18.4 mm布袋彈致傷評估模型

邵曉鵬，張俊斌，赫 雷，黃雪鷹，周克棟

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094；2.中國人民解放軍63850部隊，吉林 白城 137001)

非致命防暴武器可以在最大程度減少人員死亡的條件下實現(xiàn)反恐防暴目的，但目前在使用時仍有可能造成打擊目標的死亡，因此需要建立致傷評估模型來有效控制非致命動能彈的威力。由于非致命武器的致傷情況復(fù)雜，致傷評估模型難于建立。非致命動能彈多以柔性載體的沖擊打擊有生目標，使其產(chǎn)生強烈的痛感，使其降低或失去抵抗能力，但不會造成致命性傷害。建立一個非致命動能彈的致傷評估模型對于有效控制非致命武器的威力、人員防護等都具有重要意義。

近年來，許多學(xué)者都對非致命動能彈的致傷情況進行了研究。朱永杰對18.4 mm動能痛塊彈的終點效應(yīng)進行了試驗研究，得出了18.4 mm動能痛塊彈的實際有效作用距離[1]。蒲利森對10 mm布袋彈和38 mm軟體變形彈進行了生物打擊試驗，觀察生物靶標的損傷情況后得出兩種彈不會造成致命傷的條件下的最小作用距離[2-3]。為研究不同穿戴條件下彈丸對目標人體造成致命打擊的閾值，翟杰分析了人員目標在夏季、秋季以及冬季穿戴厚度不同時的非致命打擊比動能閾值[4]。

1 致傷因素分析

1.1 致傷機理

非致命動能彈多數(shù)對目標沒有穿透性，依靠彈丸對目標的撞擊造成殺傷，致傷結(jié)果多表現(xiàn)為“鈍擊傷”，因此在分析其致傷機理時也應(yīng)多從鈍擊致傷的角度進行分析。目前對生物損傷機理的研究認為，鈍性沖擊的損傷機理是組織的變形程度超過了它的可恢復(fù)限[10]。沖擊損傷生物力學(xué)認為沖擊損傷的損傷強度(用AIS指標)隨沖擊速度的增加而增加，而彈丸對目標的打擊是將彈丸的動能傳遞給目標造成殺傷的過程。為綜合考慮彈丸的速度和彈丸的種類對打擊效果帶來的影響，因此選取動能和比動能這兩個與彈丸速度和彈丸種類均相關(guān)的參數(shù)作為致傷評估參量。

1)致傷評估參量分析——動能

動能一直作為槍彈威力標準的重要指標，我國國軍標規(guī)定為彈丸動能不超過98J即不會對人體造成致命傷。根據(jù)GJBZ20262—95《防暴動能彈威力標準》[11]中對人員致傷標準的規(guī)定，防暴動能彈對人體不得造成中度及中度以上的損傷，此時98J的動能標準已不能用于判斷彈丸的非致命性，因此需要尋找一個新的動能標準。

根據(jù)以往的打擊試驗初步確定的無防護條件下彈丸打擊時的動能與致傷效果之間的關(guān)系如表1所示，但其只給出了動能的范圍，并不能準確判斷。

表1 致傷效果與動能、比動能

動能作為彈丸打擊時作用在目標上的直接因素，將其作為致傷評估參量可以直觀地反映彈丸的作用效果。但是由于非致命彈的作用特點，目標在遭受打擊時多數(shù)情況是有一定防護的，所以直接測得的彈丸所含的動能難以反應(yīng)彈丸實際對目標的作用效果，因此考慮引入有效動能Ee的概念，即將目標的穿戴情況作為折算系數(shù)i，折算出彈丸對目標本身的作用動能，因此有效動能定義為：

(1)

但是目標穿戴條件的折算系數(shù)i尚無法準確給出。根據(jù)致傷試驗可以看出目標的穿戴情況對致傷效果有明顯的減弱的作用，但并不能大幅度地削減受到的傷害。依據(jù)現(xiàn)有試驗結(jié)果進行計算后初步判斷：不同穿戴情況對動能的折算系數(shù)都不大于1.5。

