CN108627062A - 一种非接触式柔性防爆方法及非接触式柔性防爆装置设计方法 - Google Patents

一种非接触式柔性防爆方法及非接触式柔性防爆装置设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种非接触式柔性防爆方法及非接触式柔性防爆装置设计方法，涉及社会公共安全、爆炸物处置领域。采用结构可破坏的防爆理念，利用防爆过程中防爆装置发生解体、破碎和飞散吸收爆炸能量；将多种非金属柔性材料复合，防爆时，冲击波防护层放置在靠近爆炸物的一侧，削弱爆炸所产生的冲击波强度，并吸收爆炸热量；破片防护层放置在冲击波防护层外围，进一步削减冲击波强度并衰减爆炸所产生的破片速度。结构设计时面向爆炸物主要载荷的时空变化以及非接触式处置需求的设计原则，基于主要载荷分解防护的尺寸设计和和面向无二次附加伤害需求的材料定位连接原则，使得防爆结构爆炸防护能力强、自重轻、处置方式灵活且安全性高、无二次附件伤害。

Description

一种非接触式柔性防爆方法及非接触式柔性防爆装置设计 方法
技术领域
本发明涉及一种防爆方法，具体涉及一种非接触式爆炸物柔性防爆方法及防爆装置设计方法。
背景技术
爆炸恐怖袭击、涉爆刑事犯罪已成为国内外社会公共安全的主要威胁之一。爆炸恐怖因其具有行动隐蔽、实施简单、毁伤规模大等特点，易造成持久、广泛的社会大众恐怖心理，已成为当今恐怖分子最常用、最普遍的活动形式。因此，及时有效反击爆炸恐怖袭击、处置各类爆炸物是公共安全部门所面临的难题之一。
传统的爆炸物处置装置多基于单一材料(金属合金和纤维复合材料)防护方法，存在一定的不足。金属合金的高波阻抗和高强度使得防爆桶等爆炸物处置装置具备较强的防护冲击波和破片能力，但因密度较大而导致装置自重过大，一方面使得只能采用移动炸药至装置内部的接触式处置方式，存在错误引爆爆炸物的危险，另一方面也存在因爆炸物当量超标而自身解体、产生二次破片危害。由高强度、高模量、低密度纤维复合材料制成的防爆围栏(毯)能够很好地捕获小当量爆炸物产生的破片，且可采用围挡遮盖爆炸物的非接触式处置方式，但无法削弱大当量爆炸物产生的冲击波强度和破片速度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种非接触式柔性防爆方法，采用结构可破坏的防爆理念，将多种柔性材料复合实现对爆炸物的非接触式柔性防爆，防爆能力强且不会产生二次附加伤害。
所述非接触式柔性防爆方法为：
采用结构可破坏的防爆装置围挡遮盖爆炸物，利用防爆过程中防爆装置发生解体、破碎和飞散吸收爆炸能量；防爆装置采用两种以上密度不超过1.8g/cm3的非金属柔性材料复合而成，至少包括冲击波防护层和破片防护层；防爆时，冲击波防护层放置在靠近爆炸物的一侧，用于削弱爆炸所产生的冲击波强度，并吸收爆炸热量；破片防护层放置在冲击波防护层外围，用于进一步削减冲击波强度并衰减爆炸所产生的破片速度。
所述冲击波防护层为液体层，所述液体层的填充材料为不可燃无毒液体。
所述破片防护层包括两个以上熔点不同的纤维层，令靠近爆炸物的一侧为内侧，破片防护层中纤维层按从内向外熔点依次降低的顺序排列。
此外，本发明提供一种非接触式柔性防爆装置的设计方法：
步骤一：基于结构可破坏原则确定防爆装置的材料：防爆装置的材料为两种以上密度不超过1.8g/cm3非金属柔性材料；其中一种以上非金属柔性材料用于制备以削弱爆炸所产生的冲击波强度的冲击波防护层，其余非金属柔性材料用于制备以进一步削减冲击波强度并衰减爆炸所产生的破片速度的破片防护层；
步骤二：对防爆装置进行结构设计：
首先对步骤一所选用的非金属柔性材料进行位置的排序：
将冲击波防护层放置在靠近爆炸物的一侧，破片防护层放置在冲击波防护层外围；且当破片防护层包括两层以上熔点不同的非金属柔性材料时，将熔点高的非金属柔性材料放置在比熔点低的非金属柔性材料更靠近爆炸物的一侧；
其次，在结构上使防爆结构顶部保持开口，用于导向爆炸所产生的冲击波和破片向上运动；
步骤三：根据所需处置的爆炸物当量确定防爆装置的几何尺寸：
(1)忽略破片防护需求，仅依据设定的冲击波防护需求，确定冲击波防护层的几何尺寸；
