此輕松地贏得下一輪的掩體攻防嗎?2012年,美國(guó)空軍啟動(dòng)一個(gè)項(xiàng)目,評(píng)估由UHPC建造的掩體所帶來的挑戰(zhàn)。空軍最終開發(fā)了自己版本的UHPC,被恰當(dāng)?shù)胤Q為Eglin高強(qiáng)度混凝土,用于試驗(yàn)測(cè)試。美國(guó)空軍的研究結(jié)果是保密的,但一項(xiàng)公開的中國(guó)研究將普通高強(qiáng)混凝土與纖維增強(qiáng)UHPC進(jìn)行了比較。彈丸擊穿了鋼筋混凝土標(biāo)靶,但UHPC標(biāo)靶抗住了,只有輕微的開裂,彈丸“嵌入標(biāo)靶或從標(biāo)靶反彈”。美國(guó)空軍已經(jīng)擔(dān)心,即使是5000磅的炸彈也不夠,在2011年收到了30,000磅(13,620kg)的巨大炸彈“大型軍事侵徹器”(MOP)。這甚至比著名的、純以動(dòng)能摧毀最深最堅(jiān)硬掩體21,000磅(9534kg)重的 Massive Ordnance Air Blast(MOAB,或“炸彈之母”)還要大。MOP是一枚能飛的最大炸彈——只有B-2“幽靈”戰(zhàn)略轟炸機(jī)有能力(載其飛行)——所以較小的2000磅和5000磅的武器仍然需要,用于針對(duì)大部分較小的目標(biāo)。

經(jīng)過具體研究,空軍對(duì)MOP進(jìn)行了升級(jí),后又再次升級(jí)。到2018年,MOP進(jìn)行了第四次升級(jí)。較小的武器進(jìn)行了類似的升級(jí)。問題在于,即使可造的最大炸彈,也可能不再能夠穿透由最堅(jiān)韌材料建造的掩體。位于多倫多的先進(jìn)材料開發(fā)公司Gregory Vartanov博士聲稱,高等級(jí)UHPC對(duì)于用現(xiàn)有鋼制炸彈來說實(shí)在是太強(qiáng)了?!坝梢韵虏牧现瞥傻恼w外殼侵徹器……埃格林鋼……無法穿透UHPC建造的掩體”,Vartanov在2021年2月發(fā)表在《航空航天與國(guó)防技術(shù)》雜志上的一篇文章中指出,他的依據(jù)是開源的侵徹公式。

但這還不是故事的結(jié)局。UHPC很好,但更好的防護(hù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試。中國(guó)最近的研究介紹了功能梯度水泥基復(fù)合材料,簡(jiǎn)稱FGCC,由不同類型和不同性能高性能混凝土層構(gòu)成。薄外層是超硬骨料增強(qiáng)的UHPC層;下面一厚層是經(jīng)過優(yōu)化的混合纖維增強(qiáng)UHPC層,用以抵抗開裂;最后,還有一層堅(jiān)韌的鋼纖維增強(qiáng)UHPC層。正如Purnell 解釋的,每層都有不同作用。“你用堅(jiān)硬的外層來破壞彈丸;然后是一個(gè)厚層,大量吸收其能量;之后,內(nèi)層那里捕捉碎片”,Purnell說。該內(nèi)層是防剝落層,確?;炷灵_裂也不會(huì)有碎片(或“剝落”)進(jìn)入掩體。根據(jù)中國(guó)6月發(fā)表的研究,F(xiàn)GCC抵抗侵徹和爆炸的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于UHPC:“高強(qiáng)度纖維和粗骨料的協(xié)同作用,使侵徹深度、彈坑面積和侵徹?fù)p傷大幅減少“,Barnett說,她研究過類似的概念,這種將不同特性材料進(jìn)行分層疊加的技術(shù),可能比任何單一材料更有效。專門針對(duì)吸收沖擊和爆炸,中國(guó)進(jìn)行了至少四年分層混凝土研究后,取得該最新研究成果。預(yù)計(jì)新的掩體將是非常難開裂的堅(jiān)果。使鉆地彈變得更大、更具破壞力的空間有限,但還有其他方法。軍備競(jìng)賽可能不會(huì)沿同一路徑走下去,而會(huì)朝不同方向發(fā)展?!案叱羲傥淦魈峁┝艘环N攻擊堅(jiān)固的掩體的潛在新模式”,英國(guó)國(guó)防智庫(kù)RUSI的Justin Bronk說。高超音速武器是以超過 5 馬赫速度穿越大氣層的導(dǎo)彈,配備了鎢侵徹器,如同“上帝之杖”,像穿甲彈一樣穿透分層的混凝土。這種武器沒有爆炸性彈頭,僅通過動(dòng)能造成破壞。Bronk還指出,并不總是需要實(shí)際摧毀掩體。你可以破壞入口,除掉天線,擊中正確的地方切斷與指揮掩體的通訊聯(lián)絡(luò)。在軍事術(shù)語(yǔ)中,它也可能是一個(gè)彈坑,即使掩體內(nèi)人員沒有受到傷害。

可以理解的是,美國(guó)空軍不會(huì)討論其目前的掩體破壞能力,也不會(huì)討論如何對(duì)付伊朗、中國(guó)或其他地方的潛在目標(biāo)。關(guān)于高強(qiáng)度混凝土的大多數(shù)軍事工作都屬于類似的保密級(jí)別。美軍嚴(yán)重依賴空中力量來控制處于危險(xiǎn)之中的目標(biāo)。對(duì)手可能試圖將他們的指揮總部或核設(shè)施隱藏在地下,但鉆地彈使他們失去了避難所。在平淡無奇的混凝土技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行逐步改進(jìn),如能削弱空中力量的優(yōu)勢(shì),可能會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略影響。

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