2)致傷評估參量分析——比動能

比動能也是評價彈丸威力的重要指標，用于損傷評估的比動能定義為彈丸打擊時的動能與打擊面積的比值。從表1中也可以看出以往試驗得出的比動能與損傷程度之間的關(guān)系。比動能作為致傷評估參量相較于動能的優(yōu)點是考慮了彈丸打擊時的打擊面積，以單位面積上的打擊動能作為考量，這種方法在致命武器的致傷研究中廣為應(yīng)用。但是非致命動能彈由于其針對的打擊目標多數(shù)是穿有一定服裝的人，服裝作為防護會使彈丸對目標的實際打擊面積大于彈丸著靶時的面積，導(dǎo)致用于評估的比動能大于實際作用的比動能。由于在有防護時的實際作用于目標的打擊面積難于測量，因此本文不采用比動能作為非致命動能彈的致傷評估參量。

2 打擊試驗與結(jié)果分析

基于上述對致傷機理和致傷因素的分析，對18.4 mm布袋彈進行了生物致傷試驗，并對試驗?zāi)Ｐ偷拇驌艚Y(jié)果進行了數(shù)據(jù)分析。

18.4 mm布袋彈的實際有效作用距離為5～30 m，鑒于該彈藥鑒定試驗時采用固定架射擊R50=7.8 cm，而生物試驗時采用射手據(jù)槍抵肩射擊，精度較固定架射擊時差，而生物致傷試驗選定的致傷部位面積較小，距離大于10 m時難以命中有效部位，為研究彈藥對人體的損傷程度，需在允許的范圍內(nèi)適當減小射擊距離，綜合分析后選定試驗時的射擊距離為3 m、5 m和10 m。根據(jù)不同動物的體型、解剖學(xué)和組織學(xué)結(jié)構(gòu)以及生理和生化等指標與人體相對接近程度，并針對全身和局部損傷效應(yīng)進行了檢測，選用的靶標為瘦肉型豬[12]。根據(jù)實際情況將防護條件定為夏季(無防護)、春秋季(毛衫防護)和冬季(棉服防護)三種情況，毛衫采用市場上常見的毛衫款式，主要成分為棉和羊毛，厚度約3 mm，棉服采用傳統(tǒng)款式的軍大衣，主要成分為棉，厚度約20 mm。將生物靶標按照試驗時的射擊距離和防護情況進行了分組，每組不少于6個。試驗時使用防暴槍械對生物靶標四肢等部位發(fā)射防暴彈，射擊后檢查生物靶標的局部損傷情況，圖1展示了3 m無防護時生物靶標被打擊后的局部損傷情況。

圖1 3 m無防護時對生物靶標的損傷情況

表2列出了生物靶標射擊試驗后彈丸的平均速度、平均動能等參數(shù)與打擊時局部損傷效果的關(guān)系，其平均速度列出了其標準差，平均動能利用平均速度計算得出，通過試驗結(jié)果的分析可以得出：

1)隨著射擊距離的增加，彈丸的速度、動能的數(shù)值均降低，對靶標造成的損傷面積和損傷深度也隨之降低，說明速度、動能等評估參量與致傷效果之間為正相關(guān)的關(guān)系。

2)隨防護等級的提高，防暴彈對靶標的致傷效果會有所降低，損傷面積和損傷深度都會減小，但防護程度對損傷結(jié)果的影響程度低于射擊距離的變化。

3)GJBZ20262—95《防暴動能彈威力標準》中對損傷體征有六個分度，分別是無損傷、輕微損傷(Ⅰ)、輕度損傷(Ⅱ)、中度損傷(Ⅲ)、重度損傷(Ⅳ)和極重度損傷(Ⅴ)，除重度損傷外，其余損傷分度均對應(yīng)兩個損傷等級，因此以上6個損傷分度一共對應(yīng)11個損傷等級。依據(jù)生物靶標射擊試驗后的臨床表現(xiàn)以及解剖后的病理學(xué)判斷，將生物試驗后靶標的致傷情況進行了分級，表2列出了損傷等級的具體情況(只保留有效部分)。由此可以看出，隨著射擊距離的增大和防護條件的增強，彈丸對生物靶標打擊后的損傷等級有明顯的降低趨勢。在試驗所做的打擊條件下，最低可造成3級損傷，最高可造成7級損傷。

