美軍軍事極端環(huán)境選擇的科學(xué)表征

文邦偉，張凱，袁藝，劉俊

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

武器裝備隨著環(huán)境條件的變化和時間的增長，必然會出現(xiàn)有形損耗和無形損耗。由于戰(zhàn)爭的特殊性，必須考察其在極端自然環(huán)境條件下正常工作的能力，即環(huán)境適應(yīng)性。武器裝備良好的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性已成為軍事戰(zhàn)斗力的高級倍增器[1]。對于要完成多樣化任務(wù)的現(xiàn)代化美軍，裝備及士兵必須具備在所有地形和任意環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的能力。美軍把極端自然環(huán)境分成沙漠（熱與干）、熱帶（溫暖與潮濕）、北極（極寒）等三大類。1812年拿破侖和德軍二戰(zhàn)時入侵俄羅斯的失敗，以及美軍在東南亞和中東過去50多年的經(jīng)歷都證明，在極端環(huán)境服役的裝備，必須進行相應(yīng)的性能試驗。

為應(yīng)對全球范圍可能的行動，美軍研發(fā)和測試裝備在極端環(huán)境的功能和性能，以確保先進技術(shù)為美軍士兵提供最好的裝備。然后在嚴(yán)酷環(huán)境下，按照軍事條例訓(xùn)練士兵使用這些裝備。為滿足這些要求，軍方必須明晰對行動引起最大威脅的自然條件，并在全球范圍確定符合條件的地點。美軍條例AR70-38發(fā)布了針對不同環(huán)境的溫度、濕度標(biāo)準(zhǔn)[2]，但其他重要環(huán)境特征如綜合氣候、地形地貌和生物多樣性對合格裝備試驗和部隊訓(xùn)練也很重要。因1999年美軍位于巴拿馬的全部熱帶試驗和訓(xùn)練設(shè)施關(guān)閉，在尋求新熱帶試驗場的過程中，美軍研發(fā)了進行地理環(huán)境分析以提高借助自然環(huán)境進行試驗和訓(xùn)練更好的科學(xué)判據(jù)，以表征任意環(huán)境試驗站點支持試驗任務(wù)的能力。該方法也適用于沙漠試驗和訓(xùn)練場詳細環(huán)境特征的選擇。由于北極極寒環(huán)境條件比較單一和特殊，世界上沒有可替代選擇的其他地區(qū)，故未考慮。

1 環(huán)境試驗[3]

美軍建立了測試其材料、裝備及系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性試驗體系。目前，自然環(huán)境試驗的任務(wù)職責(zé)歸屬亞利桑那州猶馬試驗場，而北極和沙漠環(huán)境試驗的管理機構(gòu)在阿拉斯加的Greeley寒冷氣候試驗場和猶馬試驗場內(nèi)。1977年巴拿馬運河條約要求美軍在1999年年底前撤離和停止其軍事基地和設(shè)施的使用，包括已建立的美軍熱帶試驗中心，該中心在以前的運河區(qū)內(nèi)，自20世紀(jì)30年代就開始使用。自1999年以來，在夏威夷的斯科菲爾德兵營進行了有限的熱帶試驗，盡管那里的環(huán)境不能充分覆蓋所遭遇的任務(wù)需求。

美軍研發(fā)的特殊試驗站點評價程序包括將裝備測試任務(wù)要求轉(zhuǎn)換成定量和定性的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可被并入站點選擇判斷模型。在自然環(huán)境中的裝備和系統(tǒng)的試驗與評價，采用公認的實驗室協(xié)議和既定的工程實踐來管理，以確保試驗的可控性、再現(xiàn)性和試驗結(jié)果的有效性。對一個試驗設(shè)施的基本要求是：想要的環(huán)境條件在一年內(nèi)或季節(jié)內(nèi)出現(xiàn)。試驗也要求好的表征和假定一批野外站點能提供明確的環(huán)境條件，它能充分代表士兵、系統(tǒng)和裝備在軍事行動期間可能遭遇的環(huán)境條件。

以往，環(huán)境試驗被分成3個主要的類型：材料、器材、車輛、武器和彈藥的長期暴露試驗；裝備和系統(tǒng)在周圍環(huán)境下的技術(shù)性能和可靠性試驗；在使用環(huán)境下系統(tǒng)性能和人員行為的評價。除此之外，新的技術(shù)和工藝也必須進行充分測試，包括：傳感器（空氣傳播/空間傳播和便攜系統(tǒng)）；基于電磁傳遞的信息、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)；隱蔽和減低信號技術(shù)；產(chǎn)品現(xiàn)有系統(tǒng)改進；所有這些技術(shù)的完善和集成。同時，測試和評價新技術(shù)也需要充分地了解影響其技術(shù)性能的環(huán)境因素，以及挑戰(zhàn)裝備可操作性和可靠性的協(xié)同環(huán)境影響。

