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第七章 爆炸冲击伤防护
毋庸置疑,对爆炸冲击伤施以有效防护,其结果必将胜于任何最优良的救治。据美国陆军外科研究所近十年数据,伊拉克和阿富汗战场共有4 596名美军死亡,其中73.7%是爆炸伤,87.3%的伤员在到达医疗机构之前死亡,有幸收治入院的伤员伴随多种复合损伤,现有救治技术常难以奏效。中国近些年(2000年1月—2017年4月)来,仅国家安监局报告的生产作业爆炸事故达2 098起,死伤29 579人,平均每3天发生一起爆炸事故。因此,降低爆炸冲击伤致死、致残率、促进伤员后期康复的明智选择重在防护,其中以冲击波作为始动致伤因素是爆炸冲击伤防护的关键所在。在爆炸冲击波的巨大能量传递中,有效防护的核心要素就是如何避免或减少人体对冲击波及其裹挟因素负载能量的迅速吸收。从中国传统哲学思想分析,遵循以柔克刚、生克制化、趋利避害、防患未然的应对策略,对爆炸冲击伤防护有重要价值。本章节从冲击伤诊治角度思考冲击伤防护现状及其现实需求,并结合冲击伤防护材料与装备研发现状,探讨爆炸冲击伤防护策略的精准性和适配性,旨在为我国爆炸冲击伤防护提供有益的借鉴和启示。
第一节 爆炸冲击伤防护历史与现状
爆炸冲击伤防护与中国四大发明之一火药密不可分,早在西汉初年我国已发明黑火药,以火药为原料的各种爆炸物构成冲击伤最初的致伤源。在随后的数千年历史变迁中,战争和非战争性爆炸此起彼伏,生生不息。人类对爆炸冲击伤的防护最初是从伤死的恐惧和悲痛中,不断生起警惕戒备意识,在可能发生爆炸的场所,想方设法将易燃易爆物品加以隔离、遮挡。战场或冲突环境下,盾牌、头盔、铠甲等屏蔽装备构成了爆炸冲击伤防护的雏形。因此,人类对爆炸冲击伤防护始于战争或矛盾冲突,是在警惕爆炸、远离爆炸、屏蔽遮挡、兵器防御过程中,一种逃避死伤,保全生命的本能。
在近代,特别是诺贝尔发明炸药后,炸药作为高能武器和生产爆破的主要内容物,在世界范围或局部军事冲突、恐怖袭击、生产作业中,得到广泛应用。同时,采矿工业用炸药和矿井内瓦斯爆炸伤亡中,冲击伤亦占有相当比例。然而,爆炸冲击伤防护由于科学技术发展的局限性,对爆炸冲击伤的致伤机制不甚明了,防护材料和装备上也未能获得有效提升,因此,在近代的社会动荡发展中,有限屏蔽、主动隔离以及被动逃避仍是防护爆炸冲击伤的被动之举。
第二次世界大战结束后,特别是近半个世纪以来,虽然世界范围没有大规模战争,但由于局部冲突、爆破作业、恐怖袭击以及易爆危险品失控性爆炸,可造成严重的无防护或防护不及的爆炸伤亡事故。目前,世界上多个国家拥有核武器,核爆炸产生的强烈冲击震动,能够严重破坏深达数百米的地下工程,爆心及附近人员难以幸存,远离爆心人员因伤亡情势不一无疑是防护的目标人群。近十年来,严重爆炸事故在国内、外呈逐渐增多趋势,但针对爆炸冲击伤更多集中在诊治水平的渐进提升方面。对于爆炸冲击伤的防护虽已进行了积极探索,并在实验研究方面积累了许多数据,人类逐渐认识到,爆炸发生时,环境条件不同,受伤靶器官不一。由于冲击波超压(overpressure)、负压(underpressure)、动压(dynamic pressure)、噪声和震动等复合因素存在,伤情轻重不同。因此,对于爆炸冲击伤防护,其本质就是探寻有效措施以实现爆炸冲击能量的转换和耗散。既往有采用石膏鞘、橡胶服、棉服、耳塞等。按照以人为本的思想,防护工事的构建已充分考虑到作业人员的防冲效能,有效避免了物在人伤、人亡的情况发生。同时,对于防护部位的划定和爆炸现场人员抗爆体位均有研究,且基于实验研究和数值模拟,在防护材料、防护装备以及防护策略的理论跟进和深度挖掘上均有显著加强。特别是近年提出的各类隔冲耗能措施,削峰弥谷、转动为势、化大为小的防护原则,进一步推动了防护意识的加强、防护材料的革新,以及防护手段的提升,这对于相当长的时期内,在尚无法杜绝爆炸事故发生条件下,无疑具有重大理论价值和现实指导意义。
第二节 爆炸冲击伤防护要素
爆炸冲击波对人员的杀伤,分为直接杀伤和间接杀伤两种。所谓直接杀伤,就是人员受到冲击波的作用(超压、负压、动压、噪声、震动)致伤(表7-1);所谓间接杀伤,是冲击波作用于各种建筑物及物体,使建筑物倒塌,或被冲击波抛掷的各种物体,如武器装备、砂石、砖瓦、碎玻璃等造成的机械性损伤。此外,爆炸发生时,有时还会伴随热原或化学性损伤,其对于冲击波致伤的叠加或协同效应,不容小觑,同样是防护的重要因素。总之,为了防止或减轻冲击波对人体造成的伤害,须采取有效措施,确保在一定的距离内冲击波超压和超压作用时间降低到人体安全的临界阈值以下。
表7-1 爆炸冲击伤防护相关物理参数
近年临床爆炸冲击伤诊治经验表明,非战争性爆炸伤员伤情往往千差万别,由于掺杂复合因素(合并破片、烧伤和异物碰撞、压砸等),伤情复杂,救治难度较大,愈复周期长。其根源在于冲击伤暴露时,在无法控制爆炸物当量时,机体缺乏有效的综合性防护措施,少数有防护措施的伤员在爆炸后,对伤情诊治由于缺乏对冲击波暴露时的量化评估参数(爆炸冲击波超压值、压力作用时间、累积爆炸频次等),对伤员伤情难以做出量化评估。因此,如何做到主动有效防护冲击伤,并获得爆炸冲击伤暴露时个体化参数,是防护爆炸冲击伤的关键问题。
基于以上因素,可以认为,爆炸冲击伤防护涉及物理、化学和生物致伤三方面。从防护的普适性和迫切性上,依次需要做好冲击波超压和动压防护、破片防护、机械压砸和碰撞防护、热源、化学毒气、辐射损伤防护等。在满足以上基本防护需求基础上,需要进一步考虑防护材料的自我修复、智能预警、隔热阻燃、防御细菌和毒素、抵抗辐射、耐受腐蚀等,最后,在实现以上性能基础上,防护材料及装备的可穿戴性,即重量、舒适度等也是需要谨慎斟酌的问题。
第三节 爆炸冲击伤脏器防护
一、易于受损的脏器
爆炸冲击伤受累脏器极为广泛。既往认为,机体在冲击伤暴露时,以空腔脏器(肺、胃肠道等)最易受损,其与空气交通的含气特性决定了气体压力性损伤易于发生。因此,大量实验结果提示,空腔脏器是爆炸冲击伤防护首先需要考虑的器官。其次,听器和眼部由于与空气接触也是易于受损的靶器官。第三,由于爆炸冲击伤的复杂物理特性以及人体组织结构的异质性,加之冲击波往往合并其他致伤因素,因此,实体脏器损伤并不鲜见。大量研究证实颅脑由于复杂的解剖结构,爆炸冲击波可能在颅脑内部形成气穴或微泡,在内爆效应等机制作用下可能造成脑实质损伤,同时,冲击波动压引起的颅脑位移、抛掷或碰撞,进一步加剧颅脑损伤。因此,颅脑是原发性和继发性冲击伤毁损的主要靶器官之一。其他实体脏器(脾、肝、肾、肾上腺、胸腺、心、眼等)损伤也时有报道,因此,对于冲击波暴露,机体防护的核心部位集中在颅脑、胸部和腹部,对于听器、眼部和肢体其他部位的防护,由于多属冲击波非致命性损伤部位,采用基于有效材料的协同防护措施往往可以取得满意效果。
二、颅脑冲击伤防护
目前对于各种因素所致颅脑冲击波暴露,多停留在伤员发现损伤或出现神经精神症状后被动就医,寻求诊治。至于伤员发生颅脑损伤过程中究竟遭受怎样的冲击波暴露,尤其是肉眼未见破损但已经出现脑功能紊乱的冲击波暴露伤员,如何实现颅脑冲击波损伤量化评估迄今尚未引起足够关注。在爆炸事故发生后,医疗机构尚无法获取颅脑爆炸冲击伤动态致伤数据,因此,无法对颅脑冲击伤尤其是低强度、反复冲击波暴露的伤情与致伤压力之间做出量效和时效关系的判断,在颅脑冲击伤伤情判断和治疗上也难以实现个体化。有鉴于此,在平战条件下探寻有效防护措施的基础上,研发颅脑附近的“黑匣子”以准确评估伤员遭受冲击波暴露的强度和频次,对于客观评估冲击波致颅脑损伤伤情、预后,改善神经精神症状、促进伤员脑功能康复具有重要诊断学意义。
