柱形鋼質(zhì)破片侵徹肥皂靶的彈道特征研究

賈駿麒，王敬夫，馬 秦，趙晉龍，劉彥普，趙銥民，田 磊

·短篇論著·

柱形鋼質(zhì)破片侵徹肥皂靶的彈道特征研究

賈駿麒，王敬夫，馬 秦，趙晉龍，劉彥普，趙銥民，田 磊

目的 研究不同速度和長徑比破片的創(chuàng)傷彈道學(xué)特點，為高速破片傷的臨床救治提供參考。方法 采用肥皂靶20塊，分別在速度1 900m/s、1 100m/s、500m/s下用長徑比為1的破片和速度1 100m/s下用長徑比為 0.5、1、2的破片對其進行正向沖擊試驗，觀察各組破片侵徹肥皂靶的彈道學(xué)特點，分析其差別和彈道規(guī)律。結(jié)果 破片長徑比為1時，隨著破片飛行速度增大，其彈道入口直徑、彈道深度和彈道容積均不同程度增大，但彈道深度增大程度較?。凰俣葹? 100m/s 時，隨著破片長徑比增大，其彈道入口直徑減小，彈道深度增大，彈道容積變化趨勢不明顯。結(jié)論 破片飛行速度和其長徑比在不同程度上影響其彈道直徑、彈道深度和彈道空腔容積，這對由其導(dǎo)致戰(zhàn)創(chuàng)傷的診斷和救治具有重要參考意義。

戰(zhàn)創(chuàng)傷； 高速破片； 彈道學(xué)； 肥皂靶

戰(zhàn)爭形式的改變使得破片取代槍彈成為造成戰(zhàn)斗減員和平民傷亡最主要的因素[1-2]，破片在幾何形狀和運動規(guī)律等方面均與槍彈有明顯不同，這勢必造成二者在彈道學(xué)方面的差別。破片按其飛行速度可分為常速破片、高速破片和超高速破片；按其加工方法可分為非預(yù)制破片和預(yù)制破片，現(xiàn)代爆炸性武器造成殺傷主要是高速預(yù)制破片[3-4]。影響破片侵徹能力的兩個重要因素是破片的動能和其特征尺寸[5-6]，其中破片的速度是影響其動能主要的因素，長徑比即類圓柱體長度和直徑的比值是表現(xiàn)其特征尺寸最重要的參數(shù)[7]。肥皂因其質(zhì)地與軟組織較接近以及可塑性強的材料學(xué)特點，作為靶材料廣泛應(yīng)用于彈道學(xué)的研究。本實驗通過用不同速度和長徑比的圓柱體破片對肥皂靶進行正撞沖擊試驗， 觀察并分析其彈道形態(tài)和侵徹特點，探討破片速度和長徑比對其彈道形態(tài)的影響，為戰(zhàn)創(chuàng)傷機制研究和救治工作提供參考。

材料與方法

1 實驗靶標和設(shè)備

肥皂靶由西安南風(fēng)日化有限公司定制，尺寸 30cm×30cm×50cm，共 20 塊，制作完成后用保鮮膜嚴密包裹并在7d內(nèi)完成試驗以防肥皂脫水風(fēng)干。破片采用質(zhì)量1.0g的30CrMnSi合金圓柱體破片，長徑比分別為 0.5(Φ4mm×8mm) 、1(Φ5.5mm×5.5mm) 、2(Φ7mm×3.5mm) 。加載使用西北核技術(shù)研究所研制的二級輕氣炮，測量設(shè)備為激光測速儀、示波器、高速攝錄機和CT機。

2 試驗分組

按破片飛行速度分為：高速組(1 900m/s)4塊；中速組(1 100m/s)4塊；低速組(500m/s)4塊，破片長徑比均為1。

對中等速度的破片按其長徑比另外設(shè)置：大長徑比組(2)4塊； 小長徑比組(0.5)4塊。破片飛行速度均為1 100m/s。

3 加載與數(shù)據(jù)測量

將肥皂放在靶室內(nèi)，反復(fù)調(diào)整激光準星位置使破片能沿靶體正中長軸射入，然后固定靶體。為控制破片觸靶姿態(tài)的一致性，采用與破片輪廓精密匹配的定制化彈托作為載體，以使破片與靶體接觸瞬間其長軸與速度方向相重合。調(diào)整激光測速儀位置、線路和示波器設(shè)置，將二級輕氣炮的活塞、膜片、脫殼器以及裝有破片的彈托安裝完畢后對炮管和靶室抽真空，向輕氣炮的一級和二級裝置充入高壓氮氣，電引信觸發(fā)。將示波器數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 8.0(OriginLab，美國)進行處理，計算獲得破片速度。侵徹過程全程由高速攝錄機記錄。

