防暴動(dòng)能彈鈍擊損傷評(píng)估方法研究綜述

江 星，汪 送

(1.武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院， 西安 710086； 2.武警新疆總隊(duì)和田支隊(duì)， 新疆 和田 848000)

非致命武器是軍隊(duì)和執(zhí)法部門(mén)在維穩(wěn)和處置暴騷亂等任務(wù)中廣泛使用的武器，主要通過(guò)使目標(biāo)產(chǎn)生失能性生理反應(yīng)而暫時(shí)失去抵抗能力，但不對(duì)其產(chǎn)生致命性傷害[1]。防暴動(dòng)能彈是發(fā)展較早、使用較為廣泛的一類(lèi)非致命武器，也稱(chēng)防暴致痛彈，是利用彈丸的飛行動(dòng)能打擊有生目標(biāo)，使之致傷致痛，從而失去抵抗能力或行動(dòng)受到抑制的一種警用非致命彈種。防暴動(dòng)能彈彈丸多采用密度較小的柔韌材料制成，比如國(guó)內(nèi)97式18.4 mm橡皮彈彈丸的主要材料是硬橡膠，06式18.4 mm布袋彈為內(nèi)裹鉛砂的布袋彈丸，美軍40 mm泡沫棒彈的彈丸材料為泡沫棒膠，以及MP-4-R3硬橡膠射彈的彈丸材料為熱固性塑料等，這些柔性彈丸對(duì)目標(biāo)的拒止作用主要是通過(guò)彈丸對(duì)肌體的鈍性沖擊或低侵徹來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。目前，公安和武警部隊(duì)主要配備18.4 mm系列防暴槍?zhuān)诰S穩(wěn)和執(zhí)法過(guò)程中發(fā)揮著較大作用，配備的防暴動(dòng)能彈主要有06式18.4 mm布袋彈、97式18.4 mm橡皮霰彈和97式18.4 mm橡皮彈等。國(guó)外裝備的動(dòng)能彈種類(lèi)比較多，有橡皮彈、豆袋彈、木棍彈、海綿彈等。

雖然防暴動(dòng)能彈設(shè)計(jì)目的是使目標(biāo)暫時(shí)失能，不造成過(guò)度傷害，但由于使用過(guò)程對(duì)有生目標(biāo)的損傷缺少科學(xué)的評(píng)價(jià)，從而不可避免地導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)造成超出預(yù)期的非必要傷亡。國(guó)內(nèi)外就曾發(fā)生多起防暴動(dòng)能彈致人傷亡的案例。例如，2008年云南孟連縣發(fā)生的“云南孟連事件”就是由于使用18.4 mm防暴槍發(fā)射橡皮彈進(jìn)行自衛(wèi)而致兩人死亡；2002年南京暴力襲警事件兩人被18.4 mm橡皮彈擊中，經(jīng)搶救無(wú)效死亡[3]；2014年2月廣州一名押鈔員在押運(yùn)途中防暴槍走火致其死亡[4]；國(guó)外，1970年北愛(ài)爾蘭內(nèi)亂中軍方使用橡膠子彈造成2人死亡，17人永久性殘疾[5]；以色列國(guó)防軍在1987年至1993年為威懾巴勒斯坦平民使用橡皮子彈和塑料子彈造成20多人死亡[6]；Jeff等曾報(bào)道了一名40歲男子因拒捕被警察使用布袋彈射擊，多處出現(xiàn)鈍傷和貫穿傷[7]。因此，為減少防暴動(dòng)能彈引發(fā)過(guò)度傷害的可行性，對(duì)其致傷威力和損傷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估顯得極為必要。

1 防暴動(dòng)能彈鈍擊損傷評(píng)估研究現(xiàn)狀

1.1 鈍擊損傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

美國(guó)在60年代開(kāi)始就對(duì)防暴動(dòng)能彈致傷機(jī)理進(jìn)行研究，獲得了大量具有研究?jī)r(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型。目前，對(duì)防暴動(dòng)能彈致傷威力的評(píng)估主要依據(jù)有動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)、比動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)、鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC)、粘性標(biāo)準(zhǔn)(VCmax)、動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)以及沖擊脈沖標(biāo)準(zhǔn)等，但是還沒(méi)有普遍被接受的科學(xué)評(píng)估方法。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)防暴動(dòng)能彈鈍擊損傷評(píng)估研究起步較晚，但近幾年也取得了較為豐碩的成果，為國(guó)內(nèi)防暴動(dòng)能彈致傷威力評(píng)估的深入研究奠定了一定基礎(chǔ)。