目前,对冲击波致颅脑损伤的评估涉及脑功能生理指标变化以及相应的评分方法(如Glasgow评分)。其中生理功能异常主要涉及意识、记忆力、损伤时精神状态改变和/或灶性神经受损。伤员的主诉有时较临床诊断指标异常更为复杂多变,特别是许多伤员临床影像诊断等并未发现异常,但神经精神症状已经出现并持续存在,甚至可能出现自伤或伤人等严重后果。究其原因,除受特定场景(如战场人员死伤)等刺激外,目前认为主要原因极可能是频繁或一定强度的冲击波累积性暴露所致的脑功能病变。因此,在伤员出现临床颅脑病变征象之前,实现动态监测颅脑冲击波暴露的强度和频次是平战条件下颅脑冲击伤评估和防治的先决条件。既往冲击波监测主要采用进口装备,其主要局限性包括:主要针对准静态设施和固定动物的爆炸冲击波监测;体积偏大,难于随身携带;抗干扰性能较弱;监测爆炸冲击波量程与遭受冲击伤的存活伤员颅脑冲击波暴露阈值有较大偏差;受伤个体(平民、作业人员)遭受颅脑冲击波损伤时监测设备位置不确定(即是否靠近身体、在身体的相对部位)。因此,检测数据会因冲击波与设备中间介质的不同而有较明显的数值偏倚,难以客观反映人体颅脑部位遭受的压力强度;此外,研究数据表明,10%~50%的创伤性脑损伤伤员患有眼科疾病。伤员会出现视物模糊、感觉迟钝、复视、眼痛、阅读困难、头疼、视野狭窄等症状。赫希数据表明,当冲击波超压达到34kPa时,快速和缓慢上升冲击波对鼓膜损伤发生率分别接近96%和65%。
因此,考虑到爆炸或施工爆破现场的实际,动态监测颅脑冲击波暴露的装置至少必须满足以下条件:第一,颅脑防护装备(如头盔)能够对监测装置有良好的兼容性,即头盔能够容纳冲击波监测装置;第二,监测装置必需体积小巧,便于携带或嵌入颅脑防护设备中;第三,能够满足防水、阻燃条件下颅脑冲击波检测需求;第四,能够承受密闭和开放环境中不同压力强度的爆炸冲击波;第五,脑防护装备(如头盔)设计应进一步拓展眼部、耳部、颌面部区域,理想的装备应该是不影响作业、作战效能的颅面全防护构型。
三、胸腹冲击伤防护
对于胸腹部冲击伤防护,与颅脑冲击伤防护装备类似,除须重视预警性能外,对于防护装备面积、材料和辅料等方面都均需重点考虑。
一方面,鉴于肺是冲击波暴露最常见的靶器官,因此,既往研究采用了胸带装置。利用胸带限制胸廓扩张,或采用充气袋既限制胸廓扩张又试图削弱肺内气体膨胀等原理,探讨其对肺冲击伤伤情的影响。胸带防护组采用胸带包绕动物胸部。胸带由强度高、弹性差的单层尼龙布制成,制备成扇形面,以适应胸廓上细下粗的形状。胸带下缘与肋缘平齐。结果发现,胸带和充气袋防护组动物的肺表面出血面积、肺体指数(肺湿重/体重)均明显低于单纯致伤组,以充气袋防护组效果最好。说明用胸带限制胸廓过度向外运动的惯性,降低肺组织的张应变,可以明显减轻肺冲击伤,由此进一步反证了“过牵效应”在肺冲击伤发生机制中重要作用。同时基于上述结果,提出以下肺冲击伤防护装备原则:
(1)应使用强度高、弹性低的软质材料,以保持一定的紧张度;
(2)防护应为软防护,以气体为主要成分防护效果较好;
(3)胸廓下缘是重点防护部位,可以较好地限制胸廓扩张,因此,防护装备不必很宽,可制成带状。
另一方面,研究发现,由于冲击波暴露时,腹部在冲击波压力作用下,对膈肌上方的胸腔产生显著应力传导,在佩戴胸部防护装置条件下,仍有相当应力波通过腹腔向胸腔传布,并对肺脏产生毁伤效应。因此,为保证爆炸作业安全性,研制胸腹连体防护装置较单一胸部防护装置(如胸带)可能更具防护价值。由于现今颅脑冲击伤致伤机制尚未完全阐明,在冲击波暴露时,是否有胸腹部冲击波应力通过特定途径(循环系统、体腔)对颅脑产生应力损伤,尚待深入探究。但从冲击伤诊治角度分析,至少胸腹部应该作为一个整体予以防护,单一部位防护装备很可能造成顾此失彼,降低冲击波防护效能。同时,为满足临床诊治需求,鉴于部分冲击波暴露伤员发生意识障碍,难于准确或无法提供急救必需的基本生命体征信息(如血型、体重、年龄、过敏史等)等实际情况,防护装置在智能化(如采用柔性可穿戴健康传感器)方面,除克服现有冲击波压力和时间监测的静态设置环境限制,提升爆炸冲击波在特定颅脑区域数据响应的精确性和灵敏度之外,配置存储芯片内可以固化伤员的上述基本信息资料,以确保伤员在急救第一时间获知必需诊断信息,赢得宝贵救命时机。
第四节 爆炸冲击伤防护材料
在爆炸冲击伤防护装置研发中,不仅要筛选有效的防护材料,特别是针对高峰值、短时程、宽频带冲击波的复合材料,还应基于材料组合构建科学的防护结构,包括材料的厚度、排布顺序以及复合方式等内容。其核心目的在于高效控制直射弹侵彻和爆炸冲击波超压所产生的应力波的传递,使其携带的能量在厚度与质量有限的防护层中实现吸收和耗散,这正是减少冲击波向身体传递能量的关键。
一、材料组成
爆炸冲击伤防护材料是在人体和冲击波之间设置的介质层,理想的爆炸冲击伤防护材料应能够抵挡和削弱冲击波对人体的直接作用。通过有效分散冲击载荷(blast loading);吸收冲击及相关(破片、热原等)能量产生防御作用;考虑到机体对防护材料的安全性和舒适度需求,材料本身在爆炸冲击时对人体应力尽可能小;且防护材料加工的穿戴防护装置应不影响人员正常作业。因此,筛选满足以上条件的爆炸冲击伤最佳防护材料是医学、材料学和生物力学领域持续关注的科学问题。
早年研究表明,以石膏、塑料等材料对空气冲击伤有一定防护效果。随后,以人造革、泡沫塑料、橡胶、发泡镍、泡沫铝(aluminum foam,ALF)、橡胶、聚氨酯(polyurethanes)、聚脲(polyurea)和聚氨基甲酸酯等材料对抗冲击波,都有一定的抗冲击减压效能,并可降低动物伤死率。Phillips等曾将Kevlar(芳纶纤维)防弹背心用于冲击波防护,结果不仅不起防护作用,反而加重冲击伤伤情(表7-2)。
表7-2 爆炸冲击伤防护材料性能比较
研究还发现,泡沫材料是冲击波防护的重要候选组分之一。加拿大学者Philip A针对不同爆炸冲击状态下头部佩戴头盔后的受力状态数值模拟分析研究。建立了“盔壳-泡沫减震层-头部”的数学模型。通过不同泡沫材料参数分析认为,金属泡沫铝是一种理想的泡沫减震材料,因密度较小且有一定强度,并具有独特的泡孔结构在受到冲击时能够吸收大量能量。高密度泡沫铝的冲击波衰减系数比低密度泡沫铝大。不足之处是金属泡沫铝会影响防护装备佩戴的舒适性。另外,美军Natick中心研究人员通过对多种泡沫材料在较高应变率下的动态压缩性能研究证实,同一种泡沫材料针对不同波形冲击波超压具有不同的能量吸收(energy absorption)特征,特定结构的泡沫材料对某一波形的冲击波超压具有最优的能量吸收和耗散能力,但对其他波形冲击波则不理想,甚至可能增加胸壁变形速度,加重冲击伤伤情。同样,美国海军研究中心以聚脲/聚氨酯弹性体为主的聚合物能量耗散(energy dissipation)研究也显示了类似规律。因此,以上材料防冲击波的非普适性提示,基于基体材料的改构或改性(如多结构相的聚合物)、辅料添加或与其他匹配材料的拼合可能有助于提升材料性能,实现对宽频段冲击波超压的防护。
近年来,选择复合材料(如发泡镍、铝合金和海绵组合、聚脲-聚氨酯、聚脲-弹性纤维、聚脲-玻璃纤维、沸石吸收/微纳流控技术等)因其对冲击波的俘获中和效应受到广泛关注,逐渐成为冲击伤防护的研究主流,特别值得关注的是,美军研究发现,聚脲是一种理想的冲击波防御基体材料。美国空军早年曾在建筑物墙体包被数毫米厚度的聚脲,以对抗破片损伤。陆军军医大学野战外科研究所通过生物激波管实验证实,聚脲材料对大鼠肺重度冲击伤有良好的防护作用(图7-1)。
图7-1 聚脲材料对生物激波管致大鼠肺冲击伤的防护作用
在相同爆炸载荷作用下,无论变形或能量吸收上,聚脲弹性体夹层(polyurea elastomer interplayer)均优于无夹层和橡胶夹层的防护材料。从化学结构分析发现,聚脲是一种玻璃态转变温度(Tg)-60~50℃的嵌段共聚物,易于喷涂到铸造金属或其他材料表面,其力学性能受温度、压力和应变率的影响。聚脲包被材料的冲击抵抗涉及在高形变率载荷条件下,橡胶样状态向玻璃样状态的转化,以及冲击阻抗错配(shock impendance mispatch)、应变离域(strain delocallization)和破裂模式转变等。目前主流观点认为,聚脲包被材料防护冲击伤机制涉及冲击波耗散和弹道防护两方面。其中,对于冲击波耗散主要受到聚脲硬段的控制,包括:①冲击波诱导硬段有序化,冲击减轻幅度与硬段体积分数成比例。②冲击波诱导硬段结晶/致密化。这种微结构的变化导致冲击波动能的吸收耗散。③冲击波诱导氢键断裂形成。即冲击波使微结构相-尿链双齿状氢键断裂并重排,在硬段内形成更多的氢键,因此吸收耗散冲击波动能。④硬段和软段基质界面区域黏弹性应力松弛。⑤冲击波捕获和中和。弹道防护机制观点认为,软性基质发挥主要作用。关键是聚脲在高应变率条件下从橡胶态向玻璃态转变以达到耗散弹道能量的目的。而且,黄微波等通过比较研究证实,结构稳定的聚脲的力学性能(拉伸强度、断裂伸长率)明显优于聚氨酯。扫描电镜显示,聚脲微结构较聚氨酯更加平整致密。该类聚合物材料抗压强度高、抗拉强度低、高能量耗散,具有蝙蝠状屈服轨迹和拉伸缝隙屈服机制的基本特性。如果掺入其他材料可以改变材料的拉伸空隙现象,如橡胶颗粒的夹杂,可以稳定现有空隙,使其不至于形成裂纹,大大增强材料的韧性和抗冲击性能。同时,该类聚合物通过化学改性、纳米改构,力学和物理性能显著增强,特别适用于多频段范围内转向、捕获和耗散爆炸冲击波。目前,国内已形成成熟的聚脲喷涂技术,为材料改性、改构奠定了良好基础。
