防暴動能彈終點效應(yīng)測試靶標(biāo)研究進(jìn)展

王辛桐， 汪 送

(1. 武警工程大學(xué) 軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院， 陜西 西安 710086； 2. 武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院， 陜西 西安 710086)

0 引 言

美國國防部于1996年成立了國防部非致命性武器計劃執(zhí)行機構(gòu)[1]， 在其指令3000.03E中將非致命武器定義為“明確設(shè)計用于使人員或者裝備失去效能， 同時將指定區(qū)域或環(huán)境中目標(biāo)的致命性、 永久傷殘性及對資產(chǎn)的破壞性降到最低限度的武器、 裝備或者彈藥[2]”. 北約對非致命武器的定義相比于美國國防部的定義而言， 更加強調(diào)了目的性為“造成較低概率的死亡或永久損傷， 并且對環(huán)境造成的不良損傷或影響最小”， 而聯(lián)合國裁軍研究所則更強調(diào)人權(quán)和選擇權(quán)， “非致命武器應(yīng)該能區(qū)別對待作用目標(biāo)并且不會造成不必要的痛苦”， “應(yīng)該為使用致命性武力提供替代選擇或者提高使用致命性武力的門檻”[3]. 從定義來看， 非致命武器是武力級別處于肢體沖突和殺傷性武器之間的一類武器， 能夠填補武裝沖突中無法完成任務(wù)的過低武力和遠(yuǎn)超任務(wù)所需的過高武力之間的空白， 讓一線處置人員有更多的選擇權(quán)， 在防止事態(tài)升級的預(yù)期下有效處理摩擦或?qū)α顟B(tài)[4].

在諸多非致命武器之中， 動能非致命武器是發(fā)展最早的武器之一[5]， 時至今日， 在經(jīng)歷了七十余年的多次實戰(zhàn)檢驗后， 動能非致命武器在許多場合下的重要作用愈發(fā)突顯， 可以說動能非致命性武器系統(tǒng)仍然是戰(zhàn)場上使用最為廣泛的非致命性武器之一[6]. 通過Bruno等[7]、 Papy等[8]和Mahajna等[9]的研究可以看到動能非致命武器在不同場景下都有著非常廣泛的應(yīng)用， 能夠滿足一線人員完成現(xiàn)場處置任務(wù)的基本要求. 然而， 作為動能非致命武器系統(tǒng)中利用彈丸的飛行動能以打擊有生目標(biāo)并使其致痛， 從而讓其失去抵抗能力或行動受到一定程度抑制的防暴動能彈[10]， 往往很容易違背其使目標(biāo)暫時失能的初衷， 會因為動能的不完全可控導(dǎo)致對目標(biāo)造成過度傷害.

文獻(xiàn)[11]針對防暴動能彈造成的損傷情況， 在265篇相關(guān)文獻(xiàn)中選取了26篇有效文獻(xiàn)， 對其中的1 984例受傷情況進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)防暴動能彈使15%的受打擊對象出現(xiàn)了永久性殘疾， 有91.5% 的受傷者都有嚴(yán)重?fù)p傷的情況出現(xiàn). 文獻(xiàn)[12-13]對由防暴動能彈造成的多起嚴(yán)重?fù)p傷案例及對受打擊者的后續(xù)影響進(jìn)行了研究. 文獻(xiàn)[14-17]均細(xì)化研究了動能彈對人體軀干(胸部)造成嚴(yán)重?fù)p傷的案例. 文獻(xiàn)[18-19]研究了防暴動能彈對人體頭部造成嚴(yán)重?fù)p傷的案例. Mahajna等[9]認(rèn)為人體的頭部和頸部在防暴動能彈的擊打中更容易造成嚴(yán)重傷害. Biagioni等[20]和Sautier等[21]研究了防暴動能彈對人體四肢造成的嚴(yán)重?fù)p傷案例. 而通過Brito等[22]的研究發(fā)現(xiàn)， 99發(fā)動能彈有44%擊打在了人體軀干(胸部)， 21%擊打在了人體上肢， 7%擊打在了人體下肢， 5%擊打在了人體頭部. 不難看出， 經(jīng)過訓(xùn)練的動能非致命武器使用者會優(yōu)先避開容易造成重傷的頭、 頸部， 而去擊打人體上相對有更好防護(hù)能力的軀干. 但是即便如此， 防暴動能彈對人體軀干胸部造成嚴(yán)重傷害的案例也屢見不鮮， Pated等[23]報告了脾撕裂和肺挫傷的案例， Luyer等[24]報告了肝損傷的案例， Anthony等[25]報告了血胸、 氣胸的案例， Brito等[22]報告了房室綜合癥和心臟挫傷的案例.