對侵徹后的肥皂靶拍照并進行CT掃描，將dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入到mimics 15.0(Materialise，比利時)軟件中進行三維重建，在重建模型上觀察彈道形態(tài)；測量彈道的入口直徑、最大直徑和深度；采用向彈道空腔灌水的方法測量空腔容積。

結(jié) 果

測量各組破片的飛行速度及彈道的入口直徑、最大直徑、彈道深度、彈道容積的數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 破片飛行參數(shù)及彈道各測量指標之間的關(guān)系

1 破片速度與彈道特點之間的關(guān)系

長徑比1∶1 下不同速度的柱狀破片正撞肥皂靶所形成彈道形狀大體相同，均為入口大并逐漸縮窄的錐形，彈道的最大直徑出現(xiàn)在入口處或者入口附近(見圖1)，其速度越大，所形成彈道入口直徑和彈道容積越大，同時彈道也越深。不同速度的破片雖然在侵徹初段形成彈道直徑相差巨大，但其在初始段明顯收窄，在后段收窄不明顯，在末段形態(tài)幾乎一致。隨著破片速度增大，其彈道的入口直徑、最大直徑和彈道容積均有所增大，但彈道深度在中速組和高速組之間的差異很小(見圖 2) 。

圖1 不同速度破片彈道三維重建模型(由左至右：低速組、中速組、高速組)

圖2 彈道入口直徑、彈道深度和彈道容積隨著破片速度增大的變化趨勢示意圖

2 破片長徑比與彈道特點之間的關(guān)系

不同長徑比的柱狀破片正撞肥皂靶所形成彈道形狀不同，與長徑比為1的破片相比，小長徑比破片形成的彈道入口更大、縮減更明顯，大長徑比破片形成的彈道則入口較小、在初段有小范圍膨脹后迅速縮窄(見圖 3) 。長徑比為1的破片其彈道呈錐形，即在入口處最大，然后較均勻的縮窄，至末段呈一狹長的錐形；長徑比為2的破片在侵徹初段經(jīng)歷一個短期的膨脹過程，然后開始縮窄，末段與長徑比1的破片類似；長徑比為0.5的破片其彈道在初段即迅速縮窄，在很短距離內(nèi)即停止繼續(xù)侵徹。隨著破片長徑比的增大，其彈道入口直徑、最大直徑減小，彈道深度增大，但長徑比1和長徑比2組的破片其彈道深度差異相對較?。粡椀揽涨蝗莘e隨長徑比不同變化趨勢不明顯，長徑比1組的彈道空腔容積略小于其他兩組(見圖4)。

圖3 不同長徑比破片彈道三維重建模型(從左至右：長徑比 2、1、0.5)

圖4 彈道入口直徑、最大直徑、彈道深度和彈道容積隨著破片速度增大的變化趨勢示意圖

討 論

對于槍彈的致傷特點在過去幾十年里國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了大量的細致研究，但是破片與槍彈之間彈道學(xué)特點的差異以及由此所導(dǎo)致的生物毀傷效應(yīng)差異的研究仍然較少。 破片在其外形與運動特點方面與槍彈有很大不同[3]：首先，破片的形狀通常為球體、立方體、棱錐、不規(guī)則形等，且長徑比通常遠不及槍彈；其次，破片的飛行速度通常高于槍彈，一般的高速破片速度在1 000～1 500m/s，有的甚至可以達到3 000m/s以上；破片的質(zhì)量也通常小于槍彈，世界各國主要列裝武器所產(chǎn)生的破片集中在0.8～5g；再者，破片在飛行過程中不形成有規(guī)律的高速自轉(zhuǎn)，加之其長徑比通常較小，所以侵徹過程中翻轉(zhuǎn)效應(yīng)很小。上述這些原因勢必導(dǎo)致破片與槍彈侵徹生物體后其毀傷效應(yīng)有所差別。