(2)依据设定的破片防护需求，在限定冲击波防护层几何尺寸的基础上，确定设置在冲击波防护层外围破片防护层的几何尺寸；
(3)对步骤(1)和步骤(2)所确定的几何尺寸下的防爆装置进行冲击波和破片载荷耦合加载，依据防护效果微调冲击波防护层和冲击波防护层的几何尺寸，保证防护效果达到设定要求。
有益效果
(1)本发明的非接触式柔性防爆方法，屏蔽传统的防爆理念，采用结构可破坏的防爆理念，利用防爆过程中防爆装备结构发生解体、破碎和飞散吸收大量的爆炸能量，具有较强的冲击波和破片防护能力，安全性高，能够确保不产生二次附加伤害。
(2)该防爆方法充分考虑了爆炸物处置过程中主要载荷(冲击波和破片)的时空变化以及各种柔性防护材料的防护效率和防护特性，选材充分兼顾了防爆效率和处置安全性，结构设计原则具有很强指导意义，尺寸设计过程效率高、成本低，基于此方法设计的防爆结构爆炸防护能力强、自重轻、处置方式灵活且安全性高、无二次附件伤害，可用于指导新一代爆炸物处置装置的设计，解决当前处置爆炸物所面临的最大难题。
附图说明
图1为依据本发明设计的非接触式柔性防爆结构剖面示意图；
图2为纤维层的接口布局示意图。
图中：1-剪切增稠液体层、2-气凝胶层、3-M5纤维布层、4-PBO纤维布层、5-纤维布接口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本实施例中提供一种非接触式柔性防爆方法及基于该非接触式柔性防爆方法的防爆装置设计方法，采用柔性材料高效地衰减爆炸物所形成的破片的速度。
该防爆方法基于结构可破坏的防爆理念、多种柔性材料复合的结构设计、面向爆炸物主要载荷的时空变化以及非接触式处置需求的设计原则，基于主要载荷分解防护的尺寸设计过程和和面向无二次附加伤害需求的材料定位连接原则。
传统的金属合金防爆方法要求防爆装备在处置爆炸物过程中保持完整性，以避免金属合金结构飞散将造成巨大的二次附加伤害。而本实施例的防爆方法屏蔽传统的防爆理念，采用结构可破坏的防爆理念，即防爆结构在处置爆炸过程中可以发生解体、破碎和飞散，从而利用防爆过程中防爆装备结构发生解体、破碎和飞散吸收大量的爆炸能量，为确保不产生二次附加伤害，防爆装备采用柔性材料制作。
基于结构可破坏的防爆理念，为确保防爆可靠，防爆装备选用多种低密度非金属柔性材料进行复合。为避免防爆装备结构解体、破碎和飞散对周围建筑物、设备以及人员产生附加伤害，所选用的非金属柔性材料的密度应当不超过1.8g/cm3，如：可用于冲击波防护的液体(包括水或汽水或发泡聚苯乙烯/水混合液或剪切增稠液或氯化钠溶液)和气凝胶；可用于破片防护的高性能纤维布(如PBO纤维布和M5纤维布)。其中，所选液体因波阻抗高，能够反射大部分来袭的冲击波，而具备较好的冲击波防护能力；此外，破片在其中的阻力随着破片的速度增大而增大，因此水和甘油能够高效地衰减高速破片速度；气凝胶能够很好地衰减冲击波传播速度和强度，能够配合所选液体削弱冲击波；高性能纤维布能够通过纤维断裂和大面积快速变形高效地衰减低速破片速度，配合所选液体完全捕获破片。实际使用时，水、汽水、发泡聚苯乙烯/水混合液、剪切增稠液和氯化钠溶液可选择一种，气凝胶可依据工况选择是否使用。
如附图1提供的基于上述方法所设计的防爆装备，选用的低密度非金属柔性材料为：剪切增稠液、SiO2气凝胶、M5纤维布和PBO纤维布，材料对应的密度分别为：1.4g/cm3、0.3g/cm3、1.7g/cm3、1.5g/cm3，均低于1.8g/cm3，且为柔性。在处置爆炸物过程中可以通过解体、破碎和飞散吸收大量爆炸能量。相比于传统的金属合金防爆方法，处置同等当量的爆炸物时，防爆结构自重较低，利于抬起搬运。另外，当处置炸药当量超过结构额定当量的爆炸物时，产生的二次附加伤害低甚至不产生二次附加伤害。
