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美国国防威胁降低局秘密公开 武器效能试验不断
时间: 2019-09-23

  本文总结了在第一个30年内,国防威胁降低局位于白沙导弹靶场及其他场地所进行的一系列试验并简要概述了这些技术的进步与发展历程。通过主动或被动测量的方式提升对常规武器效能的理解掌握,并将得到的结论直接用于作战准备。我们所关注的武器效能包括:近场的侵彻、冲击波、碎片杀伤和热效应,以及远场的声和地震效应。文章编译如下:

  20世纪80年代中期,美国国防部核武器局测试部门主任唐林格教授决定在白沙导弹靶场进一步测试高爆武器效能。他建议为满足国家指挥当局和北大西洋公约组织的要求,每隔数年进行大规模核模拟试验,并补充开展一些小型高爆炸药试验,采用主动或被动测量的方式,进一步掌握武器毁伤效能,并修正最先进的计算基准。国防威胁降低局在白沙导弹靶场北部“三位一体”试验台附近干燥的沙漠上开发了3个试验场地:大规模测试平台(参与4000吨高爆炸当量试验的军事爆炸与冲击波研讨组织对此相当熟悉);中型测试平台(用于进行当量高达20吨的校准试验)和精密测试平台(用于进行特殊小型试验)。第四个试验场地选址位于靶场几英里范围内水位较高的Queen-15区域。那时,国防威胁降低局在地表和掩体中进行了一系列试验,探测核爆炸产生的空气冲击流、地面冲击波、炸坑效应和热效应。在90年代初期,该机构的研究重点由核模拟试验转移至大规模杀伤性武器,主要在岩石洞群等一系列地上及掩埋结构中进行空投常规武器和炸弹袭击试验,探测爆炸对土壤/岩石/混凝土的侵彻程度、对防爆横梁/支柱/窗户的毁伤力和引发的后续爆炸。多年来,国防威胁降低局在技术和基建领域投入了大量资金,力求以最高的精度解析爆炸环境及爆炸造成的损害。传感器和记录仪采取了高清数字记录方式,不再笨重、耗时,性能大幅提升。摄影技术也得到显著改善,从以前的胶卷图像升级为现在的高分辨率实时数字影像。这些先进的摄影、声波和地震传感器为进行爆炸损害评估奠定了基础。至今,每年仍有大量的试验在这些场地展开。这篇论文总结了在第一个30年内,国防威胁降低局位于白沙导弹靶场及其他场地所进行的一系列试验。

  美国国防威胁降低局在白沙导弹靶场和其他试验场地采取了大量先进试验技术进行常规武器效能测试,本文简要概述了这些技术的进步与发展历程。进行这些试验需具备一系列技巧和能力,包括熟悉常规武器效能基本知识、展开武器与目标的互动、掌握实战武器发射配置文件、运用仪表测量和记录数据、采用特制传感器和高速摄影技术、编制目标损毁文件、分析数据以及熟练编写相关计算机算法。上述每种试验技术在武器效能分析评估中都至关重要。根据试验目的,武器发射可以采取从静态投射到实战发射等多种方式。

  美国国防核武器局测试部门主任唐林格教授的远见卓识推动了相关试验技术发展进步。30年前,他提出在白沙导弹靶场采用主动或被动的测量方式,收集可以直接用于战事的数据,深入分析研究高爆炸药和武器的效能。研究人员引入了一个新术语—“确定使用武器之数量”—来描述相关试验全过程,包括武器平台和战术运用、武器投放、武器发射、武器与目标的互动、武器爆炸、即时武器效能测试及试验后损伤观察。

  1988年以来,试验技术在发展过程中取得了两次质的飞跃。第一次是减少、乃至最后彻底废除地下核试验。核试验在1988年前,及1988年至1993年间,为试验重点之一,经常与大规模高爆武器空爆模拟试验联合展开,同时伴有辐射模拟装置。军事爆炸与冲击波研讨组织很熟悉白沙导弹靶场的大规模测试平台,曾在此进行爆炸当量高达4000吨的高爆铵油炸药核空爆模拟试验。这些大规模高爆试验模拟了爆炸当量在1000-8000吨范围内的地上核试验,测试其空气冲击波效能。图1展示了一些大规模铵油炸药试验和其他类型试验的照片。研究人员结合这些试验,运用特殊仪器产生与地上核爆相似的辐射频谱分布,进行热辐射模拟试验。鉴于整体试验需求,核试验逐步被淘汰,但大规模空爆模拟试验仍持续了数年。在20世纪90年代中期,一个被称作“大爆炸和热模拟器”的激波管取代了核空爆模拟试验及相应的空气冲击波和热测试。图1中也展示了该模拟器的照片。此外,研究机构仍保留了少许热辐射模拟器,以满足多种试验需求。我们进行试验的基本前提是进一步掌握与军民项目相关的武器效能。

