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新一代柔性複合防爆技術科研紀實

2019-09-17 14:23:57  來源:中國新聞網  編輯:韓影   責編:馮實

  編者按:人們常說:“有多鋒利的矛,就要有多堅固的盾。”當今世界各地並不太平,隨著恐怖襲擊中危險爆炸物的經常出沒,給人們的生產生活帶來了極大的威脅。針對爆炸性傷害,如何解決其中的安全防護問題,做到有備無患,就成了擺在相關領域研究者面前的重要課題。北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室黃廣炎團隊就肩負著這一使命。

  30公斤的蓋毯真能防住兩顆手雷的爆炸威力嗎?

  初夏清晨,涼風習習,距離北方的熱浪襲來尚需些時日,微風徐徐吹向建在半山腰處的北京理工大學東花園爆炸實驗基地。一群身著白色試驗服的師生正在不慌不忙的在準備著試驗,初夏的微風吹散不開豆粒大小的汗珠,不一會他們就已經汗流浹背。

  一個貌不起眼的黑色防爆毯正被靜靜置於空地中央,工作人員們正有序的調試觀測儀器和試驗材料。

  “高速攝像機,準備完畢!”“兩枚82-2式手雷,放置完畢!”“瓦楞紙見證板,安裝完畢!”“請試驗人員,試驗前再次拍照記錄試驗前畫面。”“倒計時準備,五、四、三、二、一。”“起爆!”

  一聲脆響之後,試驗用的兩枚82-2式手雷爆炸了,防爆毯中心的防爆圍欄憑空彈起一米多高之後,落到地上。圍在防爆毯外側三米外的松木板絲毫沒有被穿透的痕跡,初步從試驗物外觀來看,試驗應該成功了,但“科學研究沒有應該”,最終仍需要從觀測數據進行分析。

  “請各位試驗人員抓緊時間記錄試驗數據,尤其需要記錄的是瓦楞板狀況、有無破片飛出……數據出來之後,研究者們馬上在指揮室分析數據”,主導此次爆炸試驗的黃廣炎老師正有條不紊的指揮著學生記錄剛剛產生的試驗數據。

  三十分鐘後,試驗分析會討論完畢。各項數據正常,更令人欣喜的是,防爆毯周圍的瓦楞板上沒有任何被破片打到的痕跡,與此前沒有防爆毯的空爆試驗對比,破片防護率達到了100%,這證明今天的防爆毯試驗取得圓滿成功,順利通過兩倍于公安部GA69-2007標準的嚴苛測試!

  防爆毯經受住了兩顆手雷的爆炸當量,那麼兩顆手雷的爆炸威力到底有多大呢?

  經常關注軍事的朋友們或許知道手雷(或手榴彈)爆炸殺傷有生目標主要是靠彈體破片殺傷的。手雷的彈體經常是有紋路的就像小格子一樣,稱為預置破片,手榴彈爆炸後小格子的分割槽即為彈體的結構脆弱部分,爆炸將會使其分離達到增加破片數量增加殺傷力的作用。還有的手雷彈體表面光滑,實際彈體內部填充鋼珠,爆炸時鋼珠四處飛濺起到同樣的效果。其實戰場上或恐怖分子通過爆炸物殺傷有生目標,大部分都是靠爆炸之後的破片造成殺傷的,至於爆炸的衝擊波,由於空氣易於壓縮,所以其威力範圍較小。

  此次進行的試驗就是通過兩枚制式手雷測試防爆毯的防護效果。

  那麼貌不驚人的防爆毯是怎麼依靠30kg的重量做到如此優秀的防護效果呢?這跟傳統的防爆毯究竟都有哪些區別?這一切還得從五年前說起。

  在混沌中探索

  作為成立於1991年的國內唯一的爆炸安全與防護領域國家重點實驗室,一直以國家重大需求和學科發展為牽引,針對爆炸科學技術領域中的基礎理論和關鍵技術,系統深入地開展基礎和應用基礎研究,為國家建設做出重要貢獻。對於爆炸科學的深入研究,實驗室的防爆安全科研成果曾經多次服務於國家重大活動安保,也為國家安全生產與應急維穩工作做出重要貢獻。

