掃雷防護裝具對胸腹部沖擊波防護性能測試技術(shù)研究

徐傳斌,何洋揚,楊劍波,王樂陽,黃 鼎

(32213部隊,張家口 075421)

近年來,掃雷排爆作業(yè)手面臨的實戰(zhàn)任務(wù)激增,對單兵防護裝備的防護能力和考核指標(biāo)提出了更高的需求。長期以來,我軍單兵防護裝備主要包括搜爆服、排爆服等,由于尚無專用試驗方法、試驗手段、評價判據(jù)可用,針對此類裝備的防護評估一直參考防彈衣的防護評估標(biāo)準(zhǔn)進行試驗鑒定,導(dǎo)致防護能力評估不夠全面、系統(tǒng),無法準(zhǔn)確制定此類裝備主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo),制約了此類裝備戰(zhàn)斗力提升[1]。目前,國內(nèi)外學(xué)者對于單兵防護裝備防護能力的研究方法主要采用試驗研究、理論研究和數(shù)值研究等三大類[2]。本文以兩套掃雷防護裝具為研究對象,基于Hybird Ⅲ假人模型設(shè)計模擬掃雷排爆作業(yè)手在跪姿作業(yè)條件下遭受爆炸沖擊時的試驗場景,通過實測數(shù)據(jù)對比分析了掃雷防護裝具胸腹部接縫處不同密封情況下防護性能的差異,可為單兵防護裝備防護效能試驗鑒定提供重要的試驗數(shù)據(jù)。

1 掃雷作業(yè)人員的防護要求

依據(jù)掃雷防護裝具的作戰(zhàn)使命任務(wù)要求,面對不同作業(yè)環(huán)境下的爆炸物威脅,作業(yè)人員典型作業(yè)姿態(tài)包含立姿、跪姿和臥姿3種。防護裝具應(yīng)為穿戴者提供頭部、面部、頸部、胸腹部、襠部、手臂、腿部等不少于7個部位,提供爆炸沖擊波和破片兩種主要毀傷元素的防護[3]。本文主要針對作業(yè)人員跪姿情況下爆炸沖擊作用對(如圖1所示)胸腹部損傷因素的測試技術(shù)與方法開展研究,可為評價掃雷防護裝具胸腹部防護能力的試驗鑒定提供參考。

圖1 跪姿作業(yè)姿態(tài)Fig. 1 Kneeling work posture

1.1 現(xiàn)有裝備情況

掃雷防護裝具主要用于消除或衰減爆炸沖擊波、彈片對人體的損傷威脅[4],其胸部裝配的金屬插板是抵御沖擊波威脅的首要防線,能抵擋部分沖擊波超壓的破壞作用,同時抵御飛濺的爆炸物碎片;其后配裝的多層凱夫拉材料構(gòu)成的軟質(zhì)防護層是抵御沖擊波威脅的第二道防線。

掃雷防護裝具主要由硬質(zhì)防爆服和軟質(zhì)防爆服兩大類組成[5],硬質(zhì)防爆服如圖2中(a)所示,能夠有效防護高速破片、沖擊波超壓及高溫火球?qū)θ梭w的傷害。但其防護區(qū)域大、重量大,人員穿著后行動不太靈活,易影響作業(yè)效率。

圖2 掃雷防護裝具Fig. 2 Minesweeping protective equipment

圖2中(b)為軟質(zhì)防爆服,由防爆頭盔、防爆上衣及防爆褲構(gòu)成,也具有全身防護能力,可防止破片、抗高壓、高溫,且具有靈活方便,相對作業(yè)效率提高等特點,但防爆效果弱于硬質(zhì)防爆服。

