防暴動能彈皮膚穿透評估方法研究

焦世強

武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院 陜西 西安 710086

引言

防暴動能彈作為非致命彈丸,主要依靠其鈍擊傷害,而不造成穿透性傷害,對嫌疑人員身體造成劇烈疼痛,使其暫時性失能,受到限制和控制,達到作戰(zhàn)目的。但是,近年來,防暴動能彈過度傷害致死致殘的案例時有發(fā)生,特別是在發(fā)生大規(guī)模群體性事件時的損傷率有所升高,給國際社會輿論帶來了不良的影響。防暴動能彈的損傷評估也越來越重要,主要包括皮膚穿透評估和鈍性損傷評估。經(jīng)Jason[1]調(diào)查的案例數(shù)據(jù)分析,穿透傷在事故案例中占有較大的比例。因此,為減少防暴動能彈穿透皮膚引發(fā)過度傷害的可行性,對其皮膚穿透評估進行研究顯得極為必要。本文重點對國內(nèi)外防暴動能彈皮膚穿透評估方法的研究現(xiàn)狀進行分析和總結(jié)。

1 防暴動能彈皮膚穿透案例分析

案例研究表明,已經(jīng)有許多嚴重的穿透性損害發(fā)生的報道。2002年Mahajna A[2]研究了2000年10月以色列與阿拉伯沖突期間橡膠子彈造成的鈍傷和穿透傷,152名受傷人員,鈍性損傷93例(61%),穿透性損傷59例(39%),其中3名因穿透傷死亡。2017年Rohini J Haar[3]等人研究了1990年1月至2017年6月期間關(guān)于橡膠和塑料子彈造成傷亡的1984個案例,數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),死亡的53人中,有56%由穿透性損傷造成。2020年汪送[4]收集了2000年以來的橡皮彈沖擊損傷案例分析,發(fā)現(xiàn)50%的傷害由穿透傷造成。通過案例分析發(fā)現(xiàn)：穿透傷通常是近距離射擊所致,損傷較為嚴重,且伴隨有臟器損傷,嚴重者造成永久性損傷或者死亡。因此,皮膚穿透風(fēng)險是防暴動能彈丸的關(guān)鍵評估因素,如何精準(zhǔn)評估防暴動能彈對皮膚穿透已成為一項重要的研究課題,它對防暴動能彈的研制設(shè)計、安全驗證和安全服役具有重要的意義。

2 防暴動能彈皮膚穿透評估方法研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對防暴動能彈穿透威力評估做了大量的研究,主要有三類,即人類尸體實驗、皮膚替代品實驗及有限元模擬分析。重點圍繞防暴動能彈終點效應(yīng)進行實驗,評估依據(jù)主要以彈丸穿透的閾值速度、比動能(能量密度)、沖擊應(yīng)力為依據(jù)進行分析。

2.1 人類尸體實驗(PMHS) 十九世紀(jì)初美國就關(guān)于彈丸對皮膚的穿透進行了大量的研究,獲得了大量具有研究價值的實驗數(shù)據(jù)。1981年以來,DiMaio[5]、Journ'ee[6]、Mattoo[7]等人以人類尸體為靶標(biāo)研究了不同口徑鉛芯彈的穿透能力,獲得了人體下肢皮膚穿透的能量密度。2005年Warlow[8]研究了4.5mm的不同形狀彈頭的彈丸對皮膚穿透的影響,發(fā)現(xiàn)了接觸形狀和面積變化對穿透的影響。由于實驗使用的彈丸為鉛芯彈,與防暴動能彈的材質(zhì)有很大區(qū)別,因此將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于當(dāng)前防暴動能彈的穿透閾值存在一定局限性。

2005年Cynthia A.Bir[9]等人為了量化防暴動能彈穿透皮膚的可能性,進行了人類尸體實驗。通過RB1FS彈丸沖擊尸體的各個部位,確定了穿透尸體不同部位皮膚所需要的能量密度,通過對比得出前胸部具有最低的穿透能量密度值23.99J/cm2,該研究填補了在確定非致命彈丸皮膚穿透能量密度數(shù)據(jù)的空白。雖然實驗受體為年老的人體標(biāo)本,但是對評估人體皮膚穿透提供了較為準(zhǔn)確的保守的估計。

