耦合多維致傷判據(jù)的防暴動能彈安全設(shè)計(jì)規(guī)范研究

汪 送

(武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院， 西安 710086)

1 引言

動能類非致命武器(kinetic energy non-lethal weapons，KE-NLW)是發(fā)展最早的一類非致命武器[1]，自20世紀(jì)70年代后期以來，KE-NLW被軍警部門在不需要或不適宜使用致命武器的情況下廣泛運(yùn)用。Robbe等[2]指出KE-NLW系統(tǒng)仍然是戰(zhàn)場上應(yīng)用最廣泛的非致命武器之一。防暴動能彈是KE-NLW的重要成員，也稱防暴致痛彈，是利用彈丸的飛行動能打擊有生目標(biāo)，使其致傷致痛，從而失去抵抗能力或行動受到抑制的一種警用非致命彈種[3]，國外也稱其為沖擊彈藥(impact munitions)，動能沖擊彈(kinetic impact projectiles，KIPs)等。Biagioni等[4]指出在民眾示威和需要控制暴亂個人的情況下，防暴動能武器的使用已經(jīng)取代了傳統(tǒng)槍支。

防暴動能彈的設(shè)計(jì)初衷是使目標(biāo)暫時失能，而不造成致命性或永久性傷殘，也因此存在作戰(zhàn)效能的下限和損傷風(fēng)險(xiǎn)的上限這雙重限制。Haar等[5]將非致命性界定為：預(yù)期產(chǎn)生不需要專業(yè)醫(yī)療護(hù)理的輕傷，如輕微的挫傷、擦傷或扭傷，同時要避免產(chǎn)生需要專業(yè)醫(yī)療護(hù)理的重傷，包括從需要縫合的裂傷到需要手術(shù)或重癥監(jiān)護(hù)室級護(hù)理的穿透性損傷。盡管設(shè)計(jì)初衷是不產(chǎn)生重傷，但在實(shí)際應(yīng)用中導(dǎo)致過度傷害的案例屢見不鮮，其中較為常見的損傷致因有:近距離射擊、多發(fā)射擊、對胸部以上部位的射擊，以及對年幼、年老個體的射擊等[6]。根據(jù)Hubbs等[7]統(tǒng)計(jì)的106個執(zhí)法機(jī)構(gòu)的373起事件中發(fā)射的969枚彈丸的損傷信息表明：瘀傷占51%、擦傷占31%、皮膚撕裂傷占6%、骨折占4%、皮膚穿透占2%，1%導(dǎo)致受試者死亡，僅6%的彈丸未造成人身損傷。Haar等[5]通過統(tǒng)計(jì)分析防暴動能彈的損傷文獻(xiàn)，在1 984個受傷個體中，53人(2.67%)因受傷而死亡，300人(15.12%)永久殘疾，在2 135處損傷中，71%為嚴(yán)重?fù)p傷，皮膚和四肢受傷最為頻繁。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)清晰表明，防暴動能彈的使用安全性依然令人堪憂，過度損傷與設(shè)計(jì)缺陷或使用不當(dāng)相關(guān)，但根本原因在于對不同類型動能彈丸的非致命致傷效應(yīng)和損傷機(jī)理仍然缺乏本質(zhì)的了解，特別是缺乏科學(xué)有效的安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和損傷評估方法。

本文將基于廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研，構(gòu)建動能彈丸的沖擊損傷譜，提煉關(guān)鍵致傷因素，進(jìn)而綜述國內(nèi)外主流致傷判據(jù)，并給出防暴動能彈的安全設(shè)計(jì)流程，旨在推動防暴動能彈的本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)，提高動能彈彈丸的使用安全性。

2 防暴動能彈沖擊損傷譜研究

2.1 防暴動能彈沖擊損傷譜的構(gòu)建

防暴動能彈可導(dǎo)致鈍性和穿透性損傷，從局部挫傷到嚴(yán)重的器官損傷和死亡。不同類型防暴動能彈損傷機(jī)理并不相同，同一類型防暴動能彈對人體不同部位造成的損傷特性也并不相同，為提供損傷救治的科學(xué)手段，需要構(gòu)建不同類型動能彈丸對人體的沖擊損傷譜。