在选定好材料后，基于爆炸物主要载荷(冲击波和破片)的时空变化以及非接触式处置需求，对选用的柔性材料进行合理的结构设计，保证能够有效且高效地发挥各材料的功能。设计应当遵循以下几个基本原则：(1)利用防爆结构处置爆炸物时，考虑到近场爆炸产生的冲击波比破片先行到达防爆结构，应将液体层放置在靠近爆炸物的一侧以反射大部分冲击波能量，并吸收爆炸热量；将多层纤维布放置在液体层的外围，用于进一步削减冲击波强度和破片速度；(2)考虑到高温爆轰产物对纤维布材料性能的影响，将熔点高的M5纤维布放置在比熔点低的PBO纤维布更靠近爆炸物的一侧；(3)当防爆装置为封闭的环形结构时，每层纤维层均有一个纤维布接口5，为了降低破片飞散速度和距离，确保不产生二次附加伤害，不同层纤维布的纤维布接口5位置应当保持关于结构中心轴对称，如图2所示，同时接口和相邻两层纤维布之间采用树脂胶体粘接或者尼龙线缝合进行连接(即材料的定位连接)，这样可使不同层纤维布进行同等的相互作用，抵消整体水平方向受力，而降低水平方向的飞散速度和飞散距离。(4)防爆结构顶部保持开口，以便导向冲击波和爆轰产物向上端运动，降低爆炸载荷对水平方向建筑物、设备和人员的危害；(5)为了能够在不移动爆炸物情况下通过移动防爆结构的方式，即非接触式的处置方式，进行爆炸物处置与防护，防爆结构底部保持开口，使用时抬起自重较轻的防爆结构围挡遮盖爆炸物，以便进一步处置爆炸物。
基于该结构设计原则，图1采用简单的四层结构，结构设计的主要内容为所选用材料的排序。考虑到防爆结构相对处于结构正中心的爆炸物距离较小(<2m)，属于近场防护，因此冲击波将会先于破片到达防爆结构。为了避免冲击波对主要用于破片防护的纤维布造成损伤，将用于强冲击波防护的剪切增稠液体层1放置在最内层，一方面可以反射大部分冲击波以削弱剪切增稠液体层1外围的冲击波强度，另一方面可以一定程度上降低高温爆轰产物对剪切增稠液体层1外围防护结构的侵袭。剪切增稠液体层1外围放置SiO2气凝胶层2，可通过内部多孔变形进一步削弱冲击波强度，剪切增稠液体层1和气凝胶层2共同形成冲击波防护层。纤维层作为破片防护层放置在冲击波防护层外围，包括M5纤维布层3和PBO纤维布层4，将纤维层放置在冲击波防护层外围是基于以下几点考虑：(1)从爆炸载荷时空变化角度，破片在冲击波之后到达防护结构，因此主要用于破片防护的纤维层需要内层的冲击波防护层的保护；(2)从破片防护效率角度，剪切增稠液体层1同时具备衰减破片的能力，且破片在剪切增稠液体层1中的阻力随着破片速度的上升而上升，因此水层对高速破片的防护效率更高；另外，纤维层对破片的防护效果依赖材料的大面积变形，因此对低速破片的防护效率更高；结合这两点，纤维层放置在外层使得防爆结构具备高效的破片防护能力；(3)从纤维布自身防护效率角度，纤维布外侧无其他材料支撑，利于其发生面外变形。考虑到近场高温特性，将熔点高的纤维布放置在熔点低的纤维布内侧，因此将熔点高的M5纤维布层3放置熔点低的PBO布层4内侧，利于提高纤维层的破片防护效率。
在确定防爆装备的基本结构之后，根据处置爆炸物当量确定防爆装备的几何尺寸。考虑到冲击波和破片载荷先后到达防爆装备，因此采用载荷分解防护的方式先进行几何尺寸简化设计：先仅依据冲击波防护需求，忽略其他材料的存在，确定用于冲击波防护的水或甘油以及气凝胶的几何尺寸；再依据破片防护需求，同时考虑所有防护材料的存在，确定纤维层的几何尺寸以及剪切增稠液的用量。在确定防爆结构基本尺寸之后，再对其进行多爆炸载荷的加载，依据防护效果再进行几何尺寸微调。
本实施例中，对该防爆结构进行防爆试验时，爆炸物为500g TNT预制破片，破片速度约为800m/s，安全防护距离为3m，基本尺寸确定过程如下：第一步：忽略破片载荷，仅考虑冲击波载荷以及用于冲击波防护的剪切增稠液体层和气凝胶层，利用数值模拟初步确定可安全防护冲击波的水层1的内径、高度、厚度分别为500mm、550mm和90mm，气凝胶层2与剪切增稠液体层1等高，厚度为50mm；第二步：考虑完整的层状防爆结构，限定剪切增稠液体层与气凝胶层的几何尺寸，改变纤维层层数，对其进行单枚预制破片的弹道枪加载实验，破片初速约800m/s，确定可安全防护破片的纤维层为15层M5纤维布+10层PBO纤维布，即M5纤维布层3由15层M5纤维布叠加而成，PBO纤维布层4由10层PBO纤维布叠加而成；利用数值模拟计算得到了爆炸物破片的飞散范围，进而计算初步确定纤维层的高度为400mm。