人類尸體實驗雖然與真實的人體沖擊結(jié)果更為接近,但是,將人類尸體用于彈道研究可能會引發(fā)倫理問題,而且法律程序復(fù)雜,不易實施。因此,國內(nèi)外多采用尋找人類皮膚替代品。

2.2 替代品實驗 對于此類研究,人們都在尋找適合人體皮膚的替代品。Haag[10]發(fā)現(xiàn),厚度為1.3-2.0mm的汽車內(nèi)橡膠管的效果其次。2002年以來,Thalia M.J.[11]等人建立了“皮膚-顱骨-大腦”模型來評估9mm Luger和7.62mm北約子彈,并描述了皮膚、顱骨和大腦的各種槍擊創(chuàng)傷特征。其研究中的皮膚替代品是厚度未知的人造皮革。UZAR,A.I.[12]等人發(fā)現(xiàn)透明石蠟?zāi)z是一種很好的軟組織替代品,因為它具有透明性、彈性、永久性和臨時性空腔。Jorma J.[13]在創(chuàng)傷彈道研究中使用了一系列動物皮作為皮膚替代品,以拉伸性能和閾值穿透速度為指標(biāo),確定牛皮為最佳皮膚替代品。2012年Cynthia A.Bir等人[14]確定了天然麂皮、6mm閉孔泡沫、軍械明膠作為最合適的替代品。在這些研究中,閾值穿透速度和能量密度可作為評估防暴動能彈穿透威力的評估參數(shù)。

2013年,北約APE-94“非致命性彈藥的皮膚穿透評估”[15]定義了兩種評估方法,以量化非致命彈丸對皮膚的穿透風(fēng)險。這兩種方法被認為適用于皮膚穿透風(fēng)險評估。一種是基于模擬皮膚。模擬層由麂皮、閉孔泡沫和明膠構(gòu)成。另一種方法是基于非致命彈丸沖擊剛性壁的最大力作為損傷判據(jù)。并將10MPa作為鈍性沖擊導(dǎo)致皮膚穿透的平均臨界應(yīng)力值。

2013年3月,加拿大國防部研發(fā)部[16]發(fā)現(xiàn)了一層400μm厚的熱塑性聚氨酯薄膜的穿透極限與北約標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的天然麂皮相似。此外,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用熱塑性聚氨酯薄膜作為第一層時,可以在不影響獲得的穿透極限的情況下移除皮膚軟組織替代品的泡沫層。這項研究的結(jié)果表明,目前的替代品可以更換,以簡化設(shè)置和分析技術(shù),同時提供了近似的結(jié)果。

2.3 有限元模擬分析法 有限元模擬的方法由于其更好的經(jīng)濟性、安全性、可重復(fù)性,排除了倫理道德、繁瑣的實驗流程、昂貴的測試設(shè)備等因素的制約,在國內(nèi)外研究受到越來越多的學(xué)者的青睞。2016年劉碩等人[17]利用有限元軟件LS-DYNA分析了橡皮彈對人體皮膚的打擊效果,從理論和仿真實驗的角度分析了橡皮彈的安全射擊距離。

國內(nèi)對防暴動能彈鈍擊損傷評估研究起步較晚,近幾年也取得了較為豐碩的成果。但是對防暴動能彈穿透皮膚評估方面,研究的還比較少。2010年安保林等人[18]試驗研究了低速槍彈對有生目標(biāo)的作用效果。2013年朱永杰等人[19]在明膠塊表面粘上一層厚0.11mm的鋁箔或牛皮紙來模擬人體皮膚對18.4mm動能痛塊彈的終點效應(yīng)進行了實驗研究,確定其理想的比動能為8J/cm2。

2019年熊漫漫等人[20]以牛皮、石蠟和凝膠構(gòu)建了皮膚-脂肪-肌肉模型,并用非致命橡膠球形彈對其沖擊的實驗,分析了不同的速度下橡膠子彈沖擊皮膚-脂肪-肌肉模型的空腔演化和能量傳遞規(guī)律。北京工業(yè)大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室[21]開展了BB彈侵徹“牛皮+明膠”復(fù)合靶的實驗和數(shù)值模擬模型研究。用穿透或不穿透牛皮來評價BB槍的安全性。2020年2月,熊漫漫、覃彬[22]等人用橡皮彈射擊長白豬,以長白豬皮膚的傷情特征和行為反應(yīng)為表征量,分析了橡皮彈的速度、硬度、口徑對生物皮膚損傷效應(yīng)的影響。