為分析典型動能彈丸的沖擊損傷特性，通過查閱文獻(xiàn)，按照彈丸類型、彈丸參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)、損傷特性和致因分析對典型沖擊損傷案例進(jìn)行了比較分析，得到了如表1所示的典型防暴動能彈沖擊損傷案例表，從表1可知，最小的彈丸重量僅為4.75 g(Fiocch橡膠彈丸)，最大的彈丸重量為40 g(布袋彈)雖然兩者質(zhì)量相差較為懸殊，但動能分別為173.14 J和165.62 J，又較為接近；13個案例中，受擊對象均為男性，年齡從22～46歲，平均年齡34.45歲；損傷特性包括體表的擦傷、挫傷、撕裂、血腫和穿透，體內(nèi)的氣胸、血胸、心肺挫傷、骨折等，主要的致傷原因有彈丸動能過大、射距過近、彈道擴(kuò)散較大等。

表1 典型防暴動能彈沖擊損傷案例

續(xù)表(表1)

為進(jìn)一步區(qū)分主流的橡皮彈(含能量衰減型防暴動能彈)和布袋彈的損傷類型，基于大量的文獻(xiàn)調(diào)研[8-19]，構(gòu)建了如圖1和圖2分別所示的橡皮彈(含能量衰減彈)沖擊損傷譜和布袋彈沖擊損傷譜。從圖1和圖2可知，2種類型動能彈產(chǎn)生了遠(yuǎn)超乎想象的損傷類型，這與防暴動能彈預(yù)期不產(chǎn)生中度以上傷害的初衷背離較遠(yuǎn)，從頭頸部、胸部、腹部和四肢的損傷情況來看，頭部和胸部損傷類型較多，且較為復(fù)雜，也通常是致命性損傷的歸因區(qū)域，一方面提高了損傷救治的難度，另一方面也進(jìn)一步表明了進(jìn)行動能彈丸安全設(shè)計(jì)的必要。Suyama等[20]研究指出91%的布袋彈損傷是挫傷或擦傷，而橡皮彈此類傷的比例是64%。橡皮彈造成撕裂型傷害的可能性幾乎是布袋彈的4倍。對比圖1和圖2可知，橡皮彈相較布袋彈而言，損傷譜分布更為廣泛，這是由于橡膠彈丸的類型更多多樣，且通常初速更高，空中飛行速度衰減較慢，從而容易造成更為嚴(yán)重的損傷。

圖1 橡皮彈(含能量衰減彈)沖擊損傷譜

圖2 布袋彈沖擊損傷譜

2.2 基于損傷譜的防暴動能彈關(guān)鍵致傷因素提煉

動能彈丸造成的死亡、重傷和永久性殘疾，實(shí)際上是由于彈丸近距離射向頭部、頸部、胸部和腹部等重要器官造成的傷害所致。與損傷嚴(yán)重程度相關(guān)的主要因素是創(chuàng)傷區(qū)域的彈性系數(shù)、轉(zhuǎn)移的動能和彈藥的阻力系數(shù)，因此，沖擊損傷與彈丸參數(shù)、生物體參數(shù)和沖擊條件三方面因素密切相關(guān)[8-9]。

防暴動能彈有許多變量可以影響傷害模式和嚴(yán)重程度，包括材料組成、形狀、數(shù)量、出口速度(彈藥離開武器的速度)和彈藥的飛行軌跡、射擊距離和對身體的沖擊位置等[21]。Mahajna等[22]指出影響創(chuàng)傷類型、大小和深度的因素包括彈藥的重量(質(zhì)量)、形狀和速度、彈藥撞擊時的動能、表面粘彈性屬性(張力)、身體表面在撞擊區(qū)域的抗侵徹能力以及彈藥的阻力系數(shù)。Haar等[5]研究指出影響受傷嚴(yán)重程度的潛在危險(xiǎn)因素包括沖擊點(diǎn)、射擊距離和可獲得的醫(yī)療護(hù)理。彈道數(shù)據(jù)表明，密度高的物體和更快的彈丸速度增加了沖擊力[23]?；趫D1和圖2所示的沖擊損傷譜，結(jié)合損傷譜構(gòu)建中所涉及的沖擊損傷案例，提煉防暴動能彈關(guān)鍵致傷因素如圖3所示。

