论文部分内容阅读
在二次世界大战及稍后的若干局部战争中，各国火炮部队以其密集而猛烈的压制火力成为陆地战场上的中坚力量。而从上世纪九十年代初爆发的海湾战争开始，美军率先改变了常规彈药的使用方式：低药量的爆破彈被高药量的侵爆彈取代；压制性的面目标轰炸改为精确制导的点目标袭击；近距离的战场观察换成空天地全方位的远距离监测评估等。尽管投彈量减少了，但袭击效果却大为提高。从防御一方来看，敌军对战场目标看得更清，瞄得更准，打得更狠，从而增加了防御工程战场建设的难度。
但是，正如人类战争史一再证明的那样，进攻与防御是一对相生相克、交替发展的矛盾对立物，每当一种新武器系统问世后，会使原有防御手段暂时相形见绌，但最终都会催生出新的防护工程技术。目前看来，应对精确制导武器袭击方式的最佳策略就是“深钻地”，即选择具备合适地形条件的山体构筑坚固的坑道工程，以确保重点防护目标的安全。下面按地上、地下、出入口三个层次分别予以介绍。
地上建筑和浅埋结构易遭摧毁
从电视转播的战地实景画面可以看到，精确制导炸彈能够轻易地击中地面建筑或浅埋地下工事，侵入结构内部后再实施爆炸，造成极严重的杀伤和破坏作用。
彈头击穿每层钢筋混凝土墙体或楼板时，除消耗部分动能外还将偏离原先的彈道，若入射方向远离被撞击板、柱的法线方向时，则撞后彈道将发生较大偏转甚至折返。因而，炸彈侵入建筑内部的彈道轨迹取决于建筑内的结构布局，其最终爆炸点并不能事先精确判定，建筑结构越复杂，彈道轨迹就越存在偶然性。
彈头贯穿有限厚度钢筋混凝土墙体(或楼板)后的运行姿态与其彈重及撞击前的着靶速度、攻角等因素有关。据此，我们既可粗略预估已知袭击参数的彈头命中建筑物后的毁伤效果，也可根据建筑毁伤情况大致推断来袭彈头的相关数据。
例如，1999年5月，我驻南使馆遭美军空袭，其中三发彈命中使馆主楼顶层。根据事后勘察获得的彈道轨迹和破坏景象，我们很快就判断出袭击炸彈是洛马公司与波音公司共同为美空军开发的联合直接攻击彈药(JDAM)，由原先库存的普通侵彻炸彈MK84安装制导组件而成，其彈重894千克，彈长3.85米，彈径0.457米，落地速度约为320米／秒。由比较图可以看出，按上述参数模拟计算得出的彈道轨迹与现场实例结果十分吻合。
地下深埋坑道工程可确保安全
高速飞行的侵爆彈击中山体岩层表面时，彈丸将钻入山体一定深度后再发生爆炸，爆心附近岩体将发生压缩、破碎和塑性变形，还将形成强烈的地冲击波向下方传播，使岩体介质密度增大，应力提高，并获得位移、速度、加速度等运动参量。
假设制导彈头在山坡不同位置实施侵彻爆炸，则构筑在山体内的坑道工程不同部位，将因防护层厚度由薄到厚而依次出现破坏段、动荷段、静荷段，位于静荷段坑道内的人员设备是绝对安全的。
坑道工程的抗侵彻爆炸能力主要取决于岩体覆盖层厚度，覆盖层越厚，防护效果越佳。天然岩体具有很强的静动承载能力，中等坚硬岩层的抗动载性能基本等同于普通型号的混凝土材料；岩体越密实坚硬，其抗侵彻爆炸性能越高。
彈丸在岩体中的侵彻深度与彈体重量、彈头形状、长细比、落地速度、落地倾角等诸多因素有关。一般说来，彈体重量和落地速度越大，落地倾角越小，彈体越细长，则其侵彻深度越大。从武器研制角度来看，炸彈落地速度越大，就必须相应提高装药引信的抗过载性能；彈体过于细长，撞地时就易发生弯曲或折断，就必须选择特殊合金钢材用作彈体材料而提高造价等。由此可见，多种客观条件决定钻地彈的实际侵彻深度不可能无限增加。
美军在伊拉克用于实战的最大装药钻地彈是GBU-28，彈重4700磅，彈长5.84米，彈径仅0.37米，内装高爆炸药340千克(折合TNT略小于500千克)，在落地速度大于1200米／秒的情况下，可钻透6米厚的混凝土(或中等岩层)，经估算，其最大破坏深度不会超过1.5米。据传美军正在研制钻地更深、装药更多、专门用于摧毁深层坑道的侵爆彈，其最大破坏深度应在几十米范围内，尚不足以威胁百米以上山体内的坑道工程。
