主动式水爆抑制系统的研究状况

，

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450015)

爆炸品发生爆炸时，瞬间产生能量巨大的冲击波。冲击波对周围人员、车辆、建筑物及爆炸品等产生严重威胁。冲击波能够造成人员内部器官损伤，危及到人的生命安全。有关数据表明，当冲击波超压达到34 kPa时，快速上升的冲击波对鼓膜损伤达96%以上，缓慢上升的冲击达65%[1-4]。当冲击波峰值达到83 kPa时，对喉咙能够造成中等以上损伤；超过124 kPa时，对消化道造成中等以上损伤；超过186 kPa时，对肺造成中等以上的损伤；冲击波作用到车辆、设备、建筑物上时，会造成车辆及设备的功能失效，建筑物损坏甚至报废；冲击波作用到武器弹药上时，会使弹药引爆，造成更大的人员受伤及设备损失[5]。从1988～ 1992年，美国军工工业发生了许多不可预料的爆炸，造成了3人死亡，9人重伤，财产和设备损失约950万美元。除此之外，恐怖分子有计划并实施了多起爆炸，造成人员伤亡及设备、建筑物的损坏。因此，美国政府迫切希望研究一种系统，能够减少这种不可预料的爆炸和恐怖分子实施的有计划爆炸(恐怖爆炸袭击)造成的损失。

1 美国对消弱冲击波的研究

美国海军工程实验室[6]早期对被水包围的炸药爆炸时的现象进行了试验研究。实验证明水能够减弱炸药爆炸对周围的物体冲击作用，消弱冲击波的效果非常明显。美国海军工程实验室近年来正在开发一种新型超高速淹没式灭火系统，并进行了多次试验[7-8]。超高速淹没式灭火系统能够有效地抑制火药、爆炸品和火箭发动机推进剂的爆燃。这种系统能够在爆炸发生几毫秒内做出响应，消弱爆炸冲击波的超压峰值，从而阻止冲击波引起周围爆炸品爆炸，同时还能够降低爆炸区域的温度。美国海军工程实验室近年来还对水墙减弱爆炸冲击波的现象进行了全比例模型试验研究[9]，主要用来模拟恐怖分子安放的炸弹。在炸弹周围设置水墙，利用水墙来减弱炸弹爆炸时的冲击作用。这是一种被动减弱冲击波能量的方法。基于以上研究，美国海军工程实验室的研究者提出了主动式水爆抑制系统[10]，通过这套系统来阻止和减弱冲击波对周围物品及建筑物的损坏和人员伤亡。

2 主动式水爆系统组成

主动式水爆抑制系统主要由冲击波传感器和水爆装置两部分组成。冲击波传感器的作用是探测冲击波，并通过驱动放大电路引爆水爆装置。水爆装置通过自身炸药爆炸，向冲击波传来方向喷出一道水幕。喷射出的水幕必须具有一定初速度。水幕与冲击波相遇，冲击波把水幕中的水滴进一步击碎成更细小的水滴，同时把自身的热量传递到水滴上，使水滴温度升高，部分水滴被汽化。此外细小的水滴还吸收爆炸后气体的热量。从而达到减弱冲击波超压峰值和降低爆炸后空气温度的目的。

水爆装置由炸药、半球形金属外壳、水和密封板组成，见图1，水爆装置实物见图2。

冲击波传感器探测到冲击波时，利用自身的驱动放大电路，通过点火线路引爆水爆装置上的炸药。利用炸药爆炸时的压力、迅速把水爆装置中的水推向冲击波传来方向。

图1 水爆装置结构示意

图2 水爆装置

3 主动式水爆系统的安装

主动式水爆系统目前可以应用在三种场所。①陆地上武器弹药库、舰船弹药库或弹药舱，保护本弹库内部弹药，避免被库外传来的冲击波引爆；②狭长通道，把冲击波狙击在狭长通道内，缩减冲击波传播距离，降低冲击波超压峰值强度；③应用在恐怖分子安装的爆炸物周围，用来定点引爆爆炸物，减弱爆炸冲击波对周围建筑物及设备的损坏。

