主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)的研究狀況

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(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

爆炸品發(fā)生爆炸時(shí)，瞬間產(chǎn)生能量巨大的沖擊波。沖擊波對周圍人員、車輛、建筑物及爆炸品等產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。沖擊波能夠造成人員內(nèi)部器官損傷，危及到人的生命安全。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)沖擊波超壓達(dá)到34 kPa時(shí)，快速上升的沖擊波對鼓膜損傷達(dá)96%以上，緩慢上升的沖擊達(dá)65%[1-4]。當(dāng)沖擊波峰值達(dá)到83 kPa時(shí)，對喉嚨能夠造成中等以上損傷；超過124 kPa時(shí)，對消化道造成中等以上損傷；超過186 kPa時(shí)，對肺造成中等以上的損傷；沖擊波作用到車輛、設(shè)備、建筑物上時(shí)，會(huì)造成車輛及設(shè)備的功能失效，建筑物損壞甚至報(bào)廢；沖擊波作用到武器彈藥上時(shí)，會(huì)使彈藥引爆，造成更大的人員受傷及設(shè)備損失[5]。從1988～ 1992年，美國軍工工業(yè)發(fā)生了許多不可預(yù)料的爆炸，造成了3人死亡，9人重傷，財(cái)產(chǎn)和設(shè)備損失約950萬美元。除此之外，恐怖分子有計(jì)劃并實(shí)施了多起爆炸，造成人員傷亡及設(shè)備、建筑物的損壞。因此，美國政府迫切希望研究一種系統(tǒng)，能夠減少這種不可預(yù)料的爆炸和恐怖分子實(shí)施的有計(jì)劃爆炸(恐怖爆炸襲擊)造成的損失。

1 美國對消弱沖擊波的研究

美國海軍工程實(shí)驗(yàn)室[6]早期對被水包圍的炸藥爆炸時(shí)的現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)證明水能夠減弱炸藥爆炸對周圍的物體沖擊作用，消弱沖擊波的效果非常明顯。美國海軍工程實(shí)驗(yàn)室近年來正在開發(fā)一種新型超高速淹沒式滅火系統(tǒng)，并進(jìn)行了多次試驗(yàn)[7-8]。超高速淹沒式滅火系統(tǒng)能夠有效地抑制火藥、爆炸品和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的爆燃。這種系統(tǒng)能夠在爆炸發(fā)生幾毫秒內(nèi)做出響應(yīng)，消弱爆炸沖擊波的超壓峰值，從而阻止沖擊波引起周圍爆炸品爆炸，同時(shí)還能夠降低爆炸區(qū)域的溫度。美國海軍工程實(shí)驗(yàn)室近年來還對水墻減弱爆炸沖擊波的現(xiàn)象進(jìn)行了全比例模型試驗(yàn)研究[9]，主要用來模擬恐怖分子安放的炸彈。在炸彈周圍設(shè)置水墻，利用水墻來減弱炸彈爆炸時(shí)的沖擊作用。這是一種被動(dòng)減弱沖擊波能量的方法?；谝陨涎芯浚绹＼姽こ虒?shí)驗(yàn)室的研究者提出了主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)[10]，通過這套系統(tǒng)來阻止和減弱沖擊波對周圍物品及建筑物的損壞和人員傷亡。

2 主動(dòng)式水爆系統(tǒng)組成

主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)主要由沖擊波傳感器和水爆裝置兩部分組成。沖擊波傳感器的作用是探測沖擊波，并通過驅(qū)動(dòng)放大電路引爆水爆裝置。水爆裝置通過自身炸藥爆炸，向沖擊波傳來方向噴出一道水幕。噴射出的水幕必須具有一定初速度。水幕與沖擊波相遇，沖擊波把水幕中的水滴進(jìn)一步擊碎成更細(xì)小的水滴，同時(shí)把自身的熱量傳遞到水滴上，使水滴溫度升高，部分水滴被汽化。此外細(xì)小的水滴還吸收爆炸后氣體的熱量。從而達(dá)到減弱沖擊波超壓峰值和降低爆炸后空氣溫度的目的。