1.1.1基于動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估動(dòng)能彈致傷威力

防暴動(dòng)能彈對(duì)目標(biāo)造成的傷害主要是潛在的鈍性傷或貫穿傷。當(dāng)防暴動(dòng)能彈作用于目標(biāo)時(shí)伴隨有能量的轉(zhuǎn)移，通常認(rèn)為當(dāng)投射物的動(dòng)能達(dá)到一定界限時(shí)，超過(guò)目標(biāo)組織所能夠承受的最大極限，就會(huì)對(duì)目標(biāo)組織造成破壞。不同國(guó)家在動(dòng)能彈丸動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)的閾值確定上存在較大分歧，如法國(guó)規(guī)定為39J、德國(guó)和美國(guó)規(guī)定為78J、我國(guó)沿用20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)規(guī)定的98 J[1]。此外，美國(guó)陸軍通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了一組動(dòng)能閾值[8]，即沖擊能值在40～120 J之間被認(rèn)為會(huì)造成危險(xiǎn)傷害(如擦傷、肋骨骨折、腦震蕩等)，沖擊能值大于120 J被認(rèn)為會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害(如顱骨骨折、心臟和腎臟破裂、肝臟破裂、出血等)。

1.1.2基于比動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估動(dòng)能彈致傷威力

防暴動(dòng)能彈致傷威力除了與動(dòng)能相關(guān)外，還與彈丸橫截面積有關(guān)，即比動(dòng)能，國(guó)內(nèi)外對(duì)此都進(jìn)行了相關(guān)研究。Bir[9]的鈍擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，50%貫穿風(fēng)險(xiǎn)所需的能量密度從前肋骨位置(p=0.000)的23.99 J/cm2變化到后肋骨位置的52.74 J/cm2(p=0.001)。Drapela[10]研究表明比動(dòng)能高于6 J/cm2能引起勸阻性疼痛，低于10 J/cm2可防止皮膚被貫穿，對(duì)眼睛造成不可逆轉(zhuǎn)傷害僅需2.5 J/cm2。朱光濤等[11]使用Matlab軟件研究了某型橡皮動(dòng)能彈的外彈道，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，得到了彈丸速度隨時(shí)間和距離的變化規(guī)律，以及不同射角條件下彈丸速度衰減規(guī)律，驗(yàn)證了彈丸的有效作用距離和在不同距離上對(duì)有生目標(biāo)的作用效果。趙法棟等[12]也基于Matlab/Simulink與M文件相結(jié)合進(jìn)行防暴動(dòng)能彈彈道仿真，根據(jù)殺傷能力標(biāo)準(zhǔn)中的動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)和比動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證了防暴動(dòng)能彈作用范圍和致傷威力。劉碩[13]、周龍偉[14]等也研究了防暴動(dòng)能彈比動(dòng)能與致傷威力之間的關(guān)系。目前我國(guó)將防暴動(dòng)能彈的比動(dòng)能閾值區(qū)間確定為10～26 J/cm2。然而，柔性防暴動(dòng)能彈在打擊目標(biāo)時(shí)具有很好的延展性，有可能出現(xiàn)隨著射擊距離增加動(dòng)能減小，但比動(dòng)能基本不變甚至增大的情況，依據(jù)現(xiàn)行防暴動(dòng)能彈威力標(biāo)準(zhǔn)[15]無(wú)法有效評(píng)估柔性防暴彈的致傷威力[16]。

1.1.3基于鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC)評(píng)估動(dòng)能彈致傷威力

動(dòng)能彈在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)前后，分別需要通過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和損傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全性驗(yàn)證。鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC)[17]是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的一種，它是美軍在20世紀(jì)70年代研究的一種被廣泛使用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型依?jù)大量有關(guān)彈丸鈍擊的文獻(xiàn)資料和數(shù)據(jù)而構(gòu)建，其計(jì)算式為：

(1)