1.2 人員胸腹部致傷機制

當(dāng)單兵掃雷防護裝備的穿戴者在執(zhí)行爆炸物處置過程中[6],意外爆炸沖擊波超壓作用于穿戴者的胸腹部及其胸腹部臟器(肺、上呼吸道等空腔非聽覺器官和肝臟、脾臟、腎臟等非充氣非聽覺器官)損傷。按爆炸傷劃分等級要求,爆炸沖擊波直接作用于人體胸腹部時,將對穿戴者造成一級爆炸傷,是指沖擊波超壓直接作用于人體,應(yīng)力波在氣-液組織界面反射,造成造成空腔器官(肺、中耳、腸等)損傷,如肺挫傷、骨膜破裂、腸壁血腫等[7]。

1.3 現(xiàn)行安全評價模型

國內(nèi)學(xué)者改進了人體胸部撞擊創(chuàng)傷模型[8],將模型中撞擊系統(tǒng)刪除,得到人體胸部前-后系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖3(a)所示,通過力學(xué)參數(shù)定量評估爆炸沖擊波對人體胸部肺組織創(chuàng)傷程度。在此基礎(chǔ)上,為分析爆炸沖擊波的創(chuàng)傷問題,建立了胸部左-右系統(tǒng)動力學(xué)模型,如圖3(b)所示。

圖3 人體動力學(xué)模型Fig. 3 Human kinetic model

假定肺組織為可壓縮性材料,當(dāng)人體胸廓以一定速度運動時,將在肺組織可壓縮性氣體中產(chǎn)生壓力波,得出數(shù)學(xué)方程模型如下

(i=1,2,3,4)

(1)

式中:pi,wave(t)為肺組織壓力波的壓力;P0,C0為肺組織未受爆炸沖擊波作用時的壓力、音速;Vi為胸廓運動的速度;γ為氣體常數(shù);i=1,2,3,4為人體胸部前后左右4個方向。

國外學(xué)者通過對復(fù)雜沖擊波作用下的損傷效應(yīng)進行調(diào)查[9],建立了一個沖擊傷易損性評估的計算方法,在借鑒他人動物實驗數(shù)據(jù)分析和雙肺模型的基礎(chǔ)上,經(jīng)過大量動物實驗后得到了簡化后的單肺公式模型,如下

(2)

式中:A是有效區(qū)域;M是有效質(zhì)量;V是肺臟的初始體積;x是位移;K是彈簧系數(shù);P0是環(huán)境壓力;P(t)是壓力曲線。通過測試得到壓力-時間曲線,然后把這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到數(shù)學(xué)模型中,計算出最大入射胸壁速度v?；趬毫?時間曲線分析掃雷防護裝具胸腹部防護性能影響因素[10]。

2 試驗方案

基于現(xiàn)有掃雷防護裝具防護性能分析,爆炸沖擊波對穿戴防護裝具人員胸腹部造成的損傷主要有沖擊波侵徹防護服防護層經(jīng)衰減后作用到胸腹部產(chǎn)生的超壓及其與通過掃雷防護裝具護襠、肩關(guān)節(jié)等部位的縫隙處繞射進入后疊加的超壓。

為研究繞射超壓對掃雷防護裝具胸腹部防護能力的影響程度,設(shè)計了基于兩套掃雷防護裝具實裝,采用相同的靶標(biāo)(Hybird Ⅲ假人)及傳感器,設(shè)計了按照使用說明書要求進行正常穿戴、護襠及肩關(guān)節(jié)雙側(cè)密封處理、護襠及肩關(guān)節(jié)單側(cè)密封處理等四種穿戴工況的實爆試驗。開展試驗數(shù)據(jù)分析,驗證跪姿時防護服胸腹部接縫處密封性對防護性能的影響程度。

2.1 測試設(shè)備及參數(shù)

為準(zhǔn)確獲取掃雷防護裝具穿戴者在跪姿典型作業(yè)姿態(tài)下胸腹部遭遇爆炸沖擊時的壓力-時間曲線,在Hybird Ⅲ假人模型的胸腹部胸骨下緣左右5±1.5 cm處各設(shè)置一個沖擊波超壓壁面?zhèn)鞲衅?測試沖擊波超壓;在爆源對稱位置安裝一個自由場沖擊波傳感器,用于確定爆炸沖擊波到達靶標(biāo)傳感器的時間。