  我们试图通过在白沙导弹靶场及其他一些试验场地进行的所有试验测量重要武器效能。20世纪90年代以来,核及核模拟试验开始向现代化常规武器试验过渡,相应的技术发展总策略也有所改变。图2展示了将旧技术应用于常规武器效能试验发展改进的主要方面。

  在1992年分水岭之后,常规武器试验技术得到了明显提升。用于试验的武器由各种高爆炸药填充制成。常规武器试验在核模拟试验的基础上发展而来。图3展示了常规武器试验的基本结构和杠杆化资源配置。由作战部队供应的武器通常采取作战手段进行投射,攻击目标。这些作战手段包括固定翼飞机、旋转翼飞机、巡航导弹或其他方式。确定投射手段,以及乘员完成投射任务,试验就成功进行了1/3。在展开常规武器试验后,我们意识到武器从投射平台到成功击中目标的过程同样重要,因此我们大幅提升弹头制导能力以及试验用炸弹性能。这是试验第二个1/3部分的工作。试验最后1/3部分便是测试武器效能,特别是在武器击中目标及引爆时关注的效能指标。这一原则是在完成技术转变后的新试验时期制定试验策略的基础。“9/11事件”之后,我们对可快速投射武器的需求激增,第二次技术飞跃应运而生。

  在这30年期间,我们一直监控各国是否履行《全面禁止核试验条约》,完全废止地下核试验。我们制造了携带特殊检测装置和其他试验设备的移动测试车,并将它们运送至海外,直接监测地下核试验。我们还在美国境内进行一系列高爆试验,观测并提高近距离传感器、间接地表冲击和声音传感器性能,并调整远场地震监测技术。目前,大部分监测能力仍被利用。

  1992年后,越来越多的常规武器试验进入人们视野,相关试验能力和技术也大幅提升。一方面,一些应用于核及核模拟试验的旧技术在实践基础上催生新技术;另一方面,30年间新技术快速发展,试验能力稳步提升。只有具备较强的控制能力和制导性能,常规武器才能准确命中目标,造成毁伤。除此之外,武器效能现象研究和仪器研发也显得尤为重要。伴随着这些技术的飞速发展,常规武器效能试验取得成功。接下来,我们将探讨这两个关键技术领域的发展情况:

  在我们尝试常规武器效能试验前,据经验编纂的效能手册对一些常规武器效能的基本形式进行了描述,但没有进一步分析解释。也就是说,它们只考虑到特殊标准化的试验结构,对包括侵彻能力、冲击波、碎片杀伤力和地冲击在内的一些基本武器效能进行了经验预测,却没有深入分析各种潜在现象,不能据此推断新弹头或目标的效能。这些手册都是在实践基础上为设计防护结构编写的,无法对新一代飞机和侵彻弹头造成的损害进行评估或为制定新战术提供帮助。换句话说,我们需要研究更新、更详细的效能现象,用于编写下一代“确定使用武器之数量”手册,特别是扩展攻击如地表或地下具备各种保护机制(分层地基,岩石碎石层等等)和地道的混凝土碉堡这类加固目标的效能。这些手册还需要量化具体加固目标破坏机制,如结构性坍塌,内部结构损毁,以及与实战设备相关的各种功能性破坏机制,如空爆、破片或热。

  武器效应现象研究起源于核空爆模拟试验,包括自20世纪70年代起,延续至20世纪90年代初,在白沙导弹靶场进行的大规模高爆试验。图4展示了试验曾使用的由袋装炸药堆叠而成的半球形封顶圆柱,它们最终被特制的装有大量炸药的玻璃纤维半球形容器所取代(见图5),其化学炸药装填量在500吨至几千吨之间。如图4所示,一般采用装满高爆炸药的球形容器模拟核空爆试验。