式(1)中:M為彈丸質(zhì)量(kg)；V為彈丸速度(m/s)；D為彈丸直徑(cm)；W為被鈍擊目標(biāo)體重(kg)；T為目標(biāo)體壁厚度(cm)。式(1)中，分子代表了彈丸的動(dòng)能，分母包含了目標(biāo)的特征，這些特征與彈丸撞擊目標(biāo)的耐受度相關(guān)。

鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC)被廣泛用于動(dòng)能彈的鈍擊研究。例如，Matthias等[18]基于鈍性標(biāo)準(zhǔn)來(lái)預(yù)測(cè)人類(lèi)頭部和胸部的受擊損傷情況，實(shí)驗(yàn)中結(jié)合簡(jiǎn)明創(chuàng)傷定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Abbreviated injury scale，AIS)[19]對(duì)胸部和頭部進(jìn)行創(chuàng)傷評(píng)估。在評(píng)估胸部沖擊時(shí)，兩種射擊裝置的鈍性判據(jù)值均高于胸部臨界BC值0.37，這表示持續(xù)發(fā)生AIS 2(中度損傷)或AIS 3(嚴(yán)重?fù)p傷)胸骨損傷的風(fēng)險(xiǎn)為50%，試驗(yàn)撞擊的最大BC值(1.106)高于AIS 4(重度損傷)對(duì)應(yīng)的鈍性判據(jù)值。在頭部撞擊損傷風(fēng)險(xiǎn)方面，這兩種射擊裝置的試驗(yàn)結(jié)果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了頭部臨界鈍擊標(biāo)準(zhǔn)值1.61，表示有50%的顱骨骨折風(fēng)險(xiǎn)。因此在研發(fā)動(dòng)能彈丸時(shí)可以利用鈍性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防暴動(dòng)能彈致傷威力進(jìn)行評(píng)估，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有使用鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC)對(duì)防暴動(dòng)能彈進(jìn)行損傷評(píng)估研究的報(bào)道。

1.1.4基于粘性標(biāo)準(zhǔn)(VCmax)評(píng)估動(dòng)能彈致傷威力

粘性標(biāo)準(zhǔn)(VCmax)是汽車(chē)工業(yè)為評(píng)估高速撞擊的傷害風(fēng)險(xiǎn)而開(kāi)發(fā)的一種實(shí)驗(yàn)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。然而，鈍性彈道沖擊與汽車(chē)碰撞事故在鈍擊受力面積、持續(xù)時(shí)間以及撞擊物的質(zhì)量和速度等方面都有較大差異，將粘性標(biāo)準(zhǔn)(VCmax)用于研究彈丸鈍擊需要展開(kāi)進(jìn)一步研究。Sturdivan等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析比較BC和VCmax評(píng)估鈍性彈道沖擊損傷風(fēng)險(xiǎn)的能力，其結(jié)果基本相同。只是其測(cè)量方法不同，BC是使用輸入?yún)?shù)預(yù)測(cè)，VCmax是測(cè)量身體的沖擊響應(yīng)。Bir等[20]通過(guò)進(jìn)一步的研究表明，BC可以用于動(dòng)能彈藥的研制，VCmax可以用于沖擊損傷風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)。Thotal等[21]為了評(píng)估高速?gòu)椛湮镌斐傻拟g性損傷，對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的胸部機(jī)械替代物MTHOTA進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將得到的力-時(shí)間、位移-時(shí)間和力-位移響應(yīng)與韋恩州立大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)的人體響應(yīng)走廊進(jìn)行比較，并通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)使沖擊響應(yīng)與人體響應(yīng)走廊相關(guān)聯(lián)，從胸腔替代物MTHOTA中得到的粘性判據(jù)(VCmax)，即胸部最大位移與胸部變形速率的乘積，可用于預(yù)測(cè)胸部沖擊損傷。同時(shí)，Thotal等[22 ]研究非致命彈丸彈頭材料時(shí)，基于胸腔替代物MTHOTA對(duì)三種材料的彈丸使用VCmax對(duì)胸部損傷進(jìn)行評(píng)估，給出的VCmax計(jì)算式為：

VCmax=S(Ymax/D)·(Ymax/T)

(2)

式(2)中：VCmax為粘性損傷峰值(m/s)；S為沖擊板比例因子；Ymax為沖擊板的最大位移(mm)；D為沖擊板的虛擬常數(shù)；T為沖擊板達(dá)到最大位移的時(shí)間(ms)。

