爆炸沖擊波作用下工事艙室內(nèi)動(dòng)物損傷效應(yīng)試驗(yàn)研究

范俊奇，董宏曉，高永紅，樓夢(mèng)麟，賴西南

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;2.總參工程兵科研三所，洛陽(yáng) 471023;3.第三軍醫(yī)大學(xué) 野戰(zhàn)外科研究所，重慶 400042)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，以高精度常規(guī)武器打擊地下、地面的防御工事，摧毀對(duì)方的指揮與防御系統(tǒng)已成為重要的戰(zhàn)爭(zhēng)模式，常規(guī)武器爆炸沖擊波是致傷工事內(nèi)人員的主要?dú)?。以往的生物效?yīng)試驗(yàn)大多針對(duì)武器(炸藥)在開(kāi)闊場(chǎng)地爆炸產(chǎn)生的簡(jiǎn)單沖擊波進(jìn)行［1-8］，試驗(yàn)條件單一，缺乏系統(tǒng)性。而爆炸沖擊波在工事艙內(nèi)傳播呈復(fù)雜沖擊波特性(復(fù)雜沖擊波指工事艙外爆炸產(chǎn)生的沖擊波在閉合環(huán)境內(nèi)傳播，由激波在艙壁反射、折射形成一系列震動(dòng)反射波疊加在一個(gè)相對(duì)緩慢上升的超壓沖擊波上的復(fù)雜沖擊波)，該沖擊波無(wú)論峰值壓力、持續(xù)時(shí)間、沖量、頻譜或?qū)θ藛T損傷均較簡(jiǎn)單沖擊波明顯不同，以往實(shí)驗(yàn)所建人員損傷關(guān)系亦難反映復(fù)雜沖擊波對(duì)人員的損傷。因此，開(kāi)展常規(guī)工事內(nèi)炸藥爆炸生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，建立復(fù)雜沖擊波損傷人員非聽(tīng)覺(jué)器官安全閾值，具有重要意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

(1)研究復(fù)雜波的產(chǎn)生機(jī)理，求得規(guī)律的復(fù)雜波，為生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)提供試驗(yàn)條件。

(2)研究不同當(dāng)量TNT爆炸作用下兩類(lèi)復(fù)雜波沖量與動(dòng)物損傷情況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求得生物在復(fù)雜波作用下的損傷閾值，為工事內(nèi)人員損傷情況提供必要參數(shù)，完善我軍防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康?，進(jìn)行兩種試驗(yàn):① 對(duì)爆炸波模擬設(shè)備進(jìn)行改裝、調(diào)試試驗(yàn)，使之能產(chǎn)生符合實(shí)驗(yàn)要求的復(fù)雜波;② 兩種不同復(fù)雜波作用下模擬工事艙內(nèi)的綿羊損傷效應(yīng)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及改裝

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由爆室、沖擊波整形段及試驗(yàn)段三部分組成，主要用于模擬常規(guī)武器與核武器中遠(yuǎn)區(qū)爆炸沖擊波作用。設(shè)備可產(chǎn)生較規(guī)律的平面波。欲使設(shè)備產(chǎn)生的沖擊波符合生物效應(yīng)試驗(yàn)要求，產(chǎn)生規(guī)律復(fù)雜波，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行改裝，試驗(yàn)中通過(guò)增加爆室長(zhǎng)度，在整形段增加變截面段加強(qiáng)沖擊波的反射與折射及在整形段后增加專(zhuān)門(mén)放置試驗(yàn)動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)艙等技術(shù)措施解決。改裝后的設(shè)備見(jiàn)圖1。

圖1 生物效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 The test device of damage effect experiment

