橡皮彈對(duì)生物鈍擊損傷效應(yīng)試驗(yàn)研究

熊漫漫， 覃彬， 王舒， 韓瑞國(guó),2

(1.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所 瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102202;2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

0 引言

非致命動(dòng)能彈是依靠動(dòng)能打擊人體，達(dá)到防暴目的彈藥，作用于目標(biāo)部分的彈頭用橡膠或塑料等非金屬材料制成[1-2]。常用的非致命動(dòng)能彈包括布袋彈、軟體變形彈、橡皮彈、痛塊彈，主要用于人員壓制、驅(qū)散、制服、抓捕等，一方面必須確保具有足夠強(qiáng)的作用效果，另一方面還必須盡量避免過(guò)度傷害，即同時(shí)保證“有效性”和“安全性”，常用于處理反恐防暴沖突[3-4]，但是由非致命動(dòng)能武器產(chǎn)生的過(guò)傷害和死亡的報(bào)道近些年頻繁出現(xiàn)[5]。為了避免在反恐防暴行動(dòng)中發(fā)生致命等意外事件，通過(guò)生物靶標(biāo)試驗(yàn)探究非致命動(dòng)能彈不同物理因素對(duì)生物打擊效應(yīng)的影響規(guī)律，并評(píng)估非致命動(dòng)能彈的效能十分必要。

對(duì)于非致命動(dòng)能彈，其速度一般低于300 m/s，生物皮膚的存在對(duì)其侵徹與否、速度衰減與反彈狀態(tài)等影響非常顯著。非致命動(dòng)能彈通常作用于生物皮膚表面和皮下脂肪。針對(duì)非致命動(dòng)能彈的評(píng)估試驗(yàn)通常使用模擬靶標(biāo)，如仿真假人[6-7]、天然皮革加泡沫加明膠[8]、硅橡膠[9]等，使用生物靶標(biāo)的并不多。蒲利森等[10-13]開(kāi)展10 mm布袋彈、18.4 mm布袋彈和38 mm軟體變形彈等非致命彈打擊豬、羊等生物靶標(biāo)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)生物進(jìn)行解剖和傷情分析對(duì)不同非致命動(dòng)能彈威力和致傷效能進(jìn)行評(píng)估。陳向陽(yáng)等[14]使用模擬動(dòng)能武器打擊華南犬，探討致傷犬雙后肢后部分代謝及生化指標(biāo)的變化特點(diǎn)。Freminville等[15]使用40 mm非致命動(dòng)能彈打擊人體死尸，評(píng)估彈藥的殺傷效能，獲得人體不同部位發(fā)生50%骨折風(fēng)險(xiǎn)概率的彈頭速度。Bir等[16-17]用18.4 mm口徑橡皮彈打擊未經(jīng)防腐處理的人體死尸，針對(duì)不同速度橡皮彈對(duì)人體不同部位皮膚的侵徹效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。安寶林等[18]在研究低速槍彈打擊生物、生物組織以及松木板的致傷效果時(shí)，提出了針對(duì)不同制式槍彈和鋼球的比動(dòng)能致傷判據(jù)和最小致傷閾值。但上述研究主要針對(duì)特定槍彈的致傷閾值、傷情和生化指標(biāo)分析，未涉及到動(dòng)能彈的有效性、安全性分析及其致傷機(jī)理。

為了探究橡皮彈對(duì)生物鈍擊損傷效應(yīng)，本文通過(guò)開(kāi)展不同硬度和不同口徑橡皮彈打擊生物的彈道試驗(yàn)，以生物的行為反應(yīng)和傷情特征為表征量，分析橡皮彈的速度、口徑、硬度等因素對(duì)生物作用效能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用彈