圖3 防暴動能彈關(guān)鍵致傷因素框圖

從圖3可知，彈丸質(zhì)量和速度決定彈丸動能，彈丸動能決定沖擊能量，截面積決定沖擊能量的分布，彈丸形狀影響彈丸彈道系數(shù)和阻力系數(shù)，彈丸材質(zhì)影響沖擊能量傳遞過程，截面密度決定彈丸硬度，進(jìn)而影響彈丸沖擊過程中的形變能力；目標(biāo)體重影響沖擊過程中的動量傳遞，體壁厚度與穿透損傷相關(guān)，沖擊部位的彈性系數(shù)和組織楊氏模量決定損傷類型，年幼和年長的女性目標(biāo)受嚴(yán)重?fù)p傷的概率更高；射擊距離影響碰擊速度，入射角決定了彈丸的沖擊載荷特性，沖擊次數(shù)的增加會導(dǎo)致?lián)p傷的疊加，彈著點(diǎn)分散較大則容易導(dǎo)致?lián)糁蟹窃试S射擊的脆弱區(qū)域。以上提煉的因素是進(jìn)行防暴動能彈沖擊損傷評估的關(guān)鍵致傷因素，也是關(guān)聯(lián)致傷判據(jù)的重要紐帶。

3 防暴動能彈致傷判據(jù)研究

在研究防暴動能彈致傷威力和損傷機(jī)理的過程中，如何科學(xué)選擇和確定致傷判據(jù)，對于損傷風(fēng)險(xiǎn)的高效評估具有決定性作用，David等[24]指出評估與動能彈藥有關(guān)的潛在傷害能力已經(jīng)成為科學(xué)界的一個新問題，雖然已經(jīng)提出了多種評估方法，但目前還沒有被廣泛接受的方法來評估由防暴動能彈沖擊造成的傷害等級。Alexandre等[25]指出目前還沒有普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)來評估防暴動能彈的有效性和致傷威力，科學(xué)家、決策者和用戶等均強(qiáng)調(diào)需要這種評估工具。蒲利森等[26]也指出按國內(nèi)外傳統(tǒng)殺傷彈標(biāo)準(zhǔn)或傳統(tǒng)動能防暴彈標(biāo)準(zhǔn)對10 mm布袋彈致傷威力所進(jìn)行的考核，均不能真實(shí)地反映其生物致傷威力。因此，迫切需要明確的、可驗(yàn)證的致傷判據(jù)，以便能夠?yàn)镵E-NLW確定危險(xiǎn)或安全的射擊距離并評估可能造成的傷害。

致傷判據(jù)是由一定條件下能夠正確反映人體損傷嚴(yán)重程度的物理量或者多個物理量組成的函數(shù)(損傷預(yù)測因子)表示。如圖3所示，由于人與人之間可能存在年齡、性別、身體機(jī)能等方面的差異，防暴動能彈在沖擊部位、沖擊速度、入射角度等相同條件前提下，對人體造成的損傷也會存在差異。因此，致傷判據(jù)只能依據(jù)正常情況下大部分人體的損傷嚴(yán)重程度制定，大部分致傷判據(jù)本質(zhì)上反映的是損傷達(dá)到給定的簡明創(chuàng)傷定級標(biāo)準(zhǔn)(abbreviated injury scale，AIS)的可能性。在致傷判據(jù)的研究中運(yùn)用過多種概率函數(shù)，最為常用的是邏輯回歸函數(shù)(logistic regression)，該函數(shù)在流行病學(xué)和武器損傷威力評估中均得到廣泛運(yùn)用[23]。

(1)