利用前两步获得的尺寸设计防爆结构进行含破片爆炸物起爆实验，并分析了冲击波防护和破片防护效果，防爆结构在处置爆炸物过程中发生解体、破碎和飞散，其中剪切增稠液解体成诸多小颗粒的液滴，高速摄影测得的速度虽然在50m/s左右，但液滴太小，3m处的标本在剪切增稠液的冲击下保持健康。气凝胶发生严重破碎，但密度过小，无附加伤害。外层多层纤维在爆炸载荷膨胀作用下，水平方向作用力能够相互抵消，最终验证实验中防爆结构在处置完爆炸物后，纤维层未发生四处飞散，而是一致地落在了距离爆点0.5m的位置。由以上结果可见，基于本发明设计的防爆结构不会产生二次附加伤害。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触式柔性防爆方法，其特征在于：采用结构可破坏的防爆装置围挡遮盖爆炸物，利用防爆过程中防爆装置发生解体、破碎和飞散吸收爆炸能量；防爆装置采用两种以上密度不超过1.8g/cm3的非金属柔性材料复合而成，至少包括冲击波防护层和破片防护层；防爆时，冲击波防护层放置在靠近爆炸物的一侧，用于削弱爆炸所产生的冲击波强度，并吸收爆炸热量；破片防护层放置在冲击波防护层外围，用于进一步削减冲击波强度并衰减爆炸所产生的破片速度。
2.根据权利要求1所述的非接触式柔性防爆方法，其特征在于：所述冲击波防护层为液体层，所述液体层的填充材料为不可燃无毒液体。
3.根据权利要求1所述的非接触式柔性防爆方法，其特征在于：所述冲击波防护层包括液体层和气凝胶层，其中气凝胶层位于液体层外围；所述液体层的填充材料为不可燃无毒液体。
4.根据权利要求2或3所述的非接触式柔性防爆方法，其特征在于：所述液体层的填充材料为水或汽水或发泡聚苯乙烯/水混合液或剪切增稠液或氯化钠溶液。
5.根据权利要求1所述的非接触式柔性防爆方法，其特征在于：所述破片防护层包括两个以上熔点不同的纤维层，令靠近爆炸物的一侧为内侧，破片防护层中纤维层按从内向外熔点依次降低的顺序排列。
6.根据权利要求5所述的非接触式柔性防爆方法，其特征在于：每个所述纤维层由两层以上相同材质的纤维布层叠而成。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的非接触式柔性防爆方法，其特征在于：防爆装置的顶部开口，用于导向爆炸所产生的冲击波和破片向上运动。
8.根据权利要求1、2、3、5或6所述的非接触式柔性防爆方法，其特征在于：防爆装置的底部开口，用于在不移动爆炸物情况下抬起防爆装置围挡遮盖爆炸物。
9.根据权利要求5所述的非接触式柔性防爆方法，其特征在于：当所述防爆装置为封闭的环形结构时，每个纤维层均有一个接口，两个以上所述接口沿周向均匀分布。
10.一种非接触式柔性防爆装置的设计方法，其特征在于：
步骤一：基于结构可破坏原则确定防爆装置的材料：防爆装置的材料为两种以上密度不超过1.8g/cm3非金属柔性材料；其中一种以上非金属柔性材料用于制备以削弱爆炸所产生的冲击波强度的冲击波防护层，其余非金属柔性材料用于制备以进一步削减冲击波强度并衰减爆炸所产生的破片速度的破片防护层；
步骤二：对防爆装置进行结构设计：
首先对步骤一所选用的非金属柔性材料进行位置的排序：
将冲击波防护层放置在靠近爆炸物的一侧，破片防护层放置在冲击波防护层外围；且当破片防护层包括两层以上熔点不同的非金属柔性材料时，将熔点高的非金属柔性材料放置在比熔点低的非金属柔性材料更靠近爆炸物的一侧；
其次，在结构上使防爆结构顶部保持开口，用于导向爆炸所产生的冲击波和破片向上运动；
步骤三：根据所需处置的爆炸物当量确定防爆装置的几何尺寸：
(1)忽略破片防护需求，仅依据设定的冲击波防护需求，确定冲击波防护层的几何尺寸；
(2)依据设定的破片防护需求，在限定冲击波防护层几何尺寸的基础上，确定设置在冲击波防护层外围破片防护层的几何尺寸；
(3)对步骤(1)和步骤(2)所确定的几何尺寸下的防爆装置进行冲击波和破片载荷耦合加载，依据防护效果微调冲击波防护层和冲击波防护层的几何尺寸，保证防护效果达到设定要求。
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