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(lái)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(lái)，沒(méi)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(kāi)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(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)故事，明白進(jìn)攻和防守是拉鋸平衡的兩端。聽(tīng)她演講，普通聽(tīng)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(shuō)，'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(wú)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(kāi)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(lái)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(shuō)：“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(kāi)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。
斷裂能定義為分裂材料所需的能量?；炷廖涨秩霃椡璧膭?dòng)能，使其破損、減速和停止侵徹。當(dāng)然，研究人員一直通過(guò)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(shuō)：“問(wèn)題是，如果加入超過(guò)百分之一的鋼纖維，纖維就會(huì)開(kāi)始結(jié)團(tuán)。技術(shù)訣竅是如何將超過(guò)百分之一的纖維混合分散到混凝土中?！?/span>
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(kāi)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(mén)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(wú)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(kāi)始工作。沒(méi)有時(shí)間從頭開(kāi)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(guò)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(kāi)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(lái)的挑戰(zhàn)。空軍最終開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(wèn)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(kāi)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(lái)說(shuō)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(wú)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(kāi)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。
“你用堅(jiān)硬的外層來(lái)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(shuō)。該內(nèi)層是防剝落層，確保混凝土開(kāi)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(shuō)，她研究過(guò)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(mén)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(kāi)裂的堅(jiān)果。