式(1)中：x是預(yù)測變量，即致傷判據(jù)；p(x)表示損傷達(dá)到給定的AIS損傷等級的概率；α和β是通過對大量生物力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析得到的參數(shù)。

國內(nèi)采用的致傷判據(jù)主要包括動能判據(jù)(≤98 J)、比動能判據(jù)(10～26 J/cm2)和穿透力標(biāo)準(zhǔn)(安全作用距離不能穿透25 mm厚的紅松木板，有效致痛距離能穿透2層0.05 mm厚的牛皮紙)，而國外則更多地選用鈍性標(biāo)準(zhǔn)BC(blunt criterion)、粘性標(biāo)準(zhǔn)VCmax(viscous criterion)、沖擊動量標(biāo)準(zhǔn)、沖擊脈沖標(biāo)準(zhǔn)等(其中與胸部沖擊損傷關(guān)聯(lián)度較高，且應(yīng)用較為廣泛的判據(jù)為BC判據(jù)和VCmax判據(jù))，以及用于評估頭部沖擊損傷的最大顱內(nèi)壓/最大頭部沖擊力標(biāo)準(zhǔn)。以下結(jié)合圖3所提煉的關(guān)鍵致傷因素及其與致傷判據(jù)之間的從屬關(guān)系，對主要致傷判據(jù)進(jìn)行對比分析。

3.1 動能/比動能致傷判據(jù)

動能判據(jù)是指當(dāng)投射物的動能達(dá)到一定界限時，就能對人員有效地殺傷，否則就不能。動能判據(jù)基于能量傳遞的觀點(diǎn)，將能量傳遞率作為重要測度指標(biāo)，能量傳遞率是指彈丸沖擊靶標(biāo)后傳遞給靶標(biāo)的能量與碰擊能量的比值，表示為：

(2)

(3)

式(2)～(3)中：E為動能(J)；m為彈丸質(zhì)量(kg)；V為彈丸速度(m/s)；ηE為能量傳遞率(%)；Ec為彈丸碰擊動能(J)；Ex為彈丸回彈動能(J)；Vc為彈丸碰擊速度(m/s)；Vx為彈丸回彈速度(m/s)。

事實(shí)上，Koene等[27]認(rèn)為速度(動能)和穿透并不總是相關(guān)的重要原因是：損傷不是由于能量吸收，而是由于太多的應(yīng)力(σmax)，在應(yīng)變超過某個臨界極限(εmax)的情況下，組織被破壞。此外，除了閾值速度，還應(yīng)該考慮沖擊截面積(口徑)、彈丸材料和形狀。因此，動能判據(jù)逐漸地被比動能判據(jù)所取代，比動能計(jì)算式為：

e=E/A

(4)

式(4)中：e為動能彈丸的比動能；A為彈丸撞擊靶標(biāo)瞬間的沖擊截面積。

文獻(xiàn)[28]建議“致痛但不穿透人體皮膚的安全閾值”是比動能為10 J/cm2，“致傷等級(AIS)為Ⅱ級的安全閾值”是比動能22 J/cm2、動能55 J。不同國家對動能閾值具體規(guī)定并不一致，如法國定為39 J、德國和美國定為78 J、國內(nèi)采用的98 J是沿用前蘇聯(lián)的規(guī)定。比動能判據(jù)比較適合進(jìn)行皮膚穿透風(fēng)險(xiǎn)評估，但是存在10 J/cm2[28-29]和23.99 J/cm2[30]2個相差較大的穿透閾值，這也說明，沖擊載荷特性不同的動能彈丸對皮膚的穿透比動能是完全不同的，從而在一定程度上限制了比動能判據(jù)的適用范圍，比動能判據(jù)適合對比評估相同彈丸不同沖擊速度下的皮膚穿透風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 鈍性沖擊致傷判據(jù)

鈍性BC判據(jù)是美國軍隊(duì)為了預(yù)測平頭彈沖擊人體的損傷情況而制定的致傷判據(jù)，其計(jì)算式為[31]：

(5)

