世界化生放核防护装备技术的最新进展

张增利+王曼琳

近年来，国际化生放核（CBRN）防护装备技术呈现出明显的创新、融合、综合、集成的发展趋势。不仅体现在对威胁源项防护的广谱化，更体现在多种防护思想的创新、多种防护原理的融合、多种防护技术的综合和多种防护功能的集成。它们也许还处于思想创新、原理探索、实验研究阶段，还有待生产制造水平方面的检验，但毋庸置疑的是，这些新技术在相当大的程度上代表着防护装备技术的发展趋势。可以预见，随着科学技术的不断进步、技术难题的不断突破和科技创新的不断深化，未来CBRN防护装备技术发展将呈现出全新的面貌。

CBRN防护新原理

探测化生战剂与爆炸物的电子鼻

近年来，欧盟发起通用嗅觉和传感项目，旨在促进人工嗅觉用于探测爆炸物和化学毒剂。美国国家标准和技术研究所研制出一种由16个微型加热元件和8种探头组成的电子化学探测器。该探测器模拟动物识别气味的模式识别单元，能探测出数百种化合物，开创了“电子鼻”探测化学生物战剂的新途径。诺玛迪克公司研发的FIDO是部署于伊拉克的首款基于“电子鼻”的手持式便携检测设备，能直接检测爆炸物散发出来的气体。

自组装原理检测痕量化学物质

英国伦敦大学帝国理工学院的科学家研制出一种能够快速检测痕量化学物质的系统。这种新型装置能够通过单层金纳米粒子的自组装原理实现分子捕获，可在几毫秒内从10000万亿个水分子中筛选出单一目标分子。这一技术开辟了研制结构紧凑、可重复使用且方便安装检测装置的道路，具有广泛的应用前景，可以用来检测非法毒品、爆炸物、河水污染物或者释放到空气中的有毒气体。

基于仿生学的化学和生物探测

一是仿蝴蝶鳞片化学探测器。美国国防高级研究计划局2010年斥资630万美元，资助通用电气全球研究公司下属单位，研究模仿蝴蝶翅鳞的纳米结构物用于化学探测。该探测器每个约1×1厘米大小，可以贴在衣服上、建筑物上，或像五彩纸屑似的四处抛撒。

二是蝙蝠式生物探测器。美国科学家研制出一种按照蝙蝠设计的扑翼式生物战剂探测飞行器。这种以太阳能为动力的自导航式“微型航空器”大小约等同于一只蝙蝠，飞行方式也借用了蝙蝠的解剖原理。目前这种微型飞行器虽然仍处于样机研究阶段，但预期其军事用途是探测生物战剂及其他侦察。

有望取代吸附过滤防护的新原理

第一次世界大战至今，吸附过滤一直是核生化防护的主要原理，但是伴随技术进步，取代吸附过滤原理的防护新原理不断出现，主要包括膜分离、基于离子喷射和电动力的空气净化系统。其中基于离子喷射和电动力的空气净化系统作用于通风管道中的气流，可将超细粒子分离出来，整个净化过程无需过滤介质的参与。所汇集的粒子利用（强液流）冲洗方法去除残余物中危害环境或人体的成分，以中和的方式消毒。

取代传统水基洗消的新原理

水基洗消长期以来在洗消领域占主导地位，非水洗消则发展较慢。进入21世纪以来，非水洗消方式获得较快发展，典型的非水洗消原理包括：光催化消毒、乳液和泡沫洗消、气态洗消、酶法洗消和等离子洗消等。其中，酶法洗消是利用各种酶将毒剂转化为无毒产物，可彻底消除二次染毒的危险；等离子洗消目前已经被广泛应用于多种物体表面消毒。

CBRN防护新技术

集成化技术

由于CBRN防护对象的多样化与防护要求的多元化，单一技术、单一功能模块越来越难以满足防护的新要求，基于系统工程思想的技术综合集成与功能的模块化组合成为重要发展趋势。

一是多功能手持分析仪（GDA2）。该分析仪首次将4种不同类型传感器技术集于一身，用于检测神经性、糜烂性、全身中毒性和窒息性化学毒剂以及有毒工业化学品，被称为目前世界上最先进的化学探测器。

二是六合一无线便携式气体检测仪MultiRAE Pro。它由美国华瑞公司开发，融合了该公司的光离子化、射线检测和无线技术三大专利技术，堪称全球工业界首款可以同时检测射线和有毒气体的无线便携式检测仪。

三是无线气体检测系统。SafeSite是美国梅思安公司为国土安全部门开发的一种无线气体检测系统。该系统将多种化学传感器和无线通信技术集成一体，可以探测化学毒剂、挥发性有机物、工业有害气体。