考慮與彈頭發(fā)射裝置口徑匹配，同時(shí)參考常用防暴動(dòng)能彈口徑，試驗(yàn)選用32 mm、16 mm、8 mm的3種不同口徑的球形橡皮彈；考慮彈頭速度控制和避免過(guò)度傷害，試驗(yàn)選用邵氏硬度分別為20 HA、45 HA、70 HA的帽形橡皮彈，如圖1所示。橡皮彈的物理參數(shù)如表1所示。橡皮彈采用氣動(dòng)發(fā)射裝置發(fā)射。

表1 橡皮彈參數(shù)Tab.1 Parameters of rubber bullets

圖1 試驗(yàn)橡皮彈Fig.1 Test rubber bullets

1.2 生物靶標(biāo)

試驗(yàn)用生物選擇質(zhì)量為(50±5)kg健康狀態(tài)良好的長(zhǎng)白豬，共10頭。由于殺傷元種類較多，試驗(yàn)研究需要的數(shù)據(jù)量大，9頭生物用于開(kāi)展不同物理因素橡皮彈打擊下生物損傷效應(yīng)試驗(yàn)。1頭生物開(kāi)展生物麻醉狀態(tài)下創(chuàng)傷試驗(yàn)，觀察橡皮彈打擊下生物的傷情和皮膚的變形情況。通過(guò)控制橡皮彈速度，使生物傷情控制在國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJBz 20262—95防暴動(dòng)能彈威力標(biāo)準(zhǔn)傷情分級(jí)中的Ⅰ度3級(jí)的范圍內(nèi)[1]。

1.3 試驗(yàn)布置及方法

圖2為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，槍口距離生物為1.5 m. 其中圖2(a)為高速攝影觀察生物傷情和皮膚變形情況試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。試驗(yàn)前將生物麻醉，并將腿固定在金屬架子上，腹部朝外。高速攝像機(jī)型號(hào)為Phantom V122M，拍攝分辨率為640×480像素，頻率為10 000幀/s. 圖2(b)為不同物理因素橡皮彈打擊下生物傷情和行為反應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。試驗(yàn)時(shí)生物在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng)，從柵欄外向生物射擊。為減少連續(xù)射擊帶來(lái)的應(yīng)激反應(yīng)對(duì)生物行為狀態(tài)的影響，每頭生物射擊5～10發(fā)。記錄射擊速度、彈著點(diǎn)位置、皮膚傷情特征、行為反應(yīng)，結(jié)束后開(kāi)始下一個(gè)生物的射擊。定義橡皮彈打擊下生物皮膚表面出現(xiàn)的皮損、紅暈或蒼白為“可見(jiàn)傷情”，持續(xù)尖叫、驚跳或意圖逃跑為“明顯異常行為反應(yīng)”。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test system

2 結(jié)果與討論

2.1 生物皮膚表面鈍擊損傷特點(diǎn)及形成機(jī)制分析

橡皮彈打擊生物時(shí)，生物表面皮膚產(chǎn)生鈍擊變形，鈍擊變形超過(guò)一定量，生物表面留下可見(jiàn)傷情。圖3為32 mm口徑橡皮彈以88.8 m/s的速度、9.42 J/cm2比動(dòng)能打擊生物左胸留下的傷情。損傷區(qū)域從內(nèi)到外分為皮損區(qū)、蒼白區(qū)、紅暈區(qū)，直徑分別為15 mm、60 mm、90 mm，其中蒼白區(qū)與紅暈區(qū)界限明顯。打擊一段時(shí)間后，皮損區(qū)可見(jiàn)皮下出血，蒼白區(qū)變成紫紅色血腫區(qū)，原紅暈區(qū)基本消失。

圖3 32 mm口徑橡皮彈以88.8 m/s速度打擊生物胸部傷情Fig.3 Pig thorax trauma condition under the impact of 32 mm caliber bullet at 88.8 m/s