式(5)中：m表示彈丸質(zhì)量(kg)；V表示彈丸速度(m/s)；W表示目標(biāo)質(zhì)量(kg)；T表示目標(biāo)體壁厚度(cm)；D表示彈丸直徑(cm)。

如圖3所示，BC判據(jù)在比動能判據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了受擊對象的體重和體壁厚度，使得損傷評估更為科學(xué)和全面。BC判據(jù)曾是彈藥設(shè)計(jì)制造的參考依據(jù)，之后Bir等人將這一標(biāo)準(zhǔn)引入到了防暴動能彈沖擊損傷評估領(lǐng)域，并確定當(dāng)BC=0.37 m/s時，胸部損傷AIS等級大于I級的概率為50%。然而，BC判據(jù)有一定的局限性，如未考慮彈體的材料特性等，因此對質(zhì)量、速度、外形相同的防暴動能彈，即使材料不同(如具有不同形變特性的硬質(zhì)和軟質(zhì)材料)，根據(jù)公式(5)將計(jì)算得到相同的BC值，而這與實(shí)際嚴(yán)重不符。事實(shí)上，對于軟質(zhì)彈丸，較高的BC值也可能不會造成極為嚴(yán)重的損傷。

3.3 粘性沖擊致傷判據(jù)

粘性VCmax判據(jù)由Lau和Viano首先提出[32]，該標(biāo)準(zhǔn)描述了胸部損傷與胸部形變量及形變速度的關(guān)系，適用于粘性損傷評估。其表達(dá)式為：

(6)

一般情況下，胸部損傷程度受VC的最大值影響，因此利用VC判據(jù)時往往考慮VCmax值。當(dāng)VCmax=0.8 m/s時，胸部損傷AIS等級大于等于I級的概率為50%。VCmax判據(jù)直接從人體胸部的響應(yīng)情況來評估損傷，避免了BC判據(jù)因彈丸形變性能不同而導(dǎo)致評估結(jié)果卻相同的問題。北約標(biāo)準(zhǔn)《非致命彈丸胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)評估》(AEP-99)[33]也是采用粘性VCmax判據(jù)。

從式(6)可知，VCmax判據(jù)似乎只與胸壁的變形量和變形速率相關(guān)，但正如圖3所示，不同的VCmax值與彈丸的物理參數(shù)以及生物體的體重和體壁厚度都密切相關(guān)，VCmax判據(jù)是上述因素耦合影響的最終結(jié)果，因此，VCmax判據(jù)是一種較為系統(tǒng)全面的致傷判據(jù)。

3.4 頭部沖擊致傷判據(jù)

根據(jù)北約標(biāo)準(zhǔn)《非致命彈丸頭部損傷評估》(AEP-103)[34]，有2個標(biāo)準(zhǔn)可以預(yù)測非致命彈丸造成腦損傷的嚴(yán)重程度。第1個標(biāo)準(zhǔn)是瞬時顱內(nèi)壓的最大值(transient intracranial pressure，TICP，通過PMHS和動物試驗(yàn)測得的閾值)；第2個標(biāo)準(zhǔn)是最大接觸力(由基于顱內(nèi)壓數(shù)據(jù)的數(shù)值模型計(jì)算的閾值)，接觸力的值來自TICP值的數(shù)值外推。頭部沖擊致傷閾值如表2所示。

表2 頭部沖擊致傷閾值

國軍標(biāo)對于非致命性防暴彈藥幾乎是一片空白[35]，我國防暴動能武器還一直沿用松木板及牛皮紙的評估辦法，在《防暴彈藥定型試驗(yàn)規(guī)程》(GJB3287—98)中定義“0.025 m厚、無腐朽、節(jié)疤、蟲孔、木質(zhì)均勻、含水率不大于15%的紅松木板或擊穿比動能為118 J/cm2的相應(yīng)厚度均勻板材”為模擬靶標(biāo)材料。在《槍彈試驗(yàn)方法》(GJB3196—98)、《槍用防暴橡皮彈規(guī)范》(GJB5059—2001)中，也仍沿用了松木板(安全閾值)及120 g牛皮紙(有效閾值)的穿透率對橡皮彈進(jìn)行評估。并規(guī)定其安全作用距離為射擊0.025 m厚松木板的穿透率為0，有效致痛距離則以120 g重的單層牛皮紙擊穿率50%為界限。這些評估方法已不適用于布袋彈、能量衰減型防暴動能彈的致傷評判，因此，為評估防暴動能彈的致傷威力，需要科學(xué)地選用致傷判據(jù)，特別應(yīng)注重在需求論證階段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高動能彈丸的本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)水平。

