首发 | 重要经济目标与矢量防护工程

Original 秦有权,陈一村等军事高科技在线

2024-09-16

文字来源《国防科技》2020年第41卷第4期

引用本文：秦有权,陈一村,张伟锋.重要经济目标与矢量防护工程[J].国防科技,2020,41(4).

摘要

重要经济目标是信息化战争首选的打击对象，这类目标绝大多数位于地面以上，特点突出、规模庞大、难以保密、易损性强，一旦遭受破坏后果将损失惨重，而依靠建造硬壳抵御弹药毁伤的传统防护工程对其难有大的作为。本文从新形势下重要经济目标防护陷于困局的实际出发，系统分析和梳理了传统防护工程和防护技术的特点及其应用的固有薄弱特征，提出矢量防护的创造性解决方案，为重要经济设施和预警设施、新型作战装备等位于地面的易损性目标提供了理论基础。矢量防护工程通过改变弹药的运动方向, 避免弹药与目标交汇，将防护工程由“拳击式”硬顶变为“太极式”破解, 为未来我国重要经济目标提供了新质防护技术。

1.引言

重要经济目标是指在国计民生和支持战争中占有举足轻重地位的经济系统和设施[1] 。重要经济目标防护是指为避免或减轻敌方对己方重要经济系统和设施造成损害而采取的防备与保护措施及行动。经济目标防护由来已久，如在我国流传几千年的“城墙+护城河”体系，实际上就是对重要经济目标的防护。在当时，城市是政治、经济和文化的中心，只要保住城市，不仅政权保住了,重要的经济实力也保住了。现代经济目标防护开始于第二次世界大战。这一时期，飞机作为独立的远程打击力量开始发挥重要作用，频繁地对敌方纵深目标实施轰炸。为了维持支撑战争的潜力，采取措施保护重要经济目标显得十分重要。防护措施开始向两个方向发展: 一是采取积极防空措施，包括建立预警系统和使用武器对空射击等；二是采取消极防空措施，包括分散布局、转入地下、应急加固、隐蔽伪装、冗余设置以及抢险抢修等。

矢量防护(工程)技术是指通过改变弹药运动方向，避免飞行弹药与目标交汇或转移弹药动量和冲量对结构作用的技术；矢量防护工程是指使用矢量防护技术构建，通过改变弹药运动方向，避免或减轻弹药对目标杀伤破坏的军事工程。

2.未来战争, 重要经济目标地位彰显

打重心、打节点一直是进攻方获取事半功倍作战效果的最高追求。远程精确制导武器的发展，为攻击方提供了取得这种效果的战争神器, 同时使防御方位于纵深腹地的经济目标面临灭顶之灾。防区外精确打击催生了外科手术式的作战思想，其中五环目标打击理论最能体现这种思想, 而且影响大、认同度高。该理论是美国空军上校约翰·沃登于1988 年在《空中战役》一书中提出的，其核心是利用空中优势首先打击敌人最脆弱的重心——统帅指挥机构和支撑战争的经济目标。打击目标具体分为五大类、十二个目标群。打击顺序是: 第一环为国家指控中心(军政领导中心、指挥控制中心及防空预警系统等)；第二环为关键经济目标(国家主干企业、军工、石油、电力、化工等具有战争潜力价值的目标)；第三环为交通基础设施目标(道路、桥梁、机场等具有机动、战争物资输送价值的目标)；第四环为国民精神心理, 即打击、收买民心；第五环为作战部队[3]。五环目标打击理论把经济目标提升到了相当重要的位置，科索沃战争和海湾战争基本上是按五环理论实施的空中打击。科索沃战争的打击重点是公路、铁路、桥梁、炼油厂、热电厂、供水厂、电台、电视台和电视转播塔等民用生产、生活及媒体设施。同时, 采取将预定打击目标、时间、强度、方法及可能造成的后果公之于众的办法制造恐惧，如运用石墨炸弹攻击城市电力设施制造黑暗，打压传媒控制制造舆论等手段，震慑民众心理，以炸迫降[4]。空袭摧毁了南联盟70%的桥梁、50%的燃料储备、100%的炼油设施及 80% 以上的电力和供水设施，南联盟的战争潜力丧失殆尽。“ 沙漠风暴” 行动中，伊拉克重要经济目标遭到了来自空中的毁灭性打击，发电设施被摧毁25%，使电力供应减少50%。炼油设施被摧毁 80%，近200个军火库、给养库和油料库被摧毁，所有军工厂和化工厂被毁，幼发拉底河与底格里斯河上的36座桥梁被切断了33座。2001年1月，美军在新颁发的第2- 1号条令《空中作战》中正式提出了五环目标打击顺序。2002年,五环理论进行了细化, 目标的选择顺序细化为: 领导指挥机构、生产设施、输送系统、资源、作战部队及对外关系。不难设想，战争潜力目标和国计民生目标瘫痪将对国家持续战争的意志产生决定性影响，也会给部队持续作战的供应带来灾难性局面，对社会生产生活的运行造成致命性阻断。因此，保护重要经济目标的安全是准备打赢以强敌为对手的信息化局部战争的重要工作。