高速攝影記錄橡皮彈打擊下生物皮膚的變形歷程如圖4所示：1) 橡皮彈打擊在生物皮膚表面，發(fā)生變形并嵌入在皮膚內(nèi)，其中嵌入直徑最大為64 mm，與蒼白區(qū)大小相近；2) 彈著點(diǎn)周圍皮膚發(fā)生褶皺，并向外擴(kuò)散，褶皺凹陷區(qū)域最大為93 mm，與紅暈區(qū)大小相近；3) 彈頭離開(kāi)皮膚表面，褶皺逐漸自愈撫平，直至恢復(fù)。

與皮膚形變同時(shí)，橡皮彈也發(fā)生顯著形變，主要經(jīng)歷3個(gè)過(guò)程：1) 橡皮彈打擊在皮膚表面，慢慢嵌入皮膚，并被皮膚壓扁變形，直徑最大變?yōu)?0 mm左右，速度逐漸變小，直至為0 m/s；2) 橡皮彈開(kāi)始反彈，嵌入皮膚部分拔出，變成細(xì)長(zhǎng)錐形，并逐漸恢復(fù)；3) 橡皮彈離開(kāi)皮膚表面，開(kāi)始振蕩式形變，變形—恢復(fù)—變形—恢復(fù)—變形，速度逐漸衰減。

圖4 32 mm口徑橡皮彈88.8 m/s打擊下皮膚和彈頭的變形歷程Fig.4 Evolution of pig skin and bullet deformation under impact of 32 mm calibre rubber bullet at 88.8 m/s

分析可知，蒼白區(qū)直徑與橡皮彈變形后最大直徑相近，推測(cè)其形成機(jī)制與彈頭直接打擊有關(guān)。橡皮彈打擊時(shí)發(fā)生變形，打擊瞬間產(chǎn)生極大剪切應(yīng)力，且在沿半徑方向應(yīng)力分布不均，越靠近彈著點(diǎn)中心，應(yīng)力越大。若剪切應(yīng)力產(chǎn)生的變形超過(guò)皮膚的極限應(yīng)變，與之直接接觸的生物皮膚發(fā)生剝落，造成皮損；若剪切應(yīng)力產(chǎn)生的變形未超過(guò)皮膚的極限應(yīng)變，則嵌入的皮膚組織出現(xiàn)蒼白區(qū)。

紅暈區(qū)直徑與皮膚褶皺擴(kuò)散的最大直徑相近，根據(jù)高速攝影觀察，褶皺以彈著點(diǎn)為圓心向外擴(kuò)散，壓縮和拉伸應(yīng)力協(xié)同作用，推動(dòng)彈著點(diǎn)周圍變形區(qū)域向外移動(dòng)直至能量全部釋放，變形區(qū)域達(dá)到最大。變形導(dǎo)致血液被擠出該區(qū)域，變形恢復(fù)后，血液迅速充盈，形成紅暈區(qū)。

結(jié)果表明：皮損區(qū)和蒼白區(qū)的形成與彈頭的剪切作用有關(guān)，而紅暈區(qū)的形成由皮膚的壓縮和拉伸變形協(xié)同作用造成；由于損傷機(jī)制的差異，紅暈區(qū)與蒼白區(qū)界限清晰，存在明顯的不連續(xù)間斷。

2.2 各因素對(duì)生物鈍擊損傷效應(yīng)影響規(guī)律分析

2.2.1 橡皮彈速度

圖5 30 HA的16 mm口徑橡皮彈不同打擊速度下生物傷情Fig.5 Pig trauma caused by 16 mm calibre rubber bullet with Shore hardness 30 HA at different impacting velocities

邵氏硬度30 HA的16 mm口徑橡皮彈以速度66.5 m/s、72.3 m/s、100.8 m/s、124.8 m/s、131.1 m/s、148.7 m/s打擊生物的胸腹部。圖5為生物在不同彈速下的傷情特征，損傷區(qū)域形狀基本為圓形。損傷區(qū)域從內(nèi)到外依次為：皮損區(qū)、紫色血腫區(qū)、紅暈區(qū)。皮損區(qū)生物表面皮膚剝落，皮下脂肪露在外面；紫色血腫區(qū)和紅暈區(qū)為充血部位，界限分明，其中血腫區(qū)是由蒼白區(qū)充血后形成的。