水爆裝置由炸藥、半球形金屬外殼、水和密封板組成，見圖1，水爆裝置實(shí)物見圖2。

沖擊波傳感器探測到?jīng)_擊波時(shí)，利用自身的驅(qū)動(dòng)放大電路，通過點(diǎn)火線路引爆水爆裝置上的炸藥。利用炸藥爆炸時(shí)的壓力、迅速把水爆裝置中的水推向沖擊波傳來方向。

圖1 水爆裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2 水爆裝置

3 主動(dòng)式水爆系統(tǒng)的安裝

主動(dòng)式水爆系統(tǒng)目前可以應(yīng)用在三種場所。①陸地上武器彈藥庫、艦船彈藥庫或彈藥艙，保護(hù)本彈庫內(nèi)部彈藥，避免被庫外傳來的沖擊波引爆；②狹長通道，把沖擊波狙擊在狹長通道內(nèi)，縮減沖擊波傳播距離，降低沖擊波超壓峰值強(qiáng)度；③應(yīng)用在恐怖分子安裝的爆炸物周圍，用來定點(diǎn)引爆爆炸物，減弱爆炸沖擊波對周圍建筑物及設(shè)備的損壞。

對于陸地上武器彈藥庫、艦船彈藥庫或彈藥艙，主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)安裝在彈藥艙周圍，靠近艙壁的位置，沖擊波探測器貼近艙壁，見圖3。

圖3 主動(dòng)式水爆系統(tǒng)在彈藥艙的布置示意

在水爆裝置噴灑范圍內(nèi)，一個(gè)水爆裝置可以配置多個(gè)沖擊波傳感器，以便探測到從不同位置傳入的沖擊波。對于通往彈藥艙的通道和狹小走廊，主動(dòng)式水爆系統(tǒng)安裝在走廊盡頭位置，需要配置兩組沖擊波傳感器，以便探測到來自走廊任何方向的沖擊波，見圖4。

圖4 主動(dòng)式水爆系統(tǒng)在走廊的布置示意

對于定點(diǎn)引爆恐怖分子安放的爆炸物，主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)必須圍繞爆炸物安裝，見圖5。

圖5 主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)與爆炸物布置示意

此外，沖擊波傳感器與水爆裝置的距離必須大于沖擊波傳播速度與沖擊波傳感器響應(yīng)時(shí)間的乘積，因此主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)在安裝前必須對爆炸沖擊波的傳播速度和沖擊波超壓峰值有一個(gè)合理的估計(jì)。

4 主動(dòng)式水爆系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

美國海軍工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了10次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)所用的炸藥量均為4.67磅TNT。其中沒有安裝主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，測得的沖擊波超壓峰值平均為54.1磅/平方英寸。采用裝有13.5磅水的主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)布置在爆炸物周圍三面，共進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，平均壓力峰值為5.85磅/平方英寸。試驗(yàn)說明水幕能夠消減近90%的超壓峰值。水爆抑制系統(tǒng)噴水過程見圖6。

圖6 主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)噴水過程

5 結(jié)束語

目前，我國在該領(lǐng)域的研究還是空白，應(yīng)該抓緊時(shí)間，借鑒國外的研究技術(shù)，發(fā)展我國的主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)，縮小與國外在研究沖擊波防護(hù)技術(shù)上的差距。國內(nèi)外對爆炸沖擊波與液滴的相互作用研究主要依靠試驗(yàn)，對主動(dòng)式水爆抑制系統(tǒng)的研究還停留在試驗(yàn)基礎(chǔ)階段，沒有對其機(jī)理進(jìn)行深入研究。我國應(yīng)該開展相關(guān)研究和試驗(yàn)，應(yīng)該從兩方面研究入手，其一研究沖擊波探測器的探測技術(shù)，提高沖擊波探測器的可靠性、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間；其二研究沖擊波與液滴的相互作用機(jī)理，在此基礎(chǔ)上研究液滴的大小、空間分布密度、速度等因素對沖擊波的影響。

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