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新聞資訊
鉆地炸彈和高科技混凝土 (UHPC) 之間的隱秘競賽

2024-11-28

軍隊在不斷提升混凝土掩體的防護能力,同時在升級摧毀它們的炸彈,但混凝土(UHPC)可能會贏得競賽

在2000年代后期,有傳言伊朗的一個掩體被鉆地彈擊中。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)新技術的領導者。顯然,對于標準鉆地彈,他們最新的掩體有足夠的防護能力。

英國樸茨茅斯大學Stephanie Barnett博士致力于開發(fā)更堅固的混凝土,用于保護民用建筑抵抗恐怖襲擊,促進外圍護結構保護能力的提升。她聽說過這個故事,明白進攻和防守是拉鋸平衡的兩端。聽她演講,普通聽眾很興奮,但軍事人員的反應有時不太積極?!耙幻姽俑艺f,'你如果制造出這種更加堅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》。

更好的混凝土逼迫掩體爆破者提高他們的技藝。長期將伊朗視作潛在目標的以色列,2005年要求美國提供新的、更強大的鉆地彈,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準,要求擁有美國空軍 (USAF) 的新型 GBU-72 “高級 5K 侵徹器” 鉆地彈。該鉆地彈尚未服役,去年 10 月(指2021 年10月)才首次進行測試。如同GBU-28,GBU-72也是5000磅重的鉆地彈,但有了重大改進——盡管空軍不會提供細節(jié)。

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

在1985 年,美國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、外殼較厚,內(nèi)裝的炸藥則較少。這種設計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。

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。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,每一種元素都對期望的整體性能有貢獻。埃格林鋼是鉆地彈對標的鋼材,近年來埃格林鋼被新的 USAF-96 鋼替代,因為USAF-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。

材料科學家以韌性和硬度辨識材料的兩種品質(zhì),兩者間的平衡驅(qū)動著武器與裝甲(矛與盾)之間的軍備競賽。

例如,當一顆軟鉛彈擊中凱夫拉(芳綸纖維)防彈背心時,子彈會皺折變形,因缺乏硬度而失去能量。如果給子彈裝上堅硬的外殼,凱夫拉防彈背心就防不住了。應對的方法是加裝碳化硼等材料制成的超硬陶瓷板,防彈背心配上更堅硬鎧甲,其堅硬程度能使鋼殼子彈在撞擊時破碎。這又導致發(fā)明了特殊的穿甲彈,當裝有硬鎢尖端的穿甲彈擊中陶瓷板時,陶瓷板會破碎,即發(fā)生脆性失效。

鉆地彈的軍備競賽與之相似,但當攻擊者擁有鋼鐵的優(yōu)勢時,防御還是基于混凝土的,而混凝土原本有其內(nèi)在劣勢。利茲大學混凝土技術專家Phil Purnell教授說:“混凝土天然是脆性的,它抗壓不錯,抗拉不行。弱點在于抗拉能力和韌性”。Purnell 指出,雖然一些現(xiàn)代混凝土實際上比鋁更堅固,但脆性是其致命弱點,并且會因開裂失效。

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,抗壓強度達到5,000 磅/平方英寸 (psi)(34.5MPa) 的混凝土被評為“高強度”,最好抗壓強度高達 10,000 psi(69MPa)。新的 UHPC 可以承受 40,000 psi (276MPa)或更多。


獲得更高的強度可以通過添加鋼纖維或其他纖維將混凝土變成復合材料。這些纖維將混凝土保持在一起,防止裂縫在混凝土中擴展,降低脆性。Barnett 說:“混凝土板不會出現(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。”

斷裂能定義為分裂材料所需的能量?;炷廖涨秩霃椡璧膭幽?,使其破損、減速和停止侵徹。當然,研究人員一直通過試驗尋找用于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,纖維就會開始結團。技術訣竅是如何將超過百分之一的纖維混合分散到混凝土中?!?/span>


世界上各種團隊一直在研究能夠很好混合纖維的技術。其中的大部分工作是軍隊開展的;但正如Barnett所指出的,根據(jù)她的經(jīng)驗,軍方時常會向民用研究人員請教,但對他們自己的工作守口如瓶。在抗沖擊混凝土領域,民用工程對此關注度不高,軍方可能在一定程度上領先于民用的同行。