結(jié)語(yǔ)：在今后的學(xué)習(xí)、生活、工作中，將充分發(fā)揮學(xué)生黨員在學(xué)生公寓管理和公寓文化建設(shè)中的先鋒模范作用，從自身做起，積極帶動(dòng)周圍同學(xué)在實(shí)踐中“履行宗旨、鍛煉黨性、提高修養(yǎng)”如何把優(yōu)秀大學(xué)生凝聚在黨的旗幟下，是高校學(xué)生黨建工作的重要使命。

圖6所示為16 mm口徑橡皮彈打擊生物胸腹部皮膚的損傷直徑與彈頭速度關(guān)系曲線。由圖6可以看出，橡皮彈速度高于66.5 m/s，生物皮膚表面出現(xiàn)皮損區(qū)、血腫區(qū)、紅暈區(qū)，且隨著打擊速度的增加，血腫區(qū)和紅暈區(qū)的直徑逐漸增加，而皮損區(qū)直徑幾乎不變。即同一種橡皮彈打擊生物胸腹部，隨著橡皮彈速度的增加，生物皮膚傷情越嚴(yán)重，血腫區(qū)和紅暈區(qū)面積隨著打擊速度的增加而增加。橡皮彈速度為72.3 m/s沒(méi)有出現(xiàn)明顯皮損現(xiàn)象，推測(cè)可能是由于橡皮彈是斜入射，導(dǎo)致實(shí)際比動(dòng)能小于名義比動(dòng)能。

圖6 生物傷情特征區(qū)域直徑隨橡皮彈速度變化曲線Fig.6 Diameter of trauma feature region vs. velocity

2.2.2 橡皮彈硬度

使用邵氏硬度分別為20 HA、45 HA和70 HA的3種相同17.5 mm口徑橡皮彈射擊生物胸部，觀察生物皮膚傷情特征。如表2所示，20 HA硬度橡皮彈打擊下生物皮膚傷情主要以紅暈為主，沒(méi)有蒼白和皮損出現(xiàn)。軟質(zhì)橡皮彈速度控制較困難，實(shí)際試驗(yàn)中速度最高為47.7 m/s。當(dāng)速度大于33.2 m/s，比動(dòng)能大于0.857 J/cm2時(shí)，皮膚出現(xiàn)明顯紅暈區(qū)傷情。45 HA硬度橡皮彈打擊下生物皮膚傷情主要以紅暈和蒼白為主，沒(méi)有皮損出現(xiàn)：當(dāng)速度大于28.3 m/s，比動(dòng)能大于0.704 J/cm2時(shí)，皮膚出現(xiàn)明顯紅暈區(qū)傷情；當(dāng)速度大于61.9 m/s，比動(dòng)能大于3.370 J/cm2時(shí)，皮膚開(kāi)始出現(xiàn)蒼白區(qū)。70 HA硬度橡皮彈下打擊下生物皮膚傷情主要以紅暈和蒼白為主，沒(méi)有皮損出現(xiàn)：當(dāng)速度大于20.7 m/s，比動(dòng)能大于0.410 J/cm2，皮膚出現(xiàn)明顯紅暈傷情；當(dāng)速度大于40.6 m/s，比動(dòng)能大于1.576 J/cm2，皮膚出現(xiàn)蒼白區(qū)。

對(duì)比可以看出，同一口徑下不同硬度的橡皮彈：造成生物皮膚明顯紅暈傷情所需比動(dòng)能，20 HA硬度橡皮彈(0.857 J/cm2)>45 HA硬度橡皮彈(0.704 J/cm2)>70 HA硬度橡皮彈(0.410 J/cm2);造成皮膚蒼白傷情所需比動(dòng)能，45 HA硬度橡皮彈(3.370 J/cm2)>70 HA硬度橡皮彈(1.576 J/cm2)。即同一口徑橡皮彈打擊生物胸部，橡皮彈硬度越高，造成皮膚明顯紅暈和蒼白所需的比動(dòng)能越低。

