基于多維損傷判據(jù)的18.4 mm橡皮彈致傷威力評估

王馨璐，汪 送

(1.武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院，陜西 西安，710086；2.武警新疆總隊，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

在現(xiàn)代社會中，人們對生命的尊重日益成為一種倫理道德和基本精神.無論在哪里使用武力，都會有意外或偶然傷亡的風(fēng)險，非致命武器產(chǎn)生和應(yīng)用的目的就是降低這種風(fēng)險，而且未來戰(zhàn)爭中非致命武器可能會成為傳統(tǒng)火器的寶貴替代品.

20世紀(jì)50年代香港引進(jìn)了用作防暴手段的動能非致命武器(Kinetic Energy Non-Lethal Weapons，KENLW)彈丸[1].1970年，英國軍隊在北愛爾蘭首次使用了直射橡皮彈.但這些子彈的使用造成了許多傷害甚至一些死亡，據(jù)報道，損傷類型主要是嚴(yán)重鈍器傷，如壓碎顱骨或面部骨折或未貫穿的內(nèi)臟器官損傷[2-3].身材弱小的兒童、青少年和婦女比體型較大的成年男性更容易遭受嚴(yán)重傷害，尤其是當(dāng)沖擊發(fā)生在頭骨、眼睛、大腦、肺、肝和脾等部位時.這一結(jié)果與之前在未經(jīng)防腐處理的尸體上進(jìn)行的一項研究結(jié)果一致[4-5].橡皮彈的報告致死率約為1∶18 000.但此數(shù)據(jù)可能具有誤導(dǎo)性，因為世界各地使用的許多不同的彈丸具有可變的殺傷力[2,6-8].在1987～1993年的報道中，鋼芯球形橡膠彈及鋼芯柱形橡膠彈在以色列出現(xiàn)貫穿傷、眼部傷[9-10].1997年，18.4 mm橡皮霰彈在中國也出現(xiàn)貫穿傷、眼部傷[11].2006年，大橡皮球彈丸Flash-Ball在法國出現(xiàn)非貫穿性挫傷、撕裂以及罕見的內(nèi)臟損傷[12].

此外，非致命彈藥可能造成嚴(yán)重或致命傷害的風(fēng)險因素有：射程、被擊中的受體的年齡以及對上半身的沖擊[12-13].由于非致命彈藥的彈道性能較差而導(dǎo)致無法控制的散布，這可能是擊中身體敏感部位的主要原因.超過臨界距離取決于武器類型，即使瞄準(zhǔn)下肢，面部也可能被擊中[14].最近的一份病例報告介紹了一名43歲的患者，他因被橡皮彈沖擊胸部而導(dǎo)致左冠狀動脈前降區(qū)剝離后發(fā)生心肌梗死[15].國內(nèi)也裝備了18.4 mm橡皮彈，致傷致亡案例偶有發(fā)生.

因此，在設(shè)計非致命武器時，往往需要在武器的有效性和傷害風(fēng)險之間進(jìn)行權(quán)衡，而人體效應(yīng)作為一種固有屬性，嚴(yán)重影響非致命武器系統(tǒng)的設(shè)計，以人體可接受的傷害風(fēng)險實現(xiàn)預(yù)期效果往往是武器發(fā)展的關(guān)鍵.在人群控制過程中，彈丸的質(zhì)量、速度、動能以及受體的質(zhì)量、形態(tài)等都對射擊的閾值發(fā)揮起著重要作用.當(dāng)評估射彈的低殺傷力時，應(yīng)對這些變量進(jìn)行深入研究，以提升非致命彈丸的使用價值.前人提出的動能標(biāo)準(zhǔn)、比動能標(biāo)準(zhǔn)、鈍性標(biāo)準(zhǔn)、四參數(shù)模型以及胸部鈍性創(chuàng)傷相關(guān)的致命性概率都是基于人體效應(yīng)提出的，在評估研究防暴動能彈的威力中有極大的參考價值.