此外,麻省理工学院研究人员研发了系列新材料:利用剪切增稠特性的流体进行改性的聚氨酯弹性体、在多层热塑弹性体结构中加入甘油、水等液体构成流体层、采用微米级玻璃微珠以及碳纳米管进行热塑弹性体的改性等。通过这些具有尺度结构单元的聚合物材料在较高应变率下的压缩特性和能量吸收特性研究,证实较常规热塑弹性体材料有更优的能量吸收特性。这些材料对冲击波防护有重要价值。2015年,Grujicic M还提出沸石吸收/微纳流控技术防护冲击波。沸石是微孔固体媒介,由于局限性憎水效应,水分子进入沸石微孔,通过材料致密化和缓流水分子簇形成,实现时相转换,冲击动量线性化,即载荷在靶标上经历更长时间,从而降低峰压和最大加速度。以上研究均提示,爆炸冲击伤防护的核心是对冲击波的有效吸收、耗散和导引,减轻机体接受冲击波作用的冲量值,包括减低超压峰值和压力作用时间、延长压力上升时间等。
事实上,爆炸冲击波的波长在微米到毫米量级,从力学角度分析,对于振荡的应力波,小尺度材料感受是平的,而非凹凸不平,用若干小尺度线段材料能够捕获、耗散一个波长段的应力波波动。因此,选择耗散或吸收冲击波的材料尺度一般比其波长低一个量级,即在数百纳米到数百微米量级。如战场爆炸冲击波,其波长在10μm~1mm,频率在2~200MHz,设计的软涂层、硬、空心、细长夹杂物、压电与磁致伸缩夹杂物的相应尺度在1~100μm范围,可以缓解、转向和吸收爆炸冲击波。对于波长低于10μm、频率超过200MHz的冲击波,如果材料尺度低于1μm(纳米尺度)即通过填充功能化纳米夹杂物或控制分子的尺寸、移动性和电性质,可在冲击波前端捕获和耗散在纳米尺度分子、原子的机械能,以缓解、转向和吸收爆炸冲击波。因此,能够发挥有效防御效能的材料往往符合多尺度多结构相聚合材料特性,这也是冲击波防护材料的筛选的重要原则。
二、材料结构
迄今,国内外开展了大量关于抗爆炸、冲击材料复合结构的设计和研究,从材料组成结构及其对性能影响的规律分析,具有防御爆炸冲击波的材料涉及以水泥混凝土、金属、有机材料等基体材料组成的复合结构。研究发现,使用单一材料作为抗爆炸、冲击的防护结构,很难实现既减少高速冲击载荷对结构的破坏,又有效衰减冲击波的目的。通过外层采用高强度材料,夹层为缓冲吸能材料的多层材料复合结构可以达到抗爆炸、冲击性能的目的,即通过刚性材料和柔性材料的组合实现的抗爆炸、冲击效果,组合体可以发挥单体材料优势,达到取长补短,增强抗爆效果的目的。高强材料主要有各类高强度混凝土、金属板材等,夹层材料主要为多孔材料或各类柔性材料。
(一)两层材料组合结构
1.钢板-钢筋混凝土组合结构
在混凝土板的后方安装一块薄钢板,由于膜力效应而明显减小其侵彻深度,尽管在混凝土内部仍有损伤破坏,但是不容易发生震塌或崩落现象。压型钢板-方钢管钢筋混凝土组合结构能够降低结构变形,防止底部混凝土过早开裂,同时具有较高的强度储备,是一种比较理想的抗爆炸防护结构。
2.泡沫铝-钢筋混凝土板组合结构
对泡沫铝-钢筋混凝土板组合结构进行抗爆炸冲击研究发现,随着泡沫铝防护层厚度的增加,钢筋混凝土板的挠度变形显著减小,受到的冲击加速度幅值衰减较大,泡沫铝防护层能够有效提高钢筋混凝土板的抗爆性能,且其厚度存在一个合理的设计值。
3.泡沫铝和普通钢板组合结构
将泡沫铝和普通钢板组合起来作为一种新型防护结构,与普通钢板防护门相比,其峰值压力大幅度降低,泡沫铝能有效地降低爆炸冲击波的峰值压力。利用自行设计的瓦斯爆炸实验管道,对不同参数的金属丝网、泡沫陶瓷及二者组合体的抑爆效果分别进行实验研究,结果表明组合体衰减爆炸超压效果优于各自单体,防爆材料的损坏程度明显降低。
4.聚脲和普通钢板组合结构
聚脲包被的厚度和位置与防护效果密切相关。即包被位置在板材的表面,朝向冲击波时,防护作用差,而在板材的背侧,背向冲击波,厚度适当且不增加重量条件下,对冲击波有良好的防护效果,可显著减缓冲击载荷的瞬时效应。
5.钢管-填充组合结构
采用有限元软件分析3种不同夹芯圆筒在不同爆炸载荷作用下的动力响应和5种不同夹芯圆筒的抗爆性能,发现夹芯圆筒都优于相同重量的实体圆筒;对于夹芯圆筒,内面板厚度应不大于外面板厚度,这样能在降低夹芯圆筒整体变形的同时发挥泡沫铝芯层的吸能优势。有研究对不同壁厚的钢管泡沫铝填充结构进行了数值模拟,并和经验公式计算结果对比,发现水下爆炸冲击波压力值和经验公式计算值二者接近,随着壁厚的增加,钢管抗变形能力提高,泡沫铝中的压力和动能不断减小。程涛等采用数值模拟方法研究了低密度泡沫铝填充薄壁方钛管和圆钛管在匀速冲击载荷作用下的瞬态吸能特性,发现泡沫铝填充方钛管的吸能效果好于圆钛管,被泡沫铝填充的方管的屈曲波长变短,圆管则与之相反。程涛、罗昌杰等将泡沫铝填充在多边形金属管中进行研究,发现金属壳起主导作用,不同的几何形状和结构对填充管的能量吸收率及吸能分布有显著影响;随着壁厚的增加,泡沫铝吸收的能量越来越小,因此在设计钢管泡沫铝组合结构时,需要设计合理的壁厚来实现钢管和泡沫铝都发挥其最大抗力。
通过对蜂窝增强泡沫塑料进行准静态压缩试验,计算不同参数的应力-应变曲线,结果表明,在相同条件下,所有复合结构的应力均大于蜂窝与泡沫塑料的应力之和,随着蜂窝孔格边长的减小和试样厚度的增大,复合效应更加明显;在此基础上建立了蜂窝增强泡沫塑料复合结构的仿真模型。
6.泡沫铝填充柔性材料组合结构
(1)泡沫铝填充环氧树脂:
将硅橡胶改性环氧树脂填充到泡沫铝中,该复合材料具有非常好的吸能特性,可作为一种新型的高性能吸能防护材料。通过静态压缩试验证实,此时泡沫铝的平台屈服阶段明显抬升。
(2)泡沫铝填充硅橡胶:
有研究以硅橡胶填充开孔泡沫铝,以铝管和钢管为面板制备层合管,研究发现该复合结构具有更高的屈曲褶皱载荷,并使屈曲褶皱的产生滞后,平台区更长,因而其吸能性能得到了提高,且层合钢管结构比层合铝管更明显。
(3)泡沫铝填充聚氨酯:
在开孔泡沫铝中填充聚氨酯后,其屈服强度和压缩应变量显著增加,而且应力应变曲线出现明显的抖动;随着应变的不断增大,应力也逐渐增加。有研究利用霍普金森装置进行了0.3MPa、0.4MPa、0.6MPa三种气压下的动态冲击实验,通过对吸能曲线和理想吸能效率曲线的分析,发现其吸能特性有了很大程度的改善。杨益等发现利用聚氨酯泡沫铝、聚氨酯蜂窝纸板这样的缓冲材料作为吸能层,也可以有效防止或削弱冲击波。
(二)三层材料组合结构
三明治结构由良好的屈曲硬度/重量比和强度/重量比,是潜在的能量吸收结构。具有管状核心的三明治材料对抗冲击载荷与碰撞性能良好。通常此类结构由两层高强度薄面板和中间承载能力相对较弱的轻质柔性芯材通过焊接或胶接而成,面层通常采用铝、铜、钢等金属材料,陶瓷、硬塑料、玻璃钢等,芯材通常采用泡沫塑料,波纹金属薄片,蜂窝金属薄片、聚合物、石棉等。调整上下面板的距离,可增大结构的截面惯矩,提高弯曲刚度,使面板在承受应力时能较好地保持弹性稳定性。芯材形式有泡沫、蜂窝、八面体网架、棱柱、波浪形等。其中,泡沫和蜂窝是应用最早且最广泛的两种形式,而桁架、四棱锥和折板等在轻质、导热性能上具有独特的优点,而点阵结构、六角凹孔网状蜂窝则是近年来兴起的新一代多功能材料。
1.中间为多孔材料组合结构
在多孔材料两面组合高强度材料,形成复合抗爆结构,实现防冲击、防爆和衰减冲击波的功能,当爆炸冲击波作用到复合结构时,多孔材料产生塑性变形被压实,能够大大地削弱应力波的强度。
(1)金属多孔材料:
