矛与盾、掩体炸弹与混凝土之间的军备竞赛

斯特凡诺·蒙特西 - 科比斯//盖蒂图片社

在2000年代后期，有传言称伊朗的一个掩体被掩体炸弹击中。炸弹未能穿透 - 并且仍然嵌入 - 掩体的表面，大概直到乘员召集炸弹处理小组。炸弹没有砸碎混凝土，而是出乎意料地被阻止了。

原因不难猜出。伊朗是超高性能混凝土（UHPC）新技术的领导者。显然，他们的最新产品对于标准的掩体破坏者来说太过分了。

英国朴茨茅斯大学的斯蒂芬妮·巴内特（Stephanie Barnett）博士参与了开发更坚固的混凝土，以保护民用建筑免受恐怖袭击，推动了更好的保护。她听过这个故事，也明白进攻和防守之间的跷跷板平衡。虽然平民听众很热情，但她偶尔会听到参加她演讲的军事人员的反应不那么积极。

“一名军官告诉我，'如果你制造出这种更强的防爆和抗冲击材料，我们需要考虑如何通过它，'”巴内特告诉大众力学。

更好的混凝土迫使掩体破坏者提高他们的游戏水平。2005年，以色列 - 长期以来一直对伊朗作为潜在目标感兴趣 - 要求美国提供新的，更强大的掩体破坏武器，这些武器最终在2009年提供。GBU-28是一枚5000磅重的炸弹，穿透力大约是之前提供给以色列空军的2000磅GBU-31v3的四倍。

一架美国空军F-15E攻击鹰飞机在武器评估测试期间在犹他州的测试和训练靶场上空释放了GBU-28掩体破坏者5，000磅激光制导炸弹。

TSGT 迈克尔·阿蒙斯，美国空军

现在，以色列再次提高了标准，要求美国空军（USAF）提供新的GBU-72“先进5K穿透器”炸弹，该炸弹尚未投入使用，仅在去年10月进行了首次测试。与GBU-28一样，它是5000磅重的，但对早期的武器有了重大改进 - 尽管空军不会提供细节。

GBU-72的发展和以色列对它的迫切愿望可能表明，在混凝土和炸弹之间的安静军备竞赛中，混凝土正在获胜。

地堡破坏基础知识

美国空军于1985年推出了第一个现代掩体破坏者。通用炸弹有一个装满炸药的薄钢壳;掩体破坏者的外形更窄，外壳更厚，炸药更少。这种设计将所有重量集中在较小的区域，使其成为冰锥而不是锤子，因此炸弹可以粉碎混凝土或挖土以击中深埋的目标。

虽然使用与 90 年代相同的通用炸弹，但掩体破坏者必须经历几代升级。在 2000 年代初期，空军甚至与钢铁专家埃尔伍德国家锻造公司合作，开发了一种特殊类型的钢材，称为埃格林钢铁。

Eglin 钢是一种低碳、低镍钢，含有微量的钨、铬、锰、硅和其他元素，每种元素都为整体贡献了理想的性能。埃格林钢是破坏掩体弹药的黄金标准，尽管近年来它得到了新的USAF-96钢的补充，这种钢具有类似的性能，但更容易生产和使用。

材料科学家区分了韧性和硬度这两种品质，正是它们之间的平衡推动了武器和装甲之间的军备竞赛。

例如，当软铅子弹击中凯夫拉背心时，子弹会皱缩变形，由于缺乏硬度而失去能量。不过，给子弹一个坚硬的钢夹克，凯夫拉尔让路了。计数器是通过添加由碳化硼等材料制成的超硬陶瓷板来使装甲更硬。这些子弹非常坚硬，以至于钢套子弹在撞击时会破裂。这导致了特殊的穿甲子弹，上面有硬钨。当它们撞击陶瓷板时，板会在称为脆性失效的过程中破裂。