未來評估性能的測試技術(shù)將要求更加精密化，這是將來支撐試驗與評價的虛擬環(huán)境的建模和模擬的可信度所必須的。涉及建模和模擬仿真的數(shù)字環(huán)境是基于一系列主要環(huán)境基準(zhǔn)點開發(fā)的，而主要環(huán)境基準(zhǔn)點位于猶馬試驗場司令部管理的極端氣候試驗站，這些被詳細表征的主要環(huán)境基準(zhǔn)點是虛擬試驗場（VPG）的參考環(huán)境點。

2 地理位置分析

2.1 分析程序

美軍在地理位置分析中采用一個8步驟程序，見表1。在最初的研究中發(fā)現(xiàn)，重新確定位置的熱帶試驗中心是世界上少有的能夠支持廣泛陸軍熱帶試驗要求的理想地理地點，這樣的站點在美國領(lǐng)土內(nèi)也不存在。該結(jié)論導(dǎo)致或者終止研究的消極結(jié)果，或者擴展調(diào)查研究方法，為后來在熱帶試驗案例中開發(fā)一種基于決策樹對策方法的站點選擇模型奠定了基礎(chǔ)。

表1 環(huán)境試驗站評價分析模型Tab.1 Evaluation and analysis model for environment test site

為方便研究，將表2中14個環(huán)境條件歸為氣候、自然背景和生物學(xué)因素3類，這些環(huán)境條件包括基本環(huán)境因素、增強環(huán)境因素和不利環(huán)境因素。通常采用一個常規(guī)決策樹來處理，并根據(jù)適用于某一特定試驗的判據(jù)，從最高到最低優(yōu)先權(quán)對每個因素加以權(quán)衡。

表2 理想的熱帶試驗區(qū)環(huán)境條件Tab.2 Environmental conditions for an ideal tropical test area

2.2 熱帶環(huán)境研究

對于熱帶環(huán)境研究，最基本的參數(shù)包括：溫度、相對濕度、降雨量、自然地理（地貌/坡度/海拔范圍）和生物群落（植被結(jié)構(gòu)）。認為高度可取但非關(guān)鍵的特征包括：熱帶風(fēng)暴（颶風(fēng)和臺風(fēng)）、季節(jié)性（首選的最低限度的旱季）、植被類別（森林/沼澤/草原）、地形類別（海濱/海岸沼澤/沿海平原/丘陵）、開發(fā)良好和可變的土壤剖面（氧化土/老成土/始成土/新成土）、河流大小和流動情況。可能存在因某些篩選標(biāo)準(zhǔn)原因而排除某些合適場所的情況，如：強烈的地質(zhì)危險（活躍的火山作用/地震活動/塌方/泥石流）、易受海嘯/巨浪影響、存在廣泛的巖溶地形（石灰?guī)r）、植被頻繁或大范圍的擾動（自然和/或人為）、存在高致病帶菌體、農(nóng)牧業(yè)影響、工業(yè)或城市化、土地使用限制等?？刹捎脹Q策樹評價相關(guān)區(qū)域，以進一步分析確定候選地點。圖1給出了最初熱帶研究的初步結(jié)果。

圖1 熱帶試驗設(shè)施在世界范圍內(nèi)的最佳位置Fig.1 Best locations worldwide for a tropic test facility

隨著選站模型的發(fā)展，不斷認識到表2中14個環(huán)境站點參數(shù)的每一個參數(shù)，對于每一項特定的試驗任務(wù)（見表3）都有不同程度的影響或重要性。例如環(huán)境暴露是裝備研制試驗之一。在熱帶環(huán)境背景下，溫度、濕度、降雨量和動物群落被認為是關(guān)鍵的環(huán)境因素，而樹蔭則被認為是需要的，但不是必須的。反之，其他9個特征，例如坡度和地形地貌，對于成功的靜態(tài)試驗是相對無關(guān)緊要的。因此，對于這樣的試驗任務(wù)而言，不應(yīng)當(dāng)因為某個站缺少坡度和/或地形地貌的環(huán)境因素而將其排除在考慮之外。由此可見，首先要確定完成每一項特定試驗任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)境特征，然后是希望的環(huán)境特征，這樣就有可能優(yōu)化該項試驗任務(wù)每個組成部分的地理位置。