泡沫铝夹芯材料不仅具备高的抗冲击能力,还具有一定的抗侵彻能力,其抗侵彻性能主要取决于面板的强度以及面板和芯材的结合强度,国内外学者对不同面板的泡沫铝夹芯材料的抗侵彻性能进行了大量研究。通过理论分析泡沫铝三明治板在单位冲量下,结构的变形量及其他相关物理量与结构几何尺寸、材料属性之间的定性关系。有限元软件分析了面板厚度、芯层厚度、芯层相对密度及不同子弹形状对夹芯板抗侵彻性能的影响,以及能量耗散机制,以及数值模拟方法分析面板材料分别为工业纯铝与不锈钢的泡沫铝夹芯梁在不同爆炸荷载作用下的跨中位移与芯材压缩应变的差异,发现面板材料对泡沫铝夹芯梁的压缩应变影响较小。通过对不加任何保护层、仅加一层钢板保护层、加钢板和泡沫铝复合保护层三种结构在爆炸冲击荷载下的空气冲击波超压特性进行数值模拟,以及从变形模式、运动响应和吸能特性等方面对比研究6种夹层结构的动态响应特性,发现铝泡沫芯材密度对夹层结构的动态响应影响较大。研究采用数值计算模型研究了爆炸载荷作用下,应力波在泡沫铝夹层三明治板中的传播规律,对其缓冲吸能、衰减应力波特性进行了对比分析,发现在总体密度相同的情况下,梯度结构具有更好的缓冲效果。鉴于多层泡沫铝较单层防护吸能效率更高,通过研究由上下层钢板和中间三层泡沫铝夹心组成的多层泡沫铝夹心板防护效应,发现泡沫铝密度递减结构较密度递增结构的底板横向挠度小,因此,泡沫铝按密度递减顺序排列能够提升整体结构的抗爆防冲能力。
研究发现在不同子弹冲击速度下铝板-泡沫铝夹芯板相对于纯铝板具有不同的破坏形态;有研究等分析了子弹冲量、面板厚度、芯层厚度及不同芯层类型对夹芯板抗冲击性能的影响;通过冲击荷载下铝板泡沫铝夹芯板初始反向贯穿试验,结果表明,泡沫铝主要承受的是局部压应力,在顶板破坏前,泡沫铝产生应变硬化。通过研究铝合金面板-梯度铝泡沫芯体-装甲钢背板夹层结构的抗爆性能,发现芯体密度梯度排布的铝泡沫夹层结构的抗爆性能明显优于等质量的均匀密度铝泡沫夹层结构,多目标优化可进一步提高结构的综合抗爆性能。任新见等对钢板-泡沫金属-钢板叠合成的三明治结构的抗爆机制进行分析,指出波的反射、散射、干涉所引起的边界效应、会聚效应是其抗爆性能得到提高的主要原因。
(2)水泥基多孔材料:
钢板夹芯混凝土组合结构具有结构受力合理、承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好、截面形式灵活、施工快速方便等优点。研究发现泡沫混凝土结构具有明显的吸能作用,随着密度的减小,经过该层后爆炸冲击波峰值应力、应变急剧衰减;其复合防护结构的抗爆吸能是以牺牲泡沫混凝土来保护内层结构的。
(3)聚合物多孔材料:
聚合物泡沫是一种最常见的芯材,主要有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚醚酰亚胺等材料。研究采用胶结方法制备的钢板-高聚物-钢板层压复合材料,结果发现,增加钢板表面的粗糙度和适当加大黏合压力,可改善层压复合材料的成型性。通过用落锤冲击试验研究低速冲击荷载下泡沫聚合物和泡沫金属夹芯材料的动态响应特性,发现泡沫聚合物夹芯结构的破坏模式包括面材剥离、局部出现剪切裂纹、夹芯破碎等几种形式。有研究采用钢筋混凝土及钢板混凝土结构作为上下面板,中间泡沫夹层采用硬质聚氨酯泡沫,来调整爆炸荷载在结构中的分布形式,化局部荷载为整体作用荷载,以达到消减爆炸波减轻结构破坏的目的。
2.中间为蜂窝结构组合结构
蜂窝夹芯板是在两层面板之间夹一层蜂窝夹芯构成;面板一般承受弯曲变形,是主要的受力部位,芯材将两个面层连接成整体,共同承受外载。主要类型有铝面板-铝蜂窝夹芯结构、碳纤维面板-铝蜂窝夹芯结构、玻璃钢面板-玻璃钢蜂窝夹芯结构等。蜂窝纸板结构上下为两层面纸,中间是蜂巢式的空心夹层结构,再在空心夹层中填充聚氨酯泡沫,也是一种新型的复合结构缓冲材料。
Yoshiaki Yasui研究了均匀型和锥型蜂窝夹芯板的动态冲击压缩行为,从吸能角度来看,锥形板效果更好。Dear JP等研究了用片状模塑料、热塑性玻璃毡和蜂窝夹芯板制备的夹芯材料,认为该材料结构可吸收更高冲击能量,具有轻质、刚性高的特点。陈长海等首先利用有限元软件模拟夹层板在冲击波载荷作用下的响应,然后从能量吸收的角度分析夹层板的抗爆抗冲击性能,得到一种优化的夹层板模型。有研究分别对角锥桁架、方形蜂窝和折叠平板三种夹芯平板结构的抗冲击能力进行了比较分析。目前认为蜂窝式夹芯层结构在横向冲击载荷作用下具有稳定的压溃载荷、较长的有效行程,表现出优良的吸能特性;结构密度是影响结构耐撞性能的关键因素,夹芯层高度对结构的耐撞性影响不大。还有研究提出玻璃钢蜂窝夹芯复合材料是制作浅埋抗爆结构的理想材料。
3.中间为异型结构的组合结构
异型夹芯材料具有可控的优化设计能力,可以设计成点阵夹芯、I型夹芯、O型夹芯、V型夹芯、波纹夹芯等结构类型。Zenkert和Burman对相同结构的夹芯板的比强度进行了研究,发现通过增加V型芯材的高度,在夹芯板质量增加很少的情况下,可以明显提高夹芯板的硬度和抗弯强度。D.D.Radford等对由不锈钢锥状夹芯、不锈钢波纹夹芯和泡沫铝合金组成的固定夹芯梁在冲击荷载下的响应进行了研究,试验发现锥形夹芯的夹芯梁抗冲击性能最差,但所有夹芯梁的抗冲击性能都要高于块体梁。有研究建立了3D-Kagome点阵夹芯板在理想冲击荷载作用下的分析模型,经优化设计后的夹芯板是一种刚度更大、抗冲击能力更强、能量吸收与耗散更多的新型轻结构。
金属夹层结构是一类由金属上、下面板以及诸如波纹型、蜂窝型、桁架型等金属夹芯,通过激光焊接技术连接成的一个整体夹层结构。欧美等国已经在其性能、设计、制造等方面开展了大量研究工作;国内在这方面的研究工作目前还未形成体系,在理论计算、试验研究和工程应用上都还存在一定的差距。王果等发现金属基折叠式夹层板具有优良的抗冲击性能,Y型激光焊接夹层板在水下爆炸冲击波载荷作用下,下面板发生膜拉伸变形,夹芯层发生压皱变形,对上面板起到缓冲作用,降低了上面板的损伤变形,改善了结构吸能效率,表现出优良的抗爆性能。有研究进行了方形蜂窝、Ⅰ型夹芯和波纹结构金属夹芯板承受水下爆炸试验,发现响应形式依赖于芯材压缩的相对时间和水中的气穴大小。易建坤等分析了点阵金属夹芯结构抗爆炸冲击过程的理论分析模型、夹芯结构的变形失效形式、抗爆吸能特性和相关影响因素。
4.其他夹层组合结构
有研究提出一种纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)、轻质加气混凝土复合的新型夹层结构,结果表明该复合结构抗弯性能得到显著的提高。田志敏等通过抗爆试验研究了拉筋增强夹芯复合结构的抗爆炸荷载能力和典型的破坏形态。研究还发现,双层钢板夹心水泥纤维板的抗爆性能明显优于双层钢板夹心素混凝土板和双层钢板夹心泡沫板,迎爆面以压碎破坏为主,背爆面以拉伸破坏为主,中间层则出现了“层裂”现象。另外,空气夹层结构也是一种抗爆炸能力很强的结构,在重要建筑结构和人防结构中有着极其重要的用途。
(三)多层组合结构
通过刚性材料与柔性材料的多层复合,更容易实现某种设计意图,但目前将三层以上的材料复合结构进行抗爆炸、冲击试验的研究文献较少,而主要是用于进行抗侵彻试验。有研究模拟了直径为8mm的圆柱形破片对钢/陶瓷/铝复合靶板的侵彻过程,分析侵彻过程中靶板的破坏机制,结果表明在面密度一定时,减小面板厚度,增加陶瓷和铝背板厚度对复合靶板的抗弹性能有明显提高。对于防护服的材料复合结构选择,Ken-An-Lou等提出针对非贯穿性损伤的四层防护结构(图7-2),其中中间两层即阻波层(barrier)和压缩缓冲层(compression)发挥主要的吸收耗能作用。依据此结构,设计了多种材料性能匹配的组合,证明这一组合是冲击伤防护的有效结构模式。
图7-2 针对非贯穿性损伤的四层防护结构
(四)纤维缠绕复合增强组合结构
将纤维缠绕在材料结构表面,能够改变爆炸荷载下结构的破坏模式,明显改善材料的动力性能。横向裹贴不仅约束内部材料结构的膨胀变形,而且其轴向承载力、抗剪切力得到很大提高,在爆炸载荷作用下会出现弯曲延性反应。Tonatiuh Rodriguez-Nikl等用准静态荷载模拟爆炸冲击作用于外包有碳纤维的钢筋混凝土柱,结果表明此时钢筋混凝土柱的破坏形式由剪切脆性破坏变为弯曲延性破坏。哈跃等设计了Whipple防护结构,玄武岩纤维布按不同方案布置在结构中,研究发现其发生击穿破坏时,击穿孔处的纤维束产生的断裂和孔边处纤维束产生的变形消耗和吸收了撞击物的撞击能量。通过碳纤维布与高强玻璃纤维布复合加固混凝土梁的试验,发现2层高强玻璃纤维布与1层碳纤维布复合加固的承载力和延性要比2层碳纤维布加固的梁分别提高7.8%及10.9%,但刚度要比后者低10%。鲍育明等发现纤维布加固可以提高承载力200%,在爆炸载荷作用下,挠度减少40%~70%。
