军队在不断提升混凝土掩体的防护能力,同时在升级摧毁它们的炸弹,但混凝土(UHPC)可能会赢得竞赛。在2000年代后期,有传言伊朗的一个掩体被钻地弹击中。钻地弹未能穿透掩体,掩体内人员叫来炸弹处理小组前,钻地弹一直卡在掩体表面。钻地弹意外地停了下来,没有砸穿混凝土。不难猜出原因,伊朗是超高性能混凝土(UHPC)新技术的领导者。显然,对于标准钻地弹,他们最新的掩体有足够的防护能力。
英国朴茨茅斯大学Stephanie Barnett博士致力于开发更坚固的混凝土,用于保护民用建筑抵抗恐怖袭击,促进外围护结构保护能力的提升。她听说过这个故事,明白进攻和防守是拉锯平衡的两端。听她演讲,普通听众很兴奋,但军事人员的反应有时不太积极。“一名军官跟我说,’你如果制造出这种更加坚固的抗爆抗冲击材料,我们需要考虑的是如何穿透它。’”
Barnett告诉《大众力学》。更好的混凝土逼迫掩体爆破者提高他们的技艺。长期将伊朗视作潜在目标的以色列,2005年要求美国提供新的、更强大的钻地弹,最终在2009年得到5,000磅(2270kg)GBU-28 钻地弹。与以前提供给以色列空军 2,000 磅 (908kg)GBU-31v3钻地弹相比,GBU-28的穿透能力大约提高到四倍。
如今,以色列再次提高了标准,要求拥有美国空军 (USAF)的新型 GBU-72 “高级 5K 侵彻器” 钻地弹。该钻地弹尚未服役,去年 10 月(指2021 年10月)才首次进行测试。如同GBU-28,GBU-72也是5000磅重的钻地弹,但有了重大改进——尽管空军不会提供细节。
研发GBU-72以及以色列对它的迫切需求,似乎透露出一个信号,即在混凝土和钻地弹之间悄无声息的军备竞赛中,混凝土正在获胜。
在1985 年,美国空军拥有了第一代现代钻地弹。通用炸弹是在薄钢壳内装满炸药,钻地弹的外形较纤细、外壳较厚,内装的炸药则较少。这种设计将所有重量集中在较小的面积,使其如同冰锥而不是榔头,炸弹因此能够击穿混凝土或钻入地层打击深埋的目标。如今使用的通用炸弹与 90 年代使用的相同,但钻地弹则经历了几代升级。在 2000 年代初期,空军还与专业钢铁公司 Ellwood National Forge Company 合作开发了一种特殊类型的钢材,称为埃格林钢( Eglin Steel)。埃格林钢是一种低碳、低镍钢,含微量钨、铬、锰、硅和其他元素,每一种元素都对期望的整体性能有贡献。埃格林钢是钻地弹对标的钢材,近年来埃格林钢被新的USAF-96 钢替代,因为USAF-96钢既拥有与埃格林钢相似的性能,又更容易生产和加工。材料科学家以韧性和硬度辨识材料的两种品质,两者间的平衡驱动着武器与装甲(矛与盾)之间的军备竞赛。例如,当一颗软铅弹击中凯夫拉(芳纶纤维)防弹背心时,子弹会皱折变形,因缺乏硬度而失去能量。如果给子弹装上坚硬的外壳,凯夫拉防弹背心就防不住了。应对的方法是加装碳化硼等材料制成的超硬陶瓷板,防弹背心配上更坚硬铠甲,其坚硬程度能使钢壳子弹在撞击时破碎。这又导致发明了特殊的穿甲弹,当装有硬钨尖端的穿甲弹击中陶瓷板时,陶瓷板会破碎,即发生脆性失效。
钻地弹的军备竞赛与之相似,但当攻击者拥有钢铁的优势时,防御还是基于混凝土的,而混凝土原本有其内在劣势。利兹大学混凝土技术专家Phil Purnell教授说:“混凝土天然是脆性的,它抗压不错,抗拉不行。弱点在于抗拉能力和韧性”。Purnell 指出,虽然一些现代混凝土实际上比铝更坚固,但脆性是其致命弱点,并且会因开裂失效。然而,被称作UHPC的混凝土类型出现,情况发生了变化。以前,抗压强度达到5,000 磅/平方英寸 (psi)(34.5MPa) 的混凝土被评为“高强度”,最好抗压强度高达10,000 psi(69MPa)。新的 UHPC 可以承受 40,000 psi (276MPa)或更多。获得更高的强度可以通过添加钢纤维或其他纤维将混凝土变成复合材料。这些纤维将混凝土保持在一起,防止裂缝在混凝土中扩展,降低脆性。Barnett 说:“混凝土板不会出现少量大裂缝,而是很多小裂缝。“纤维赋予混凝土更多的断裂能。”
断裂能定义为分裂材料所需的能量。混凝土吸收侵入弹丸的动能,使其破损、减速和停止侵彻。当然,研究人员一直通过试验寻找用于UHPC的最佳纤维组成。越多越好,但也有限制。Purnell说:“问题是,如果加入超过百分之一的钢纤维,纤维就会开始结团。技术诀窍是如何将超过百分之一的纤维混合分散到混凝土中。”