為了可以相對準(zhǔn)確地掌握防暴動能彈的致傷水平， 研發(fā)出既能夠滿足一線使用者的任務(wù)需求， 又能夠保護(hù)受打擊者不受到永久性損傷的非致命動能武器， 就需要有一個能夠反映防暴動能彈致傷威力的靶標(biāo)來對防暴動能彈的致傷情況進(jìn)行判斷. 有的靶標(biāo)以靶標(biāo)身體是否發(fā)生骨折、 內(nèi)臟是否損傷作為評價防暴動能彈是否造成了過度損傷的標(biāo)準(zhǔn)； 有的靶標(biāo)以動能彈是否貫穿、 侵入以及侵入程度作為損傷標(biāo)準(zhǔn)來評價動能彈是否造成過度損傷； 有的靶標(biāo)通過利用計算機軟件仿真計算出靶標(biāo)受到的沖擊力、 沖擊能量、 加速度、 位移等數(shù)值作為損傷標(biāo)準(zhǔn)， 基于以往的實驗數(shù)據(jù)對致傷水平進(jìn)行預(yù)測； 還有的靶標(biāo)通過傳感器獲得胸壁位移、 加速度等數(shù)據(jù)， 通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得出最大粘性標(biāo)準(zhǔn)(Max Viscous Criterion,VCmax)， 依照基于其他靶標(biāo)實驗數(shù)據(jù)形成的物理參數(shù)響應(yīng)區(qū)間， 對致傷程度進(jìn)行判斷.

目前， 廣泛使用的靶標(biāo)有人類尸體(Post-Mortem Human Subject， PMHS)靶標(biāo)、 動物活體靶標(biāo)、 剛性壁、 三肋假人、 明膠靶標(biāo)、 有限元仿真模型等， 可以根據(jù)其材料來源、 物理特性、 使用途徑等進(jìn)行分類. 經(jīng)過梳理， 可以將生物體或從生物體上獲取的部分組織作為沖擊對象， 驗證防暴動能彈直接對生物體造成傷害的這一類靶標(biāo)歸為生物靶標(biāo)， 主要有PMHS靶標(biāo)、 活體靶標(biāo)、 離體組織靶標(biāo)等； 將剛性物或以硬質(zhì)材料模擬人體， 通過使用傳感器來獲得相應(yīng)物理參數(shù)的靶標(biāo)歸為物理靶標(biāo)， 主要有剛性壁、 HybridⅢ假人、 三肋假人、 人體軀干物理模型(Human Surrogate Torso Model， HSTM)等； 將與人體組織密度特性相似的替代材料， 通過防暴動能彈沖擊后的空腔或胸壁位移情況來模擬人體組織受沖擊情況的靶標(biāo)歸為仿生靶標(biāo)， 主要有肥皂、 明膠、 SEBS(Styrene Ethylene Butylene Styrene)凝膠等； 將通過專業(yè)的計算機仿真軟件構(gòu)建具有人體組織結(jié)構(gòu)、 內(nèi)部器官分布特點的模型， 模擬防暴動能彈對模型的打擊來獲取相應(yīng)的數(shù)值， 歸為數(shù)值靶標(biāo)， 主要有HTFEM(Human Torso Finite Element Model)模型、 HUByx(Hermaphrodite Universal Biomechanics yx-model)模型、 MTHOTA(Mechanical Thorax for Trauma Assessment)模型等.

本文通過綜述不同靶標(biāo)的應(yīng)用及特點， 展現(xiàn)不同靶標(biāo)的優(yōu)缺點、 可測數(shù)據(jù)、 損傷判據(jù)等， 明確不同靶標(biāo)適用的時機場合， 并根據(jù)現(xiàn)有缺陷指出下一步的發(fā)展方向.