18.4 mm橡皮彈作為一種較小口徑的射彈，由于沖擊截面積較小，很有可能對身體造成貫穿損傷，而且國內(nèi)外橡皮彈致殘致亡案例多有報道，因此，迫切需要對橡皮彈致傷機(jī)理進(jìn)行深入研究，從而對其優(yōu)化設(shè)計和安全使用提供有效的指導(dǎo).本文以18.4 mm橡皮彈為研究對象，基于前人提出的動能標(biāo)準(zhǔn)、比動能標(biāo)準(zhǔn)等，主要使用鈍性標(biāo)準(zhǔn)以及胸部鈍性創(chuàng)傷相關(guān)的致命性概率和四參數(shù)模型，針對其對中國不同受試者的沖擊損傷進(jìn)行研究，提出適用于中國受試者的18.4 mm橡皮彈的鈍性損傷及動能參考標(biāo)準(zhǔn)；針對不同人體獲得其安全射距區(qū)間，提出面向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用的安全使用建議，亦可為其他防暴動能彈的損傷評估研究提供科學(xué)參考.

1 損傷判據(jù)

損傷標(biāo)準(zhǔn)可以用于確定彈藥沖擊的損傷風(fēng)險，從而驗證特定的人體耐受性.目前，國內(nèi)外有一系列測試方法來評估其沖擊損傷效應(yīng)，包括：動能標(biāo)準(zhǔn)、比動能標(biāo)準(zhǔn)、鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC)、四參數(shù)模型、粘性標(biāo)準(zhǔn)(VCmax)等，但不同標(biāo)準(zhǔn)的適用性不盡相同.

1.1 動能標(biāo)準(zhǔn)

防暴動能彈對目標(biāo)造成的傷害主要是潛在的鈍性傷或貫穿傷.當(dāng)防暴動能彈作用于目標(biāo)時伴隨有能量的轉(zhuǎn)移，通常認(rèn)為當(dāng)投射物的動能達(dá)到一定界限時，超過目標(biāo)組織所能夠承受的最大極限，就會對目標(biāo)組織造成破壞.當(dāng)彈丸擊中人體時，其撞擊動能由彈丸的質(zhì)量和速度(E=MV2/2，式中，E為撞擊動能，M為彈丸質(zhì)量，V為彈丸速度)決定.不同國家在動能彈丸動能標(biāo)準(zhǔn)的閾值確定上存在較大分歧，如法國規(guī)定為39 J，德國和美國規(guī)定為78 J，我國沿用20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)規(guī)定的98 J[16].而實際上，動能彈丸的致傷威力除了與動能相關(guān)外，與彈丸的截面積、材料特性也密切相關(guān).對于18.4 mm橡皮彈，如果只考慮動能，則無法比較可變形彈丸的沖擊特性，因此，完全以動能確定損傷標(biāo)準(zhǔn)是不充分的.

1.2 比動能標(biāo)準(zhǔn)

比動能標(biāo)準(zhǔn)在動能標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮彈丸的沖擊截面積，即

(1)

(2)

式中：E/D為彈丸的比動能，J/cm2；D為彈丸的沖擊截面積，cm2；R為彈丸的半徑，cm；M為彈丸質(zhì)量，kg；V為彈丸速度，m/s.

國軍標(biāo)規(guī)定[17]，防暴動能武器打擊目標(biāo)只能達(dá)到輕度損傷(Ⅱ)，即彈丸擊中人體時，皮膚紅腫損傷或伴有滲血，皮下層出血，肌層充血或淺層滲血，而此時彈丸比動能范圍分別為4.0～12.0 J/cm2(彈丸直徑大于 10 mm，邵氏硬度小于90)和 4.0～28.9 J/cm2(彈丸直徑不大于10 mm，邵氏硬度小于90).18.4 mm 橡皮彈屬于彈丸直徑大于10 mm，邵氏硬度小于90 的情況，因此根據(jù)國軍標(biāo)規(guī)定，其打擊比動能標(biāo)準(zhǔn)范圍應(yīng)為4.0～12.0 J/cm2.