3 .新形势下, 经济目标防护陷于困局

二次世界大战后, 各军事强国的本土都没有发生过真正的战争。因此，重要经济目标防护措施基本上没有创新，继续沿用二战时期的做法和经验, 主要措施是分散布局、转入地下、应急加固和隐蔽伪装。实际上，这些防护措施用于信息化战场已表现出了明显的不适应，遇到了巨大的挑战，使经济目标防护陷于困局。

3.1 分散布局与转入地下

分散布局可以防止一发炸弹毁坏两个或多个目标。在二战时主要是要求工业目标不要太集中。但分散布局的防护措施在市场经济条件下难以实施。主要原因在于市场经济条件下, 经济效益是第一位的, 一切从减少成本、提高效益出发。为了提高经济效益，经济建设就是要组团、建聚集区、成经济带。例如, 一个广东省的经济总量相当于10个甘肃省、80个西藏自治区；珠江三角洲的广东，长江三角洲的江苏、浙江、上海, 环渤海的山东、北京、天津，三大工业基地的四省三市GDP几乎占了全国GDP的半壁江山。而且，为了高额利润，新型技术产业还会不断地向这些地区聚集。另外，由于精确制导武器的打击方式是一对一，两个目标一个在河北、一个在海南，打击起来不会比两个都在河北难度更大。同时，经济目标防御的是常规武器，常规武器中当量最大的 “ 炸弹之父” 对经济目标的毁伤也不会超过百米，而大型桥梁、工矿企业之间距离要求太分散也没有必要。

重要经济目标转入地下进行防护, 是指将工业企业的重要设备、要害部位和关键部件尽可能地转入地下生产, 将战略储备物资库和城市重要基础设施尽可能地建在地下。但是, 地下工程建设技术复杂、投资大且运行费用高, 长期在地下工作也影响人的身心健康。所以, 使用地下工程进行防护的目标大多为纯军事目标。对于经济目标, 如果平时也有入地的需求, 如地铁、通信、电力、给排水、燃气等城市管线, 毫无疑问应该建设成具有一定防护能力的地下工程。但如果只是为了战时防护而通过行政手段将目标转入地下则很不科学, 这样可能会令企业丧失竞争力, 平时都难以生存。

3.2 应急加固与伪装保密

应急加固是指临战前对重要经济目标的关键设备和要害部位进行加固, 提高其抗毁能力的技术措施。 应急加固一般分为原地加固(就地保护生产设备, 提高其对冲击波的抗)和转移加固( 将生产设备转移到工厂内比较安全且易实施加固作业的位置)两种。在信息化战争时代, 应急加固措施从理论上可行, 但实际上很难实施。首先, 临战前这个时间点已很难把握。现代战争追求突然性和速战速决, 究竟什么时间算临战前已很难确定。海湾战争、科索沃战争的临战前是指哪个时间? 有没有这个时间? 第二, 战争时间已非常短暂, 战时很难进行加固施工。海湾战争持续了 42 天, 科索沃战争为78天, 在这么短的时间内,很多加固措施即使在平时没有轰炸威胁的情况下都很难完成, 更不要说在战时空袭不断的威胁下进行。 第三, 上述加固措施主要是从炸弹在目标附近爆炸的角度考虑, 精确打击多数是制导弹药对目标实施灌顶打击, 上述措施效果有限。