掩体破坏者的军备竞赛类似，但虽然攻击者拥有钢铁的优势，但防御是基于混凝土的，这始于固有的劣势。“混凝土本质上是脆弱的，”利兹大学混凝土技术专家Phil Purnell教授说。“它擅长被压扁，而不是被拉伸。弱点在于其抗拉能力和韧性。珀内尔指出，虽然一些现代混凝土实际上比铝更坚固，但它的脆性是它的致命弱点，它通过开裂让路。

然而，随着被称为UHPC的混凝土类型的出现，这种情况发生了变化。以前，每平方英寸 5，000 磅 （psi） 的屈服强度足以使混凝土被评为“高强度”，最佳屈服强度可达 10，000 psi。新型UHPC可以承受40，000 psi或更高的压力。

超高性能纤维增强混凝土样品。

Bianca Paola Maffezzoli， CC BY-SA 4.0 ， via Wikimedia Commons 通过添加钢或其他纤维将混凝土变成复合材料来实现更大的强度。这些纤维将混凝土固定在一起，防止裂缝在整个混凝土中扩散，从而抵消脆性。“不是在混凝土板上出现一些大裂缝，而是得到很多较小的裂缝，”Barnett说。“纤维赋予它更多的断裂能量。

断裂能量定义为将材料劈开所需的能量。混凝土在断裂时吸收弹丸的输入动能，使其减慢速度并阻止其穿透。当然，研究人员一直在尝试为UHPC寻找最佳的纤维组合。越多越好，但有一个限制。“问题是，如果你放入超过百分之一的钢纤维，它就会开始结块，”Purnell说。“聪明的技巧是如何将超过百分之一的纤维混合到混凝土中。

世界各地的各个团队一直在研究成功混合纤维的技术。这项工作大部分由军方进行;但正如巴内特所指出的那样，根据她的经验，军方有时会来向平民研究人员提问，但从不谈论他们自己的工作。在抗冲击混凝土领域 - 土木工程中的少数人兴趣 - 他们可能领先于民用同行。

当美国空军急需一个新的掩体破坏者时......

1991年1月，当美国领导对科威特的行动时，美国情报部门发现了一些令人震惊的事情。伊拉克人在巴格达地下深处建造了一系列新的指挥掩体，并由几英尺的钢筋混凝土保护，估计对美国空军现有的2000磅掩体破坏者无懈可击。

启动了一项应急计划，为这项工作制造了一枚新的5000磅炸弹。美国空军于1月18日征求意见，佛罗里达州埃格林空军基地的空军研究实验室弹药局立即开始工作。没有时间从头开始制造炸弹外壳，因此使用多余的 8 英寸榴弹炮枪管作为弹体的基础，手工装满炸药，并增加了一个新的机头部分。不到一个月后，第一批原型机交付给美国空军;在火箭雪橇测试中，新武器穿透了20多英尺的混凝土。

2月27日，两枚作战炸弹被空运到战区，由F-111F投掷。在撞击伊拉克新掩体六秒钟后，烟雾从入口涌出，表明掩体已被破坏和摧毁。这一天被一枚六周平的弹药所挽救。

但空军会如此轻易地赢得下一轮掩体破坏吗？

真的有无懈可击的掩体吗？

2012年，美国空军启动了一个项目，以评估UHPC制成的掩体带来的挑战。空军最终开发了自己的UHPC版本，称为Eglin高强度混凝土，用于测试过程。

虽然美国空军的研究结果是机密的，但中国的一项开源研究将普通高强度混凝土与纤维增强UHPC进行了比较。弹丸击穿了钢筋混凝土目标，但UHPC目标仅幸存下来，只有轻微的裂缝，弹丸“嵌入或反弹”目标。

空军已经担心即使是5000磅重的炸弹也不够用，2011年，它收到了大规模弹药穿透器（MOP），这是一枚巨大的30，000磅炸弹。这甚至比著名的21，000磅重的大规模军械空气爆炸（MOAB，或“所有炸弹之母”）还要大，以纯粹的动能摧毁最深，最坚固的掩体。MOP是你能飞行的炸弹——只有B-2 Spirit战略轰炸机有能力——所以较小的2000磅和5000磅的武器仍然需要对较小的目标进行大部分工作。