总之,由刚性材料与柔性材料组成的多层复合材料,具有显著的技术优势,能够更容易地实现抗爆炸冲击、吸收能量、隔音、绝热等防护功能结构一体化的设计意图,但是多层复合材料结构在防护结构中的实际应用还较少,这是由于大部分夹芯材料还处于研究阶段,一些功能特性,尤其是动载作用下的响应还不是很清楚,将其应用于工程实践中存在较大的风险;另外,复合材料的性能与芯材和面板之间的连接方式有很大的关系,目前一般采用焊接和粘结的方式,由于芯材和面板材料种类不同,实现芯材和面板之间的牢固连接存在很大的困难,导致结构性能稳定性差。
第五节 爆炸冲击伤防护装备
既往单兵防护装备主要致力于以轻质防护材料高效阻挡子弹和破片的侵彻。近年来,装备研发人员使用了超高分子量聚乙烯纤维、高强对位芳纶以及轻质防弹陶瓷等新型防弹材料,在有效减重基础上防弹或破片性能显著提高。然而,研究表明,常规防弹装备不仅难以抵挡爆炸冲击波的穿透,抵达防护装置表面的冲击波还能以反射叠加形式增强致伤效应。特别对于密闭空间内爆炸,冲击波还会因墙壁和防护装置表面数次反射和负压作用时间延长进一步增强杀伤效应。因此,减轻爆炸冲击波对人体的伤害,迫切需要在不降低防弹性能、重量可控条件下提升材料对冲击波的防御效能。目前,针对爆炸冲击时机体受损脏器或部位,需要不断研发基于理想材料组分、结构的防护装具(表7-3),以满足穿戴条件下对爆炸冲击波、破片及相关裹挟致伤因素的破损杀伤效应。驻伊拉克和阿富汗美军近十年战场阵亡情况表明,减轻(吸收、导引耗散)冲击波和防护枪弹冲击对挽救95.8%死亡伤员有重要价值,而改进爆炸冲击伤防护装备并控制出血是减少死亡的主要途径。
表7-3 爆炸冲击致伤部位的装具防护需求
(一)颅脑防护装备
鉴于爆炸冲击波可能在颅脑内部形成气穴或微泡,在内爆效应等机制作用下可能造成脑实质损伤,需要采用有效材料加强对冲击波颅外的吸收和耗散。同时,冲击波动压引起的颅脑位移、抛掷或碰撞,进一步加剧颅脑损伤。因此,须降低颅脑碰撞时的加速度峰值,防护头盔及配套部件无疑是减轻颅脑冲击伤的不二选择。
我国军用头盔始于以防弹钢为主材的GK80头盔,但冲击波在头盔内壳表面与头部缝隙之间发生多次反射叠加,使超压峰值提高,从而使头部损伤有加重的可能。随后以对位芳纶防弹复合材料为基材研发的QGF系列头盔问世,但以上金属和非金属头盔对爆炸冲击波造成的颅脑损伤防护性能均有待提升。目前。头盔包括防护盔体和悬挂系统。前者以抗弹片贯穿侵彻为主,后者对冲击波导致的非贯穿性损伤防御发挥主要作用。开发具有优良的减震和能量吸收性能的轻质聚合物材料和多层次减震结构是当务之急。有数据显示,我军研制的HYS-1型防冲击头盔,经爆炸试验验证,在中等强度冲击波环境下,能使冲击加速度峰值衰减72%~82%,平均加速度衰减50%~71%,可有效减轻头部冲击伤。此外,坦克帽在一定程度上对颅脑冲击伤有防护作用。
事实上,作战头盔用了几百年时间才从防护刀枪棍棒造成外伤发展到防护弹片损伤头部。从本质上讲,20世纪的大部分作战头盔都是为在战壕或散兵坑作战设计的。在战壕和散兵坑里,弹道威胁大多是来自上方。直到最近几年,由于战斗性质改变,战场外伤的类型发生了变化,越来越多的士兵患上了由钝力、爆炸或子弹冲击造成的头外伤和创伤性脑损伤。其中,大量恐怖袭击或路边爆炸采用的简易爆炸装置(improvised explosive device,IDE)屡见不鲜。根据美国陆军在2009年的报告,部署到伊拉克某旅战斗队虽然全部装备有防弹头盔,但所有3 973名人员中有1 292人受过伤,其中有907人(22.8%)经临床医师确诊患有创伤性脑损伤。多数情况下,这些受伤人员会患上战后头痛和/或头晕,随着时间推移还会出现烦躁易怒现象和记忆问题。因此,迫切需要对此类爆炸冲击伤提供更好的防护,并考虑解决因头盔边缘与防弹背心之间部位缺乏防护遭受的损伤问题。因此,外军装备研发部门基于战场伤亡数据反馈,目前倾向于使用头部全防护装置,包括具有防破片性能的护目镜和护颌,以有效减轻冲击波对眼部和耳部的伤害。同时,对于进入头盔的冲击波,全防护还减少了在头颅周边腔隙产生的反射叠加波致伤。
直到最近,外军配发给前线部队的普通头盔仅能在某些时候提供对高速子弹的有限防护。而以更轻的重量改善头盔的冲击/爆炸防护性能尚无法解决。目前,外军提出研发基于头盔的综合头部防护系统。这种头盔拟采用模块化设计,可加装一些附件组件,如夜视系统、眼部和下颌防护系统,以及用于防护更强的爆炸/弹道冲击的附加装甲层等。
在英国,Mk.6型作战头盔由NP航空航天公司制造,其设计是在20世纪80年代中期引入的,在钝性外伤的防护方面,这种设计大大优于当时的其他很多头盔。该公司采用人体工程学重新设计的Mk.7型头盔延续了Mk.6型头盔优点,包括大量使用内部垫料和颅盖型的支撑框架。从2009年开始,为满足紧急作战的需求,在阿富汗服役的部队配发了Mk.7型头盔。
NP航空航天公司设计了模块化的AC900/ICH(综合作战头盔)模型,解决了从头盔下缘到防弹背心之间的暴露部位颈部大血管、脑干生命中枢和颈部脊髓提供防护的问题。AC900/ICH提供了下颌保护装置和全脸面罩两个配件,配件的固定方式设计独特,安装面罩的支架也适合安装夜视装置。获得专利的多轴向壳体结构使AC900/ICH在不降低防护水平的情况下重量减少了10%,这有助于抵消安装下颌保护装置后增加的重量。
美国陆军2011年2月初宣称正在寻求一种改进的作战头盔设计——增强型作战头盔(enhanced combat helmet,ECH),这种头盔的防弹能力超过了先进作战头盔(advanced combat helmet,ACH)。先进作战头盔于2003年首次大量配发部队,目前仍在战场上使用。尽管表面看来增强型作战头盔与其要替代的先进作战头盔区别不大,但据士兵防护及单兵装备(soldier protection and individual equipment,SPIE)项目主管说,两者在性能上的差别非常大。增强型作战头盔要比目前美国陆军大多数部队配发的头盔稍厚,但重量略轻。据称,增强型作战头盔在头部防护能力特别是在头部免遭弹片伤害方面有了巨大飞跃。根据研究数据,增强型作战头盔要在防弹性能方面比先进作战头盔至少提高35%。因此,增强型作战头盔有在减少创伤性脑损伤方面发挥作用。
增强型作战头盔由Ceradyne Diaphorm公司制造,被称为“防御者”无缝防弹头盔(seamless ballistic helmet,SBH),这种头盔使用了专利的热塑复合材料头盔成型技术,改善了对弹片和轻武器的防护效果。据厂家介绍,美军的作战头盔终于可以阻挡步枪子弹了。据称,头盔壳体所采用的无缝防弹头盔技术来自一种多层层压材料,使用这种材料无须切割或缝合任何单层,壳体成型后的所用的层压材料几乎没有折叠,这就保证了壳体性能和厚度的一致性。Ceradyne公司还声称,把热塑复合材料作为制作增强型作战头盔主壳体的材料不但提高了壳体的防弹能力而且还对工艺产生了很大影响。预计在海水、温度骤变、高空、盐雾和室外等作战环境下这种头盔的性能也不会降低,这是由制造头盔所用材料(尤其是头盔主要部分采用的热塑树脂和纤维材料)的类型和化学性质决定的。
在加拿大,加国防部已经开始试验“士兵综合头戴系统”(soldier integrated headwear system,SIHS),该系统的一个组成部分就是“先进模块化多重威胁防护头戴系统”(advanced modular multithreat protective headwear system)。从2007年开始,加拿大国防部国防研究开发小组就在开发和改进作战头盔,弥补防护上的空白(例如对头盔和防弹背心之间部位的防护)并提供对面部的保护,不但要防护子弹的威胁还要防护爆炸冲击波的威胁。