1.3 鈍性標(biāo)準(zhǔn)

彈道學(xué)標(biāo)準(zhǔn)(鈍性標(biāo)準(zhǔn)Blunt Criterion，BC)是基于彈丸參數(shù)對目標(biāo)的損傷嚴(yán)重程度的影響.這個標(biāo)準(zhǔn)明確包括射彈的物理參數(shù)(質(zhì)量、速度和彈丸直徑)和生物目標(biāo)(質(zhì)量和胸壁厚度).質(zhì)量和速度合并為單個參數(shù)：動能(KE).BC標(biāo)準(zhǔn)是美國軍隊為了預(yù)測平頭彈鈍擊人體的損傷情況而制定的損傷標(biāo)準(zhǔn)，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?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)構(gòu)建，曾是彈藥設(shè)計制造的參考依據(jù).Bir等[5]將這一標(biāo)準(zhǔn)引入防暴動能彈鈍擊損傷評估領(lǐng)域，動能彈在設(shè)計和生產(chǎn)前后，分別需要通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和損傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全性驗證，鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC)是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的一種，其計算式為[18]

(3)

式中：M為彈丸質(zhì)量，kg；V為彈丸速度，m/s；D為射彈直徑，cm，W為沖擊個體的質(zhì)量，kg；T為目標(biāo)體壁厚度，cm.

BC作為一種基于能量的模型，分子是射彈的沖擊能量，分母是身體吸收這種沖擊能量而不受傷害的能力的經(jīng)驗表達(dá).通過兩個彈丸參數(shù)(動能和直徑D)來考慮彈丸致死率，能量越高，傷害程度越高.

由式(3)可知，BC標(biāo)準(zhǔn)未考慮彈丸和目標(biāo)的材料特性.因此，依據(jù)BC標(biāo)準(zhǔn)，只要彈丸的初始動能和直徑相同，即使彈丸的材料特性不同，其損傷效果也是相同的，這顯然與實際不相符.實際上，由于可變形材料能吸收較多能量，且實際沖擊面積較大，所以可變形彈丸與不可變形彈丸造成的損傷效果并不相同.但對于同種硬質(zhì)彈丸，基于BC標(biāo)準(zhǔn)可以對比分析其致傷威力.

1.4 四參數(shù)模型

美國國家司法研究所NIJ成立了一個在創(chuàng)傷彈道學(xué)和鈍傷領(lǐng)域具有專門知識的軍事和醫(yī)療人員聯(lián)合組織，收集并關(guān)聯(lián)所有關(guān)于鈍器撞擊傷的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，Lyon等人[19]根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出了從目標(biāo)動物的質(zhì)量推斷為典型的成年男性(70 kg)的四參數(shù)模型，參數(shù)包括：彈丸質(zhì)量M(mg)、速度V(m/s)、直徑D(cm)和目標(biāo)質(zhì)量W(kg)，如圖 1 所示.用每條斜率為1的線，將圖形劃分為3個區(qū)域：低致死率區(qū)域、混合結(jié)果區(qū)域和高致死率區(qū)域.這3個區(qū)域是由于數(shù)據(jù)分散、簡單的存活/死亡結(jié)果以及數(shù)據(jù)集之間的不一致造成的.通過數(shù)據(jù)擬合確定這些測線的x和y截距.

圖 1 四參數(shù)廣義模型[19]

2 基于比動能標(biāo)準(zhǔn)的可參考的中國受試者鈍性標(biāo)準(zhǔn)及BC值

2.1 18.4 mm橡皮彈對中國受試者不同射距下的BC值

結(jié)合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[20]，第5百分位、第50百分位、第95百分位的男性、女性的體重分別如表 1 所示，依據(jù)式(4)可進(jìn)一步計算不同百分位數(shù)人體體壁厚度.

(4)

式中：T為體壁厚度，cm；W為體重，kg；k為比例常數(shù)，對于男性k=0.711，女性k=0.593.經(jīng)過計算得到如表 1 所示的中外人體尺寸參數(shù).