2.2.3 橡皮彈口徑

使用口徑分別為8 mm、16 mm和32 mm的3種相同硬度橡皮彈射擊生物胸部，觀察生物皮膚傷情特征和行為反應(yīng)?；跀?shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)不同比動(dòng)能造成生物皮膚表面?zhèn)楹兔黠@異常行為反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)概率分布問(wèn)題進(jìn)行研究。橡皮彈打擊下生物皮膚表面產(chǎn)生損傷：定義出現(xiàn)皮損、紅暈或蒼白這些可見(jiàn)傷情特征為“1”，沒(méi)有出現(xiàn)這些傷情特征定義為“0”；定義出現(xiàn)持續(xù)尖叫、驚跳或意圖逃跑這些劇烈的行為反應(yīng)為“1”，沒(méi)有這些劇烈的行為反應(yīng)定義為“0”.

表2 不同硬度橡皮彈打擊生物胸部的皮膚傷情Tab.2 Creature skin trauma condition for different hardness bullets impacting on creature thorax

(1)

式中:P(x)為橡皮彈打擊下生物產(chǎn)生可見(jiàn)傷情和明顯異常行為反應(yīng)的概率；x為橡皮彈打擊比動(dòng)能；x50是50%風(fēng)險(xiǎn)概率下對(duì)應(yīng)的比動(dòng)能；Δx是與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間大小相關(guān)的參數(shù)；As、At為常數(shù)。

圖7 8 mm口徑橡皮彈打擊生物胸部皮膚可見(jiàn)傷情和明顯異常行為反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)曲線Fig.7 Trauma and abnormal behavior risk probabilitycurve for 8 mm calibre rubber bullet impacting on creature thorax

圖7～圖9為相同硬度不同口徑橡皮彈打擊生物胸部的皮膚傷情和行為反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線，隨著比動(dòng)能的增加，生物皮膚開(kāi)始出現(xiàn)皮損、紅暈或蒼白等可見(jiàn)傷情，而此時(shí)生物本身沒(méi)有明顯異常行為反應(yīng)，當(dāng)比動(dòng)能進(jìn)一步增加時(shí)，生物才開(kāi)始有明顯的持續(xù)尖叫、驚跳或意圖逃跑等行為反應(yīng)。其中，8 mm口徑橡皮彈打擊下，造成50%皮膚可見(jiàn)傷情風(fēng)險(xiǎn)概率的比動(dòng)能為4.09 J/cm2，而造成50%明顯異常行為反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)概率的比動(dòng)能為8.60 J/cm2，明顯高于造成50%皮膚可見(jiàn)傷情風(fēng)險(xiǎn)概率的比動(dòng)能。同樣，16 mm橡皮彈50%明顯異常行為反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)概率的比動(dòng)能4.46 J/cm2，高于50%皮膚可見(jiàn)傷情風(fēng)險(xiǎn)概率的比動(dòng)能1.90 J/cm2；32 mm口徑橡皮彈50%明顯異常行為反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)概率的比動(dòng)能2.61 J/cm2，高于50%皮膚可見(jiàn)傷情風(fēng)險(xiǎn)概率的比動(dòng)能1.58 J/cm2. 研究表明，橡皮彈打擊生物胸部，生物皮膚的傷情對(duì)橡皮彈比動(dòng)能的響應(yīng)比行為更敏銳，皮膚傷情情況比行為反應(yīng)更能敏銳地感知橡皮彈的傷害。

圖8 16 mm口徑橡皮彈打擊生物胸部皮膚可見(jiàn)傷情和明顯異常行為反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線Fig.8 Trauma and abnormal behavior risk probabilitycurve for 16 mm calibre rubber bulletimpacting on creature thorax