1 生物靶標(biāo)

生物靶標(biāo)是利用與人體相同或者類似的生物體或尸體對防暴動能彈的致傷效果進(jìn)行直接觀察， 通過防暴動能彈能否穿透皮膚、 穿透皮下組織、 造成骨折或造成內(nèi)臟損傷等典型損傷情況進(jìn)行直觀判斷， 通常以生物靶標(biāo)的沖擊實驗數(shù)據(jù)作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 常見的包括PMHS尸體靶標(biāo)、 動物活體靶標(biāo)等.

1.1 PMHS靶標(biāo)

目前， 需要掌握的是防暴動能彈對目標(biāo)的沖擊效果， 直接對活人進(jìn)行測試違反倫理要求， 因此， 為了掌握人體對動能沖擊的真實反應(yīng)， 最大程度上獲得接近要求的沖擊效果， 不少研究者會申請使用人類尸體進(jìn)行沖擊實驗.

Bir等[26-27]通過韋恩州立大學(xué)遺囑身體計劃和密歇根大學(xué)解剖捐贈計劃獲得了5名男性、 5名女性共10具人體尸體進(jìn)行動能沖擊實驗， 通過實驗建立了人體響應(yīng)走廊， 明確了在不同載荷下人體的響應(yīng)區(qū)間. Nicolas等[28]用兩種不同的彈丸以不同的速度沖擊12具人尸體和19頭麻醉豬的胸壁， 發(fā)現(xiàn)豬胸壁的位移大于人的胸壁位移， 人的胸壁受沖擊的程度總是大于豬的.

人類尸體與活人在人體組織結(jié)構(gòu)、 內(nèi)部組織器官相互作用等方面有著極高的相似度， 通過人類尸體實驗可以直觀反應(yīng)出動能沖擊對人體造成的骨骼、 內(nèi)臟等部位損傷情況， 為確定動能沖擊邊界提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 形成初始的動能打擊致傷區(qū)間， 從而在使用其他替代物進(jìn)行實驗時能夠有一個基本的參考. 不過由于人類尸體缺乏生物活性， 在動能沖擊后缺乏病理生理學(xué)特征， 導(dǎo)致無法準(zhǔn)確觀測到所有需要的特征.

1.2 動物活體靶標(biāo)

部分動物與人體的結(jié)構(gòu)相似、 體型相近， 相較于人類尸體獲取成本更低， 因此， 不少研究者選取麻醉后的動物進(jìn)行替代實驗.

Julien等[29]認(rèn)為使用活體動物替代物能夠有效評估生物對撞擊的病理生理反應(yīng)， 同時也能夠避免因使用PMHS而產(chǎn)生的倫理問題. 其主要研究了因胸腔側(cè)壁位移而導(dǎo)致骨折以及骨折后碎骨片造成胸膜和肺穿孔的情況. 蒲利森等[30-32]利用與人體體型、 解剖學(xué)組織學(xué)結(jié)構(gòu)特點以及生理生化指標(biāo)接近的東北地區(qū)白色山羊和瘦肉型豬， 多次使用10 mm布袋彈、 18.4 mm布袋彈和38 mm軟體變形彈對放置于不同距離的山羊和豬進(jìn)行擊打， 記錄造成的損傷情況并進(jìn)行了病理分析， 給出不同防暴動能彈的使用距離建議. 周龍偉等[33]同樣選擇了東北白山羊和瘦肉型豬， 在距彈5 m， 15 m， 30 m處測試了18.4 mm橡皮霰彈對生物的致傷情況， 分析出橡皮霰彈在不同距離下的損傷特點. 曾鑫等[34]也使用動能彈在不同速度下對長白豬進(jìn)行了打擊測試.

目前， 并不能直接用動物模型確定人類對撞擊的耐受性， 只能參照對活體動物進(jìn)行動能打擊后產(chǎn)生的病理生理學(xué)特征近似地推斷人體的損傷情況. 同時， 由于實驗樣本數(shù)通常較少， 很容易出現(xiàn)因個體差異而導(dǎo)致結(jié)果不夠準(zhǔn)確的情況， 因此， 往往只用作驗證實驗.

1.3 離體組織靶標(biāo)

部分研究者只需要研究動能彈沖擊胸壁、 肌肉組織等部分具有代表性部位的情況， 因此， 為了避免倫理問題、 節(jié)約開支， 他們將動物死后身上切下的離體組織作為靶標(biāo).