為解決各個站點滿足每個標(biāo)準(zhǔn)程度上下限的評定，制定了0~3級的評定等級，來評定每個站點對各個環(huán)境因素的相對符合性。0為不可接受，不能提供要求的環(huán)境；1為最低限度，對試驗設(shè)置一些嚴(yán)格的限制；2為好，滿足全部關(guān)鍵和最希望的標(biāo)準(zhǔn)；3為理想，即能全面支持試驗要求。

最優(yōu)化熱帶試驗站點選擇的結(jié)束步驟出現(xiàn)在模擬夏威夷和波多黎各的特殊候選站點的應(yīng)用。這一步通過對其各個站點支持試驗任務(wù)的各個部分的全面能力的分級來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)該任務(wù)，開發(fā)了一個附加的評價等級，該等級對一個特殊的試驗（見表3）僅應(yīng)用基本的或重要的環(huán)境條件。該等級對于評價在給定位置進行特殊試驗的能力是必須的。然后各個站點被賦值全部的等級，它反映站點支持特殊試驗任務(wù)的能力，僅僅基于對該試驗的重要環(huán)境因素。熱帶試驗研究的分級結(jié)果見表4。

表3 特定熱帶試驗任務(wù)需要的環(huán)境因素Tab.3 Environmental factors required for specific tropical testing missions

表4 關(guān)鍵自然環(huán)境因素等級Tab.4 Critical natural environmental factor rating

熱帶試驗環(huán)境研究評價了夏威夷 8個地點和波多黎各4個地點。夏威夷群島Schofield兵營的環(huán)境評價結(jié)果見表5。夏威夷群島的 Schofield兵營位于Lelehua高地，隨著海拔的上升，呈現(xiàn)出顯著的鄉(xiāng)土地形地貌和懸崖坡面，通過常流河與開發(fā)良好的黏土土壤表層排水，年均溫度為 21.0 ℃，降雨量超過低部區(qū)域1200~2000 mm，相對濕度中等偏高，屬于森林類型，包括高大的樹冠（25 m）、次生林、桉樹林和灌叢林，擁有發(fā)育良好的地被層植物。根據(jù)14個標(biāo)準(zhǔn)的等級級別和表4的等級圖解，對于斯科菲爾德兵營的“裝備研制”、“人員因素試驗”、“彈藥試驗”和“其他試驗和訓(xùn)練”這4個試驗任務(wù)，各自的評級分別為 B、C、B和 B。當(dāng)研發(fā)的這些評級恰當(dāng)時，則認為在斯科菲爾德兵營站點的“車輛機動性”試驗評級為A，是可接受的試驗?zāi)芰ΑＪ紫确治霰?，對于該試驗，列出了土壤、坡度、地形地貌、降雨量和河流作為關(guān)鍵環(huán)境因素。表5給出該站點的全部5個參數(shù)，其中有等級“3”。因此，對該試驗任務(wù)，存在的全部關(guān)鍵環(huán)境條件都為“A”。

表5 對夏威夷群島斯科菲爾德兵營的環(huán)境評價Tab.5 Environmental evaluation of Schofield Barracks, Hawaiian Islands

熱帶試驗環(huán)境研究評價的12個站點適合17種不同的試驗任務(wù)，該熱帶試驗研究結(jié)果包括對夏威夷和波多黎各的環(huán)境背景區(qū)域分析、12個地點的環(huán)境特征、支持試驗任務(wù)的能力等級以及進行熱帶試驗和訓(xùn)練的能力。詳細的區(qū)域分析證實了最初的研究結(jié)論，即這些地點僅能提供美軍熱帶試驗需求的部分能力。最關(guān)鍵的是，它們是熱帶的北部區(qū)域，比規(guī)定的溫度更高。此外，隨著地形的升高，通常會出現(xiàn)足夠的降雨，同時也會導(dǎo)致絕熱冷卻，在較高的山峰會出現(xiàn)更多的降雨，那里溫度更低?？倲堖@些候選站點的環(huán)境特征，一般都缺乏最適合熱帶試驗的生物學(xué)背景觀測，也沒有發(fā)現(xiàn)有兩層或三層樹冠的森林。在實際熱帶背景環(huán)境中，由于多因素環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)，進而導(dǎo)致這些生物網(wǎng)絡(luò)和多樣性水平的極大減少。