  眾所週知,爆炸事故後往往是比較嚴重的,會造成人員的傷亡、設備的毀壞、建築物的倒塌等,使得國家財產大量損失,並且會造成重大的傷亡事故,例如:1977年英國發生因為雷擊而引起的炸藥庫爆炸事件,死亡3000多人。

  隨著國際社會的發展,區域性國際形勢也越發緊張,交通設施領域(機場、火車站、汽車站)、商場、體育館、博物館、醫院、甚至高層建築,只要是人員密集區域往往成為了恐怖分子襲擊的目標。近期陸續發生在斯媊鶗d、英國、俄羅斯的多起爆炸恐怖襲擊,也造成大量人員傷亡和巨大財產損失,社會影響惡劣。一系列不堪回首的恐怖襲擊事件,正提醒著我們恐怖主義並未遠離,防爆工作依然任重道遠。

  在恐怖分子的爆炸襲擊活動中,許多時候爆炸帶來的建築物的倒塌、玻璃脆片的飛散、衝擊波的放大、燃燒的產生等等使得恐怖分子達到了大規模殺傷的目的。在高人員密集場所的爆炸襲擊當中,最為明顯的致命傷是由飛行的破片帶來的,最為嚴重的破壞是衝擊波帶來的。

  如何對爆炸物帶來的破壞進行有效防護,這個研究難題擺在了剛從劍橋大學學術交流回國的黃廣炎老師面前。

  以往傳統的防爆處置裝備在防護方法和處置能力方面已經具備了一定優勢和特色,推向市場的產品形式也較為固定,防護輕量爆炸物可以用防爆毯,防護大量爆炸物可以用防爆罐、防爆桶和防爆球等。但是傳統設備也是具有很大局限性,這些產品在機動性、非接觸爆炸物情況下的應急處置能力、過量防爆條件下是否產生附帶傷害等方面存在很大不足。因為在防爆處置的應用場景下,安全防爆的響應速度很關鍵,傳統的設備都是特殊的鋼制材料,質量大、難以快速移動,再就是排爆人員最希望能在處置過程中不接觸疑似爆炸物,另外在不清楚疑似爆炸物的爆炸當量時,一旦超過處置防爆罐的防護能力,那這個防爆罐被炸裂後,鋼制碎片的殺傷能力不遜於爆炸物。

【企業】新一代柔性複合防爆技術科研紀實

  圖-柔性防爆設計理念

  究竟是沿著傳統防爆處置裝備的思路研究下去,尋求防護效果更好的金屬防爆產品還是選擇其他解決方案?黃老師在跟自己的導師馮順山教授進行學術交流之後,找到了靈感。“以硬碰硬、狠中取勝”,如果這個思路行不通,就另辟蹊徑,尋找能夠安全防護大當量爆炸物的輕質防護解決方案。

  2012至2015年,在國內外研究領域空白的情況下,採用柔性結構防護爆炸衝擊波機理研究與試驗判據研究工作首次獲得了國家自然科學基金的支持。北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室的科研團隊與公安部第一研究所等優勢單位合作,在爆炸衝擊波的柔性防護機理和試驗判據方面取得重要進展。

  在試驗中成長

  爆炸防護是國家軍事安全與公共安全的重大難題,既然要防護爆炸物,要顛覆傳統防爆處置裝置,那就先得研究爆炸物的處置難點。

  由於爆炸恐怖活動具有極大的隨機性、快速性和不確定性,且爆炸物的“未知”屬性複雜多樣,給軍民相關安全部門的處置與防護工作帶來極大困擾。如爆炸物“載體”未知(可能為箱包炸彈、汽車炸彈、人體炸彈和郵包炸彈等)、投放地點和環境隨機(可能為機場、火車站、地鐵站、廣場和商場等)、爆炸物的炸藥類型及其爆炸當量未知(幾十克到幾千克TNT)、殺傷方式多樣化(衝擊波、破片、引燃等)、覆蓋範圍未知、爆炸物的觸發方式(可能為延時/定時起爆、光感/磁感起爆、遙控起爆和重力感應起爆等)難以準確判斷等。因此,各國防爆反恐手冊均明確要求處置現場盡可能不直接接觸爆炸物。如何及時有效且安全地非接觸式處置和防護各類疑似爆炸物,已成為安全部門目前所面臨的最嚴峻挑戰之一。