表 1 中外人體尺寸參數(shù)

為獲得18.4 mm橡皮彈在不同射距下的速度值，可采用Nsiampa[21]給出的公式進(jìn)行計算.

Vx=V0e-λx,

(5)

(6)

式中：V0為初速，m·s-1；Vx為射距x米處的速度，m·s-1；D為彈丸的直徑，cm；M為彈丸的質(zhì)量，kg；ρair為空氣密度，kg·m-3；CD0為空氣阻力系數(shù).

對于18.4 mm橡皮彈而言，其初速V5為130 m/s，彈丸重量M為8.9 g，彈丸直徑D為18.77 mm，空氣密度ρair為1.206 kg/m3，根據(jù)文獻(xiàn)[17]中實驗測得的碰擊速度數(shù)據(jù)，即5 m，10 m，20 m，30 m，35 m，40 m和45 m的速度值130 m/s，118 m/s，98 m/s，85.4 m/s，77 m/s，71 m/s和63.4 m/s.

根據(jù)式(4)結(jié)合表 1 中的尺寸參數(shù)，計算得到如表 2 所示的橡皮彈對不同中國受試者不同射距下的BC值.

表 2 橡皮彈對不同中國受試者不同射距下的BC值

由表 2 可知，隨著射距的增大，BC值逐漸減小，同時對于不同的受體，計算所得的BC值也有較大差異，BC值越高表示損傷程度越大，損傷耐受性越弱.

2.2 18.4 mm橡皮彈對中國受試者的最小安全射距及最大有效射距BC值

由于射彈撞擊時轉(zhuǎn)移到目標(biāo)的動能一定，若其分布在較小的表面上，就可能貫穿人體，若分布在較大的表面上則將可能不會貫穿人體，因此，選取比動能標(biāo)準(zhǔn)作為計算依據(jù)較為合理.

為建立起B(yǎng)C值與比動能標(biāo)準(zhǔn)之間的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合本文1.2節(jié)比動能標(biāo)準(zhǔn)4.0～12.0 J/cm2，計算得出對應(yīng)的距離區(qū)間為28.17～49.17 m，進(jìn)一步得到了如圖2所示的參照比動能標(biāo)準(zhǔn)的不同男性受試者BC值區(qū)間和圖 3 所示的參照比動能標(biāo)準(zhǔn)的不同女性受試者BC值區(qū)間.

圖 2 參照比動能標(biāo)準(zhǔn)判定不同男性受試者BC值區(qū)間

如圖 2 所示，以比動能標(biāo)準(zhǔn)為參照，曲線以下射距28.17 m以左為危險射擊區(qū)域，曲線以下射距28.17 m以右，49.17 m以左為有效射擊區(qū)域.

BC值越大表示耐受損傷程度越高，BC值為負(fù)值，表明發(fā)生損傷程度低.

對于第95百分位男性而言，BC值大于0.30為中度及以上損傷，BC值在-0.40～0.30區(qū)間為輕度損傷，BC值小于-0.40為輕微損傷；對于第50百分位男性而言，BC值大于0.43為中度及以上損傷，BC值在-0.27～0.43區(qū)間為輕度損傷，BC值小于-0.27為輕微損傷；對于第5百分位男性而言，BC值大于0.63為為中度及以上損傷，BC值在-0.06～0.63區(qū)間為輕度損傷，BC值小于-0.06為輕微損傷.

如圖 3 所示，以比動能標(biāo)準(zhǔn)為參照，對于第95百分位女性而言，BC值大于0.59為中度及以上損傷，BC值在-0.11～0.59區(qū)間為輕度損傷，BC值小于-0.11為輕微損傷；對于第50百分位女性而言，BC值大于0.71為中度及以上損傷，BC值在0.02～0.71區(qū)間為輕度損傷，BC值小于0.02為輕微損傷；對于第5百分位女性而言，BC值大于0.90為中度及以上損傷，BC值在0.21～0.90 區(qū)間為輕度損傷，BC值小于0.21為輕微損傷.