2011年11月,士兵系统集成集团(soldier system integration group)的马克•拉特利(Mark Rutley)曾谈及,先进模块化多重威胁防护头戴系统的头盔是一个模块化系统,包括一个内壳、一个防弹外壳、一个下颌保护装置、一个面罩和一个颈部保护装置。在最近的试验中,加拿大所做的工作是把士兵和新的头盔设计放到尽可能真实再现的作战环境中,以测试先进模块化多重威胁防护头戴系统概念的表现,确保设计真正有效。这种装备(模块化头盔)的优点是可以根据每次任务的需要进行改造。根据不同任务的需要,展开后勤行动时可以使用基本型头盔,而作战时则可使用提供最大防护的下颌保护装置和面罩,以有效防御轻微钝性损伤(mBTI)和面部损伤。
加拿大防弹眼镜制造商视威迅军事公司(revision military)(目前该公司在向很多北约国家供应作战用眼睛保护装备)把业务扩展到了模块化头盔领域,希望能够满足国家的需要。该公司曾在伦敦2011国际防务展(DSEI)上公布了革命性的BATLSKIN模型。随后,视威迅军事公司新的全集成模块化设计以BATLSKIN为基础,集成了外伤衬垫、通信系统、抬头显示器、防化学、生物、放射和核面具、增强型夜视镜,并且配备了可选的面罩和下颌保护装置来提供对钝力、爆炸和子弹更好的防护(相对于仅有头盔壳体)。基于对头部保护系统的广泛研究与开发,视威迅军事公司新式头盔和头部保护系统能帮助减少脑部损伤,重量更轻,并且能够提供优良的防弹能力。因此,基于新材料和新程序迭代,通过持续不断地设计、开发和演示供乘车和徒步士兵使用的可扩展模块化头盔系统,旨在提供比目前头盔更好的冲击防护能力并整合电子设备和电力供应,也可使士兵定制自己所需防护的水平,根据不同任务需要的操作装备。
美国陆军纳提克(Natick)士兵研发与设计中心的项目工程师Don Lee表示:“目前的情况是尚未采用以士兵为中心的设计原则把头部防护和功能能力设计成一体化平台,这妨碍了对重量、平衡性和集成子组件的优化。”在谈到视威迅军事公司头盔研发时,他说:“这个开发合同支持头盔电子设备和显示系统——可升级的陆军技术目标(upgradeable army technology objective),预计会开发一体化的头盔系统技术,包括升级的子弹和冲击防护,集成防化学、生物、放射和核功能的面具,全脸防护以及向士兵和陆战队员提供可操作信息的集成抬头显示器和传感器输入端。研究期待最终产品是一些工具和技术,使功能不断拓展、优化的头盔系统在战场爆炸冲击环境中发挥关键防御作用,这些系统能够提供更好的头部保护并考虑到增强的态势感知,从而提高任务效能,使官兵在战场上拥有决定性优势。
(二)胸腹防护装置
躯干防护器材主要是研制冲击波防护服,其目的是阻挡或削弱冲击波对人体胸腹壁的直接作用,从而减轻冲击波对内脏的损伤。20世纪80年代,美军对Kevlar防弹背心进行过冲击波防护效果实验。结果发现,由于层叠间隙的存在,穿着软体防弹背心后,传递到身体便面的超压峰值反而高于未穿防弹衣的情形,肺冲击伤加重。有研究表明,一定厚度的发泡镍可衰减冲击波超压峰值26%,同时使冲击波上升时间延长,以此为主构成的复合材料防护背心,可使实验动物的伤情明显减轻,病死率降低。也有人报道水手如穿上含气的压缩性泡沫材料,使机体的含气部分(胸腹腔)同周围的水分开,可有效地防止水下冲击伤或使其伤情明显减轻。但值得注意的是目前装备的制式防弹服或防弹背心,虽对破片有较好的防护效果,但临床和实验研究均表明对冲击伤无防护效果,甚至可加重冲击伤的伤情,在冲击伤诊治中对此应高度注意。从临床诊治角度分析,针对冲击波靶器官的防护还须考虑防护装备的可穿戴性、柔韧性、智能性以及阻燃性等诸多环节,以实现爆炸冲击波防护基础上临床诊治的精准度和前瞻性。事实上,日本防卫省表示,从2017年开始正式在新的爆炸冲击实验设施中,着手研究可以防止炸弹冲击波入侵人体,达到保护效果的防护服和防护面具等。
(三)骨盆防护装置
据美军2001—2011年在伊拉克和阿富汗战场的阵亡情况数据,地面部队徒步巡逻时遭受简易爆炸装置,腹部、盆腔和尿道大面积损伤。为此,骨盆爆炸防护装置是用于骨盆和股动脉的新型防护系统,将取代现有的两种防护系统:一件贴身衣和一件外套。士兵喜欢简化的并且适应身体外形的防护系统,反馈信息也表明该系统的机动性提高。
(四)听器防护装置
佩戴各种耳塞、耳罩可减轻爆炸冲击波对听器的损伤。如美国的EAR耳塞,在频率63~8 000Hz范围内按严格实验条件使用者可衰减30~48.9dB,一般用户可衰减14~25dB,国内研制的69型耳罩可隔声14.7~40.3dB。坦克乘员戴防护帽无耳机者可隔声30~40dB。
(五)足部防护装置
美军装备的楔形金属板减震鞋可用于舰艇足部冲击伤的防护。我军研制的舰艇防冲击鞋,其抗冲击性能在加速度峰值为92G时,后跟加速度衰减可达61.1%,加速度峰值在120~170G时,其后跟加速度衰减仍可达50%左右,目前可用于扫雷舰艇人员执行扫雷任务时的防护。根据减压原理和爆炸力学原理研制的各种防雷鞋,可避免或减轻地雷爆炸损伤。如我军研制的FLX-1型防雷鞋,在实验条件下可衰减空气冲击波77%的能量。
第六节 爆炸冲击伤防护措施
一、规划设计与防护宣教
(一)爆炸危险品厂房规划设计
生产、贮存爆炸物品的工厂、仓库选址时,应建立在远离城市人口密集区域的独立地带,相关厂房建筑须与周围的水利设施、交通枢纽、桥梁、隧道、高压输电线路、通信线路、输油管道等重要设施保持安全距离。同时,确认选址范围的工厂在总体规划和设计时,应严格按照生产性质及功能划分作业区域,并使各分区与外部重要目标、各区之间保持必要的间隔距离。
对于爆炸防护安全距离的界定,包括内部安全距离和外部安全距离。即为保证爆炸事故发生后对建筑物及相关人员的损毁不超过破坏等级,危险品生产区、总仓库区、销毁场等区域内的建筑物之间应保持足够的安全距离,即内部安全距离。危险品生产区、总仓库区、销毁场等与该区域外的村庄、居民建筑、工厂、城镇、运输线路等必须保持足够的安全距离,称外部安全距离。具体安全距离的数值确定须遵照设计安全规范。
在爆炸冲击防护的生产工艺布置上,须遵循以下原则:①在生产工艺方面应尽量采用新技术、智能化,以做到人机分离,远距离操作。②在生产工艺流程中,需区分开危险和非危险生产工序,两者宜分别设置厂房。③在厂房内部工艺布置中,宜将危险生产工序留置在行人稀少、位置偏僻的一端,顺次衔接危险度较低的生产工序,危险品暂存部位也宜布置在地处偏僻的一端。④危险品生产厂房和库房在平面上应布置成简单的矩形,便于爆炸事故发生时人员紧急疏散。⑤对于有泄爆要求的工艺设备,在布置时应使其泄爆方向避开建筑物和主要道路。⑥抗爆间的设置应符合安全规范的要求。
自动快速雨淋灭火:烟火药和火炸药燃速极快,在数秒内就能造成爆炸事故,所以在烟火药和火炸药生产厂房,须广泛采用快速雨淋设备等自动快速灭火装置。快速雨淋设备主要由光敏探测系统及雨淋管网组成。当厂房内起火时,光照骤然增大,光敏电阻的电阻值变小,控制系统电流增大,通过电子放大器、继电器,使电磁阀打开,雨淋管网喷水灭火,阻止爆炸事故。
此外,对于生产作业爆破,避免在清晨、傍晚或露天等有利于空气冲击波传播的气象条件下实施爆破。尽量避免采用裸露药包爆破或导爆索露天爆破,必须采用时,要覆盖砂土。
(二)爆炸危险品防爆宣传教育
在室内,应利用墙角、墙边或桌子下卧倒或坐着防护;有人防工事的应利用工事进行防护;来不及进工事的,利用地形地物进行防护。当有较大的地形地物时,应横向卧倒;当地形地物较小时,面向爆心卧倒;地形平坦时,背向爆心卧倒。其动作要领:两手交叉在胸前,闭眼收腹;两腿伸直且并拢,低头憋气用物遮,以达到被防护对象在爆炸冲击波作用下的最低毁伤状态。
1.简易防护动作
(1)立即隐蔽:
冲击波的传播速度要比光辐射慢得多,在大当量核武器爆炸时,闪光后要经过一定时间才能到达不同距离处。如10万等级当量核武器空爆时到达10km处需26s。因此,发现闪光后,立即就近快速进入工事或在地形地物背面隐蔽,就可避免或减轻冲击波引起的损伤。
(2)就地卧倒:
在冲击波直接杀伤区内的人员,特别是距离爆心较近的人员,可被冲击波动压抛掷、位移或“吹倒”。这些人员如无地形地物或工事可利用时,应立即背向爆心俯卧在地。即身长平行冲击波传播方向时,头部应尽量远离爆炸源。人员俯卧时的迎风面积仅为立位时的1/5,可以降低总冲量,大大地削弱冲击波动压的致伤作用,俯卧在一定程度上还可避免胸腹部直接受压。