伪装是指为隐蔽己方, 欺骗、迷惑敌方所采取的各种隐真、示假措施, 是防止敌人发现和打击重要目标的重要手段。信息化战争条件下, 卫星侦察对揭露伪装、发现目标提供了极大的方便, 伪装特别是大型固定目标的伪装受到了巨大挑战。同时, 重要经济目标规模庞大, 难以保密, 但地面特工可以抵近侦察定位, 伪装保密已很难做到防敌发现。

综上可知, 信息化战争时代, 传统的防护措施已很难发挥作用, 应对未来战争的重要经济目标防护, 需要有新的思路、新的技术和新的策略。

4. 技术局限, 传统防护难展拳脚

防护工程是指针对武器的杀伤破坏作用, 按预定防护要求修建的工程建筑和设施的统称[5]。防护工程技术是指为保障人员、装备、物资或工程设施免遭武器等杀伤破坏所采取的工程技术措施的统称, 通常分为建筑结构防护技术、遮弹防护技术、隔震防护技术以及工事快速构筑技术等[6]。

4.1 传统防护工程的主要形式

传统防护工程主要有坑道式、地道式和浅埋式三种形式[7]。按建筑形式分为掘开式工程和暗挖式工程, 其中, 掘开式工程分为单建式和附建式两种, 暗挖式工程分为坑道式和地道式两种。鉴于暗挖式工程是地下防护工程的典型代表, 对此予以重点介绍。

暗挖式工程是指在施工时不破坏工程结构上部的自然岩层或土层, 并使之构成自然防护层的工程。暗挖式工程按其所处地形特征的不同可分为如下两种。

(1) 坑道式工程。这是指在山丘地段用暗挖方法修建的工程。这种工程有较厚的自然防护层, 具有较强的防护能力, 适宜修建抗力较强的工程, 岩体具有一定的承载作用, 能抵抗核爆炸动荷载和炸弹冲击荷载, 主体被覆厚度可大大减薄, 因而较掘开式工程更节省材料, 如采用光面爆破锚喷技术则可进一步降低造价。工程室内外一般高差较小, 便于人员车辆进出, 口与口之间通常具有一定高度差, 利于自然通风。工程室内地坪通常高于室外, 也有利用自流排水。如图1所示, 坑道式工程按承受荷载分为头部、动荷重段、静荷重段, 只有头部和动荷重段考虑武器侵彻和爆炸荷载。头部如果采用掘开式构筑, 防护形式则采用成层式结构。坑道工程由于作业面少, 一般建设工期较长。坑道式工程抗力高、防护分区明确, 因此, 允许使用地下防护的目标, 有条件时首选坑道式工程。

▲图1 坑道工程防护分区

(2) 地道式工程。这是指在平地采用暗挖方法修建的工程, 这种工程具有一定的自然防护土层, 能有效减弱冲击波及炸弹杀伤破坏, 在相同抗力条件下, 较掘开式工程更经济, 且受地面建筑物影响较小。地道式工程由于受地质条件影响较大, 工程通风、防水排水都较困难, 需要采取可靠措施。

掘开式工程是指采用掘开方法修建的工程, 即在施工时先开挖基坑, 而后在基坑内修建工程, 主体建好后再按要求进行土方回填。掘开式工程按其建筑形式可分为单建式和附建式两种。单建式工程是指工程独立建造在地下土层中, 工程结构上部除必要的口部设施外不附着其它建筑物的工程。单建掘开式工程一般受地质条件限制较少, 作业面大、便于施工, 平面布局和埋置深度可根据需要确定。附建式工程也称结建工程, 是指按国家规定结合民用建筑修建的防空地下室。附建式工程是其上部地面建筑的组成部分,一般和上部建筑同时修建, 不需要单独占用城市用地, 可以利用上部建筑起到一定的防护作用, 同时对上部建筑起到抗震加固作用。如图2所示, 掘开式工程采用成层式结构, 由伪装层、遮弹层、分散层和支撑结构四部分组成。