圖 3 參照比動能標(biāo)準(zhǔn)判定不同女性受試者BC值區(qū)間

對以上6組中度損傷的BC值做均值處理，得出BC值在0.59以上為中度及以上損傷，也即為確保中國受試者不產(chǎn)生過度損傷，18.4 mm橡皮彈終點處產(chǎn)生的BC值不應(yīng)大于0.59.

3 基于比動能標(biāo)準(zhǔn)的可參考中國受試者動能標(biāo)準(zhǔn)及BC值

以比動能標(biāo)準(zhǔn)4.0～12.0 J/cm2范圍為基礎(chǔ)，推算其動能標(biāo)準(zhǔn)為：11.1～33.2 J.結(jié)果與邵曉鵬等[22]提出的表 3 中的數(shù)據(jù)存在一定差距，據(jù)此推測針對18.4 mm橡皮彈，這一標(biāo)準(zhǔn)可能并不適用，因此，提出一種可參考的動能標(biāo)準(zhǔn)劃分，即：當(dāng)18.4 mm橡皮彈動能為33.2 J時，29.3 m是最小安全射距，射距小于此距離時，將對人體產(chǎn)生中度以上損傷；當(dāng)動能為11.1 J時，61.0 m是最大有效射距，射距大于此距離時，18.4 mm 橡皮彈不能對人體產(chǎn)生有效射擊.

根據(jù)動能標(biāo)準(zhǔn)11.1～33.2 J，計算6種受試者BC值，見表 4.

表 4 動能參考標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的受試者BC值

表 3 兩種動能、比動能標(biāo)準(zhǔn)對比

動能為33.2 J時，最小BC值為0.30，最大BC值為0.90，6種受試者BC均值為0.59.與本文2.2節(jié)中的結(jié)論相互輔證，因此，將11.1～33.2 J 作為18.4 mm橡皮彈的一種可參考的動能標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)是十分充分的.

4 基于Sturdivan模型的18.4 mm橡皮彈的胸部鈍性創(chuàng)傷致命性概率分析

自20世紀(jì)70年代末以來，Sturdivan模型一直被用作非致命基線.基于來自活體動物試驗的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫的匯編，Sturdivan模型[23]估計了與胸部鈍性創(chuàng)傷相關(guān)的致命性概率.這種類型的傷害與非致命動能彈藥的沖擊是一致的.Sturdivan方程為

P(L)=1/[1+6.645×1014/(MV2/DW1/3T)3.597],

(7)

將18.4 mm橡皮彈的對應(yīng)參數(shù)及6種受試者的尺寸參數(shù)分別代入式(7)得到表 5.

將18.4 mm橡皮彈在不同射距下對6種受試者胸部鈍性創(chuàng)傷相關(guān)的致命性概率做對比，BC取0.59時，6種受試者的致命性概率完全一致，均為1%.這表明，當(dāng)BC=0.59時，中國人體受到胸部鈍性創(chuàng)傷相關(guān)的致命性概率為1%，如圖 4 所示.

表 5 不同射距下男女性受試者胸部鈍性創(chuàng)傷致命性概率

圖 4 BC=0.59時的18.4 mm橡皮彈不同射距下中國受試者胸部鈍性創(chuàng)傷致命性概率

計算6種受試者致命性概率為1%時，不同中國受試者對應(yīng)的18.4 mm橡皮彈的射彈速度V和射距x，如表 6 所示.

表 6 18.4 mm橡皮彈對于6種受試者的最大安全射速及最小安全射距

表 6 給出18.4 mm橡皮彈對于6種受試者的最大安全射速及最小安全射距，若大于此速度或小于此射距射擊時，將有可能使受試者遭受中度及以上損傷.

同理可根據(jù)國軍標(biāo)中比動能標(biāo)準(zhǔn)范圍4.0～12.0 J/cm2，可以得出，4.0 J/cm2時18.4 mm橡皮彈對于中國受試者的BC為-0.50.