  總結來說爆炸物處置有四個“不確定”:

  爆炸當量不確定:疑似爆炸物的TNT當量是多少?是否有破片?都無法即刻確定。

  起爆方式不確定:爆炸物的起爆方式有遙控、重力、翻轉等。發現切不可隨意觸碰。

  投放形式不確定:無法事先確定爆炸物的投放地點、起爆時間、數量和炸藥類型等。

  殺傷範圍不確定:爆炸物的殺傷範圍無法確定,一旦過量防護,附帶傷害的範圍也無法確定。

  都說萬事開頭難,但令科研人員沒想到的是,更難的是開始之後的無數次試驗探索。

  單就材料篩選來說,研究人員對上百種的材料進行初步的力學性能篩選,從中選出最優的防爆材料。 頗有愛迪生不眠不休做了上千次耐熱材料的實驗,才製造出第一個炭絲燈泡的精神。爆炸科學與技術國家重點實驗室的柔性複合防爆技術團隊走過了一條艱難的創新突破之路。

  在進行了近五年的探索研究和上百發的爆炸測試,在系列重大原始創新的基礎上,國家重點實驗室團隊開始著手基於柔性複合防爆技術的原理樣機研製,並選擇與艾爾防務開展產學研合作,與英國劍橋大學等國際同行積極開展學術交流,通過機理研究、材料創新、結構創新、工藝創新等多年持續技術攻關,最終研製成功柔性防爆毯和桶系列產品。

【企業】新一代柔性複合防爆技術科研紀實

  圖-柔性防爆材料拆解

  該技術裝備採用特殊液體、高性能纖維材料、氣凝膠和超彈性噴塗材料等多種材料構成特殊形狀的輕質柔性多層複合結構,可基於能量微分彌散、大變形吸能、液體動量提取等原理,高效吸收爆炸衝擊能量。“它的溫柔,讓你爆不起來”,是對柔性防爆功能最貼切的描述。

  爆炸物的碎片在爆炸過程中能被柔性複合材料所阻擋,爆炸產生的火焰可以被防爆阻燃混合液體層迅速撲滅,由於裝備全部為非金屬柔性材料製備,過量爆炸的防護也無附帶傷害,同時也能保留爆炸物碎片等證據。

  在市場中淬煉

  2017年8月,樣機通過公安部組織的權威檢測,並應邀參加公安部組織的全國公安機關裝備發展專項階段成果展,受到公安部領導的高度評價——“柔性防爆是一種革命性技術,是對傳統裝備的顛覆”。同年底,在北京理工大學技術轉移中心指導下,柔性複合防爆技術在湖南艾爾防務技術有限公司實施成果轉化,在湖南長沙市高新區建立了首條生產線。

  2018年5月,以防護500gTNT爆炸物的G500為主的柔性防爆裝備正式批產,開始全面向市場推廣應用,形成了“柔衛甲”國際知名防爆品牌。目前已在北京各大火車站、新疆機場、大連地鐵站等全國多省要害部位裝備應用。

  當然只有一款產品還不夠,市場需求多種多樣,更不要說像特高壓電站防爆、石油石化防爆、新能源電池防護這些需要定制化解決方案的領域了。

  在充分調研市場行業需求之後,負責量產柔性防爆設備的艾爾防務已經將柔性複合防爆技術應用於柔性防爆毯(圍欄)、防爆桶、防爆罐和防爆擋棫戊郱s防爆裝備開發,單人便攜的柔性防爆毯T200便是文章開篇之初的試驗樣機。