頜面部因其位置的特殊性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、對功能和美觀的重要性，已經(jīng)成為戰(zhàn)創(chuàng)傷的高發(fā)區(qū)域和研究的重點區(qū)域。對于槍彈對頜面部造成損傷國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了大量研究[8-9]，但對破片造成頜面部創(chuàng)傷的研究目前仍鮮有文獻報道。本試驗發(fā)現(xiàn)破片區(qū)別于槍彈的彈道學(xué)特點，表現(xiàn)為：首先，在彈道形態(tài)上，破片的彈道大致為一自入口處均勻縮窄的錐形，這與槍彈侵徹后在初段形成一膨脹空腔的類葫蘆形有明顯不同，可能是因其外形不同于槍彈、在飛行過程中沒有規(guī)律性自轉(zhuǎn)且在侵徹靶體后不容易形成翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致；其次，由于破片質(zhì)量較小、速度較高，而與彈道空腔直接相關(guān)的侵徹動能與速度的平方成正比，故侵徹的初始速度對彈道空腔的影響很大。在本試驗中隨著破片飛行速度的增加，其彈道入口直徑和彈道容積均顯著增大，這說明速度是影響破片彈道空腔的重要因素。值得注意的是，本試驗中隨著破片速度的增加在高速段其彈道深度增加并不明顯，說明破片的飛行速度在達到一定值后對其侵徹深度的影響較弱。第三，作為表征破片形態(tài)特征參數(shù)的長徑比在對本試驗中肥皂靶彈道形態(tài)產(chǎn)生明顯影響，相同質(zhì)量和速度的柱形破片，其彈道深度隨長徑比的增加而增大，彈道入口直徑卻減小，而彈道空腔容積沒有形成明顯的變化趨勢，這可能是由于大長徑比破片與靶體接觸面積更小，在破片與靶體接觸面的壓強更大，導(dǎo)致了其侵徹深度的增加，同時有研究證實長徑比更大的破片其臨界穿透質(zhì)量更小，導(dǎo)致其更易穿透靶體[6]；而彈道容積更多地是與投射物動量和動能有關(guān)，與投射物的形態(tài)特征沒有直接關(guān)系。

本試驗通過對破片創(chuàng)傷彈道學(xué)進行研究， 其結(jié)果可為戰(zhàn)創(chuàng)傷的臨床救治工作提供有益的參考：(1)相比較低速破片而言，中高速破片在侵徹的初始階段可形成更大的空腔，并且該空腔隨著彈道的深入迅速縮窄。彈道空腔的形成與空腔壁受到的側(cè)向壓力直接相關(guān)，而這正是在生物體上造成毀傷最為重要的原因。提示：當人體被破片擊中后其毀傷主要發(fā)生在侵徹的初始階段，所以對于破片尤其是中高速破片所造成的頜面部創(chuàng)傷，其救治清創(chuàng)的重點應(yīng)放在傷道周圍，特別是創(chuàng)口周圍的組織，而且考慮到彈道入口直徑以及空腔容積與破片速度呈正相關(guān)，在救治中對于高速破片導(dǎo)致的創(chuàng)傷更應(yīng)適當擴大探查和清創(chuàng)范圍。(2)不同速度破片所導(dǎo)致的彈道深度之間的差異遠小于其速度本身之間的差異，所以切不可忽視對小威力彈藥破片傷的深部探查，而是應(yīng)當在條件允許的情況下結(jié)合影像學(xué)資料常規(guī)性進行嚴格的探查清創(chuàng)。(3)試驗結(jié)果表明，長徑比對彈道形態(tài)的影響同樣重要，當影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)破片長徑比較大時，應(yīng)判斷其傷道在侵徹初始階段損傷更重，傷道更深，故清創(chuàng)重點應(yīng)放在創(chuàng)口下方一定深度的組織并適當擴大清創(chuàng)深度；而長徑比較小的破片彈道呈淺碟狀，其對表淺結(jié)構(gòu)的破壞更大，故應(yīng)將清創(chuàng)重點放在創(chuàng)口表面附近組織，并適當增大清創(chuàng)的橫向范圍。

本研究用于破片加載手段較以往類似試驗有較大改進。以往的研究多用各類槍械加載，通過控制彈頭類型與裝藥量實現(xiàn)破片類型和加載速度的多樣化。其優(yōu)點在于成本較低，利于進行大樣本量實驗。但該方法也存在明顯的缺陷，如破片速度和飛行姿態(tài)難以精確控制、可重復(fù)性較差，破片速度難以達到1 000m/s以上從而無法模擬高速破片的運動特點， 對所發(fā)射破片的尺寸限制性較強，火藥爆炸產(chǎn)生的氣流和口焰高溫對實驗結(jié)果影響較大等。針對上述問題，我們與西北核技術(shù)研究所開展合作，使用二級輕氣炮作為加載設(shè)備建立了全新的高速破片生物毀傷效應(yīng)實驗研究平臺。其優(yōu)點在于：(1)整個加載過程在真空下進行，完全避免了空氣激擾對測量的干擾；(2)可對1～5g的破片實現(xiàn)400～3 000m/s的發(fā)射，能對各種常規(guī)爆炸性武器產(chǎn)生的破片進行有效模擬；(3)通過成熟的壓強-彈速換算公式精確控制輕氣炮氣體壓強的方式控制彈速，從實驗結(jié)果來看，誤差可控制在±2%以內(nèi)；(4)精密匹配彈托的使用使每發(fā)破片的姿態(tài)嚴格保持為正向撞擊觸靶，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法；(5)完全依賴高壓氣體冷發(fā)射，除破片沖擊靶標產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)換外不產(chǎn)生高溫，這尤其適用于進行動物研究。此外，目前用于彈道學(xué)研究的靶體材料主要有肥皂、硅膠、彈道凝膠等，它們之間各具優(yōu)缺點，其中，硅膠和彈道凝膠在材料彈性和透明度方面要優(yōu)于肥皂，但對于本實驗而言，肥皂在其材料學(xué)特性與生物體軟組織比較接近的前提下具有更好的塑性，在撞擊侵徹過程中不會發(fā)生回彈、潰縮等，能更好地保存彈道形態(tài)，十分利于進行彈道直徑、容積和形態(tài)的分析。