計算得出18.4 mm橡皮彈對于6種受試者的有效射速及最大有效射距如表 7 所示.

表 7 18.4 mm橡皮彈對于6種受試者的有效射速及最大有效射距

表 7 所示為18.4 mm橡皮彈對于6種受試者的有效射速及最大有效射距，若小于此速度或大于此射距射擊時，將可能對受試者不產(chǎn)生任何威懾效果及影響.

5 基于四參數(shù)模型的18.4 mm橡皮彈致傷分析

利用GETDATA軟件計算出圖中劃分損傷區(qū)域的兩條斜線對應(yīng)的方程分別為：y=x-8.1及y=x-7.6.將18.4 mm橡皮彈的參數(shù)及當(dāng)BC=0.59 時的不同受試者人體參數(shù)對應(yīng)到四參數(shù)模型中，得到基于四參數(shù)廣義模型的18.4 mm彈丸損傷區(qū)域劃分，如圖 5 所示.

從圖 5 中可以看出，BC=0.59時，18.4 mm橡皮彈對6種人體射擊的結(jié)果均落在低致死率區(qū)域內(nèi).

圖 5 基于四參數(shù)廣義模型的18.4 mm彈丸損傷區(qū)域劃分

根據(jù)BC=0.59的18.4 mm橡皮彈對中國人體射擊造成胸部鈍性創(chuàng)傷相關(guān)的致命性概率為1%的結(jié)果以及不同受試者人體參數(shù)對應(yīng)計算得到的四參數(shù)模型，進(jìn)一步驗證了將0.59的BC值作為18.4 mm橡皮彈對中國受試者產(chǎn)生中度或以上損傷保守界定的最佳取值的合理性.

6 結(jié) 論

彈丸對人體產(chǎn)生的損傷威力的大小與發(fā)揮出的威懾效能界限劃分是一個非常復(fù)雜的問題，本文的主要工作和結(jié)論如下：

1)介紹了動能標(biāo)準(zhǔn)、比動能標(biāo)準(zhǔn)、鈍性標(biāo)準(zhǔn)、四參數(shù)模型以及胸部鈍性創(chuàng)傷相關(guān)的致命性概率等損傷判據(jù).

2)借助比動能標(biāo)準(zhǔn)深入研究了18.4 mm橡皮彈對中國人體損傷威力的情況，提出了一種新的對于中國受試者的18.4 mm橡皮彈的可參考動能標(biāo)準(zhǔn)：11.1～33.2 J，鈍性標(biāo)準(zhǔn)(BC標(biāo)準(zhǔn))：BC值為0.59以上為中度及以上損傷，也即為確保中國受試者不產(chǎn)生過度損傷，BC值不應(yīng)大于0.59.另外，還得出了18.4 mm橡皮彈對于不同中國受試者的有效射速及最大有效射距.

3)通過Sturdivan模型研究分析了18.4 mm橡皮彈造成的胸部鈍性創(chuàng)傷相關(guān)的致命性概率，驗證了將0.59 的BC值作為18.4 mm橡皮彈對中國受試者產(chǎn)生中度或以上損傷保守界定時的最佳取值的合理性.

4)基于四參數(shù)模型計算出了18.4 mm橡皮彈對于6種人體在BC=0.59時的射擊結(jié)果，這些結(jié)果均落在低致死區(qū)域內(nèi)，這也進(jìn)一步論證了將BC=0.59作為18.4 mm 橡皮彈對于中國受試者中度或以上損傷的保守界定的最佳取值的合理性.

本文研究結(jié)果僅作為評估18.4 mm 橡皮彈鈍性損傷的一種參考，并沒有驗證其對于其他非致命彈丸是否具有普適性.因此，需要更多的研究來評估這一損傷評估標(biāo)準(zhǔn)，只有隨著數(shù)據(jù)庫的不斷增長，才能更好地研究與KENLW相關(guān)的有效性和損害機(jī)制.