  所有此类试验都旨在探测模拟核空爆对一系列军事武器和地表或近地表结构造成的损害。如图6所示,这些试验已开始采用包括高速照相在内的先进武器效能试验技术,以详细检验火球膨胀和空爆效能(如空气冲击波前沿冲击力、三相点的形成及动压力场等)。在常规武器效能试验的新时代,我们需要掌握大量空爆相关知识,了解高爆炸药的毁伤力。除此之外,为探测爆炸的侵彻效能,这些炸药被严密封存,我们不仅需要检测封存外壳对爆炸冲击波的影响,还需探测外壳爆破、外壳损坏及碎片情况。最后,与其测试爆炸和热环境造成的广域损伤,我们更需掌握内外爆炸对加固结构的局部损毁情况、热和碎片杀伤效能。

  因此,武器效能试验技术的研究领域得到了扩展,特别是发展了与常规武器相关的技术。此外,由于我们意识到武器的侵彻能力—严密封装的武器穿入或穿透某加固结构的顶部去引爆其内部设施—是新毁伤机制的一项主要指标,我们开始致力于提升武器的侵彻性能。如图3所示,我们需研发更多基于物理的侵彻算法,利用迅猛发展的个人计算机技术来快速计算一系列武器碰撞参数(武器碰撞速率、入射角、攻击角)。我们最初从两方面着手设计这些侵彻算法,后来逐步从三个维度入手。

  我们研究武器的侵彻性能需考虑新的目标类型,效能指标包括武器贯穿钢筋混凝土、多层保护系统、隧道目标上方岩石的深度及造成的损害,和武器爆炸造成的毁伤。有时,我们会刻意设计,隔离武器侵彻和武器爆炸造成目标毁伤的时间,以便于分别研究两者的毁伤效能。我们称该研究领域为“目标毁伤文献编制”,包括详细检测被损毁结构,对贯穿孔、裂缝、结构性分离故障、弹坑进行物理标记,以及暴露或切割钢筋。图7为一空基武器攻击某钢筋混凝土目标的实例,展示了武器命中目标时的多帧画面,突出了武器在试验体内引爆前命中目标的轨迹。

  新一代炸药混合物的相关计算有助于我们深入了解特殊武器效能,包括爆炸及爆炸后爆炸物内细金属粉末和“热压”爆炸物内其他材料产生的后续反应。这些实验也促使我们透彻解析空气冲击波在简单或复杂、多层结构中的传播情况。在核空爆模拟试验时期,科学家们研究出了一套名为“二阶自适应网格加密算法”的流体动力学计算代码,用来在武器外壳破碎及产生后续冲击波前后更好地模拟封装武器内爆炸、武器外壳扩散、武器外壳分裂及爆炸物后续反应。

  在20世纪90年代试验技术发展的同时,学者们直接将这些新技术应用于一比一原型规模试验。缩放试验有助于我们深入了解常规武器效能现象,我们能从中得出结论,并将其应用于原规模试验。然而,在很多情况下,试验典型的载弹量为100至2000磅,原型试验更容易操作。事实上,对于某些试验来说,缩放试验的效费比更低。通过原型试验观测到的类似效能现象可以通过小型试验进行验证,弥补、寻找技术差距,从而形成一个“反馈环路”。原型试验尽管有着周密的计划,并严谨地按程序实施,过程中也可能发生意外情况。有时,这些“意外事件”却反映出一些新的效能现象,需要我们采取新策略进行研究。图3详解了原型试验过程:一架飞机投射武器,随后武器穿入目标并在目标内发生爆炸。武器引爆问题一直以来都是研究的重点,研究者们希望武器在完全进入目标结构后再发生爆炸,但是引信在侵彻过程中难以保存和运作。

  几乎在常规武器试验开展的同时,我们也着手研究常用武器的爆炸相关效能。最初的研究重点集中在了解所使用武器的效能上。例如,我们在汽车或其他运载工具上装填不等量的低爆炸药并引爆,收集整体爆炸效能、碎片分布场范围等信息,并根据包括车辆位置(混凝土、沥青或土壤上)、炸药量、炸坑效应及各种车辆零件鉴别等证据,将碎片与车辆类型一一关联。图8展示了一场典型的大规模试验。