顺便说一句，目前有关彈丸侵彻机理的研究，大多从彈壁摩擦受力及介质损伤破坏准则出发，仍然停留在彈塑性变形分析阶段，按照传统彈塑性力学理论，产生塑性变形的介质在卸载后仍将恢复原有密度，因而无法解释侵彻孔壁实际被压密的现象(土中彈孔尤其明显)。中科院力学所郑哲敏院士提出的流体彈塑性模型能够充分揭示“压实效应”的机理，我们据此理论编制出的计算软件，得出了符合实际情况的侵彻过程模拟图像。
坑道出入口必须采用穿廊形式
任何坑道工程都有出入口通向地表，尽管坑道主体位于静荷段而保证安全，但出入口通道因防护层逐渐减弱将遭受侵爆彈不同程度的威胁。尤其是暴露于地表的端口，在现代侦察条件下很容易被发现，将成为战时袭击的首选目标；而精确制导炸彈完全可以击中口部甚至进入口内一定距离实施爆炸，所以大家公认出入口通道是整个坑道工程的最薄弱环节。
过去的坑道出入口大多为直通式，即沿出入口通道轴线方向可直通坑道主体。此种条件下，口部爆炸形成的空气冲击波将直接向坑道主体内传播，当遇到防护门时将产生强烈的正反射现象，有可能使防护门上的荷载超过阈值而使门被破坏，漏进坑道主体内的冲击波将危及人员和设备。
将坑道出入口改为穿廊形式，即使每个出入口具有两个通向地表的端口，且其通道轴线与坑道主体轴线垂直相交。这样一来，当穿廊某端口受袭时，所形成的空气冲击波将从穿廊另一端口排出，泄压效果明显：且安装在坑道主体内侧的防护门因侧对冲击波阵面而避免发生反射现象，门上超压相对直通式防护门会降至1／4；若再将防护门向主体方向后撤些，门前为扩散室，则门上超压值更将减少到直通式防护门的1／15。
从工程设计的角度来看，在确保坑道主体处于静荷段的前提下，穿廊与坑道主体的交叉位置可设在动荷段，采用高抗力被覆形式以保障其结构稳定。穿廊通道不需任何加固措施，平时仅作为车辆通道使用，若两端皆与山间公路相连，则作为民用隧道出现更有利于伪装。若战时一端或两端被炸垮，只须清除碎石即可供人员通行。
美军在阿富汗曾投放燃料空气彈，使数百米范围的氧气燃尽而造成附近洞穴内人员窒息。穿廊式出入口也有利于对付燃料空气彈袭击，因可从穿廊另一端补充空气而不会殃及坑道内部。
综上所述，将防护工程构筑在足够深的山体之内，其出入口通道采用穿廊加扩散室形式，就可使坑道主体免受精确制导常规炸彈的直接打击，确保维持其战时主要功能。
但是，正如人类战争史一再证明的那样，进攻与防御是一对相生相克、交替发展的矛盾对立物，每当一种新武器系统问世后，会使原有防御手段暂时相形见绌，但最终都会催生出新的防护工程技术。目前看来，应对精确制导武器袭击方式的最佳策略就是“深钻地”，即选择具备合适地形条件的山体构筑坚固的坑道工程，以确保重点防护目标的安全。下面按地上、地下、出入口三个层次分别予以介绍。
地上建筑和浅埋结构易遭摧毁
从电视转播的战地实景画面可以看到，精确制导炸彈能够轻易地击中地面建筑或浅埋地下工事，侵入结构内部后再实施爆炸，造成极严重的杀伤和破坏作用。
彈头击穿每层钢筋混凝土墙体或楼板时，除消耗部分动能外还将偏离原先的彈道，若入射方向远离被撞击板、柱的法线方向时，则撞后彈道将发生较大偏转甚至折返。因而，炸彈侵入建筑内部的彈道轨迹取决于建筑内的结构布局，其最终爆炸点并不能事先精确判定，建筑结构越复杂，彈道轨迹就越存在偶然性。
彈头贯穿有限厚度钢筋混凝土墙体(或楼板)后的运行姿态与其彈重及撞击前的着靶速度、攻角等因素有关。据此，我们既可粗略预估已知袭击参数的彈头命中建筑物后的毁伤效果，也可根据建筑毁伤情况大致推断来袭彈头的相关数据。
例如，1999年5月，我驻南使馆遭美军空袭，其中三发彈命中使馆主楼顶层。根据事后勘察获得的彈道轨迹和破坏景象，我们很快就判断出袭击炸彈是洛马公司与波音公司共同为美空军开发的联合直接攻击彈药(JDAM)，由原先库存的普通侵彻炸彈MK84安装制导组件而成，其彈重894千克，彈长3.85米，彈径0.457米，落地速度约为320米／秒。由比较图可以看出，按上述参数模拟计算得出的彈道轨迹与现场实例结果十分吻合。
地下深埋坑道工程可确保安全