圖9 32 mm口徑橡皮彈打擊生物胸部皮膚可見(jiàn)傷情和明顯異常行為反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線Fig.9 Trauma and abnormal behavior risk probabilitycurve for 32 mm calibre rubber bulletimpacting on creature thorax

表3所示為不同口徑橡皮彈打擊生物胸部，50%風(fēng)險(xiǎn)概率皮膚可見(jiàn)傷情和明顯異常行為反應(yīng)對(duì)應(yīng)的比動(dòng)能。結(jié)果表明，同一硬度不同口徑橡皮彈造成生物皮膚可見(jiàn)傷情和明顯異常行為反應(yīng)所需的比動(dòng)能：32 mm口徑橡皮彈<16 mm口徑橡皮彈<8 mm口徑橡皮彈，即同一硬度橡皮彈打擊生物胸部，橡皮彈口徑越大，造成皮膚可見(jiàn)傷情(皮損、紅暈或蒼白)和明顯異常行為反應(yīng)所需比動(dòng)能越小。

3 結(jié)論

本文通過(guò)開(kāi)展橡皮彈打擊生物試驗(yàn)，研究了橡皮彈打擊下生物局部的損傷效應(yīng)和行為反應(yīng)，分析了橡皮彈速度、口徑和硬度等物理因素對(duì)生物局部傷情和行為反應(yīng)的影響規(guī)律。研究得出以下結(jié)論：

1) 橡皮彈打擊生物胸腹部，生物皮膚表面?zhèn)樘卣饕云p、蒼白和紅暈為主，其中皮損區(qū)和蒼白區(qū)的形成與彈頭的剪切作用有關(guān)，蒼白區(qū)一段時(shí)間后由于充血變成血腫；而紅暈區(qū)的形成由皮膚的壓縮和拉伸變形協(xié)同作用造成，由于損傷機(jī)制的差異，紅暈區(qū)與蒼白區(qū)界限清晰，存在明顯的不連續(xù)間斷。

表3 不同口徑橡皮彈打擊生物胸部50% 風(fēng)險(xiǎn)概率皮膚可見(jiàn)傷情和明顯異常 行為反應(yīng)比動(dòng)能對(duì)比Tab.3 Specific kinetic energy comparison of different diameter bullets 50% trauma and abnormal behavior risk probability

2) 同一種橡皮彈打擊生物胸腹部，隨著打擊速度的增加，生物皮膚表面?zhèn)樽兊脟?yán)重，血腫區(qū)和紅暈區(qū)直徑隨著打擊速度的增加而增加，但皮損區(qū)直徑隨著打擊速度的增加幾乎不變。

3) 同一口徑橡皮彈打擊生物胸部，造成生物皮膚可見(jiàn)傷情所需的比動(dòng)能：70 HA橡皮彈<45 HA橡皮彈<20 HA橡皮彈，即硬度越高，造成皮膚可見(jiàn)傷情所需比動(dòng)能越小。

4) 同一硬度橡皮彈打擊生物胸部，造成生物可見(jiàn)傷情和明顯異常行為反應(yīng)所需的比動(dòng)能為32 mm口徑橡皮彈<16 mm口徑橡皮彈<8 mm口徑橡皮彈，即口徑越大，造成可見(jiàn)傷情和明顯異常行為反應(yīng)所需比動(dòng)能越小。

5)對(duì)橡皮彈打擊造成局部皮膚可見(jiàn)傷情和明顯異常行為的風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，橡皮彈50%明顯異常行為反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)概率的比動(dòng)能高于50%皮膚可見(jiàn)傷情風(fēng)險(xiǎn)概率的比動(dòng)能，生物皮膚傷情對(duì)橡皮彈比動(dòng)能的響應(yīng)比行為反應(yīng)更敏銳。