國(guó)內(nèi)通常使用豬、羊等活體動(dòng)物測(cè)試動(dòng)能彈沖擊目標(biāo)時(shí)的響應(yīng)。例如，蒲利森等[16,23-24]為測(cè)試布袋彈的致傷威力進(jìn)行了多次試驗(yàn)測(cè)試，分別進(jìn)行了模擬介質(zhì)實(shí)驗(yàn)和生物損傷實(shí)驗(yàn)。生物損傷實(shí)驗(yàn)是根據(jù)成人標(biāo)準(zhǔn)體重的皮下脂肪厚度、胸壁厚度、腹壁厚度，結(jié)合人與動(dòng)物組織器官結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將不同距離射擊動(dòng)物的傷情推測(cè)到人，從而評(píng)估防暴動(dòng)能彈的致傷效應(yīng)。

1.1.5基于沖擊動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估動(dòng)能彈致傷威力

防暴動(dòng)能彈在沖擊目標(biāo)時(shí)的動(dòng)量也與目標(biāo)損傷程度息息相關(guān)，雖然彈丸在沖擊時(shí)身體組織會(huì)吸收部分能量，但沖擊能量太大就會(huì)造成組織破壞。美國(guó)的Pavier等[25]采用Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)系統(tǒng)對(duì)泡沫彈頭進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，然后測(cè)量剛性力壁上的沖擊力獲取載荷數(shù)據(jù)，最后對(duì)豬尸體的孤立胸腔進(jìn)行射擊，以研究彈丸沖擊點(diǎn)附近的反應(yīng)(胸壁位移、肋骨加速度和應(yīng)變、肋骨骨折等)，研究結(jié)果表明目標(biāo)沖擊響應(yīng)的嚴(yán)重程度主要與沖擊脈沖和沖擊動(dòng)量有關(guān)。然而，由于彈丸結(jié)構(gòu)、彈道特性與沖擊響應(yīng)是不可分割的，因此要達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)(控制非致命武器的損傷水平)，就需要準(zhǔn)確了解生物體的各個(gè)部分對(duì)鈍性沖擊的反應(yīng)。

1.1.6基于沖擊脈沖標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估動(dòng)能彈致傷威力

許多研究認(rèn)為動(dòng)能或能量密度是影響彈丸終點(diǎn)效應(yīng)的唯一參數(shù)，但是也有研究表明彈丸沖擊脈沖對(duì)終點(diǎn)效應(yīng)有很大影響。Julien等[26]用兩枚不同質(zhì)量的40 mm彈丸在動(dòng)物替代品上進(jìn)行了射擊試驗(yàn)，結(jié)果表明，動(dòng)能、口徑不足以區(qū)分兩種彈丸的損傷潛力，動(dòng)量、形狀和阻抗等參數(shù)對(duì)彈丸與胸部的相互作用和終點(diǎn)效應(yīng)有影響，并利用有限元模型驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即傳輸脈沖是影響胸部位移的一般性因素。Langlet等[27]利用豬胸壁做鈍擊實(shí)驗(yàn)，并建立三維有限元模型對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，研究表明沖擊響應(yīng)的強(qiáng)弱程度主要與肋骨斷裂引起的結(jié)構(gòu)軟化后轉(zhuǎn)移到胸壁的剩余脈沖有關(guān)，在研究考慮的材料和彈道參數(shù)范圍內(nèi)，無(wú)論泡沫彈丸結(jié)構(gòu)規(guī)律如何，較重的彈丸總比較輕的彈丸產(chǎn)生更高的脈沖。因此，沖擊脈沖與防暴動(dòng)能彈的致傷威力有較大關(guān)系。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)防暴動(dòng)能彈致傷威力的研究已有了頗為豐碩的成果，為今后開(kāi)展相關(guān)研究提供了豐富的參考參照。但是，目前評(píng)估防暴動(dòng)能彈致傷威力的方法主要依靠單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判，考慮的影響因素并不全面，存在較大的局限性，還需要基于現(xiàn)有研究成果研究出能夠全面評(píng)估防暴動(dòng)能彈致傷威力的新的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 人體重要器官的損傷量級(jí)