【企業】新一代柔性複合防爆技術科研紀實

  圖-柔性防爆系列產品

  柔性防爆裝備是我國新一代防爆反恐特種裝備的代表性產品,具有顛覆性的應用價值和示範效應。可廣泛應用於機場、高鐵、地鐵、廣場、會議中心、中小學、高檔小區、景區、影劇院、連鎖門店、大型商業寫字樓等人員相對聚集的公共場所的爆炸安全防護。

  隨著我國反恐怖主義法的實施、國家安全戰略的佈局以及有關公共場所安全等級及標準的提升,該技術產品將具有更加廣闊的市場前景和積極社會示範效應。

【企業】新一代柔性複合防爆技術科研紀實

  圖-柔性防爆毯T200

  柔性防爆毯T200具有自重超輕(約30kg,單人便攜)、防護當量強(防護兩顆手雷)的特性,相比于傳統防爆毯僅能防護一顆82-2式制式手榴彈(約80gTNT)的爆炸威力,柔性防爆毯T200做到了體積、重量相當,但性能翻倍的防護效果。針對其體積輕便、單人便攜的特點,該產品可以廣泛用於生活場所(酒店、銀行、連鎖超市、高檔小區)和娛樂場所(購物中心、影劇院、體育館、遊樂園)等防爆等級較低但又人群稍密集的場所。

  對於國際局勢瞬息萬變的戰爭衝突地區,柔性防爆材料有更多應用場景。根據全球政治和安全風險預測公司Control Risks發佈的“2019風險地圖”顯示,當今世界安全局勢不容樂觀,尤其是“一帶一路”沿線地區和非洲大部分國家危險系數達到高和極高。另外區域性的恐怖爆炸案也時常發生,以今年為例,4月22日印度洋島國斯媊鶗d全國範圍內連續發生8起爆炸,包括首都科倫坡等地的4家酒店、3處教堂和一處住宅區。8月2日,泰國曼谷發生多起小型“爆炸事件”,造成至少2人受傷。

  北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室研製的柔性防爆毯T200、柔性防爆桶G500、G1000等柔性防爆裝備,通過國際警用裝備展、一帶一路國家外警培訓、外交部駐外大使館安防裝備出口推廣、發展中國家軍警培訓等途徑,以及跟京安、北方裝備等外貿進出口企業以及“中國-阿拉伯文化技術轉移中心”等部門合作,目前裝備已在“一帶一路”多個國家產生影響,並已在斯媊鶗d、巴林、阿曼、菲律賓等國家開展出口應用。

  柔性複合防爆技術自發佈以來,引起了國內外媒體、專家領導與社會各界廣泛關注。在中央電視臺第1頻道《加油!向未來》、中央電視臺第10頻道《科技之光》、北京電視臺《新聞聯播》、湖南衛視、人民日報、科技日報、中國科學報、人民公安報、紅網等20多家媒體做了系列報道。其中,《科技之光》曾以單期報道的形式,詳細介紹了“柔性複合防爆技術”的研發歷程,《加油!向未來》節目更是在中央一套黃金時段播出了柔性防爆裝備與空爆試驗的對比,引起觀眾的廣泛關注和激烈討論。由此剪輯的節目視頻,在各大展會上都會吸引不少參展人員的駐足觀看。

  柔性防爆裝備的問世,受到國家科技部、公安部等多個部委和多個省市領導、專家的高度評價,成功入選了公安部防爆裝備遴選試用計劃,在全國多個省市示範應用,並中標國家防爆應急儲備物資庫採購項目和中國商務部對外援助項目。

  針對傳統防爆裝備在機動性、非接觸爆炸物情況下的應急處置能力、過量防爆條件下是否產生附帶傷害等方面存在不足。柔性防爆系列裝備成功彌補了這些不足之處,與傳統防爆裝備配合使用,共同構建了我國新一代防爆排爆處置裝備體系。“小柔甲、大防爆”,柔性防爆裝備為我國安全生產、爆炸應急救援與處置做出重要貢獻,“柔衛甲”已成為中國的防爆名片,走出國門,走向世界,為“一帶一路”國家和全球各地的防爆安全做出貢獻。

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