1991 年 1 月,美國在領導科威特的行動時,美國情報部門發(fā)現(xiàn)了一些令人震驚的事情。伊拉克人在巴格達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,估計美國空軍現(xiàn)有的2000磅鉆地彈無法破壞。


為此,啟動了制造一種新的5,000磅鉆地彈的緊急計劃。1月18日美國空軍提出需求,佛羅里達州埃格林空軍基地軍需局的空軍研究實驗室立即開始工作。沒有時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制作彈體,人工填充炸藥,裝上新的彈頭。不到一個月后,第一批原型彈就交付給了美國空軍;在一次火箭滑車測試中,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)炸彈被空運到戰(zhàn)區(qū),由F-111F戰(zhàn)斗機投送。在伊拉克一個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,空軍會如此輕松地贏得下一輪的掩體攻防嗎?

2012年,美國空軍啟動一個項目,評估由UHPC建造的掩體所帶來的挑戰(zhàn)??哲娮罱K開發(fā)了自己版本的UHPC,被恰當?shù)胤Q為Eglin高強度混凝土,用于試驗測試。

美國空軍的研究結果是保密的,但一項公開的中國研究將普通高強混凝土與纖維增強UHPC進行了比較。彈丸擊穿了鋼筋混凝土標靶,但UHPC標靶抗住了,只有輕微的開裂,彈丸“嵌入標靶或從標靶反彈”。

美國空軍已經(jīng)擔心,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、純以動能摧毀最深最堅硬掩體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,用于針對大部分較小的目標。

經(jīng)過具體研究,空軍對MOP進行了升級,后又再次升級。到2018年,MOP進行了第四次升級。較小的武器進行了類似的升級。

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韌材料建造的掩體。位于多倫多的先進材料開發(fā)公司Gregory Vartanov博士聲稱,高等級UHPC對于用現(xiàn)有鋼制炸彈來說實在是太強了。“由以下材料制成的整體外殼侵徹器......埃格林鋼......無法穿透UHPC建造的掩體”,Vartanov在2021年2月發(fā)表在《航空航天與國防技術》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局。UHPC很好,但更好的防護已經(jīng)在實驗室中進行了測試。

中國最近的研究介紹了功能梯度水泥基復合材料,簡稱FGCC,由不同類型和不同性能高性能混凝土層構成。薄外層是超硬骨料增強的UHPC層;下面一厚層是經(jīng)過優(yōu)化的混合纖維增強UHPC層,用以抵抗開裂;最后,還有一層堅韌的鋼纖維增強UHPC層。正如 Purnell 解釋的,每層都有不同作用。

“你用堅硬的外層來破壞彈丸;然后是一個厚層,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_裂也不會有碎片(或“剝落”)進入掩體。


根據(jù)中國6月發(fā)表的研究,F(xiàn)GCC抵抗侵徹和爆炸的能力遠遠優(yōu)于UHPC:“高強度纖維和粗骨料的協(xié)同作用,使侵徹深度、彈坑面積和侵徹損傷大幅減少“,Barnett說,她研究過類似的概念,這種將不同特性材料進行分層疊加的技術,可能比任何單一材料更有效。

專門針對吸收沖擊和爆炸,中國進行了至少四年分層混凝土研究后,取得該最新研究成果。預計新的掩體將是非常難開裂的堅果。


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。軍備競賽可能不會沿同一路徑走下去,而會朝不同方向發(fā)展。“高超音速武器提供了一種攻擊堅固的掩體的潛在新模式”,英國國防智庫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,僅通過動能造成破壞。Bronk還指出,并不總是需要實際摧毀掩體。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。在軍事術語中,它也可能是一個彈坑,即使掩體內(nèi)人員沒有受到傷害。可以理解的是,美國空軍不會討論其目前的掩體破壞能力,也不會討論如何對付伊朗、中國或其他地方的潛在目標。關于高強度混凝土的大多數(shù)軍事工作都屬于類似的保密級別。美軍嚴重依賴空中力量來控制處于危險之中的目標。對手可能試圖將他們的指揮總部或核設施隱藏在地下,但鉆地彈使他們失去了避難所。在平淡無奇的混凝土技術領域進行逐步改進,如能削弱空中力量的優(yōu)勢,可能會產(chǎn)生深遠的戰(zhàn)略影響。