從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的關(guān)于防暴動(dòng)能彈致傷致殘致亡案例來(lái)看，彈丸沖擊頭部、胸部等脆弱部位是造成人員傷亡的重要致因。如1970年北愛(ài)爾蘭處置內(nèi)亂使用橡膠彈造成90例病人中，54%是因?yàn)轭^頸部受到?jīng)_擊，22%是因?yàn)樾夭渴艿經(jīng)_擊，1例死于嚴(yán)重的腦損傷和顱骨骨折，1例死于胸部受傷[5]；1987年至1993年巴以沖突中使用橡膠彈和塑料彈致17人死亡，10人死于腦損傷，2人死于心肺損傷[6]。因此，人體頭部、胸部等脆弱部位的損傷量級(jí)對(duì)防暴動(dòng)能彈的設(shè)計(jì)、研制具有重要指導(dǎo)意義。

1.2.1人體頭部損傷量級(jí)

頭部損傷主要從兩個(gè)特征進(jìn)行初步評(píng)估，一是腦損傷，即存在意識(shí)的改變或缺失，如腦震蕩；二是顱骨損傷，如顱骨骨折，這兩點(diǎn)是致人傷亡的主要原因。同時(shí)，美國(guó)研究人員為摸清人體損傷與汽車(chē)事故之間的關(guān)系，確認(rèn)了適用于頭部的六種不同程度的“簡(jiǎn)明損傷定級(jí)”(見(jiàn)表1)[28]。David等[29]為建立人體面部鈍性彈道走廊，基于彈丸鈍性沖擊六具尸體和假人的實(shí)驗(yàn)表明，面部彈道沖擊額頭、顴骨和下頜骨的初始人體耐受水平分別為6.0 kN、1.6 kN和1.9 kN。Oukara等[30]用XM1006防暴動(dòng)能彈進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)出頭部最大承受力為：

(Fhead)max XM=0.083(vXM/10)2.585

(3)

式(3)中: (Fhead)max XM是人體頭部對(duì)XM1006防暴動(dòng)能彈的最大承受力(kN)；vXM是XM1006防暴動(dòng)能彈的沖擊速度(m/s)。這些數(shù)據(jù)為評(píng)估防暴動(dòng)能彈鈍擊人體頭部損傷等級(jí)提供了依據(jù)。

表1 簡(jiǎn)明損傷定級(jí)(適用于頭部損傷)

1.2.2人體胸部損傷量級(jí)

防暴動(dòng)能彈對(duì)人體胸部的鈍擊損傷主要體現(xiàn)在心肺損傷和胸骨、肋骨骨折。多名研究人員曾對(duì)胸部損傷評(píng)估進(jìn)行研究，Pavier等[26]基于低致命彈丸射擊動(dòng)物試驗(yàn)表明，肋骨斷裂數(shù)與胸壁局部最大位移有關(guān)。Liman等[31]為評(píng)估肋骨骨折數(shù)與相關(guān)損傷之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)1490例胸部鈍性損傷患者進(jìn)行回顧性分析，表明胸部外傷的死亡風(fēng)險(xiǎn)與超過(guò)兩根肋骨骨折、年齡大于60歲、ISS(損傷嚴(yán)重程度評(píng)分)大于或等于16有關(guān)。COOPER等[32]為研究胸壁位移與胸部損傷程度的關(guān)系，對(duì)心臟和胸壁損傷等級(jí)進(jìn)行了分類(lèi)(見(jiàn)表2)?；贑OOPER的損傷等級(jí)分類(lèi)，可結(jié)合損傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)胸部鈍擊損傷嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估研究。

表2 心臟和胸骨損傷等級(jí)分類(lèi)

1.3 鈍擊損傷評(píng)估方法研究現(xiàn)狀

1.3.1基于生物體試驗(yàn)的鈍擊損傷評(píng)估研究

1) 尸體試驗(yàn)

國(guó)外基于人類(lèi)尸體(PMHS)測(cè)試動(dòng)能彈丸沖擊響應(yīng)的研究較多。雖然尸體缺乏張力，但尸體仍然是人體試驗(yàn)的最可靠的替代品，因此，使用未經(jīng)防腐處理的尸體作為替代品已被普遍接受[18]。如Bir[20，33]采用彈道式空氣炮沖擊PMHS獲得了人類(lèi)胸部鈍性沖擊的響應(yīng)走廊，繪制了力-時(shí)間、力-位移、時(shí)間-位移曲線。Prato等[34]為比較人類(lèi)尸體與大型動(dòng)物在解剖學(xué)和生理學(xué)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，用兩種不同速度的彈丸沖擊12具尸體和19只麻醉豬的胸腔，比較40 kg重的豬和人的胸壁行為，結(jié)果表明豬胸壁的運(yùn)動(dòng)大于人的胸壁運(yùn)動(dòng)，但人的響應(yīng)程度往往大于豬的響應(yīng)，而且豬的骨頭比人類(lèi)的骨頭更有彈性。但是，將人類(lèi)尸體用于彈道研究可能會(huì)引發(fā)倫理問(wèn)題。