对于陆地上武器弹药库、舰船弹药库或弹药舱，主动式水爆抑制系统安装在弹药舱周围，靠近舱壁的位置，冲击波探测器贴近舱壁，见图3。

图3 主动式水爆系统在弹药舱的布置示意

在水爆装置喷洒范围内，一个水爆装置可以配置多个冲击波传感器，以便探测到从不同位置传入的冲击波。对于通往弹药舱的通道和狭小走廊，主动式水爆系统安装在走廊尽头位置，需要配置两组冲击波传感器，以便探测到来自走廊任何方向的冲击波，见图4。

图4 主动式水爆系统在走廊的布置示意

对于定点引爆恐怖分子安放的爆炸物，主动式水爆抑制系统必须围绕爆炸物安装，见图5。

图5 主动式水爆抑制系统与爆炸物布置示意

此外，冲击波传感器与水爆装置的距离必须大于冲击波传播速度与冲击波传感器响应时间的乘积，因此主动式水爆抑制系统在安装前必须对爆炸冲击波的传播速度和冲击波超压峰值有一个合理的估计。

4 主动式水爆系统的实验研究

美国海军工程实验室进行了10次试验，每次试验所用的炸药量均为4.67磅TNT。其中没有安装主动式水爆抑制系统进行了两次试验，测得的冲击波超压峰值平均为54.1磅/平方英寸。采用装有13.5磅水的主动式水爆抑制系统布置在爆炸物周围三面，共进行了两次实验，平均压力峰值为5.85磅/平方英寸。试验说明水幕能够消减近90%的超压峰值。水爆抑制系统喷水过程见图6。

图6 主动式水爆抑制系统喷水过程

5 结束语

目前，我国在该领域的研究还是空白，应该抓紧时间，借鉴国外的研究技术，发展我国的主动式水爆抑制系统，缩小与国外在研究冲击波防护技术上的差距。国内外对爆炸冲击波与液滴的相互作用研究主要依靠试验，对主动式水爆抑制系统的研究还停留在试验基础阶段，没有对其机理进行深入研究。我国应该开展相关研究和试验，应该从两方面研究入手，其一研究冲击波探测器的探测技术，提高冲击波探测器的可靠性、灵敏度和响应时间；其二研究冲击波与液滴的相互作用机理，在此基础上研究液滴的大小、空间分布密度、速度等因素对冲击波的影响。

[1] RICHMOND D G. Fragment and debris hazards ADA-013684[R]. Springfiled: NTIS, 1975.

[2] WHITS C S. The effects of ambient pressure on the biological response of mice to air blast, ADA-389507[R]. Pringfiled: NTIS, 1965.

[3] BAKER W E. Explosions in air, ADA-003817[R]. Springfiled:NTIS,1983.

[4] BROWEN I G. Estimate of mancs tolerance to the direct effects of air blast, DASA-2113[C]∥Washington DC: Defense Atomic Support Agency Department of Defence, 1968.

[5] 孙艳馥,王 欣.爆炸冲击波对人体损伤与防护分析[J].火炸药学报, 2008(4):50-53.

[6] KEENAN W A, WAGER P C. Mitigation of confined explosion effects by placing water in proximity of explosions, 25th DoD Explosives Safety Seminar[R]. Anaheim Hilton Hotel, Anaheim, California,1992.

[7] CARR V, COZART K S, WELLS S P. Advanced fire protection deluge system, phase I report[R]. (AFRL-ML-TY-TR-1998-4526), for the U.S. Army defense ammunition logistics activity (AMSTA-AR-AL), Picatinny Arsenal, NJ, by Air Force Research Laboratory, Materials & Manufacturing Directorate, Airbase & Environmental Technology Division, Tyndall AFB, FL,1998.

[8] WELLS S P, CARR V, COZART K S. Advanced fire protection deluge system, (AFPDS) phase II report[R]. (AFRL-ML-TY-TR-2000-4521), for the U.S. Army defense ammunition logistics activity (AMSTA-AR-AL), Picatinny Arsenal, NJ, by Air Force Research Laboratory, Materials & Manufacturing Directorate, Airbase & Environmental Technology Division, Tyndall AFB, FL,2000.

[9] BARTHOLD B R. Water blast mitigation for munitions storage[R]. Memorandum for HQ USAF/ILE and Attachments from HQ AFCESA/CC,2000.

[10] DOVER D, HILL G. Blast mitigation preliminary results from 27 Jun 2001 and 13 July 2001 field tests[R]. Air Force Research Laboratory, Materials & Manufacturing Directorate, Airbase & Environmental Technology Division, Tyndall AFB, FL,2001.