Langlet等[35]用防暴動能彈射擊80 kg豬的部分胸腔并觀察了側(cè)壁位移、 肋骨加速和應(yīng)變、 肋骨骨折等情況， 根據(jù)肋骨上的載荷將骨折分為了4個階段. Pavier等[36]利用豬胸壁進(jìn)行了15次動能彈沖擊實驗， 結(jié)果表明鈍性標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上并不能很好地預(yù)測致死(重傷)情況， 在相同動能以及相同胸壁質(zhì)量和胸壁厚度的情況下致死率并不同， 肋骨形變也不同.

雖然離體組織既缺乏與人體器官結(jié)構(gòu)的相似性， 又不能反映人體病理學(xué)特征， 但其擁有的人體肌肉-骨骼結(jié)構(gòu)足以對皮膚及組織穿透、 骨折等情況進(jìn)行驗證， 同時可以避免倫理問題， 因此也是一種常見的靶標(biāo).

由于使用活體生物靶標(biāo)很容易涉及到倫理等問題[37]， 使用尸體缺乏病理學(xué)特征等， 因此， 生物靶標(biāo)一般應(yīng)用于最初確定沖擊邊界和最終的驗證環(huán)節(jié). 將各類生物靶標(biāo)進(jìn)行對比， 可在表 1 中看出各自優(yōu)缺點.

表 1 生物靶標(biāo)對比Tab.1 Comparison between biological targets

2 物理靶標(biāo)

在防暴動能彈的研發(fā)和驗證階段需要通過實驗來對其安全性進(jìn)行驗證， 目前常用防暴動能彈沖擊剛性壁來測量彈丸的沖擊力， 沖擊具有類似骨骼結(jié)構(gòu)保護(hù)的假人靶標(biāo)來測量胸壁位移、 加速度等數(shù)值， 利用粘性標(biāo)準(zhǔn)作為損傷判據(jù)對防暴動能彈的安全性進(jìn)行驗證. 北約AEP-99中明確了機械替代物作為一種主要的實驗靶標(biāo)用來進(jìn)行胸部損傷風(fēng)險的評估， 可以看出把機械替代物即物理靶標(biāo)作為沖擊對象是目前預(yù)測防暴動能彈沖擊胸部損傷風(fēng)險的一種主要方法.

2.1 剛性壁

在剛性壁上安裝傳感器可以測量出防暴動能彈的沖擊力， 同時還可以使用高速攝像機、 X射線機等記錄防暴動能彈的變形情況， 用沖擊力、 彈丸動能作為參照標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測致傷情況.

Nsiampa等[38]研究了一種表征和驗證可變形非致命彈丸的方法， 該方法使用可變形彈丸沖擊剛性壁， 通過記錄剛性壁受力和彈丸變形情況形成應(yīng)力-應(yīng)變曲線， 從而在有限元仿真軟件中對可變形彈丸進(jìn)行表征. Julien等[29]研究了變形彈丸碰撞剛性壁3個階段中不同的能量傳遞情況， 明確了低質(zhì)量-高速彈丸的碰撞特點.

然而， 沖擊的能量并不能準(zhǔn)確地預(yù)測損傷情況， 還需要獲取更多指標(biāo)來評估防暴動能彈的致傷情況.

2.2 HybridⅢ假人

美國最早于1960年開發(fā)了VIP假人作為汽車碰撞實驗對象， 隨后經(jīng)過美國汽車工程師協(xié)會的具體規(guī)定， 于1971年、 1972年、 1997年相繼推出了更接近人體混合特性的HybridⅠ型、 HybridⅡ型、 HybridⅢ型假人.

祁偉等[39]在實驗中因HybridⅢ型假人內(nèi)置了豐富的傳感器能夠穩(wěn)定有效地測量并記錄多個部位的損傷情況而選擇其作為動能彈沖擊的靶標(biāo)， 使用國產(chǎn)18.4 mm和10 mm布袋彈在不同距離上對假人進(jìn)行沖擊， 通過實驗給出了國產(chǎn)18.4 mm 和10 mm布袋彈在不同距離上的使用建議.