四是模块化防护技术。目前美军正在研发由防护服、面具、头盔、长筒皮靴、手套等模块化装备系统组成的单兵核化生防护装备，预计将于2030年完成。目前正在设计将防护面具和头盔一体化。

网络化技术

“9·11”事件使美国清楚地认识到，没有任何一个单层防护能够确保100%的成功，必须采取体系化“环形”防御战略。如果一个防御子层没有探测到威胁，还可以依靠另一防御子层来成功探测或阻断威胁。通过网络将分散的防护单元组合成区域的防护系统，正是这种思想的重要应用。典型装备技术有便携式CBRN事件监测与评估系统、辐射探测网络系统、基于网络的新型遥控传感器及危害管理C4I系统。其中，便携式CBRN事件监测与评估系统的代表是诺斯罗普·格鲁曼公司推出的CBRN环境综合战术评估（I-TRACE）系统。I-TRACE可提高决策支持能力，改善态势感知和应急响应机构之间的信息共享。I-TRACE能够与第三方的气象传感器、视觉传感器和CBRN传感器通过网络联成一体，为本地和远距离指挥官及其他远距离兴趣方提供对CBRN事件的态势感知。辐射探测网络系统是美国爱达荷国家实验室推出的产品，主要用于核武器和核物质的监管，防止盗窃和破坏行为。它可独立使用或构成网络使用，可同时探测中子和伽玛辐射，并将探测到的辐射水平与预设的报警值相比较，在达到阈值时发出区域或远程警报。

智能化技术

人工智能化技术在CBRN防护领域的广泛应用，极大提高了响应效率。

一是“智能灰尘”传感器。该传感器能够像灰尘一样融入战场背景中，它采用无线传感器网络技术，不仅可以感觉到运动的或静止的金属，而且可以感觉到声音、光线、温度、化学物品以及动植物的生理特征。endprint

二是芯片式神经性毒剂探测器。芯片式神经性毒剂探测器是一种通过执行多级步骤检测血滴中神经性毒剂的装置，它能够识别沙林的微量射流。该探测器由新加坡芯片实验室研制，可以探测血滴中的痕量沙林和相关的神经性毒剂。

三是基于功能化金纳米颗粒的智能传感器。基于纳米材料的新兴传感器，尤其是那些用功能化金纳米粒子（GNP）作传感元件的，可能为危险毒剂检测提供很多所需功能。以GNP等纳米材料为基础发展的新兴传感技术，具有检测危险毒剂所需的灵敏度高、选择性好、速度快和易便携等特点。

无人化技术

苛刻的CBRN环境使无人化技术大显身手，无人CBRN侦察、洗消与污染物处置系统发展迅速。典型装备技术有无人机核污染探测系统、CBRN无人地面车辆的联合污染表面探测器、无人机核监测系统及探测大规模杀伤性武器的遥控机器人。其中，无人机核污染探测系统由印度国防研究与发展组织研制。该组织推出一系列地面天线设备和无人机系统，可实现在各种地理条件下对污染区实施探测和测绘，避免人员遭到任何照射。目前，正在研制能够嵌入到“曙光”无人机和“鲁斯图姆”无人机上、并对辐射活动实施监测的传感器。美国CBRN无人地面侦察先进概念技术演示评估了一种非接触式表面探测器—联合污染表面探测器，这种探测器被集成到联合军种轻型核化生侦察系统上，即CBRN无人地面车辆联合污染表面探测器。

非接触化技术

非接触CBRN探测技术是提高响应准备时间、增加CBRN环境生存能力的重要技术支撑。典型装备技术为多角度光散射技术、石英激光声光探测器、拉曼光谱检测器遥测化生战剂和爆炸物，以及快速探测化生放核爆物质的激光技术。其中，BioSentry Plus是吉玛公司推出的一款实时监测装置，该装置采用灵敏的多角度光散射激光布局，可以7天24小时连续监测细菌含量和标准水质参数；石英激光声光探测器为美国太平洋西北国家实验室与赖斯大学合作研制。这种新型化学毒剂探测设备使用激光和音叉技术，可满足甚至超过当前美国国土安全防御对化学侦察能力的需求。目前该技术成熟水平已达4级。

纳米化技术

纳米技术在CBRN防护领域的广泛应用，给CBRN防护原理、防护装备发展带来了重大变革。

一是磁性纳米珠传感器。美国俄勒冈大学的研究人员发现一种利用磁性“纳米珠”检测化学和生物剂的传感器新技术。在这项技术中，科学家开发利用了磁性氧化铁纳米粒子检测化学品的灵敏性和选择性。这些磁性氧化铁纳米粒子可纳入一个系统的集成电路（芯片），即时显示结果。