  我们同时开始研究试验对结构部件的冲击效应。通过探测造成不同类型玻璃破碎的爆炸冲击波,我们可以判定玻璃所能承受的压力和脉冲、玻璃是如何破碎的以及玻璃碎片的扩散和损害情况。在检测完导致玻璃破碎的毁伤效能后,我们对一些利用各种原材料在现有玻璃基础上进行改造形成的抗冲击玻璃进行试验。最后,我们详细检测建筑的结构部件。这些试验重点研究外爆冲击对诸如高层办公建筑常有的外露支柱和横梁的毁伤效能。为此,我们建造了一座多层试验建筑并且进行了一系列拓展性爆炸试验。图2展示了对一座经加固但未经改装的多层建筑外露支柱进行爆炸试验的景象。图9展示了试验具体情况。

  与此同时,在爆炸反应剧烈的试验中所采用的仪器技术也大步发展,这些仪器技术用来监测爆炸中的环境及运动。在试验过程中,我们很早就做出了一个关键性的决定:所有试验都需得出足够的高精度测量数据,以分析重要武器效能。我们使用专用传感器测量压力、加速度、速度、位移和温度。大部分传感器的性能都有所提高,但很多技术是从之前的核模拟试验中继承而来的。

  20世纪90年代以来,模拟记录开始向数字记录过渡,在常规爆炸效能试验中的快前沿且多峰冲击波环境下记录这些传感器信号的能力显著提升。最初,数字录制方式并不完全可靠,我们还需补充使用模拟磁带录制技术(“磁带备份”),这非常重要。在90年代中期,数字记录方式的时间帧极短(每帧2微妙,总共约0.5毫秒)。因此,我们使用录制时间更长(数分钟或数十分钟)的磁盘来记录传感器感知到的持续时间较长的信号。如图10所示,数字记录的持续时间逐渐增加,信号分辨率(位速率/比特率)稳步提高,记录时间帧也逐步延长。随着其可靠性不断提升,数字记录方式最终完全取代了模拟记录方式。

  与此同时,高速摄影技术也快速发展。使用胶卷的机械化高速相机已问世多年,而在此,我们讨论的是从胶卷到数字摄影的过渡阶段。与模拟磁带录制一样,数码相机逐步进入人们的生活,但它最初并不是唯一的数据源。如图7所示,数码相机的帧间时间间隔此前一直保持相对恒定,直到最近才发生变化,但是相机的可靠性、记录时间和图像分辨率均有所提高。在取得这些进步的基础上,使用胶卷的高速相机逐步被淘汰,现在也只有在特殊情况下备用。

  数字高速摄影技术如今已得到广泛使用,图11展示了基于计算机的数字摄影分析技术的一个优势:它能在相邻两帧间进行差分运算,定位试验台上的空气冲击波。

  我们主要使用以下几类传感器探测爆炸效能:压力、加速度、速度、位移、结构和岩石应力、应力以及温度。这些传感器在本文讨论的试验期前就已出现,且它们的性能都得到了提高,特别是计量器响应时间、传感器安装和信噪比等级。之前广泛用于测量高压空爆(高达5兆帕)的杆规等技术现因缺少应用价值而被淘汰;且目前仅有极少数人掌握设计、制作、放置这些计量器的专业技能。科莱特和印制电路板压力传感器、恩德福克加速度计等其他类型的技术现仍供商业目的使用,并仍在不断“改进”中。如图11所示,若欲在地下试验中应用这些仪器,则需用容器对其进行保护。我们在利用光学和红外方法探测高爆试验所产生火球内的气体温度方面也取得明显进步,现在可以以毫秒级或更快记录速率测量火球内部和火球表面温度,响应时间远短于薄丝热电偶。

  2001年9月11日发生的“9/11事件”为美国政府敲响了警钟,促使美国国防威胁降低局及其合作商展开多项“加速试验计划”、开发新武器并增加对武器效能研究的投入。其中包括先进技术演示项目和先进概念技术演示项目,对“现实世界”目标试验处于研发阶段的新武器。“9/11事件”后研发的大部分武器早在“9/11”之前就被提上议程,只不过“9/11事件”加快了武器化进程。也就是说,演示试验项目中的武器并不是新武器,但是为战斗部队提供新武器的紧急需求加快了它们的试验进程。例如,试验摧毁隧道和洞穴的新武器一般需要12个月进行计划并实施;“9/11事件”之后,类似的试验在一个星期内就能完成。在“9/11事件”之前的10年内,我们积累了大量技术,培养了大批有经验的工作人员,形成了高效的领导层,这为试验飞跃式的进展打下了坚实基础。