HybridⅢ模型主要用于測量車輛撞擊實驗中駕駛員(乘員)受到?jīng)_擊的損傷情況， 特點為高質(zhì)量低速度， 而防暴動能彈沖擊的特點為低質(zhì)量高速度， 因此， 專為車輛碰撞而開發(fā)的HybridⅢ模型不一定能夠很好測量防暴動能彈沖擊中的各類數(shù)據(jù). 同時， HybridⅢ模型價格昂貴， 動輒需要數(shù)十萬元， 經(jīng)濟(jì)性較低.

2.3 三肋假人

由于經(jīng)過培訓(xùn)的防暴動能武器使用者會優(yōu)先將射擊方向?qū)?zhǔn)軀干部分， 因此， 首先需要考慮的是人體胸部是否能夠經(jīng)受沖擊， 故只需制作胸部的簡單假人靶標(biāo)就可以獲得基礎(chǔ)的軀干鈍性沖擊數(shù)據(jù). 不少研究者使用三肋假人用作軀干沖擊的靶標(biāo)， 用粘性標(biāo)準(zhǔn)對致傷情況進(jìn)行預(yù)測.

Bir等[27]在實驗中發(fā)現(xiàn)了HybridⅢ的不足之處， 開發(fā)了最早的三肋假人3RCS(3Rib). 三肋假人通過將三根BIOSID(Biofidelic Side Impact Dummy)肋骨安裝在18.1 kg的脊椎盒上， 用聚氨酯作為沖擊面覆蓋在肋骨外側(cè). 通過不斷地試驗與改進(jìn)， 最終使得3RCS假人的沖擊響應(yīng)在PMHS響應(yīng)走廊內(nèi)， 通過驗證. Robbe等[6]使用名為3RBID的三肋假人作為沖擊實驗的靶標(biāo)， 通過測量該靶標(biāo)受沖擊肋骨隨時間變化的位移， 最終以粘性響應(yīng)曲線的最大值 (VCmax)來預(yù)測最大損傷情況.

雖然物理靶標(biāo)可測量的數(shù)據(jù)有限， 不能體現(xiàn)出皮膚穿透、 侵入和內(nèi)臟具體受損情況， 但是剛性壁能夠準(zhǔn)確測量沖擊力并配合觀察動能轉(zhuǎn)化耗散情況， 假人靶標(biāo)具有著較好的人體結(jié)構(gòu)性， 準(zhǔn)確高、 一致性較好， 能夠通過將測量值轉(zhuǎn)化為VCmax用于預(yù)測胸部侵入造成的過度損傷. 目前物理靶標(biāo)廣泛應(yīng)用于對已有防暴動能彈在不同條件下的致傷等級預(yù)測和新型防暴動能彈的設(shè)計驗證性能實驗.

3 仿生靶標(biāo)

為了直觀地體現(xiàn)出動能彈能量是如何在體內(nèi)傳遞的， 通常使用黏土、 肥皂、 凝膠或明膠作為靶標(biāo)[40]， 用于判斷能量轉(zhuǎn)移、 侵入空腔等情況.

3.1 肥 皂

為了能夠便捷直觀地觀察出鈍性沖擊造成的最大空腔效果和能量沖擊、 傳遞、 轉(zhuǎn)移情況， 可以采用肥皂作為替代靶標(biāo)用于動能沖擊研究.

文獻(xiàn)[41]研究了Taser?X12TM泰瑟槍發(fā)射XREP(Extended Range Electronic Projectile)彈的鈍性沖擊情況. 其為了模擬皮膚和底層組織， 評估了不同的替代材料， 如天然麂皮、 豬皮、 合成泡沫、 彈道明膠和肥皂等， 最終確定彈道肥皂是在其研究下最適合的選擇， 主要因為肥皂空腔的體積和動能沖擊的能量成比例， 最終確定XREP彈在10 m外對人軀體幾乎不可能造成皮膚穿透. 馬志偉等[42]選用肥皂模擬肌體組織， 分別用鋼珠彈、 橡膠彈和BB彈作為霰彈槍的彈子在0.1 m、 3 m、 6 m、 9 m處對肥皂進(jìn)行射擊實驗并觀測其終點效應(yīng)， 確定出實驗中BB彈霰彈有著最好的打擊效果， 且可以通過增加發(fā)射藥量來提高霰彈子的創(chuàng)傷能力.