在實爆環(huán)境下,通過瞬態(tài)沖擊波壓力場32通道高速采集系統(tǒng)記錄壓力-時間曲線數(shù)據(jù),分析沖擊波在接縫處的透射、繞射對防護裝具防護性能產(chǎn)生的影響。

2.2 測試方案

試驗中爆炸沖擊波由1塊50 g TNT藥柱爆炸產(chǎn)生,選取Hybird Ⅲ假人模型,在其對應(yīng)胸骨下端的位置水平設(shè)置兩個沖擊波超壓壁面?zhèn)鞲衅?傳感器間距10 cm并連接數(shù)據(jù)電纜,測試方案流程圖如圖4。

圖4 測試方案流程圖Fig. 4 Test plan flow chart

將穿戴好被試品的假人模型以跪姿放置在炸藥前,并使其胸腹部前表面直線距離炸藥0.8 m,傳感器設(shè)置的對應(yīng)位置垂直距離炸藥0.6 m,試驗現(xiàn)場設(shè)置圖如圖5所示。

圖5 試驗現(xiàn)場圖Fig. 5 Test site

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

按防護服《操作使用維護說明書》中的相關(guān)規(guī)定為Hybird Ⅲ假人模型進行正常穿戴,試驗狀態(tài)均為跪姿典型作業(yè)工況。實爆試驗4次,獲取了8組壓力-時間曲線數(shù)據(jù),如圖6～圖9所示。

圖6 第一次試驗Fig. 6 First test

圖7 第二次試驗Fig. 7 Second test

圖8 第三次試驗Fig. 8 Third test

通過壓力-時間曲線數(shù)據(jù)可得各組試驗所測的峰值,并計算得出相應(yīng)衰減率如表1所示。

表1 不同條件下的沖擊波峰值及衰減率(單位:MPa)Table 1 Shock wave peak value and attenuation rate under different conditions(unit:MPa)

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

在自由場沖擊波超壓達到峰值時,爆炸沖擊波開始作用于掃雷防護裝具,對胸腹部等效靶產(chǎn)生壓力,在掃雷防護裝具的防護下,沖擊波產(chǎn)生的壓力得到一定的衰減。

為驗證爆炸沖擊波透過掃雷防護裝具胸腹部接縫處繞射進入后對防護性能的影響,在獲取正常穿戴試驗數(shù)據(jù)后,對PPE-1胸腹部接縫處進行了嚴(yán)格密封處理,試驗數(shù)據(jù)表明,經(jīng)密封處理后的爆炸沖擊波衰減整體提高,其中PPE-1正常穿戴時左胸衰減率為46.86%、右胸衰減率為47.28%,密封處理后左胸衰減率為63.37%、右胸衰減率為67.90%,分析數(shù)據(jù)可得左右胸衰減率分別提升了16%和20%,說明密封處理能夠有效抑制沖擊波繞射的發(fā)生;隨后,對左側(cè)進行密封或松弛處理,右側(cè)正常穿戴開展1組實爆試驗,獲得的試驗數(shù)據(jù)進一步驗證上述結(jié)論。可見,在跪姿典型作業(yè)姿態(tài)下防護服胸腹部的密封性越好,對胸腹部沖擊波的防護性能越高。

4 結(jié)論與展望

通過實測試驗數(shù)據(jù)分析,檢驗了某型掃雷防護裝具在跪姿作業(yè)狀態(tài)下對爆炸沖擊波的防護效能,初步驗證了防護裝具的高密封性能在一定程度上能提高對爆炸沖擊波繞射的阻礙衰減效果和防護性能,研究成果可進一步完善我國掃雷防護裝具試驗鑒定方法,為其防護性能分析評估提供試驗依據(jù)。下一步,我們將繼續(xù)開展該型防護裝具對破片的防護效能試驗研究。