2) 動(dòng)物試驗(yàn)

在彈道學(xué)研究中，馬、牛、山羊、綿羊、狗和豬在內(nèi)的活的和死的動(dòng)物都廣泛被用于鈍擊損傷研究[35]，其中使用較多的動(dòng)物是豬和羊，因?yàn)樨i與人的皮膚組織十分相似，是大面積燒傷中異皮的提供者[36]，主要區(qū)別在于豬的皮膚壁厚比人的略厚；同時(shí)羊的皮膚組織結(jié)構(gòu)也與人的相似[37]，但是羊的胸腹壁厚度比人的要低。因此，國(guó)內(nèi)通常用豬和羊作對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)估防暴動(dòng)能彈致傷效應(yīng)。如蒲利森等[16,23-24]用防暴動(dòng)能彈鈍擊活的豬和羊，從而推測(cè)出動(dòng)能彈作用于人體時(shí)的致傷威力。但是，相關(guān)科學(xué)研究中使用大型活體動(dòng)物同樣會(huì)引起倫理和道德問(wèn)題，必須要經(jīng)過(guò)仔細(xì)審查方可使用[35]。

1.3.2基于生物替代品的鈍擊損傷評(píng)估研究

致傷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是開(kāi)展創(chuàng)傷彈道學(xué)研究的重要方法之一，可以通過(guò)進(jìn)行彈丸射擊生物或者其模擬物的實(shí)驗(yàn)，來(lái)研究彈丸對(duì)人員的殺傷效應(yīng)和致傷機(jī)理。由于彈丸射擊生物實(shí)驗(yàn)成本較高、難度較大、程序復(fù)雜，而且受倫理道德的約束，通常采用非生物實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行相關(guān)研究，通過(guò)獲取模擬物的破壞情況，判定武器彈藥的致傷威力[39]。

1) 肥皂、粘土

近幾年，許多不同的彈道損傷替代物得到了利用。如肥皂、明膠、粘土、動(dòng)物、假人和其他材料。某些模擬物，如肥皂和粘土，密度與肌肉組織相似，粘塑性大，是非彈性的，彈丸侵徹后會(huì)形成一個(gè)永久性的變形腔，它們提供了保持永久記錄和確定能量轉(zhuǎn)移的能力，是研究彈丸能量轉(zhuǎn)移的理想材料。例如，Sebastian等[40]為研究泰瑟?增程電子彈(XREP?)的彈道損傷潛力，選用肥皂模擬皮膚和組織，實(shí)驗(yàn)中肥皂被人造皮膚和衣服覆蓋，通過(guò)分析，肥皂具有與創(chuàng)傷彈道相似的特性；馬志偉等[41]選用肥皂模擬機(jī)體組織，進(jìn)行了不同霰彈在不同射擊距離上的終點(diǎn)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)霰彈子對(duì)靶標(biāo)的侵入深度來(lái)推導(dǎo)霰彈子的能量衰減及比動(dòng)能衰減規(guī)律，從而評(píng)價(jià)其創(chuàng)傷能力。但是，皮膚貫穿并不是彈丸路徑的臨時(shí)和永久空腔[42]，肥皂、粘土缺乏人體組織的粘彈性，基于肥皂、粘土獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要根據(jù)其特性進(jìn)一步分析研究。