通過對比可以看出,國外在防暴動能彈皮膚穿透評估研究已經(jīng)非常成熟,并制定了評定標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)的研究還比較薄弱,在皮膚穿透閾值方面,目前還沒有定義皮膚穿透相關(guān)的評估標(biāo)準(zhǔn)。

3 現(xiàn)有研究的缺陷與不足

通過對國內(nèi)外防暴動能彈皮膚穿透評估方法的研究分析,認為對該問題的研究還存在如下問題：

一是彈丸數(shù)據(jù)的單一性。生物驗證試驗數(shù)據(jù)少,未形成統(tǒng)一的評估標(biāo)準(zhǔn)。不同彈丸的穿透特性缺乏對比性研究,穿透傷與鈍性傷的同步發(fā)生還沒有研究。當(dāng)前開發(fā)的替代品的驗證主要依據(jù)都指向韋恩州立大學(xué)人類尸體實驗采用的RB1FS彈丸的比動能數(shù)據(jù),也是在開放文獻中唯一可參考的數(shù)據(jù),北約標(biāo)準(zhǔn)及加拿大的替代品的驗證也僅為RB1FS彈丸。

二是替代品材料的差異性。由于沒有給出麂皮和泡沫的具體力學(xué)性能參數(shù),因此結(jié)果存在偏差。替代品受材料特性的影響較大,各地生產(chǎn)的材料差異性也較大,難以廣泛使用。

三是當(dāng)前評估防暴動能彈穿透的參數(shù)僅為比動能和臨界沖擊應(yīng)力10MPa兩個值。是否滿足這兩個條件就可以認為防暴動能彈是安全有效的呢?答案是否定的,以法國的Flash-Ball彈丸為例,其撞擊皮膚時比動能約為5.7J/cm2,不會穿透皮膚,但是它的能量約為200J,近距離會造成心臟和肺挫傷。因此,還需要結(jié)合防暴動能彈鈍性損傷標(biāo)準(zhǔn)同步評估彈丸。

4 總結(jié)與展望

隨著非致命武器的發(fā)展,防暴動能彈的運用場景也越來越多,其皮膚穿透評估的方法也將更加標(biāo)準(zhǔn)化、具體化、科學(xué)化。

(1)防暴動能彈皮膚穿透評估方法標(biāo)準(zhǔn)化。國內(nèi)防暴動能彈損傷威力評估的研究相對滯后,需進一步與國際水平接軌。對已有替代品的模型和分析方法在防暴動能彈皮膚穿透預(yù)測模擬中的有效性和適用性需系統(tǒng)驗證和評估,最終建立國內(nèi)適用的替代品預(yù)測模型和有限元數(shù)值模擬方法,實現(xiàn)對防暴動能彈皮膚穿透演化過程的有效模擬和預(yù)測。

(2)防暴動能彈皮膚穿透評估方法具體化。目前,防暴動能彈皮膚穿透評估的主要指標(biāo)為比動能和最大沖擊應(yīng)力。但隨著防暴動能彈的不斷發(fā)展,彈丸的材質(zhì)、口徑、終點效應(yīng)等不同,針對單一的皮膚穿透評估標(biāo)準(zhǔn)是不適用的。因此,需要對防暴動能彈進行分類,針對不同類型的彈丸開展更為深入的研究,分類制定各自的皮膚穿透標(biāo)準(zhǔn),使防暴動能彈評估更為具體化。

(3)防暴動能彈皮膚穿透評估方法科學(xué)化。將試驗與數(shù)值模擬仿真有機結(jié)合,二者互相驗證,互相預(yù)測、改進,使防暴動能彈評估方法更加科學(xué)高效。與生物試驗相比,有限元模型仿真實驗具有數(shù)據(jù)易于獲取、可重復(fù)性強、準(zhǔn)確度高且不涉及法律與道德倫理等優(yōu)勢；與替代品試驗相比,仿真實驗具有計算精度高、消耗資源少等優(yōu)勢。但有限元模型仿真結(jié)果又離不開試驗的驗證。因此,在防暴動能彈皮膚穿透評估方法上要充分結(jié)合試驗與仿真,以仿真為試驗做預(yù)測,以試驗為仿真做驗證支撐。