釘刺效應(yīng)靶標及其評價模型

郭仕貴，張中英，王德文，劉云劍，彭瑞云

(1.63956 部隊，北京100093;2.62032 部隊，北京100850)

0 引言

某型刺釘器主要用于設(shè)置防人員障礙場或障礙群，以刺釘殺傷方式遲滯敵作戰(zhàn)行動。當人員踏上刺釘器時，刺釘器射出數(shù)枚鋼質(zhì)刺釘，刺穿人員鞋(靴)底，刺入人員足部，使其失去或減弱機動能力。為了評價刺釘器對人員機動能力的影響程度，需建立相應(yīng)靶標及評價模型。釘刺效應(yīng)靶標由戰(zhàn)靴和等效人足兩部分組成。在靶標的建立過程中，其主要技術(shù)工作包括刺釘特性分析、戰(zhàn)靴特性分析、生物試驗、穿刺作用等效研究等。前兩部分研究旨在選擇合適的戰(zhàn)靴，后兩部分研究旨在研制等效人足。通過刺釘器對靶標的穿刺試驗，得到效應(yīng)試驗數(shù)據(jù)［1］，對照相應(yīng)的評價模型，即可評價刺釘器對人員機動能力的影響程度。限于篇幅等因素，本文僅介紹其中部分研究內(nèi)容。

1 戰(zhàn)靴特性分析

作戰(zhàn)靴(戰(zhàn)靴)是部隊的重要裝備之一，它不僅對腳提供直接防護，使其避免受到外來因素的傷害，而且還對腳的生理機能起著重要的保護作用，對作戰(zhàn)人員戰(zhàn)術(shù)技術(shù)動作的發(fā)揮、作訓(xùn)效能的提高和人員戰(zhàn)斗力的保持有著重要的意義。

不同功能的戰(zhàn)靴采用不同的材料、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，以適應(yīng)不同的穿著環(huán)境和作戰(zhàn)條件。對于刺釘作用，主要體現(xiàn)在戰(zhàn)靴的抗穿刺性能上。英軍有關(guān)標準要求戰(zhàn)靴的抗穿刺力為1 100 ～1 500 N，美軍的標準戰(zhàn)靴抗穿刺能力達1 900 N，我軍某型戰(zhàn)靴抗穿刺能力超過英軍標準，在國際上處于先進水平(見表1)。綜合分析戰(zhàn)靴的抗穿刺能力、試驗的可行性及戰(zhàn)靴的發(fā)展趨勢，選用國產(chǎn)B 型戰(zhàn)靴(兩層紡綸)原型作為本項研究用戰(zhàn)靴。

表1 靴底抗穿刺性能數(shù)據(jù)Tab.1 Puncture resistance of boot bottom N

2 釘刺效應(yīng)等效人足

本文所指的人足涉及人體膝蓋以下部分，包括人體下肢和腳。等效人足研究在技術(shù)層面涉及等效材料的選擇、幾何模型制作、驗證試驗等工作。與國內(nèi)外現(xiàn)有爆炸或沖擊等效人體下肢不同［2-4］，本文的等效人足是基于刺釘對人腳的穿刺機理建立的。

2.1 等效人足材料選擇

從簡化模型角度，選擇了兩類材料:一是與人體軟組織(皮膚、肌肉、肌腱、膠原組織等)硬度和彈性相當?shù)墓柘鹉z;二是與人體小腿和腳骨皮質(zhì)的硬度相當?shù)沫h(huán)氧樹脂。通過硬度檢測儀測定數(shù)種環(huán)氧樹脂和相關(guān)復(fù)合型化學(xué)材料的硬度，通過篩選和計算，初步確定材料的類型。然后，在某摩擦學(xué)國家重點實驗室對這些材料和人腳骨皮質(zhì)(腳掌部管狀骨)進行了硬度檢測。圖1為用于檢測的部分材料照片，表2為測試數(shù)據(jù)。

圖1 用于檢測硬度的骨骼和環(huán)氧樹脂材料Fig.1 Materials used for test

表2 送檢物硬度測試結(jié)果Tab.2 Hardness data HV

分析表2測試數(shù)據(jù)，其中人體管狀骨皮質(zhì)厚度 為2 mm，管狀骨直徑為10 ～11 mm，骨皮質(zhì)平均硬度為55.03 HV，計算出管狀骨橫截面平均貫通硬度約為(55.03/5)11 HV. 某環(huán)氧樹脂的平均硬度為11.43 HV，接近足骨皮質(zhì)的硬度，因此選擇某環(huán)氧樹脂作為等效人足的骨骼材料。