▲图2 典型成层式结构示意图

目前已建地下防护工程的防护体系全部为土木工程措施, 防常规武器侵彻依靠遮弹层; 防冲击波荷载依靠覆土层、钢筋混凝土结构和防护门等口部防护设备; 防电磁脉冲依靠屏蔽房间; 防震动毁伤使用隔震地板; 防化学武器使用口部密闭措施; 防侦察发现工程口部进行隐真遮蔽伪装。整个防护体系如图3所示。

▲图 3 防护工程的防护体系

但由于无论是坑道式、地道式还是掘开式, 目标必须转入地下才能进行防护, 这一特点也大大限制了其在经济目标防护中的应用。

4.2 传统防护技术的最新进展

传统防护工程的核心技术是防护结构, 通常是按预定要求为目标制作一个由天然材料和人工材料组成的岩土工程 “ 硬壳” 。总结近年来防护结构的研究可以发现, 承受爆炸波荷载的结构发展不大, 其研究热点集中在防动能式钻地武器的遮弹层结构。典型侵彻深度计算公式如下[8] :

其中, h为侵彻深度; λ1 为弹形系数, λ2 为弹径系数, Kq为侵彻系数, m为弹丸质量, d为弹丸直径, V为撞击速度, Ka为弹性偏转系数, α为命中角。围绕该公式, 通过提高材料的强度和不均匀性来改变侵彻系数Kq和偏转系数Ka, 从而降低钻地弹对遮弹层的侵彻深度。例如, 高强混凝土遮弹层材料研究上, 何翔[9]等将混凝土强度从C30 提高到C80。施鹏[10]等研究的复合遮弹层, 钢纤维混凝土遮弹材料强度提高到120MPa; 钢球混凝土遮弹层, 钢球强度提高到800MPa;表面异形偏航板遮弹材料, 偏航板强度为1250MPa; 试验显示, “表面异形偏航板 + 钢球钢纤维混凝土遮弹层” 的抗侵彻性能大大高于C40混凝土。王明洋[11]等研究的 “ 陶瓷防弹钢板+钢筋混凝土复合材料遮弹层” , 陶瓷强度3492MPa, 钢板强度 1384 MPa, 抗侵彻性能是 C40 混凝土的7.28 倍。分析上述研究不难发现, 遮弹层抗侵彻能力的提高对材料强度很不敏感。当陶瓷强度是 C40 混凝土强度的87.3倍时, 抗侵彻能力仅仅提高了 7.28 倍, 因而这不是一种经济的方法。通过多种结构复合的方法, 经济性方面略好, 但施工工艺复杂, 现场质量难以保证。同时, “ 硬壳式” 防护工程对目标的要求是陆基、固定、可转入地下, 而绝大多数经济目标需要位于地面以上, 几乎无法采用。如果与强敌对决, 这类目标不得不赤膊上阵。因此, 必须创新防护工程理论和技术。

5. 理念突破, 矢量防护柳暗花明

5.1 矢量防护工程的提出

观念一新, 遍地黄金。换种思维可以发现, 战场目标生存必需的并非土木工程 ( 或其它材料) 壳体, 而是一种功能。 对于弹药 “ 爆炸能” 的抵御, 这种功能是保证弹药爆炸所产生的冲击波荷载小于目标所能承受的荷载; 对于动能钻地弹, 这种功能是保证弹体离开地下目标足够的距离。为达到这一目的, 可以给目标做一个坚固的壳子 ( 传统防护工程), 也可以通过其它途径实现。由于弹药爆炸时作用到目标上的荷载是目标所在位置冲击波的超压峰值pm , 一旦pm超出了目标的承受能力, 必须采取相应措施。防护工程的解决办法就是做一个承载能力极限大于或等于 qm = pmkh 的壳体。其中,qm为结构上的等效静载, kh为结构的动荷载系数。我们的目的是使目标所在位置冲击波的超压峰值pm小于其所能承受的荷载。这样, 问题是解决了, 但对于目标本身来说却是画地为牢。考虑到防护的本质是使目标所在位置的冲击波荷载峰值小于目标所能承受的阈值, 建造一个坚固壳体只是一种形式, 也可以换个形式来解决这个问题。根据爆炸波在空气中呈三维衰减和超压峰值 pm 对空间距离很敏感的规律, 如果采取适当措施使弹药改变飞行方向, 落点远离目标, 可以使弹体钻地失去意义, 并实现冲击波峰值降低到小于目标所能承受阈值的目的, 这些措施就构成矢量防护工程的主体技术。之所以叫矢量防护工程, 一是因为这些措施主要是用来改变弹药飞行方向, 二是为了区别于传统防护工程。