綜上所述，本試驗通過二級輕氣炮、高速攝影機、激光測速儀等先進裝備搭建了全新高速破片致傷平臺，該平臺在穩(wěn)定性、精確性、可重復(fù)性、安全性等方面均具有較大優(yōu)勢，后期引入各種測量儀器可以作為口腔頜面部高速破片傷的標準化實驗平臺。本試驗通過不同類型破片對肥皂靶的沖擊，發(fā)現(xiàn)了破片速度和長徑比對彈道深度、空腔形態(tài)、空腔容積等方面的影響規(guī)律，可為高速破片的生物毀傷效應(yīng)和臨床救治研究提供參考依據(jù)。

[1] Breeze J,Horsfall I,Hepper A,et al. Face, neck, and eye protection: adapting body armour to counter the changing patterns of injuries on the battlefield[J].Br J Oral Maxillofac Surg,2011,49(8):602-606.

[2] Eskridge SL,Macera CA,Galarneau MR,et al.Injuries from combat explosions in Iraq: injury type, location, and severity[J].Injury，2012,43(10):1678-1682.

[3] 柴國君.新世紀輕武器彈藥發(fā)展走向[J].國防科技,2001,(10):61-62.

[4] Volgas DA,Stannard JP,Alonso JE.Ballistics: a primer for the surgeon[J].Injury,2005,36(3):373-379.

[5] 張慶明,黃風(fēng)雷.超高速碰撞動力學(xué)引論[M].北京：北京科學(xué)出版社,2000.

[6] 李磊，馮順山，董永香.破片超高速作用機理及威力性能優(yōu)化[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2006,26(S2):388-390.

[7] Pickutowski AJ.Debris clouds reduced by the hypervelocity impact of non-spherical projectiles[J].Int J Impact Engineering,2001,(26):613-624.

[8] Owens BD,Jr KJ,Wenke JC,et al.Combat wounds in operation Iraqi Freedom and operation Enduring Freedom[J].J Trauma,2008,64(2):295-299.

[9] Chan RK,Sillerjackson A,Verrett AJ,et al.Ten years of war: a characterization of craniomaxillofacial injuries incurred during operations Enduring Freedom and Iraqi Freedom[J].J Trauma Acute Care Surg,2012,73(6S5):S453-458.

(本文編輯： 郭 衛(wèi))

Study on the ballistic characteristics of cylindrical steel fragments penetrating soap target

JIAJun-qi，WANGJin-fu，MAQin,ZHAOJin-long，LIUYan-pu，ZHAOYi-min，TIANLei
(State Key Laboratory of Military Stomatology & National Clinical Research Center for Oral Diseases & Shaanxi Clinical Research Center for Oral Diseases,Department of Oral and Maxillofacial Surgery，School of Stomatology,Fourth Military Medical University，Xi’an 710032，China)

Objective To study the ballistic characteristics of different types of fragments,and provide useful references for the clinical treatment. Methods Twenty pieces of soap were respectively penetrated by steel fragments with 1 length-diameter ratio at the speed of 1 900m/s,1 100m/s,500m/s,and by steel fragments with 0.5,1,2 length-diameter ratio at the speed of 1 100m/s. Then the ballistic characteristics was analyzed and the differences between the ballistic characteristics were observed. Results When the length diameter ratio of the fragment was 1,the entrance diameter,depth and volume of ballistic cavity were increased in different degrees with the increased velocity,but the depth of the cavity was relatively smaller. When the speed was 1 100m/s,the entrance diameter of the cavity was decreased with increase length diameter ratio, and there was no significant difference between the volumes with increased depth. Conclusion The fragment’s speed and length-diameter ratios affect the ballistic diameter,depth and cavity volume in different degrees,which have great value for the diagnosis and treatment of trauma caused by high speed fragments.

war injury; high speed fragment; ballistics; soap target

710032 西安，軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室，口腔疾病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心, 陜西省口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心,第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院頜面外科

田磊，E-mail:tianleison@163.com

1009-4237(2017)06-0462-04

R 641

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.06.017

2016-09-29；

2017-01-16)