2) 明膠

明膠的密度與肌肉相近，其物理響應(yīng)也與生物體的肌肉響應(yīng)相似，具有豐富的彈性，因此，明膠是研究輕武器殺傷效能評(píng)估最受歡迎的模擬物[43]。例如，曾鑫等[44]借助長(zhǎng)白豬和明膠靶進(jìn)行非侵徹條件下目標(biāo)內(nèi)部壓力衰減試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，豬體和明膠靶在相同條件下侵徹時(shí)測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)出良好的一致性，兩者的壓力峰值擬合曲線吻合較好。但是豬體的壓力峰值衰減比明膠的要快，造成此現(xiàn)象的原因主要是豬體的各類(lèi)組織。該試驗(yàn)表明，某些條件下明膠可以反映豬體的沖擊響應(yīng)，但是并不能完全等效豬體。推測(cè)到人也是同理，由于明膠內(nèi)部都是均勻的，而人體有皮膚、骨骼和組織等不同的成分[38]，使用明膠進(jìn)行鈍擊試驗(yàn)研究得出的結(jié)果會(huì)存在局限性，也不能否定其優(yōu)點(diǎn)。

3) 假人

基于人體結(jié)構(gòu)構(gòu)建假人模型進(jìn)行動(dòng)能彈沖擊實(shí)驗(yàn)，可以避免實(shí)驗(yàn)中存在樣本獲取困難和可能引發(fā)的道德與倫理問(wèn)題。其基本原理是通過(guò)在假人內(nèi)部安裝各類(lèi)傳感器，在沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳感器反饋彈丸沖擊位置的速度、加速度、位移等結(jié)果，從而為研究人員評(píng)估動(dòng)能彈丸致傷威力提供依據(jù)。如Jonsson等[45]設(shè)計(jì)了一個(gè)人體測(cè)量假人，專(zhuān)門(mén)用于爆炸、鈍擊和彈丸測(cè)試。祁偉等[46]使用HybridⅢ第50百分位國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)假人進(jìn)行胸部鈍擊實(shí)驗(yàn)，獲得了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.3.3基于數(shù)值仿真的鈍擊損傷評(píng)估研究現(xiàn)狀

在受測(cè)試成本或環(huán)境條件等的制約下，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)比實(shí)物實(shí)驗(yàn)具有更大優(yōu)勢(shì)。在ANSYS、ABAQUS、LUSAS、MATLAB等計(jì)算機(jī)軟件輔助下，對(duì)具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，可以縮短研制周期，節(jié)省計(jì)算資源。Thota等[21]提出了一種胸部機(jī)械替代物MTHOTA有限元模型，與傳統(tǒng)的胸部有限元模型相比，該模型實(shí)現(xiàn)了VCmax的精確計(jì)算，只需要進(jìn)行一次仿真且不會(huì)有歧義，用于驗(yàn)證非致命彈藥、胸部防護(hù)裝具等較為合適。BODO等[47]為研究彈丸與人體相互作用造成貫穿或鈍傷的可能性，在人體軀干數(shù)值有限元模型(HUByx有限元模型)中應(yīng)用流體力學(xué)彈塑性本構(gòu)關(guān)系來(lái)模擬軟組織的行為并評(píng)估其損傷風(fēng)險(xiǎn)，得到了與Bir實(shí)驗(yàn)走廊一致的生物響應(yīng)。王玉華等[48]通過(guò)ANSYS/LS-DYNA有限元仿真軟件對(duì)高速子彈侵徹過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，該方法與采用簡(jiǎn)化理論模型近似分析的方法相比，在彈靶模型的建立、侵徹過(guò)程運(yùn)動(dòng)方程的求解以及計(jì)算結(jié)果的精度和可靠性方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。以上研究表明，利用有限元模型進(jìn)行仿真研究具有安全、精確、可靠、重復(fù)性強(qiáng)、研制周期短的特點(diǎn)，而且不涉及道德和倫理的問(wèn)題。

2 存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外防暴動(dòng)能彈鈍擊損傷相關(guān)研究現(xiàn)狀的分析，國(guó)內(nèi)對(duì)該問(wèn)題的研究還存在如下問(wèn)題：

一是國(guó)內(nèi)外雖然都對(duì)防暴動(dòng)能彈致傷威力進(jìn)行了研究，并且已經(jīng)采用了多種研究方法，但評(píng)估過(guò)程中考慮的因素并不全面，沒(méi)有一種能夠讓整個(gè)學(xué)術(shù)界普遍接受的損傷評(píng)估方法。

二是國(guó)內(nèi)對(duì)防暴動(dòng)能彈的致傷威力相關(guān)研究較少，主要是從動(dòng)能彈丸的動(dòng)能、比動(dòng)能和活體動(dòng)物生物響應(yīng)、生物替代品侵徹效應(yīng)、數(shù)值仿真等方面進(jìn)行研究，對(duì)鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC)、粘性標(biāo)準(zhǔn)(VCmax)、沖擊動(dòng)量和沖擊脈沖等評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的研究還比較少。