2.2 等效人足模型制作

人足模型制作分4 步:第1 步用石膏模具復(fù)制“標準人”男性完整小腿及腳骨骼的副性模型(陰模);第2 步用所選環(huán)氧樹脂澆注小腿及腳骨骼的正性模型(陽模);第3 步將此正性模型放入完整小腿及腳的副性模型中;第4 步用等效人體軟組織的硅橡膠澆注完整小腿及腳的正性模型(如圖2)。

圖2 等效人足Fig.2 Simulate legs and feet

2.3 等效人足驗證試驗

為了驗證等效人足材料選擇的合理性，用木工射釘槍發(fā)射2 cm 長鋼釘，分別對人足骨皮質(zhì)和環(huán)氧樹脂塊進行貫穿試驗，結(jié)果證明，二者的進釘深度相當。隨后，用刺釘器對上述等效人足進行穿刺試驗，并與相同條件下的生物試驗進行比較，結(jié)果表明，二者穿刺情況基本一致。圖3為著戰(zhàn)靴的等效人足穿刺效果X 光照片。

圖3 穿刺效果X 光照片F(xiàn)ig.3 X-ray photograph of stabbing effect

2.4 靶標

通過以上研究，確定釘刺效應(yīng)等效人足靶標為“著某型國產(chǎn)戰(zhàn)靴的等效人足”，如圖4所示。戰(zhàn)靴腳后跟的抗穿刺性能超過2 100 N. 等效人足模擬人體腳軟組織和骨骼結(jié)構(gòu)特性，其韌性、硬度、形狀、尺寸等模擬“標準人”足，材料為環(huán)氧樹脂和硅橡膠。

圖4 釘刺效應(yīng)等效人足靶標Fig.4 Stabbing effect hominine foot target

3 釘刺效應(yīng)評價模型

針對刺釘對人員的致傷效應(yīng)評價，目前無更多的資料可供借鑒［3，5-8］。期間，進行了生物試驗、仿生試驗，觀察分析生物的病理特點、生物指標及行為變化，還研究了不同的刺傷部位、刺入深度、不同配重、偽裝土層厚度等對刺傷效果的影響。結(jié)合作戰(zhàn)行動的實際和人-機-環(huán)工效學(xué)原則，提出了刺釘對人員的致傷效應(yīng)評價模型［9］，見表3.

表3 刺釘對人員致傷效應(yīng)評價模型Tab.3 Stabbing effect assessment model

該模型以刺釘相對人員的累及腳數(shù)、刺入部位、刺入刺釘數(shù)量、刺入深度、累積組織、刺釘及殼體滯留情況等為輸入量，以人員行走、對作戰(zhàn)行動的影響及醫(yī)學(xué)處理為輸出量，按影響程度從低到高分為1 級～4 級。

1 級:單腳單部位淺層釘刺傷(腳底軟組織厚度的1/2 之內(nèi))，對人員機動能力有輕度影響;如果拔掉殼體和刺釘，可產(chǎn)生劇痛，少量出血，需架拐或攙扶行走;如果不拔掉殼體和刺釘有劇痛，出血不明顯，行走困難;肌肉、神經(jīng)組織的變化較輕。

2 級:單腳單部位深層(腳底軟組織厚度的1/2以上)或全層釘刺傷或雙腳單部位淺層釘刺傷，可產(chǎn)生更加劇烈疼痛、多量出血，對人員機動能力有較明顯影響，需架拐或攙扶行走;肌肉、神經(jīng)組織的變化較明顯。

3 級:單腳多部位(2 ～4 處)深層或全層釘刺傷，并有個別刺釘滯留于足內(nèi)甚至與殼體相連，通常行走困難，明顯影響人員的機動能力，此類傷員需迅速進行醫(yī)療處置。

4 級:雙腳多部位(5 處以上)深層或全層釘刺傷，并有兩根以上刺釘滯留于足內(nèi)或與殼體相連，此類傷員需立即進行醫(yī)療處置，即刻減員。

通過人足等效靶試驗得到輸入量，對照此評價模型，即可得到相應(yīng)的輸出量，實現(xiàn)刺釘器對人員作用的定量與定性評價。

4 結(jié)論

靶標研究及其確定是武器系統(tǒng)試驗與評估過程中重要的一步。對于每一類武器系統(tǒng)，均有其預(yù)期的一種或多種打擊目標，不同的殺傷機理及不同的殺傷目標，對應(yīng)不同的效應(yīng)試驗靶標。對于刺釘器，其作用對象為人員，作用部位主要為人員腳部，其等效靶標為“著某型國產(chǎn)戰(zhàn)靴的等效人足”。通過對比試驗，驗證了靶標的科學(xué)性與合理性。評價模型主要基于動物試驗數(shù)據(jù)，其合理性有待于將來可能的戰(zhàn)傷數(shù)據(jù)進行不斷完善。

致謝:參加本項研究工作的還有劉吉成、陶小可、宋良文、王水明、高亞兵、胡文華、左紅艷、徐新萍、任建平等同志。

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