總之，適合于熱帶試驗的理想氣候應(yīng)位于潮濕的熱帶叢林，能在很高的降雨量和持續(xù)暖溫環(huán)境下提供極端高濕，但應(yīng)當(dāng)剔除熱帶風(fēng)暴的不利影響。同時，圍繞該站點的區(qū)域應(yīng)當(dāng)有超過2000 mm的年降雨量，月均最低溫度大于 18 ℃，月均溫度和濕度至少分別為 25 ℃和 75%。任何一個月的降雨量不低于100 mm，同時年降雨量也不得超過 6000 mm。這些降雨量要求提出了對最低季節(jié)性變化的希望（優(yōu)先選擇沒有絕干的季節(jié)）。理想的自然環(huán)境背景應(yīng)是在靠近沿海盆地分界構(gòu)造的背景環(huán)境，它能提供海灘、沿海地形和內(nèi)陸低地，且沒有頻繁的自然災(zāi)害，沒有高的活躍構(gòu)造，土壤類型與結(jié)構(gòu)應(yīng)是氣候與初始自然界標(biāo)準(zhǔn)的必然結(jié)果。生物學(xué)標(biāo)準(zhǔn)取決于氣候和地質(zhì)，對該地區(qū)沒有不利的人類活動影響。在熱帶氣候下，預(yù)計再生 25 a就足以充分恢復(fù)熱帶雨林，則該場所足以被認為具備理想的生物學(xué)背景環(huán)境。此外，首選大陸性或大的島嶼環(huán)境背景，以保證理想環(huán)境特征類型的多樣性，同時也必須考慮由于試驗活動對一個地域的應(yīng)力作用后的持續(xù)恢復(fù)能力?；趯夂?、自然環(huán)境背景和生物群標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同作用，研究表明，全世界范圍內(nèi)被確定為滿足這些標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則的地域有16個。在美國的管轄范圍內(nèi)，沒有能夠滿足所有基本要求的地方，從而導(dǎo)致猶馬試驗場熱帶地區(qū)試驗中心的工作需要采用“站點目錄”方式來近似滿足其目前的熱帶試驗需求。

2.3 沙漠環(huán)境研究

沙漠是描述氣候相對較干、蒸發(fā)率高和植被稀少的地理區(qū)域的專用術(shù)語，定義沙漠（如降雨量水平、溫度和植被密度）的精確度量標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。無論世界上沙漠的精確邊界延伸到哪里，這些地區(qū)都具有十分重要的軍事價值。沙漠環(huán)境研究對于軍事試驗、訓(xùn)練和行動的最初假設(shè)與以往所有的沙漠都不盡相同，明晰這些差異的不同，對于美軍全球范圍的任務(wù)計劃都是十分重要的。

美軍開展沙漠環(huán)境研究的目的是詳查所了解的沙漠環(huán)境特征，支持其在全世界的軍事部署，以及從試驗到訓(xùn)練的需求。沙漠地區(qū)獨特的自然環(huán)境背景給部隊提出了不同于其他環(huán)境的挑戰(zhàn)。如沙漠干旱，使得淡水水源的可用性和質(zhì)量變得極其重要。白天高強度的暴曬和高溫對人員和裝備造成嚴(yán)重影響，同時沙漠風(fēng)暴和伴隨的沙塵可能造成裝備的嚴(yán)重損壞，有時還可能造成軍事行動完全終止或失敗。沙漠地形植物的缺乏以及大范圍能見度差的獨特環(huán)境特征，也會對軍事行動造成巨大不利影響。1990—1991年的海灣戰(zhàn)爭、2001—2003年的阿富汗戰(zhàn)爭和2003—2004年的伊拉克戰(zhàn)爭都表明，特別需要強調(diào)在這些嚴(yán)酷地區(qū)進行持續(xù)的訓(xùn)練和高強度的裝備試驗。此外，當(dāng)遭遇人類活動時，沙漠是很脆弱的環(huán)境，軍事行動和試驗毫無疑問可能引起沙漠環(huán)境的長期改變。這些改變可能使得被擾動地區(qū)可用作試驗或訓(xùn)練場所的可用性減少。軍方缺乏用于軍事用途的重要環(huán)境參數(shù)，而這些環(huán)境參數(shù)是分析軍事用途所需的基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。當(dāng)需要繼續(xù)提供實際訓(xùn)練時，這些信息可以更好地支撐決策者開發(fā)訓(xùn)練場地的計劃。