二是变色纳米传感器。基于表面等离子吸收的变色纳米传感器的工作原理是，当颗粒聚集时，纳米颗粒溶液变换颜色，尤其是有害物质含量很少时，溶液依旧能变换颜色。此技术可以形成易用、便携的野战装备，能够准确和迅速地识别毒素、病毒和病菌。其原理和方法的应用已得到研究证实。

CBRN防护新材料

能够从γ射线中有效识别中子的塑料材料

一直以来，人们认为有机晶体和液体闪烁体能够探测中子，而塑料不适合用于中子探测。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家们研制了一种能够从γ射线中有效识别中子的塑料材料。这项新技术有助于探测简易核装置中的钚、铀等核物质，也可在重大工程中帮助探测中子。与目前使用的其他中子探测器相比，塑料成本低廉，易于大面积铺设使用，可帮助港口、体育场和其他大型设施加强核防护。

活性炭纤维

当前大多数防护服是在无纺布中加入粒状或珠状的活性炭，不过近年来欧洲已开始使用纤维状活性炭制成的防护服。由于纤维状活性炭的吸附点突出在纤维表面，具有吸附速度快等特点，因此有利于减轻防护服的重量。2010年国际化生战剂防护研讨会暨装备展上，美国卡尔冈公司欧洲分公司凯姆瓦伦公司展出了Zorflex活性炭纤维材料。伦普洛依公司的Swift Responder 3防护服采用Gore Chempak、活性炭纤维和Nomex材料开发而成，被英国内政部采购，以满足2012年伦敦奥运会CBRN安保需要。

金属有机骨架吸附/反应型净化材料

金属有机骨架（MOF）是一种介于有机和无机之间的一系列多孔材料的总称，通常以锆、钴、锌和铜等类金属盐结构作为刚性骨架，孔隙结构（几埃到几百埃）和表面化学性质（酸性、碱性或酸性碱性共存）可以在较大范围内进行控制。金属有机骨架是当前新材料中最为著名的一类，其表现出的吸附性远远超过活性炭。金属有机骨架材料可以作为滤毒罐、过滤吸收器装填材料和洗消材料，可用于消灭某些特殊化合物，包括目前难以防护的高挥发性有毒工业物质。作为防消一体化材料，目前金属有机骨架材料受到高度重视。

智能防护材料

美国化生防御计划提出研制智能材料，作为防护装备链接到信息化战场的重要载体。其目标是研制能指示染毒区域的自指示材料与涂料，以及报告耗材剩余服役时间或探测毒剂是否存在的剩余寿命指示器。智能材料被作为传感器和驱动器使用，并与指控网络集成一体，以增强战场意识，使部队自动对威胁做出反应。其中，智能织物是指通过在纺织基质材料中融入传感器、处理器等装置，将传统被动式织物转化为交互性织物或智能织物，并与通信基础设施和后端数据管理与决策支持模块共同构成基于织物的交互式信息处理系统。

选择性透过膜

美国戈尔公司研制了选择性透过织物。它是一种防水透湿聚四氟乙烯膜，具有优异的防水、阻燃、拒油和润滑剂的特点，能够有效防护传统的化学毒剂、生物气溶胶、有毒工业化学品和放射性落下灰。与此同时，这种防护膜允许衣服内的水蒸气透过并向体外排出。

纳米材料

纳米材料是近10年来CBRN防护领域研究应用最广泛的材料，一大批新的功能纳米材料不断出现。典型的纳米材料有：可识别并解除爆炸物的纳米材料、反射型新型碳纳米管纤维、表面涂酶电纺纳米纤维、纳米多涂层织物及活性自洗消纳米复合织物等。其中，可识别并解除爆炸物的纳米材料是美国科学家研发的一种由纳米金属氧化物制成的新型材料。这种类似于“墨水”的材料接触到爆炸物时，颜色可由深蓝色变为浅黄色或无色，并可解除爆炸物威胁。反射型新型碳纳米管纤维是美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室等机构正在开发的一种可防御化生战剂的新材料。如果直接用化学毒剂攻击该纤维织成的布料，就会引发反应使纤维转变为防护状态，即关闭碳纳米管微孔或让被污染的表面层脱落。

启示思考

通过CBRN防护领域新原理、新技术、新材料的发展研究，可以看出以下几个鲜明特点：

一是防护新原理、新技术、新材料发展存在内在关联，彼此构成了一个以防护原理创新为引领，新技术、新材料相互联系、相互促进的关系。

二是监测区域的扩大化和监测空间的多维化与探测装备的微型化（纳米化）构成CBRN防护技术向宏观与微观“两极”发展的突出特点。

三是集成化、网络化、无人化、智能化、纳米化及非接触化构成了防护技术发展的6个典型技术群。

四是纳米材料将逐步成为构建未来防护技术体系最重要的基础材料。endprint