世界上各种团队一直在研究能够很好混合纤维的技术。其中的大部分工作是军队开展的;但正如Barnett所指出的,根据她的经验,军方时常会向民用研究人员请教,但对他们自己的工作守口如瓶。在抗冲击混凝土领域,民用工程对此关注度不高,军方可能在一定程度上领先于民用的同行。1991 年 1 月,美国在领导科威特的行动时,美国情报部门发现了一些令人震惊的事情。伊拉克人在巴格达周围建造了系列深埋地下的新指挥掩体,由几英尺厚的钢筋混凝土保护,估计美国空军现有的2000磅钻地弹无法破坏。为此,启动了制造一种新的5,000磅钻地弹的紧急计划。1月18日美国空军提出需求,佛罗里达州埃格林空军基地军需局的空军研究实验室立即开始工作。没有时间从头开始制作炸弹壳,就以多余的8 英寸榴弹炮炮管为基础制作弹体,人工填充炸药,装上新的弹头。不到一个月后,第一批原型弹就交付给了美国空军;在一次火箭滑车测试中,新武器穿透了超过20多英尺(6米多)厚的混凝土。2月27日,两枚作战炸弹被空运到战区,由F-111F战斗机投送。在伊拉克一个新掩体被击中的六秒钟后,烟雾从入口涌出,表明掩体被攻破和摧毁。这一天由一种连续六周开发的弹药记入档案。但是,空军会如此轻松地赢得下一轮的掩体攻防吗?2012年,美国空军启动一个项目,评估由UHPC建造的掩体所带来的挑战。空军最终开发了自己版本的UHPC,被恰当地称为Eglin高强度混凝土,用于试验测试。美国空军的研究结果是保密的,但一项公开的中国研究将普通高强混凝土与纤维增强UHPC进行了比较。弹丸击穿了钢筋混凝土标靶,但UHPC标靶抗住了,只有轻微的开裂,弹丸“嵌入标靶或从标靶反弹”。美国空军已经担心,即使是5000磅的炸弹也不够,在2011年收到了30,000磅(13,620kg)的巨大炸弹“大型军事侵彻器”(MOP)。这甚至比著名的、纯以动能摧毁最深最坚硬掩体21,000磅(9534kg)重的 Massive Ordnance Air Blast(MOAB,或“炸弹之母”)还要大。MOP是一枚能飞的最大炸弹——只有B-2“幽灵”战略轰炸机有能力(载其飞行)——所以较小的2000磅和5000磅的武器仍然需要,用于针对大部分较小的目标。
经过具体研究,空军对MOP进行了升级,后又再次升级。到2018年,MOP进行了第四次升级。较小的武器进行了类似的升级。问题在于,即使可造的最大炸弹,也可能不再能够穿透由最坚韧材料建造的掩体。位于多伦多的先进材料开发公司Gregory Vartanov博士声称,高等级UHPC对于用现有钢制炸弹来说实在是太强了。“由以下材料制成的整体外壳侵彻器……埃格林钢……无法穿透UHPC建造的掩体”,Vartanov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,他的依据是开源的侵彻公式。
但这还不是故事的结局。UHPC很好,但更好的防护已经在实验室中进行了测试。中国最近的研究介绍了功能梯度水泥基复合材料,简称FGCC,由不同类型和不同性能高性能混凝土层构成。薄外层是超硬骨料增强的UHPC层;下面一厚层是经过优化的混合纤维增强UHPC层,用以抵抗开裂;最后,还有一层坚韧的钢纤维增强UHPC层。正如Purnell 解释的,每层都有不同作用。“你用坚硬的外层来破坏弹丸;然后是一个厚层,大量吸收其能量;之后,内层那里捕捉碎片”,Purnell说。该内层是防剥落层,确保混凝土开裂也不会有碎片(或“剥落”)进入掩体。根据中国6月发表的研究,FGCC抵抗侵彻和爆炸的能力远远优于UHPC:“高强度纤维和粗骨料的协同作用,使侵彻深度、弹坑面积和侵彻损伤大幅减少“,Barnett说,她研究过类似的概念,这种将不同特性材料进行分层叠加的技术,可能比任何单一材料更有效。专门针对吸收冲击和爆炸,中国进行了至少四年分层混凝土研究后,取得该最新研究成果。预计新的掩体将是非常难开裂的坚果。使钻地弹变得更大、更具破坏力的空间有限,但还有其他方法。军备竞赛可能不会沿同一路径走下去,而会朝不同方向发展。“高超音速武器提供了一种攻击坚固的掩体的潜在新模式”,英国国防智库RUSI的Justin Bronk说。高超音速武器是以超过 5 马赫速度穿越大气层的导弹,配备了钨侵彻器,如同“上帝之杖”,像穿甲弹一样穿透分层的混凝土。这种武器没有爆炸性弹头,仅通过动能造成破坏。Bronk还指出,并不总是需要实际摧毁掩体。你可以破坏入口,除掉天线,击中正确的地方切断与指挥掩体的通讯联络。在军事术语中,它也可能是一个弹坑,即使掩体内人员没有受到伤害。
可以理解的是,美国空军不会讨论其目前的掩体破坏能力,也不会讨论如何对付伊朗、中国或其他地方的潜在目标。关于高强度混凝土的大多数军事工作都属于类似的保密级别。美军严重依赖空中力量来控制处于危险之中的目标。对手可能试图将他们的指挥总部或核设施隐藏在地下,但钻地弹使他们失去了避难所。在平淡无奇的混凝土技术领域进行逐步改进,如能削弱空中力量的优势,可能会产生深远的战略影响。