表征沙漠的全部地域范圍是引人注目的任務(wù)，研究僅限于考慮熱和溫暖的沙漠。下列方法程序有些類似于對理想熱帶試驗站點分析的研發(fā)。第一步就是要區(qū)分與軍事、試驗、訓(xùn)練和行動有關(guān)的氣候、自然及生物參數(shù)的沙漠。這一步驟不同于許多以前的工作，其關(guān)鍵在于要導(dǎo)出對軍事參數(shù)、訓(xùn)練和行動有影響的獨特參數(shù)，如要考慮到高吹沙和塵的影響。這一現(xiàn)象是軍用車輛、飛機和武器在沙漠行動中會遇到的一個普遍問題，但有可能被風(fēng)吹起的沙塵數(shù)量和類型是不同的。地質(zhì)狀況決定顆粒物的物理化學(xué)特性，而風(fēng)化和侵蝕作用則影響顆粒的數(shù)量和粒徑分布。每個沙漠都有產(chǎn)生基于大量風(fēng)蝕作用的不同沙塵的潛在可能，都可能以不同方式影響軍事行動，影響范圍包括可能造成裝備從輕微的損傷到花費高昂的損壞和故障。第二步是提煉用于在世界范圍確定更好地表征軍事用途范圍內(nèi)的沙漠參數(shù)的方法。

對世界范圍熱和暖沙漠的分析結(jié)果，能夠強有力地支持最初假設(shè)的沙漠在軍事用途方面存在巨大不同，了解這些差異，對可能部署在世界范圍內(nèi)任何地方的軍隊是非常重要的。然而，表征全球范圍內(nèi)沙漠的數(shù)據(jù)只能提供一般化和簡單的分析，需要進行更詳細的調(diào)查研究，才能確定對美軍試驗、訓(xùn)練和行動要求的更顯著影響的參數(shù)。表6為理想沙漠環(huán)境精確的地理學(xué)參數(shù)。

表6 理想沙漠環(huán)境的地理學(xué)參數(shù)Tab.6 Geographic parameters for ideal desert environment

美軍國家訓(xùn)練中心位于干旱、溫暖的沙漠，該地區(qū)通常不能提供世界上最熱沙漠所遭遇的溫度。研究建議國家訓(xùn)練中心擴張大幅增加可用于訓(xùn)練或試驗的地形和土壤類型多樣的區(qū)域。國家訓(xùn)練中心有 3類主要植被，包括小規(guī)模灌木類植被，但缺乏大量沙子堆積和沙湖平原的沙漠環(huán)境，也缺乏產(chǎn)生大規(guī)模沙塵事件的自然區(qū)域。國家訓(xùn)練中心經(jīng)過多年持續(xù)不斷的軍事訓(xùn)練活動，對植被的剝離破壞和地表表層的破壞，已造成了大面積區(qū)域軍事行動產(chǎn)生的沙塵，能夠模擬在阿富汗和伊拉克行動期間大多看見的沙塵水平。

阿伯丁試驗場和國家訓(xùn)練中心都沒有高頻度的自然沙塵暴。局部地質(zhì)運動造成的表面創(chuàng)傷和由訓(xùn)練與試驗活動誘發(fā)的沙塵，提供了在這些條件下試驗和訓(xùn)練的部分能力，但在西南沙漠的任何地域，都沒有呈現(xiàn)出持續(xù)很久的周期性沙塵現(xiàn)象?？傊澜绶秶鷥?nèi)已發(fā)現(xiàn)的大部分自然沙漠，在阿伯丁試驗場、國家訓(xùn)練中心以及兩者的結(jié)合中，都能找到環(huán)境類型相似的區(qū)域。

美軍沙漠環(huán)境研究增加了對可軍用的沙漠環(huán)境的了解，以及該環(huán)境如何影響軍事任務(wù)的知識，詳細定義了軍事行動的氣候、自然背景和生物活動的主要參數(shù)。該模型被當(dāng)作用來分析阿伯丁試驗場和國家訓(xùn)練中心的工具，模型和分析方法可用于包括任何地理場所的研究，例如像駐海外部隊重返、基地重組和關(guān)閉等研究。該研究方法的權(quán)威性在于，它通過科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，將軍事行動的需求與地理背景環(huán)境聯(lián)系起來。

3 結(jié)語

美軍從面臨的全球軍事戰(zhàn)略任務(wù)出發(fā)，要求其裝備在最嚴(yán)酷和最現(xiàn)實的環(huán)境條件下進行試驗以及部隊訓(xùn)練，因此，必須充分掌握裝備環(huán)境試驗和士兵軍事行動訓(xùn)練的預(yù)期環(huán)境。美軍巴拿馬熱帶試驗中心的關(guān)閉和更好地了解沙漠環(huán)境的需求，促使研發(fā)相關(guān)的方法以增強對熱帶和沙漠環(huán)境的了解。美軍研發(fā)的極端環(huán)境的表征方法，提供了科學(xué)的模型，可用于尋求世界范圍理想的熱帶試驗場所和比較世界范圍潛在的用于試驗和訓(xùn)練的沙漠場所。美軍的研究成果，非常值得我國今后在建立相關(guān)環(huán)境試驗站選點時科學(xué)評估參考。