1.3 試驗(yàn)方案

用TNT裝藥在多室型爆炸波模擬設(shè)備爆室內(nèi)爆炸，通過(guò)一定技術(shù)措施，使之產(chǎn)生A、B兩種復(fù)雜波，同時(shí)在工事艙內(nèi)放置實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與測(cè)試傳感器。通過(guò)不同爆炸條件下工事艙內(nèi)模擬人體胸部的測(cè)試圓筒四周壓力及綿羊損傷情況，得到復(fù)雜沖擊波在人體胸部四周的分布特點(diǎn)及復(fù)雜波沖量與生物損傷程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終得到綿羊在復(fù)雜波作用下的損傷閾值。試驗(yàn)方案見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)方案圖Fig.2 The experimental program

試驗(yàn)用健康綿羊體重約25 kg，并以坐姿固定于特制的架子上，置于工事中心保證其前胸正對(duì)沖擊波傳播方向(圖3)。模擬人體胸腔的測(cè)試圓筒按普通人胸腔尺寸設(shè)計(jì)，高度 762 mm，直徑305 mm。將圓筒垂直固定在與試驗(yàn)動(dòng)物同一位置，同時(shí)測(cè)試模擬人體胸部的測(cè)試圓筒四周壓力、艙室內(nèi)沖擊波壓力、綿羊體內(nèi)壓力等參數(shù)及綿羊的損傷情況。

據(jù)理論計(jì)算獲得的肺致傷閾值所需沖量及復(fù)雜沖擊波特性，設(shè)計(jì)兩種不同類(lèi)型的復(fù)雜波(A類(lèi)、B類(lèi))。A類(lèi)沖擊波作用時(shí)間較短(試驗(yàn)中約25 ms)，模擬工事艙室開(kāi)口情況下生物的損傷效應(yīng);B類(lèi)沖擊波作用時(shí)間較長(zhǎng)(試驗(yàn)中約120 ms)，模擬工事艙室封閉情況下對(duì)生物的損傷效應(yīng)。對(duì)A類(lèi)波設(shè)計(jì)四組試驗(yàn);B類(lèi)波設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)。見(jiàn)表1。

試驗(yàn)中每炮僅放置一只綿羊，保證每組實(shí)驗(yàn)有6炮測(cè)試數(shù)據(jù)，減少因裝藥及測(cè)試等偶然原因造成的誤差。

圖3 試驗(yàn)綿羊放置方案Fig.3 The arrangement program of sheep

表1 艙室內(nèi)綿羊損傷試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design of damage effect test to sheep

1.4 試驗(yàn)測(cè)試方案

為分析生物損傷情況，進(jìn)一步研究復(fù)雜波作用下生物損傷規(guī)律，據(jù)規(guī)范要求，須對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)(壓力)及醫(yī)學(xué)損傷進(jìn)行測(cè)量。

1.4.1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試

艙室內(nèi)復(fù)雜沖擊波壓力(P4)、艙室內(nèi)模擬人體胸腔圓筒上布置的壓力(P1、P2、P3、P6)、生物體內(nèi)壓力(P5)。各傳感器布置方式見(jiàn)圖4。艙室內(nèi)復(fù)雜波壓力傳感器布置于工事艙壁正中，編號(hào)P4，傳感器敏感面與工事內(nèi)壁表面平齊。模擬人體胸腔的圓筒上壓力傳感器布置方案為:圓筒上端放置壓力傳感器(編號(hào)P1);圓筒周壁放置三個(gè)傳感器，其中正對(duì)沖擊波傳播方向一個(gè)(編號(hào)P2)，側(cè)壁平行于沖擊波傳播方向一個(gè)(編號(hào)P3)，背對(duì)沖擊波傳播方向一個(gè)(編號(hào)P6)，P2、P3、P6傳感器高度為圓筒高度的一半。生物體內(nèi)壓力傳感器置于綿羊食道內(nèi)部(編號(hào)P5)。

