防爆罐爆炸防护性能测试分析

爆炸产生的冲击波、破片、热辐射等效应易于向周围环境传播扩散形成较大的安全隐患，防爆装备的爆炸防护性能测试布置应综合考虑不同欧拉测试点及鉴证靶标测试点的基础上进行合理布局。以开口型防爆罐为例，各个欧拉测试点可根据具体测试需求包含或部分包含冲击波超压、破片速度、爆炸火焰热辐射、爆震强噪声、爆炸机械功、地震波等内容。各模拟靶标也可按照具体需求进行设置，如25 mm厚松木靶、混三50假人（或模拟配重假人）、瓦楞纸板、特种靶标等。防爆罐露天爆炸防护性能测试布置示意图及现场布置图如图9-32和图9-33所示。

图9-32　防爆罐露天爆炸防护性能测试布置示意图

图9-33　某新型复合防爆罐防护性能测试现场图

1.爆炸瞬态光学测试

模拟爆炸物爆炸产生的冲击波、火焰膨胀、破片运动轨迹等能量释放及动态载荷过程可通过高速摄影进行光学采集及分析，现有高速摄影系统最大拍摄频率为1 000 000 fps，全画幅分辨率为1 024×1 000。此外，对防爆罐在防爆过程中的动态响应及姿态变化进行直观评估，尤其是在爆炸物当量超过防爆装备防爆能力时的过爆条件下，还可评估防爆罐外壁撕裂成形成不规则破片飞散的附带杀伤效应。此外，用于观测松木靶标及模拟假人动态响应，可分别对冲击波效应区、破片杀伤效应区测试对照组，和对25 mm厚松木靶、模拟假人不同模拟靶标组进行对比，分析测试不同维度的模拟靶标受爆炸冲击波、破片、火焰等致伤元素时的瞬间响应特征，为生物损伤机理提供直观的光测判据。图9-34所示为典型高速摄影和防爆测试动态过程。

图9-34　高速摄影系统（左）及防爆测试画面（右）

2.冲击波超压测试

爆炸冲击波所伴随的超压是造成人员损伤的主要因素，由超压直接作用导致环境压力的突然改变而使人体产生原发性冲击伤，如肺部、胃肠道、听觉器官等含气压差的脏器受到损伤。强超压还可导致人体内脏破裂和肋骨或听小骨骨折。采用爆炸冲击波超压测试系统测量爆炸物爆炸产生的冲击波超压在典型距离、不同高度位置处的超压时程曲线，反映出防爆装备对典型距离处冲击波超压的防护效果。在距爆心1.5 m和3.5 m处分别布置两组冲击波超压传感器，每个距离处分别按照0.3 m、1.3 m和1.6 m的高度布置3支自由场压力传感器，并通过数据采集系统对信号进行采集。其中，自由场压力传感器灵敏度参数为20 mV/psi，共振频率≥400 kHz，最大量程可选取0.345 MPa或1.725 MPa，具体根据爆炸物装填炸药的当量以及测试位与爆心的距离确定。数据采集系统的单通道采样频率不低于1 MS/s（1兆采样点/秒），时间轴精度±0.005%，测量通道数应满足冲击波超压测试点位的数量需求，同时系统还应搭配其他供电适配模块以及测试同轴信号线缆，如图9-35所示。用来测试两个不同距离处的人体腿部、胸部和头部三个不同高度的冲击波超压数据，可评判防爆罐在典型距离处的冲击波超压防护效能。

3.破片飞散速度测试

图9-35　数据采集系统（左）及自由场压力传感器（右）

爆炸产生的高速破片在侵彻机体过程中，克服组织阻力沿弹道直接挤压、撕裂、翻滚和穿透组织，可导致生物体组织钝搓或贯通，严重破坏机体器官组织完整性，使得机体组织丧失原有机能。当破片动能较大时，破片将以很大的压力压缩弹道周围组织，使其迅速位移，从而形成比原发伤道或破片直径大几倍甚至几十倍的空腔。因此，对破片速度及其衰减进行测试，可以反映穿透介质的作用机理。采用多通道破片测速系统，搭配通/断测速靶网（或印刷电路梳状靶），其中单通道采样频率通常选取1 MS/s，数据信号采集系统的通道数应满足破片速度测试点位的数量需求，如图9-36所示。此外，测速靶网的任意两个相邻线路的间距应小于来袭破片的规格尺寸。在距离爆炸物1.5 m、2 m、3.5 m、4 m处分别布置长2 000 mm、宽1 000 mm的固定测速靶，对防爆装备在过爆条件下的逃逸破片或二次破片速度进行测试，分析距爆炸物一定距离处的破片飞散高度、飞散平均速度及衰减等物理参量，用以揭示模拟等效靶标的破片损伤机制，形成致伤量化评估判据。