大规模条例空气爆炸（MOAB）武器，2003年3月11日在佛罗里达州埃格林空军基地。

美国空军盖蒂图片社

经过具体研究，空军升级了MOP。然后它再次升级了它。到2018年，它进行了第四次升级。对较小的武器进行了类似的升级。

问题在于，即使是最大的炸弹，由最坚韧的材料制成，也可能不再能够破解它。总部位于多伦多的先进材料开发公司的Gregory Vartanov博士声称，高级UHPC对于用现有钢材制造的炸弹来说太强了。“带有整体外壳的穿透器由以下材料制成......埃格林钢铁...无法穿透由UHPC制成的掩体，“瓦尔塔诺夫在2021年2月发表在《航空航天与国防技术》杂志上的一篇文章中指出，他的主张基于开源渗透公式。

但这还不是故事的结局。UHPC很好，但更好的保护已经在实验室中进行了测试。

混凝土越来越坚固

中国最近的工作描述了功能分级水泥基复合材料（FGCC），通过将具有不同性能的不同类型的高性能混凝土分层制成。薄外层为超硬骨料增强UHPC;下面是一层厚厚的混合纤维增强UHPC，经过优化可抵抗开裂。最后，还有一层坚韧的钢纤维增强UHPC。正如Purnell所解释的那样，每一层都有不同的效果。

“你有坚硬的外层来破坏弹丸，然后是厚厚的层和质量吸收它的能量，然后内层在那里捕捉位，”珀内尔说。这种内部防剥落层可确保如果混凝土确实开裂，没有碎片（或“剥落”）进入沙坑。

根据中国6月发表的研究，FGCC的抗穿透和爆炸性能远远优于UHPC：“高强度纤维和粗骨料的协同作用大大降低了穿透深度、火山口面积和穿透损伤。Barnett说，她已经研究过类似的概念，这种将具有不同特性的材料分层的技术可能比任何单一材料更有效。

最新的研究遵循了中国对分层混凝土的至少四年研究，特别关注吸收冲击和爆炸。预计新的掩体将是非常难以破解的坚果。

更快、更智能地破坏掩体的方法

使掩体破坏者更大更坏的空间有限，但还有其他方法。军备竞赛可能不会沿着同样的道路继续下去，而是朝着不同的方向发展。

“高超音速武器提供了一种针对硬化掩体的新潜在攻击模式，”英国国防智库RUSI的贾斯汀布朗克说。高超音速是以超过5马赫的速度穿过大气层的导弹。配备钨穿透器，它们可以充当“上帝的棒”，像穿甲子弹一样穿透层层混凝土。由于没有爆炸弹头，这种武器仅靠动能造成破坏。

一架B-52携带AGM-183 ARRW高超音速导弹，于2019年在加利福尼亚州爱德华兹空军基地上空进行首次俘虏飞行。

美国空军/克里斯托弗·奥库拉，公共领域，通过维基共享资源

布朗克还指出，并不总是需要真正摧毁一个掩体。您可以损坏入口，取出天线，并在正确的位置进行命中，切断与指挥掩体的通信。从军事角度来说，即使居住者没有受到伤害，它也可能是一个陨石坑。

可以理解的是，美国空军不会讨论其目前的掩体破坏能力，也不会讨论它们如何与伊朗、中国或其他地方的潜在目标相抗衡。高强度混凝土上的大多数军事工作也同样分类。

美军严重依赖空中力量来控制处于危险之中的目标。对手可能会试图将他们的指挥总部或核设施隐藏在地下，但掩体破坏者没有给他们提供庇护。平淡无奇的混凝土技术领域的渐进式改进如果能够削弱空中力量的边缘，可能会产生深远的战略意义。

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