三是受到道德和倫理的約束，國(guó)內(nèi)較多利用假人和生物替代品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用人類(lèi)尸體、活體動(dòng)物等生物模型進(jìn)行研究的較為少見(jiàn)。

四是防暴動(dòng)能彈鈍擊損傷研究過(guò)程較為復(fù)雜、資源消耗大，國(guó)內(nèi)運(yùn)用有限元模型進(jìn)行鈍擊仿真的研究依然較少。

3 防暴動(dòng)能彈鈍擊損傷評(píng)估主要研究趨勢(shì)

3.1 建立廣泛適用的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

從國(guó)內(nèi)外防暴動(dòng)能彈鈍擊研究現(xiàn)狀來(lái)看，損傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)有動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)、比動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)、鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC)、粘性標(biāo)準(zhǔn)(VCmax)等，但是對(duì)防暴動(dòng)能彈致傷威力進(jìn)行評(píng)估普遍運(yùn)用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，使評(píng)估結(jié)果存在較大局限性。因此，需要將可能影響防暴動(dòng)能彈致傷威力的因素綜合考慮，形成評(píng)判致傷威力的組合標(biāo)準(zhǔn)，在確保評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提下使其廣泛適用于研究不同材料、不同密度、不同結(jié)構(gòu)的防暴動(dòng)能彈和沖擊目標(biāo)，將是未來(lái)重點(diǎn)研究方向。

3.2 開(kāi)展精確可靠的有限元仿真

近幾年，基于有限元仿真模型研究防暴動(dòng)能彈鈍擊效應(yīng)越來(lái)越受到科研人員青睞。與生物試驗(yàn)相比，有限元模型仿真實(shí)驗(yàn)具有數(shù)據(jù)易于獲取、可重復(fù)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高且不涉及法律與道德倫理等優(yōu)勢(shì)；與生物替代品試驗(yàn)相比，仿真實(shí)驗(yàn)具有計(jì)算精度高、消耗資源少等優(yōu)勢(shì)，鑒于此，基于有限元仿真的防暴動(dòng)能彈致傷威力研究不僅會(huì)節(jié)約成本、縮短研制周期，而且可以有效提升實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.3 構(gòu)建準(zhǔn)確高效的預(yù)測(cè)模型

當(dāng)前，公安和武警部隊(duì)等執(zhí)法部門(mén)使用防暴動(dòng)能彈處置突發(fā)情況的時(shí)機(jī)越來(lái)越多，越來(lái)越頻繁，讓一線力量在處置情況時(shí)能夠準(zhǔn)確預(yù)判防暴動(dòng)能彈的致傷威力，將會(huì)大大提升情況處置的成功率，減少安全事故發(fā)生，而基于遺傳算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA-BP)[49]則可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過(guò)提取大量相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合自身開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真研究的數(shù)據(jù)，采用遺傳算法GA優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測(cè)，可達(dá)到精確預(yù)測(cè)防暴動(dòng)能彈致傷威力的效果。同樣，其他基于深度學(xué)習(xí)理論的預(yù)測(cè)方法也可以實(shí)現(xiàn)此目的。

4 結(jié)論

防暴動(dòng)能彈種類(lèi)多、用途廣，但是也有將人致傷致亡的可能。本文主要介紹了國(guó)內(nèi)外防暴動(dòng)能彈鈍擊損傷評(píng)估方法研究現(xiàn)狀和研究中常用的工具、材料模型，通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外的研究方法，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)研究方法上的不足?？傮w來(lái)說(shuō)，為維護(hù)國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定，設(shè)計(jì)和研發(fā)能夠有效預(yù)測(cè)防暴動(dòng)能彈致傷威力的新的評(píng)估方法勢(shì)在必行。在未來(lái)發(fā)展中，防暴動(dòng)能彈致傷威力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)將在公安和武警部隊(duì)遂行執(zhí)法任務(wù)時(shí)體現(xiàn)出巨大價(jià)值，同時(shí)，也能為防暴動(dòng)能彈的改進(jìn)和研發(fā)提供技術(shù)支撐。