4 耦合多維致傷判據(jù)的防暴動能彈安全設(shè)計(jì)流程研究

現(xiàn)有防暴動能彈普遍存在近距離威力過大、遠(yuǎn)距離效能不足的現(xiàn)實(shí)問題，雖然目前尚無普遍認(rèn)可的防暴動能彈致傷判據(jù)，但為提高防暴動能彈的本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)水平，需要綜合國外認(rèn)可度較高的致傷判據(jù)來進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，得到如圖4所示的動能彈丸安全設(shè)計(jì)流程。

圖4 動能彈丸安全設(shè)計(jì)流程

首先，明確動能彈彈丸的參數(shù)輸入，包括彈丸質(zhì)量、速度、材料等數(shù)據(jù)，基于公式(5)計(jì)算BC值，如果BC值小于0.37，則通過試驗(yàn)測試測算彈丸沖擊瞬間的速度和截面積，在進(jìn)行皮膚穿透風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)證之前，首選基于結(jié)構(gòu)、材料、形變過程等數(shù)據(jù)，構(gòu)建RB1FS等效彈丸，隨后以比動能為23.99 J/cm2驗(yàn)證皮膚等效模擬靶，驗(yàn)證通過后，采用新設(shè)計(jì)的彈丸沖擊皮膚模擬靶，確保不產(chǎn)生穿透；進(jìn)一步根據(jù)驗(yàn)證通過的人體胸部靶標(biāo)，進(jìn)行VCmax計(jì)算，該值應(yīng)小于0.8 m/s；雖然頭部是非允許的射擊部位，但考慮到可能的彈道擴(kuò)散和目標(biāo)的隨機(jī)移動，進(jìn)一步進(jìn)行頭部損傷閾值驗(yàn)證，確保最大顱內(nèi)壓小于45 kPa，或者最大頭部沖擊力小于3 600 N，以確保不產(chǎn)生中度以上的傷害，以上步驟均通過，則進(jìn)行進(jìn)一步的有效性驗(yàn)證，以確保動能彈丸在有效射程范圍內(nèi)能達(dá)到預(yù)期的致痛效果，如果上述步驟中的任一步驟未能驗(yàn)證通過，則需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，重新進(jìn)行驗(yàn)證流程。

圖4給出的安全性設(shè)計(jì)流程是一種較為保守的驗(yàn)證方式，特別是在進(jìn)行衰減能量型彈丸驗(yàn)證時，雖然計(jì)算的BC值可能較高，但后續(xù)的驗(yàn)證步驟均能通過，此時應(yīng)結(jié)合彈丸實(shí)際，進(jìn)行比對閾值的科學(xué)修訂，從而確保設(shè)計(jì)出的動能彈丸兼具安全性和有效性。

5 結(jié)論

1) 橡皮彈(含能量衰減型防暴動能彈)和布袋彈具有廣泛的沖擊損傷譜，致?lián)p嚴(yán)重程度給損傷救治帶來較大的挑戰(zhàn)；

2) 動能彈丸關(guān)鍵致傷因素包括：彈丸質(zhì)量、硬度、初速、阻力系數(shù)、射擊距離、入射角、彈道擴(kuò)散和打擊區(qū)域；

3) 動能彈丸安全設(shè)計(jì)需要遞進(jìn)考慮BC值、比動能、VCmax值和最大顱內(nèi)壓(或最大頭部沖擊力)，耦合多維致傷判據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，整個過程需要重復(fù)進(jìn)行、迭代優(yōu)化。