(3)避开门窗和墙体:
在城镇居民区发生爆炸时,门窗上的木板和玻璃常被打碎,击中人体后可造成间接损伤,重者有致命的危险。因此,室内人员来不及外出隐蔽时,应避开门窗,在墙根、屋角、桌下或床下卧倒。考虑到冲击波的反射效应,在条件允许时爆炸现场人员应尽量远离墙壁,迅速转移到空旷地方。
(4)其他动作:
爆炸时张口或掩耳对听器冲击伤(如鼓膜破裂)均有一定的预防作用。在扫雷艇上执行任务的人员,应尽量减少行走,如确需行走时,最好用足尖着地,以避免或减轻水下非接触性爆炸时引起的固体冲击伤。当可能受到水下兵器或导弹、航弹水中爆炸时,水中作业人员应尽快从深水区转移到浅水区,尽可能地将躯体显露出水面,来不及时可采用仰卧于水面的体位,以避免或减轻水下冲击伤。
2.地形地物
地形地物对冲击波有屏蔽或加强作用。冲击波在沿地面传播的过程中,当遇到高地、土丘和山峰时,在朝向爆心侧的正斜面上,冲击波因受阻而发生反射,致使超压增强。冲击波沿高地、土丘或山峰的两侧和顶部绕过时,其背面的超压和动压都有所降低,从而形成了一个减压区。在减压区以远的地域,冲击波汇合在一起,超压又有所增加,形成一个增压区。一般来说,高度的正斜面坡度愈大,超压增加愈大;反斜面坡度愈大,减压区内超压和动压低得也愈多。因此,利用上述地形地物的特点,如人员见到闪光后可立即进入高地、山峰的反斜面的减压区内,可避免或减轻冲击波引起的损伤。
土坎、土坑、侧向涵洞和桥洞、背向爆心的路基及城市下水道等也有一定的防护效果。但在利用地形地物时,要避开容易倾倒的建筑物(如高烟囱、高层单薄房屋)、朝向爆心的山谷地带(可能因冲击波合流而致超压增大)。
因此,在易燃易爆品厂区或场地选择上,首先,主厂区应根据工艺流程、安全距离和各小区的特点,在选定的区域范围内,充分利用有利、安全的自然地形加以区划,以有效防御爆炸冲击波。其次,易燃易爆品总仓库区应远离住宅和城市人口密集区域,有条件时最好将此类仓库置于山沟或类似掩体区域。同样,爆破销毁厂区应选择山沟、丘陵、河滩等有利的自然地形,在满足安全距离条件下,确定销毁场地和相关建筑的位置。
二、设置人工屏障
(一)防爆挡墙
巷道中空气冲击波可采用“挡”的措施削弱其强度。例如在爆区附近垒砖墙、垒沙袋、砌石墙等构筑阻波墙。有些国家曾采用高强度的人造薄膜制成水包代替阻波墙。充满水的水包与巷道四周紧密接触,当冲击波来到时水包压力增大,即将其转移到巷道的两旁,增加了抗冲击波的能力。水力阻波墙造价低,制作快,防冲击波效果好,一般可减弱冲击波3/4以上,并能降低爆尘和有害气体。因此,人造挡墙可以减弱炸药爆炸产生的冲击波、碎片对建筑的危害。构筑防爆挡墙是抗爆设计的方式之一。
(二)气泡帷幕
水下爆破时,降低水下爆炸冲击波强度的有效措施是采用气泡帷幕防护技术。就是在爆源与保护对象之间的水底设置一套气泡发射装置。一般采用钢管在其两侧开设两排小孔,当向发射装置输入压缩空气后,大量细小气泡便从小孔连续不断地向外射出。受浮力的作用,气泡群由水底向水面不断上升,形成一道气泡帷幕。能有效地减弱冲击波压力峰值,对保护对象起防护作用。经过工程验证,效果良好。
(三)防冲减震器材
钢弹簧隔震器是一种典型的防冲减震器材。在外界冲击作用下,它首先将冲击动能吸收,转换成内部弹性势能,随后以相对缓慢的速率,将此势能释放重新转换成动能。同时,伴随阻尼作用使部分动能转化为热能而耗散,如此往复,一般在数次循环后,就可大幅耗散掉冲击能量。在美国夏延山地下指挥中心工程中,配有1 300多个大型螺旋钢弹簧,可对15幢离壁式钢结构房屋进行整体防护。
磁流变液阻尼器是一种主动型防冲减震器材,可以根据外界冲击输入的变化,自我调节输出阻尼力和系统刚度,从而达到最优震动防护效果。
三、工事防护
工事是基本的防护手段。为保存有生力量,采取各类隔冲耗能措施,转动为势、化大为小、确保安全,就成了爆炸冲击防护必须坚守的最后底线。地下的各种永备工事和人防工事,可以有效地屏蔽冲击波动压和超压的作用,因而可以避免发生冲击伤,或使伤情大为减轻。各种露天工事,如堑壕、掩体和崖孔(猫耳洞)等,基本上可以屏蔽动压的致伤作用,超压的致伤作用也大为削弱(可使压力上升时间显著延长),因此也有不同程度的防护作用。
野战工事包括露天工事(堑壕、交通壕和各种掩体)、掩蔽工事(崖孔、避弹所)以及间于两者之间的掩盖机枪工事和观察工事等。此类工事取材方便、构筑迅速、设备简单、形式多样,具有一定的防爆炸冲击波效果。
(一)露天工事
在各种露天工事内,超压值常较旷场环境为高。由于冲击波波阵面超压在工事内多次反射而使压力值增高的原因,其增加规律是,离爆心近的工事比离爆心远的工事大,向爆心崖壁的较背离爆心崖壁的大,工事深的比工事浅的增压大。
虽然露天工事内的超压值较地面为高,工事内的冲击伤却较地面轻1~2级。究其原因,主要是因为工事内基本屏蔽掉了动压的作用。此外,还可能与崖孔等野战工事内超压峰值下降梯度较大、持续时间较短有关。因此,造成同样的伤情所需的超压值较旷场环境为高。
在剧烈爆炸冲击波作用下,露天工事可能发生坍塌或被覆材料坠落等,由此使工事内人员发生间接损伤。在燃料空气炸弹爆炸试验中可见,距离爆心较近的交通壕等野战工事爆后塌方,致使布放于此处的动物被完全掩埋。
(二)掩蔽工事
掩蔽工事的防冲击波作用是因为其有足够的抗力,并能阻止冲击波进入工事内,由此使工事内人员免遭损伤或伤情减轻。据测定结果,掩蔽部内的超压仅相当于旷场超压的5%~10%。避弹所对冲击波的削弱能力较差,射击、观察工事的孔口多,防冲击波作用更差,其中超压值约为地面的30%~40%。如密闭门被破坏,则工事内的超压值会有所增高。反之,如加强掩蔽部的防护门,则工事防冲击波的效果会显著提高,工事内的超压值有时仅为地面的2%~3%。
强冲击波可使掩蔽工事发生破坏,如出入口堵塞、孔口盾板震开、防护门损坏、主体结构变形、错位、断裂等,从而使工事内人员发生间接损伤。因此,增加孔口和防护门的强度,人员尽可能远离防护门,提高主体部分的抗压能力,对防止或减轻间接爆炸冲击伤有重要作用。
(三)人防工事
全国多数城市建有人防工事。平时,可作为一般的地下建筑,以充分发挥其经济效益;战时,则可有效防护爆炸冲击波和其他致伤因素的作用。此外,人防工事对核爆炸冲击波和其他杀伤因素具有较好的防护效果。常用的人防工事有掘开式工事、巷道、地道、坑道和附建式人防工事。
掘开式人防工事对冲击波有明显的削弱作用。工事内超压峰值降低,升压时间延长,工事内压力波(pressure wave)形发生改变。出入口常常是工事最薄弱的环节。许多人防工事的主体结构抗压能力很强,但出入口却易受冲击波作用而发生破坏。因此,在设计人防工事时,须保证足够强度的防护盖板,并从工事设计环节防止出入口堵塞。
人防工事的内部结构与冲击波耗散密切相关。在冲击波通过巷道或地道分岔与转弯变向时,其超压会沿岔口各自向前分流传播并衰减。实验证实,冲击波通过单向转弯变向时,波阵面超压略有降低;而通过双向转弯变向时,超压大为降低。冲击波所通过巷道断面的缩小和扩大均会对冲击波超压带来明显影响。当巷道断面突然由大变小时,冲击波在此情况下将出现一个反射面并产生一个压缩空气层,此层向小断面巷道流动时,会产生比大断面超压要大的冲击波。反之,当冲击波突然由小断面巷道进入大断面巷道,由于波阵面迅速扩大,其超压很快降低。再次,巷道表面粗糙率越大,巷道断面愈小,冲击波冲量衰减越快。
(四)永备工事
永备工事是指平时构筑的坚固耐用的一些工事。其特点是抗力强,孔口防护口严密,内部设备较为齐全。永备工事多在地下,主要供作战指挥和掩蔽人员使用。另有一些建于半地下或地面上,主要用于掩蔽兵器。各种永备工事因有一道或数道防护门,并有消波装置,故可有效防止冲击波进入工事内。通风滤毒间是工事薄弱部位,此处超压值常高于其他部分,该处人员在爆炸冲击暴露时易于受伤。此外,触地爆炸时可产生直接传入地下的地震波。此时,地下工事内人员可能因直接接触工事内墙或地面而遭受间接冲击伤。
四、兵器防护
装甲车辆和舰艇等均配置有一定火力和武器装备,因此,也属于大型兵器类。同时,它们又具有一定的屏蔽作用和密闭性能,对爆炸冲击波有一定防护效果。
(一)装甲车辆