5.2 矢量防护工程与传统防护工程的本质差别

矢量防护工程是由不能转入地下的目标战时如何生存这个问题导向出来的, 它与传统防护工程相比存在着本质差别。从主观上看, 矢量防护工程与传统防护工程的区别——一个出发点是瓦解对手, 焦点是制导弹药, 另一个出发点是强化自身, 焦点是防护结构。从仿生角度看, 传统防护工程使用的是 “ 海螺” 防护理论, 属于纯被动防护, 依靠土木工程或装甲 “ 硬壳” 抵御弹药打击, 只能保护可转入地下的目标。矢量防护工程使用的是 “ 章鱼” 防护理论, 通过主、被动结合抵御入侵者, 可以保护无法转入地下目标的安全, 当然也可用于保护地下目标, 形成多道防线。从物理机理上看, 一个立足于动量, 主要采取机械运动向机械运动的传递形式; 另一个立足于动能, 主要采取机械运动向机械运动和其它运动转化的形式。

传统防护工程的物理基点是 “ 质点” 和 “ 能量” ( 能量是标量, 只有大小没有方向)。防护思路是把弹头抽象成一个高能质点, 通过材料的强度和韧性消耗质点的动能, 通过结构弹塑性变形抵御冲击波能量。如前文所述, 随着弹头侵彻能力的大幅度提高, 这种理念下研究出的遮弹层的抗钻地弹能力已捉襟见肘。出现这种情况是由两方面的原因造成的: 一是随着飞行速度和钻地深度的提高, 弹体长径比越来越大, 弹体的转动对侵彻问题的影响不可忽略, 将弹体简化成质点的条件已不成立, 应将其抽象为一根具有很高动能和装有高能炸药的等截面或变截面杆件。二是将弹体简化成质点的做法影响了研究者的思路, 而事实上防护一根高速飞行的杆体与防护一个高速飞行的质点是有很大差别的, 就像防护一支箭与防护一枚石子在方法上差别较大一样。

矢量防护工程的物理基点是 “ 杆体” 和 “ 动量” , 动量是矢量, 它的大小或方向的改变都标志着动量发生了改变。防护思路是采取措施使弹体改变平动方向或产生转动。对于平动, 方向的改变可以造成弹体与目标不能交汇, 使弹体侵彻在完全失去意义的同时作用到目标上的冲击波载大大减少。对于转动, 则可以使侵彻深度减少。

6. 结语

传统防护技术的固化形态是结构工程, 矢量防护技术的固化形态是对抗装备和结构工程。矢量防护工程的主旨技术是迫使飞向目标的弹药偏离命中目标的正确路径, 它将防护工程由 “ 拳击式” 硬顶变为 “ 太极式” 破解, 对传统防护技术具有一定的颠覆意义, 为重要经济设施和预警设施、新型作战装备等位于地面的易损性目标提供了实用管用的防护技术, 是适应新时代、针对新 “ 矛” 设计的一种新 “ 盾” 。矢量防护是新质防护工程理论的标志性概念, 其提出和确定可方便大家透彻地理解其内在规律和相互关系。正如华罗庚同志的名言 “ 一个概念的引入, 节省无数次的思考”[12], 它的引入为后续研究论证工作精确地确定了一个逻辑起点。

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参考文献：

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