但是因為試驗打擊時生物靶標個體狀況不能保證完全相同，因此由于個體差異造成了當打擊動能較低、損傷較小時，出現(xiàn)了10 m距離上無防護的部分射彈造成的損傷等級低于毛衫防護造成損傷等級的現(xiàn)象，如表2所示。

表2 對豬的損傷效果與速度、動能、比動能

3 致傷評估模型

為獲得前文提到的致傷評估參量——有效動能Ee的具體數(shù)值，需要確定目標防護狀況對打擊動能的折算系數(shù)i，即確定防護對打擊動能的吸收率c。吸收率c與折算系數(shù)i之間的對應(yīng)關(guān)系為

(2)

根據(jù)生物打擊試驗結(jié)果中不同距離上損傷面積以及損傷深度在防護條件不同時的變化情況，以無防護時造成的損傷面積和損傷深度為基準，計算有防護條件下的損傷面積和損傷深度的減少的程度，認為動能造成的損傷的減小的程度即為防護條件使打擊動能減小的程度，以此減小的程度作為防護條件對打擊動能的吸收率c。計算得出無防護、羊毛衫防護和棉服防護對打擊動能的吸收率c分別為0、4.76%和9.10%。由此可以計算出有效動能Ee的數(shù)值。

動能彈對生物靶標的致傷程度的輕重主要是由致傷面積以及致傷深度的大小來確定的，將兩種致傷嚴重程度判別方法整合后可以得到損傷體積V，在計算損傷體積時把致傷面積的誤差計算在內(nèi)，以此獲得動能彈可能導(dǎo)致的最大損傷體積。

為定量確定打擊時組織損傷的程度，本文采用以AIS為基礎(chǔ)的單個組織器官的損傷評分方法NSDI(New Single Damage Index)，該方法認為損傷組織的NSDI評分與物理損傷的體積成線性關(guān)系[13]。結(jié)合試驗造成的實際損傷狀況改進計算公式，按照

(3)

計算打擊后的損傷評分，其中，Dmax和Dmin分別為該種打擊條件下造成的最大和最小損傷等級。表3列出了計算后的損傷評分與有效動能的對應(yīng)關(guān)系。

表3 損傷評分與打擊動能

基于Boltzmann函數(shù)對表3中的損傷評分與打擊動能進行非線性擬合，得到NSDI-Ee的函數(shù)關(guān)系，擬合函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式由式(3)給出，損傷評分曲線如圖2所示。經(jīng)過擬合得到A1，A2，Ee0，dx等擬合參數(shù)，其中，A1為造成損傷的最低NSDI評分，A2為不造成中度以上損傷的最大NSDI評分，Ee0為可能造成中度損傷的有效動能閾值，即有效動能不超過這一值時造成的損傷多數(shù)為輕度或輕微損傷。

(3)

圖2 基于Boltzmann函數(shù)擬合的損傷評分曲線

從表3和擬合后的損傷評分曲線中可以看出，在不造成中度以上損傷時，隨著有效動能的增大，損傷評分的變化大致可分為兩個階段：首先是緩慢上升階段，這一階段隨著有效動能的增加，造成的損傷并沒有顯著增強，這一階段由于生物靶標的個體差異而導(dǎo)致?lián)p傷等級在整體隨趨勢上有一定波動，因此10 m距離上的無防護的NSDI評分相較于毛衫防護略低，但差別不大；在第二階段，隨著有效動能的增加，損傷評分快速提高，在達到造成中度損傷有效動能閾值后損傷評分增速變緩。

4 結(jié)論

1)針對非致命動能彈打擊的有防護目標，利用動能作為致傷評估參量相較于比動能更為簡便。為獲得不同防護條件對打擊動能的影響程度，引入了防護條件對動能的折算系數(shù)i。

2)針對非致命動能彈的打擊目標多數(shù)為有防護的目標這一特征，提出了具有普適意義的評估非致命動能彈對于有無防護目標的致傷評估參量——有效動能Ee，并給出了實施思路與分析案例。

3)建立了基于Boltzmann函數(shù)和有效動能Ee的損傷評分NSDI致傷評估模型，將定性的損傷評估量化，并以連續(xù)的損傷評分函數(shù)表征。