高速飞行的侵爆彈击中山体岩层表面时，彈丸将钻入山体一定深度后再发生爆炸，爆心附近岩体将发生压缩、破碎和塑性变形，还将形成强烈的地冲击波向下方传播，使岩体介质密度增大，应力提高，并获得位移、速度、加速度等运动参量。
假设制导彈头在山坡不同位置实施侵彻爆炸，则构筑在山体内的坑道工程不同部位，将因防护层厚度由薄到厚而依次出现破坏段、动荷段、静荷段，位于静荷段坑道内的人员设备是绝对安全的。
坑道工程的抗侵彻爆炸能力主要取决于岩体覆盖层厚度，覆盖层越厚，防护效果越佳。天然岩体具有很强的静动承载能力，中等坚硬岩层的抗动载性能基本等同于普通型号的混凝土材料；岩体越密实坚硬，其抗侵彻爆炸性能越高。
彈丸在岩体中的侵彻深度与彈体重量、彈头形状、长细比、落地速度、落地倾角等诸多因素有关。一般说来，彈体重量和落地速度越大，落地倾角越小，彈体越细长，则其侵彻深度越大。从武器研制角度来看，炸彈落地速度越大，就必须相应提高装药引信的抗过载性能；彈体过于细长，撞地时就易发生弯曲或折断，就必须选择特殊合金钢材用作彈体材料而提高造价等。由此可见，多种客观条件决定钻地彈的实际侵彻深度不可能无限增加。
美军在伊拉克用于实战的最大装药钻地彈是GBU-28，彈重4700磅，彈长5.84米，彈径仅0.37米，内装高爆炸药340千克(折合TNT略小于500千克)，在落地速度大于1200米／秒的情况下，可钻透6米厚的混凝土(或中等岩层)，经估算，其最大破坏深度不会超过1.5米。据传美军正在研制钻地更深、装药更多、专门用于摧毁深层坑道的侵爆彈，其最大破坏深度应在几十米范围内，尚不足以威胁百米以上山体内的坑道工程。
顺便说一句，目前有关彈丸侵彻机理的研究，大多从彈壁摩擦受力及介质损伤破坏准则出发，仍然停留在彈塑性变形分析阶段，按照传统彈塑性力学理论，产生塑性变形的介质在卸载后仍将恢复原有密度，因而无法解释侵彻孔壁实际被压密的现象(土中彈孔尤其明显)。中科院力学所郑哲敏院士提出的流体彈塑性模型能够充分揭示“压实效应”的机理，我们据此理论编制出的计算软件，得出了符合实际情况的侵彻过程模拟图像。
坑道出入口必须采用穿廊形式
任何坑道工程都有出入口通向地表，尽管坑道主体位于静荷段而保证安全，但出入口通道因防护层逐渐减弱将遭受侵爆彈不同程度的威胁。尤其是暴露于地表的端口，在现代侦察条件下很容易被发现，将成为战时袭击的首选目标；而精确制导炸彈完全可以击中口部甚至进入口内一定距离实施爆炸，所以大家公认出入口通道是整个坑道工程的最薄弱环节。
过去的坑道出入口大多为直通式，即沿出入口通道轴线方向可直通坑道主体。此种条件下，口部爆炸形成的空气冲击波将直接向坑道主体内传播，当遇到防护门时将产生强烈的正反射现象，有可能使防护门上的荷载超过阈值而使门被破坏，漏进坑道主体内的冲击波将危及人员和设备。
将坑道出入口改为穿廊形式，即使每个出入口具有两个通向地表的端口，且其通道轴线与坑道主体轴线垂直相交。这样一来，当穿廊某端口受袭时，所形成的空气冲击波将从穿廊另一端口排出，泄压效果明显：且安装在坑道主体内侧的防护门因侧对冲击波阵面而避免发生反射现象，门上超压相对直通式防护门会降至1／4；若再将防护门向主体方向后撤些，门前为扩散室，则门上超压值更将减少到直通式防护门的1／15。
从工程设计的角度来看，在确保坑道主体处于静荷段的前提下，穿廊与坑道主体的交叉位置可设在动荷段，采用高抗力被覆形式以保障其结构稳定。穿廊通道不需任何加固措施，平时仅作为车辆通道使用，若两端皆与山间公路相连，则作为民用隧道出现更有利于伪装。若战时一端或两端被炸垮，只须清除碎石即可供人员通行。
美军在阿富汗曾投放燃料空气彈，使数百米范围的氧气燃尽而造成附近洞穴内人员窒息。穿廊式出入口也有利于对付燃料空气彈袭击，因可从穿廊另一端补充空气而不会殃及坑道内部。
综上所述，将防护工程构筑在足够深的山体之内，其出入口通道采用穿廊加扩散室形式，就可使坑道主体免受精确制导常规炸彈的直接打击，确保维持其战时主要功能。