图9-36　多通道破片测速系统（左为采集系统，右为测速靶架级梳状靶）(www.xing528.com)

4.爆炸热辐射测试

烧伤是爆炸热引起的组织损害，烧伤后的局部毛细血管通透性增加，血管内液体深入组织间隙或自创面渗出，形成组织水肿。皮肤在烧伤后，将逐渐失去屏障功能，大量水分从皮肤蒸发，增加了体液丧失。当体液丢失量过多时，可并发低血容量休克。同时，创面坏死组织和渗出物适于细菌繁殖，极易发生感染。小面积浅度烧伤，感染局限于局部表层；当大面积烧伤、机体抗力下降时，感染可向深部侵入或向全身扩散。对于爆炸热辐射的测试，一般采用爆炸场瞬态温度测试系统，搭配C型钨铼型热电偶进行接触式热辐射测试，其中瞬态温度测试系统采样频率可趋近于1 MS/s，热电偶最大量程3 000℃，并可毫秒级快速响应，如图9-37所示。可以直接反映出爆炸场内的温度变化规律及其持续作用时间，研究爆炸场热辐射由近场向远场传播过程的温度变化时程规律，为爆炸热辐射致伤效应和致伤判据提供依据。另外，还可以采用高拍摄速率的高55速红外热成像仪，对爆炸火球尺寸、辐射范围和热辐射随时间变化规律进行定视场全域红外热成像分析，为爆炸热辐射致伤效应和致伤判据提供直观的热图像依据。

图9-37　多通道破片测速系统（左为采集系统，右为测速靶架级梳状靶）

5.爆震强噪声测试

爆炸产生的高声压级的爆震强噪声，一般情况下爆炸产生的瞬间声压级为160～200 dB，它对机体造成声损伤和非声创伤。声损伤包括鼓膜穿孔、内外毛细胞确实、内耳损伤、中耳听骨链骨折、脱位及中枢听觉系统多个听力最敏感的部位产生异常活动，如耳鸣、耳聋、眩晕、言语识别能力降低，这种损伤对人耳和听觉系统危害极大。非声损伤包括除听觉系统外的器官损伤、平衡障碍、创伤后应激综合征、记忆丧失等情况。因此对爆震强噪声进行测试，可以直观评判爆炸产生的强噪声的声压级。一般采用快速响应声压测试系统，可选取微秒级响应，动态范围4～20 kHz，最大量程不小于200 dB，进行标定后的声压传感器，搭配专业的低噪声信号线缆，如图9-38所示。可用来测试爆炸近场和远场距离处的声压级随时间的动态演化过程，研究爆震强噪声时空传播变化及衰减规律，为爆震强噪声致伤判据提供参数。

图9-38　爆炸噪声测试传声器（左）及校准器（右）

6.爆炸对假人的机械功测试

爆炸产生一定强度的动压，可表现为一种冲击力和抛掷力，作用于人体后，可使人员发生位移或被抛掷到空中，当人员摔向地面时，会产生各种加速伤或减速伤，但多表现为在与坚硬物体相撞的减速伤。人体以3.66 m/s左右的速度撞击坚硬物体时，重伤率约为50%；以5.18 m/s左右的速度撞击时，死亡率约为50%。这具体还取决于爆炸冲击力强度、人员与爆心的距离、地形条件以及人体方位等。对爆炸冲击机械功的测试，可采用如混三50百分位模拟假人，如图9-39所示。在假人头部、胸部和腿部等不同器官位置处搭载加速度、位移或其他力传感器，用来测试爆炸机械功对模拟假人惯性冲击加载作用，为爆炸冲击机械功致伤判据提供依据。

图9-39　混三50型模拟假人

7.爆炸地震波测试

爆炸地震波可以导致建筑物部分或完全倒塌，从而使人员受到压砸损伤。损伤类型包括软组织、内脏挫伤、骨折等，重者可发生挤压综合征。被掩埋人员可因呼吸道堵塞而窒息。采用爆炸地震波测试系统（图9-40），搭配单轴/三轴震动速度传感器，频响范围为5～300 Hz，X/Y/Z三轴向的灵敏度25%V/m/s，地震触发范围为0.2～300 mm/s，用以对地面爆炸地震波传播时的振速和幅值等参量进行检测。通过地震波参量反演地震波传播对建筑物结构的影响，进而评估地震波对建筑物的破坏效应，确定建筑物内生物体的安全系数。

图9-40　爆炸地震波测试系统