圖4 測(cè)試傳感器布置圖Fig.4 The arrangement plan of sensors of different type

1.4.2 動(dòng)物損傷效應(yīng)醫(yī)學(xué)測(cè)試

每次試驗(yàn)后立即對(duì)綿羊作CT及核磁共振觀察見(jiàn)圖5，試驗(yàn)1小時(shí)后對(duì)動(dòng)物進(jìn)行醫(yī)學(xué)解剖，觀察動(dòng)物心、肺、腦、腎臟等器官損傷情況，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)得的沖擊波參數(shù)確定爆炸沖擊波作用下工事艙室內(nèi)綿羊的損傷閾值。

圖5 動(dòng)物核磁共振觀測(cè)及醫(yī)學(xué)研究Fig.5 Anatomical research and NMR observation to sheep after test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工事艙內(nèi)壓力試驗(yàn)

實(shí)測(cè)各組試驗(yàn)中工事艙內(nèi)壓力(P4)及生物體內(nèi)壓力(P5)典型波形見(jiàn)圖6。各組試驗(yàn)實(shí)測(cè)復(fù)雜沖擊波峰值、沖量及各試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，表中數(shù)據(jù)為同組試驗(yàn)不同炮次的平均值，B1、B2組中帶“*”數(shù)據(jù)為前30 ms沖量。

圖6 實(shí)測(cè)壓力波形Fig.6 Typical press waves

表2 艙室內(nèi)復(fù)雜沖擊波參數(shù)Tab.2 Parameters of the Wave in enclosed space

表3 試驗(yàn)后動(dòng)物傷情及判別Tab.3 Condition injuries to the sheep and it’s distinguish after test

由圖6壓力波形知:

(1)成功獲得兩類(lèi)典型復(fù)雜波，每組試驗(yàn)波形均有多個(gè)峰值，特征相似且規(guī)律性好。表明試驗(yàn)對(duì)不同峰值及沖量值的復(fù)雜波控制是成功的。

(2)由表2知，對(duì)A類(lèi)復(fù)雜波前15 ms內(nèi)均有三個(gè)以上主要峰值，在15 ms后復(fù)雜波能量衰減較快，復(fù)雜波前15 ms能量(以沖量表示)占復(fù)雜波總能量的60%以上。因此對(duì)以TNT為代表的常規(guī)炸藥爆炸，開(kāi)口工事艙室內(nèi)生物損傷效應(yīng)，應(yīng)以前15 ms沖量為主要依據(jù)。

(3)與A類(lèi)復(fù)雜波相比，B類(lèi)復(fù)雜波作用時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)100 ms以上。且能量主要分布在前30 ms，占總能量的60%以上。因此，常規(guī)炸藥爆炸作用下，封閉工事艙室內(nèi)生物的損傷效應(yīng)，應(yīng)以前30 ms的沖量為主要依據(jù)。

(4)與工事艙室內(nèi)壓力波形相比，生物食道內(nèi)壓力波形較光滑，且升壓時(shí)間、作用時(shí)間均較工事艙室內(nèi)壓力提高許多;峰值壓力也較工事艙室內(nèi)壓力小，為艙室內(nèi)壓力的60%左右。

2.2 動(dòng)物損傷情況分析

試驗(yàn)后各組動(dòng)物損傷情況醫(yī)學(xué)描述及傷情判別見(jiàn)表3。第二、第四組綿羊試驗(yàn)解剖后肺損傷情況見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)后動(dòng)物肺損傷情況Fig.7 Condition injuries to the lung of the sheep

由表3復(fù)雜波作用下不同組別生物損傷效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)知:

(1)四組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物傷情控制較好，從無(wú)傷、微傷、輕傷到重傷，成功獲得動(dòng)物損傷的大概閾值;在A類(lèi)復(fù)雜波作用下工事艙室內(nèi)生物損傷閾值應(yīng)在試驗(yàn)中第二組測(cè)試所得數(shù)據(jù)附近，即壓力峰值約80 kPa，沖量約120 kPa·ms。