坦克有较高的密闭性能,冲击波不易进入车内,因此坦克内的超压值较旷场环境为低。依照坦克型号及车内装置不同而有所差异,约为旷场超压值的7%~70%。压力上升时间较慢,旷场仅有数毫秒至十几毫秒,车内约几百毫秒。正压作用时间两者差异不大。由于超压上升时间较慢,因而引起同样的伤情所需压力值较旷场环境为高。动压一般不直接作用于坦克内乘员,但强大的动压可使装甲产生冲击加速度,从而可使与装甲车接接触部位发生损伤。此外,因强大的动压造成坦克位移、翻转等情况,坦克内乘员也可能发生间接损伤。据实验观察,核爆炸时,坦克内动物冲击伤常较旷场环境轻1~2级,基本不会发生极重度冲击伤,杀伤半径也明显缩小。
(二)舰艇舱室
其防冲击波效果取决于抗压和密闭性能。舱室内除超压峰值较地面为低外,其压力上升时间也较慢,约为几百毫秒至1秒;压力作用时间延长,通常相当于舱外的1倍多。由于以上防护性能,舱室内冲击波对动物的杀伤半径较地面明显缩短,为地面的10%~90%。
第七节 爆炸冲击伤防护瓶颈
迄今为止,爆炸事故发生往往难以预测,爆炸物威力和与人员的相对距离常常是决定伤员预后的重要制约因素。因此,爆炸冲击伤的防护首先需要暴露人员对爆炸风险有理性的认知,这是防护装备得以有效普及的关键。对军事和爆破作业人员而言,防护装备往往是常规配置,而对多数无法感知风险的平民由于经济原因、疏忽大意以及防护装备效能的局限性,仍然在致命性爆炸冲击伤发生时,遭遇严重损伤和失能结局。因此,从社会安全角度分析,生产、生活中,任何有爆炸风险的环境,都应该作为常识对广大民众反复宣传,常抓不懈。防爆炸冲击伤的安全意识与装备材料的防护同等重要,是防患于未然的明智选择。
大量数据表明,爆炸冲击伤诊断中,爆炸物的威力和伤员距离爆心的距离是首先需要明确的致伤因素。其次,爆炸环境(密闭环境、开放环境)和环境介质(空气、液体)是决定冲击伤伤情的重要因素。再次,压力波在固体界面(墙体、工事),可增加冲击波压力毁伤效应。此外,有无障碍物的阻隔,在伤员致伤中亦需作为独立变量予以考量。在可能条件下,明确以上因素,对于爆炸冲击伤防护材料和装备配置的针对性和个体化有重要价值。而且,在有防护条件下,对脏器损伤的发生、伤情轻重判别同样具有重要价值。
既往爆炸伤数据显示,枪炮致爆炸冲击伤的致伤时间多在2~10ms,和平时期,由于生产作业的实际需求,以及化学危险品存量的骤增等新情况,一旦发生失控性爆炸,爆炸时间往往偏长,既往针对短时程爆炸冲击伤防护方法可能尚无法完全满足和平时期许多爆炸冲击伤防护需求,需要基于实验室研究结果的循证医学数据,结合数学模拟和经验评估方法,对长时程爆炸冲击伤防护效能进行准确判别。
在实现爆炸冲击伤有效防护条件下,鉴于爆炸威力和伤情的复杂内在联系,部分伤类仍防不胜防。事实上,爆心较近距离伤员无损伤,并不意味较远距离的其他伤员无损伤。在相同距离有未发生损伤伤员,也并不能判定相邻人员无冲击伤发生。从逻辑上分析,爆炸冲击伤防护有可能掩盖部分伤员内脏损伤临床表征。因此,为获得确切诊断,伤员主诉或陪同人员主诉的采集须力求客观准确,尽早处置威胁生命的急症。对于体格检查(呼吸频率、氧饱和度、影像资料和气栓指征等),必要时须行动态观察,谨防漏诊、误诊,特别是对滞后表征的精准把握。与此同时,须关注冲击伤并发症的预警诊断(基因型、生物标志物),以及伤员非遗传信息(年龄、性别、生理状况、基础疾患等)。在处理机体损伤基础上,精神创伤的诊治亦须采用有效对症措施(如动眼疗法、内观疗法、其他精神疾患舒缓措施等)。
此外,基于最好的治疗就是预防,再好的治疗也不及有效预防思路,需采用新型生物、化工材料,满足轻便、柔顺、阻燃、隔热基础上的迭代尝试和循环验证,以不断提升材料对于爆炸冲击能量进行有效的吸收、导引和耗散,从冲击波超压或负压峰值、压力作用时间以及压力升压时间三方面发挥有效防护作用。既往防护材料在有效性、安全性、舒适性方面尚有较大提升空间。
在个体冲击伤防护方面,建议作业人员在实现自身有效防护基础上,对于作业面存在潜在爆炸物(粉尘、燃气、油料、手机等)的环境防护,有减轻冲击波作用于人的强度和时程,同样至关重要。这需要防护材料的量产规模,使用中能够实现经济成本。从既往爆炸冲击伤经验看,破片或投射物致伤常常伴随冲击波,因此,在防护效能上,获得有效抵御冲击波基础上,确保防破片效能不降低甚至进一步提升,这就决定防护材料倾向于采用复合型,兼具防弹/破片性能。此外,为获得冲击波暴露时的频次、压力参数,量化评估伤情,研发智能化预警装置迫在眉睫。
因此,爆炸冲击伤难以预测、爆炸环境千差万别、致伤因素复杂多样、受伤人群个体差异、救治时效不尽相同决定了防护转化研究的复杂性,特别是防护材料复合型、适宜性难度大,而且基于防护的预警诊断、评估和救治中面对大量数据,评估指标亟待优化,这些因素都决定爆炸冲击伤防护挑战巨大。
第八节 爆炸冲击伤防护愿景
迄今,爆炸冲击伤防护材料和装备研发已有许多突破,特别是在材料科学、化学、生物力学、医学的长足发展和交叉融合背景下,对爆炸冲击波的防御能力必将不断得到提升。然而,由于人类对于物质世界的洞悉总会受到认知深度和广度的制约,加之主观臆断或盲人摸象式的思维局限,对爆炸冲击伤防护无限趋近客观真实并非易事。事实上,动植物在长期进化、物竞天择的生存压力下,会自然获得优于人类的防御损伤的组织结构,对于冲击伤防护也许会提供灵感和启示。观察发现,啄木鸟为了觅食和凿洞,用其长嘴以6~7m/s冲击速度、约10 000g加速度进行啄木,此时脑部所受冲击是其体重的1 000倍,却不会发生头部冲击伤。研究证实,除下喙比上喙长、“安全带”样舌骨结构外,颅骨海绵状骨小梁赋予的“弹性”可有效地缓冲撞击,吸收冲击力。颅骨外的软骨和肌肉组织也是优良的减震装置。同样,许多鸟类在飞行中头部会无意识撞到玻璃上,但会迅速恢复并飞走。另外,柚子的抗冲击性能也值得关注。作为最大的柑橘类水果,柚子直径在 15~25cm之间,重量可达到6kg。即使从10m高处掉落,柚子外表面几乎没有伤痕。研究证实,柚子皮的独特结构使其可以承受数千牛顿的冲击力,吸收大量机械能。其原因在于它含有两种不同的生物组织:含有皮脂腺的外表皮以及较厚的白色海绵状中间皮。而且,从柚子外皮部分到中间皮部分其密度呈现逐渐变化的特点。这种渐变的组织层次有效避免了在组织成分、结构以及机械性能上的突变,从而降低了冲击暴露时发生组织撕裂的可能性。因此,基于以上动植物天然防冲抗震结构,从仿生学和组织学角度探究减轻爆炸冲击材料结构可能会有重要启示。
可以预料,在人力所及范围内,爆炸冲击伤防护的基础就是牢固树立安全第一、警钟长鸣的监督和防控机制。随着时间推移,爆炸物类别必然更加多样,致伤形式可能日趋复杂,这就决定爆炸冲击伤防护材料和装备需要按照因“矛”设“盾”,铸盾为先的思路,迭代升级。特别是面对现今精确制导式大当量、深钻地爆炸武器打击,只有采取多层设防、层层耗散的综合防护措施,才可能达到最佳防爆抗冲效果。而且,随着材料科学和电子技术的迅猛发展,智能防护、预警为先的防护的理念将会成为冲击伤防护材料和装备研究的必然趋势。任何材料和装备的革新,必然是以消减损伤,以人为本的防护理念为基本着眼点,关键是坚持基于实践、推理和数学方法的科学认识论,虽然冲击伤防护研究的转化应用任重道远,但前景无限。
第九节 结语和展望
爆炸冲击致伤与防护作为“矛”和“盾”,随着科技的迅速发展可能出现新的对立形式,但按照“一物降一物”的哲学观点,面对未来出现的新型爆炸物,特别是对于高能爆炸、投掷物爆炸等只能与时俱进,趋利避害,动态平衡,适度调整。伤情诊治的初衷在于救治原发损伤,防治并发症,恢复伤员身心完整性。而防护策略则是临床诊治的前伸与拓展,是爆炸冲击风险存在,人类恐惧本能无法克服境况下争取主动诊治的“哨卡”。依照防护参数的预警、防护脏器的类别、防护效果的评估,积极吸纳先进新型多尺度生物和化工材料(聚脲复合或改构材料、低环境健康风险纳米材料、掺入高聚物等),是防护装备研发、升级的必需。我们相信,在抓好源头监控基础上,研发新型装备、即时反馈升级,以应对各类安全生产事故、恐怖袭击、煤矿爆炸等威胁,将有望实现防诊互动,防治共进,在理论和技术方面切实提升我国冲击伤防护水平,有效加强爆炸冲击伤综合防护体系建设。
(杨 策)
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