  如上文所述,对隧道目标构成威胁是一项具体且迫切的需求。隧道非常坚固,只有造成整体坍塌才能彻底摧毁目标。我们曾在摧毁隧道目标的试验中应用上文讨论过的热压武器。此类炸药能产生巨大的爆轰压力并引发后续爆炸,爆炸生成物彼此间继续相互作用,并与周围的空气发生反应,产生“后燃”能量。这些效能促进空气冲压在隧道目标内蔓延。我们还使用不同的爆炸混合物进行了若干小型试验,条件非常简单:1.)爆炸混合物性质稳定(操作、存贮、运输安全);2.)在隧道内进行试验前需展示完整的爆炸情况;3.)在标准化钢制外壳的固定体积内对爆炸混合物进行测试,证明爆炸物有效。图12将图3中右边两张照片进行放大,展示了“9/11事件”后一场典型的模型攻击真实目标试验。图中逼真的双层地上建筑专为弹头爆炸试验建造。

  在了解侵彻机制前,我们需先完全掌握弹头在贯穿不同类型目标时的减速情况。为达到此目的,我们进行了大量原型和缩放试验,用装有惰性填充物的仪表化侵彻武器攻击各类目标,在每次试验后收集并仔细分析从弹载加固加速度计获取的加速记录。图13展示了用于分析侵彻时减速问题的弹载数字记录信息。如图13中左侧图片所示,虽然加速度计早在核试验时期就得到了应用,但那时它只能在低压环境下保持有效,且分辨率较低。相比之下,减速时振幅要大得多且上升时间极短。

  “9/11事件”后,我们格外重视外部爆炸对不同建筑物的毁伤效能,并试图对一些建筑结构进行改造,增强它们的抗毁伤能力。我们继续对构造柱进行测试,但这些支柱与整体支撑框架之间的联系仍有待研究。这些试验采取了可重复使用且支持组装的反应结构,从而降低成本,便于有效地测试许多不同的设计。我们还对如多层木质建筑之类的一些其他类型建筑物进行了试验,评估连续性倒塌的可能性。

  在过去的30年间,美国国防威胁降低局增加了试验基地的数目,并扩展了它们的使用范围。图14展示了现有的试验基地。内华达试验基地此前一直用于核试验,后被国防威胁降低局用于常规武器试验。位于新墨西哥州阿尔伯克基市的科特兰空军基地也建有数座试验场,在这里曾进行过一些重要的原型或缩放组件测试。其他试验基地都有特殊的试验对象,如位于印第安纳州某采石场的石灰石试验台。

  如图15所示,所有的现役试验基地都安装了大量仪器设施。这些装备经过不断更新升级,设置并执行试验台规程,进行安全引爆,同时记录各种计量器阵列探测到的数据。图15还展示了从旧式磁盘记录方式到新式数字记录系统的过渡。如图16所示,为实现大量不同类型的试验目标,我们现在通信方面引入wi-fi系统,确保完全掌控试验台上的各类测试活动,并将定时和点火操作与高速照相机、试验台传感器及空基传感器相关联。

  30年前,美国国防部核武器局测试部门主任唐林格教授建议在白沙导弹靶场改进高爆和武器效能试验,通过主动或被动测量的方式提升对常规武器效能的理解掌握,并将得到的结论直接用于作战准备。我们所关注的武器效能包括:近场的侵彻、冲击波、碎片杀伤和热效应,以及远场的声和地震效应。两次重大事件(“分水岭”)促使试验取得飞跃式进展。第一个分水岭大约发生在1992年,贯穿整个20世纪90年代,历时约10年。在此过程中,核试验及其相关技术逐步减少乃至最终消失,同时常规武器效能试验进入人们的视野。新分析仪器技术和高速计算机的迅猛发展、数字高速数据记录和高速数码摄像技术的问世及个人计算机能力和速度的大幅提升推动试验水平快速提高。第二次重要事件发生于2001年9月11日。“9/11事件”后,武器实战化进程明显加快,演示试验明显增多,促生了可以对新隧道和地面建筑目标构成威胁的新生代空基武器。4826财神爷高手论坛本港台报码


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