(2)相同藥量的B類(lèi)復(fù)雜波作用下工事艙室內(nèi)生物損傷較A類(lèi)復(fù)雜波作用重。其損傷閾值壓力及沖量較A類(lèi)復(fù)雜波作用下小;B類(lèi)復(fù)雜波作用下工事艙室內(nèi)生物損傷閾值應(yīng)在第一組測(cè)試所得數(shù)據(jù)附近，即壓力峰值約60 kPa，沖量約90 kPa·ms。

2.3 試驗(yàn)圓筒壓力分析

模擬人體胸腔試驗(yàn)測(cè)試的圓筒上四個(gè)壓力傳感器實(shí)測(cè)典型波形(P1、P2、P3，P6)如圖 8、圖 9 所示。由圖8、圖9中A、B類(lèi)復(fù)雜波作用下模擬人體胸腔的測(cè)試圓筒上壓力波形對(duì)比知:

(1)A類(lèi)復(fù)雜波作用下實(shí)測(cè)模擬人體胸部的鐵制測(cè)試圓筒四個(gè)壓力的波形特征相同，但壓力數(shù)值相差較大，P1、P1較大，但P3及P6壓力較小，其峰值為 9.06 kPa，2.68 kPa。因此在A類(lèi)復(fù)雜波作用下艙室內(nèi)動(dòng)物胸腔的致傷中，應(yīng)主要考慮正對(duì)沖擊波傳播方向的致傷，其它方向壓力太小可忽略。

(2)B類(lèi)復(fù)雜波作用下，實(shí)測(cè)模擬人體胸部的鐵制測(cè)試圓筒上的四個(gè)壓力波型基本特征相同，且壓力數(shù)值相差不大，P1、P1較大，P3及P6相對(duì)較小，但峰值達(dá)到P1的80%以上，不可忽略。因此B類(lèi)復(fù)雜波作用下艙室內(nèi)動(dòng)物胸腔的致傷中，除應(yīng)主要考慮正對(duì)沖擊波傳播方向致傷外，也應(yīng)考慮其它方向復(fù)雜沖擊波影響。

圖8 A類(lèi)復(fù)雜波作用的圓筒壓力波形Fig.8 Typical press waves of type A on the test cylinder

圖9 B類(lèi)復(fù)雜波作用的圓筒實(shí)測(cè)復(fù)雜壓力波形Fig.9 Typical press waves of type B on the test cylinder

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)多室型爆炸波模擬設(shè)備的改裝及調(diào)試，獲得符合要求規(guī)律性良好的兩類(lèi)復(fù)雜波，成功模擬實(shí)戰(zhàn)條件下工事艙室開(kāi)口及封閉兩種實(shí)際情況。

(2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的四組實(shí)驗(yàn)中動(dòng)物傷情差別控制較好，從無(wú)傷、微傷、輕傷至重傷，成功獲得動(dòng)物損傷閾值。

(3)與A類(lèi)復(fù)雜波相比，B類(lèi)復(fù)雜波作用時(shí)間較長(zhǎng)，相同藥量下B類(lèi)復(fù)雜波作用下工事艙室內(nèi)生物損傷較A類(lèi)復(fù)雜波作用下重。其損傷壓力閾值較A類(lèi)復(fù)雜波作用下小。

(4)在A類(lèi)復(fù)雜波作用下艙室內(nèi)動(dòng)物胸腔的致傷中，應(yīng)考慮正對(duì)沖擊波傳播方向的致傷，其它方向壓力可忽略。B類(lèi)復(fù)雜波作用下，在艙室內(nèi)動(dòng)物胸腔的致傷中，除應(yīng)考慮正對(duì)沖擊波傳播方向的致傷外。也應(yīng)考慮其它方向復(fù)雜沖擊波影響。

(5)動(dòng)物體內(nèi)壓力波形較光滑，且升壓時(shí)間、作用時(shí)間較長(zhǎng);其峰值壓力為艙室內(nèi)壓力的60%左右。

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