安全氣囊：“爆炸”也可以救命？

作者：薛斌

提到爆炸，大家想到的多是危險(xiǎn)甚至生死攸關(guān)的場面。不過，事物都有兩面性，有爆炸危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì)如果得到合理利用，也能造福人類，例如汽車?yán)锏陌踩珰饽?，其工作過程被稱為“拯救生命的爆炸”。

車禍帶來的靈感

汽車帶來的高效與便捷，改變了人類的生活方式。但是，伴隨著汽車功率和時(shí)速的提高以及高速公路的興起，行車安全事故越來越頻發(fā)。對此，人們不得不考慮在車禍發(fā)生時(shí)，該如何減少人身傷害。

20世紀(jì)50年代，親歷一次車禍后，美國工程師約翰·赫特里克（John W. Hetrick）萌生了在汽車上安裝安全氣囊的想法——減少汽車受撞擊時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊力對駕駛員和乘客的傷害。當(dāng)時(shí)他給出的方案是利用壓縮空氣作為緩沖物質(zhì)——也就是在汽車上安裝一個(gè)充滿壓縮空氣的鋼瓶——當(dāng)車禍發(fā)生時(shí)，將空氣釋放到氣囊中充當(dāng)一個(gè)緩沖墊。

但這種安全氣囊的缺陷顯而易見：壓縮空氣鋼瓶不僅占用空間，增加汽車重量，其本身還存在爆炸隱患。更關(guān)鍵的是，壓縮空氣不能得到迅速釋放。

有沒有不占用空間，且只在劇烈碰撞發(fā)生時(shí)才會(huì)充氣的安全氣囊呢？

“脾氣略好”的爆炸家族成員

經(jīng)探索，汽車工程師把目光轉(zhuǎn)向了疊氮化鈉（NaN3）這種化學(xué)物質(zhì)。疊氮化鈉屬于疊氮鹽，由帶正電的鈉離子和帶負(fù)電的疊氮離子構(gòu)成。其中，疊氮離子由3個(gè)氮原子連成一串組成，像疊羅漢一樣，因此被命名為“疊氮”。疊氮鹽有一個(gè)共性就是“脾氣火暴”——受到熱、撞擊和強(qiáng)光等刺激后容易爆炸，轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂徒饘佟?/p>

疊氮化鈉是一種白色結(jié)晶固體，在疊氮鹽中屬于“脾氣略好”的成員，相對穩(wěn)定些。它可以在受控條件下分解為金屬鈉和氮?dú)猓虼吮贿x中作為安全氣囊的起爆物質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每輛汽車攜有300克疊氮化鈉，可以釋放出155升氮?dú)猓阋猿錆M安全氣囊。

不過，雖然氮?dú)馐菬o害氣體，但金屬鈉非常活潑。尤其在接觸水后，它會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生有腐蝕性的氫氧化鈉，可能對車內(nèi)人員造成二次傷害。為解決此問題，工程師在疊氮化鈉中加入了硝酸鉀和二氧化硅——疊氮化鈉爆炸分解產(chǎn)生的金屬鈉會(huì)與硝酸鉀和二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成安全無害的硅酸鈉和硅酸鉀，從而提高了氣囊的安全性。

此外，安全氣囊系統(tǒng)還包含碰撞傳感器、控制系統(tǒng)、點(diǎn)火元件、尼龍材質(zhì)氣囊等部分。整個(gè)安全氣囊通常以折疊狀態(tài)被安置在方向盤的襯蓋中及副駕駛座位對面的儀表板里，有些車輛還會(huì)在車頂、車門和座椅等處內(nèi)置安全氣囊。

救命的0.03秒

包含疊氮化鈉的安全氣囊系統(tǒng)是如何工作的呢？

當(dāng)意外發(fā)生時(shí)，位于車頭前方左右兩端的碰撞傳感器會(huì)感受到車體的失速狀態(tài)，繼而通過控制系統(tǒng)發(fā)出電信號；點(diǎn)火元件接收到傳來的電信號后，啟動(dòng)電加熱程序，其中的疊氮化鈉受熱后會(huì)在短短的0.03秒內(nèi)發(fā)生爆炸反應(yīng)。

爆炸后釋放的氮?dú)鈺?huì)迅速將折疊狀態(tài)的氣囊撐開、充滿、彈射出來，擋在方向盤、儀表板與駕駛員和前排乘客間。不僅如此，氣囊上還有微小的氣孔，能逐漸釋放氣囊中的氮?dú)?，讓其充分發(fā)揮緩沖作用的同時(shí)也不影響人的活動(dòng)。

研究表明，發(fā)生車禍時(shí)正確使用安全氣囊，車內(nèi)駕駛員的死亡率能降低29%，副駕駛座位乘客的死亡率能降低32%，真可以說是“爆炸救了命”！

汽車安全氣囊系統(tǒng)歷經(jīng)迭代，最終巧妙利用劇烈的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了有效的安全保障，是科學(xué)技術(shù)為人類帶來福祉的一個(gè)縮影。如果你是汽車工程師，想要發(fā)明什么系統(tǒng)來保護(hù)大家呢？

（作者單位：上海海洋大學(xué)）

責(zé)任編輯：胡惠雯