肥皂能夠直觀展現(xiàn)出動能沖擊造成的最大空腔情況， 而最大空腔體積與對肥皂造成沖擊的能量成正比， 因此， 可以通過肥皂的空腔體積來評估動能沖擊的能量大小， 但目前尚不能直接數(shù)值化， 且不易獲得空腔體積. 同時， Sebastian等[41]在使用XREP彈進(jìn)行測試時， 由于肥皂彈性較低的缺點導(dǎo)致該彈多次發(fā)生故障， 未能進(jìn)行電擊.

3.2 明 膠

為了能夠直觀地看到動能沖擊對人體組織內(nèi)部造成損傷而形成的永久空腔尺寸、 形狀等， 許多研究者采用與人體組織密度類似的彈道明膠作為靶標(biāo)， 用比動能作為標(biāo)準(zhǔn)判斷是否會造成人體穿透.

蒲利森等[32]利用布袋彈測試了以明膠作為替代物的動能沖擊效果. 曾鑫等[34]通過將彈丸以不同撞擊速度撞擊豬和明膠靶標(biāo)， 得到了明膠靶內(nèi)不同位置的壓力值. 實驗表明， 在某些條件下， 明膠確實可以反映豬體的沖擊響應(yīng)， 但是并不能完全等效于豬體， 對于人體也是一樣. Bir等[43]開發(fā)了一種復(fù)合替代靶標(biāo)， 包括一層天然麂皮作為撕裂評估層和0.6 cm的閉孔泡沫模擬皮下組織， 覆蓋在20%彈道明膠的滲透評估層上， 將可接受的穿透深度定義為3.81 cm～7.62 cm， 隨后使用動能彈在不同速度下對靶標(biāo)進(jìn)行擊打， 最終表現(xiàn)出與PMHS相同的能量密度特征.

明膠與人體組織機械特性相近， 能夠記錄動能彈對人體組織造成的永久空腔情況， 并能在一定程度上預(yù)測防暴動能彈穿透人體組織的風(fēng)險， 可以將明膠與皮膚替代物等組合為復(fù)合替代物， 用于驗證防暴動能彈能否對人體造成穿透傷害以及侵入的尺寸、 造成的空腔等情況. 但由于明膠內(nèi)部通常密度、 結(jié)構(gòu)均勻， 而人體由皮膚、 骨骼和組織等不同成分共同組成， 因此， 使用明膠進(jìn)行鈍擊實驗研究得出的結(jié)果會存在一定的局限性.

3.3 SEBS凝膠

相比于明膠制備復(fù)雜的缺點[44-45]， 法國內(nèi)政部采用了一種透明的軟合成材料SEBS凝膠作為彈道測試介質(zhì)， 用于分析非侵徹彈道撞擊. Bracq等[46]采用SEBS聚合物凝膠作為彈道測試的介質(zhì)， 使用氣動發(fā)射器發(fā)射直徑為37 mm的剛性圓形彈丸去沖擊凝膠， 并通過高速相機拍攝凝膠壁的位移照片來確定凝膠壁在沖擊中的最大位移， 通過凝膠壁位移可以推導(dǎo)出一種稱為能量轉(zhuǎn)移參數(shù)的偽粘性標(biāo)準(zhǔn)來判斷沖擊傷害情況.

雖然SEBS凝膠具有透明性、 機械一致性、 重復(fù)性和環(huán)境穩(wěn)定性等優(yōu)良特性， 使用的偽粘性標(biāo)準(zhǔn)可以在一定程度上對宏觀數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納， 用于預(yù)測肋骨骨折， 但仍不足以確定與人體胸部鈍性創(chuàng)傷的直接聯(lián)系. 通過將典型物理靶標(biāo)與典型仿生靶標(biāo)進(jìn)行對比， 可以從表 2 看出各自優(yōu)缺點.

表 2 典型物理靶標(biāo)、 仿生靶標(biāo)對比Tab.2 Comparison between typical physical targets and bionic targets

4 數(shù)值靶標(biāo)

由于進(jìn)行防暴動能彈的鈍性沖擊實驗需要在固定的場所使用特定的復(fù)雜設(shè)備來進(jìn)行， 資金、 人員、 時間等許多因素都會影響實驗的實施和進(jìn)行， 給廣大研究者帶來了不便， 因此， 可以通過對生物靶標(biāo)和仿生靶標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行模擬， 基于這些實驗結(jié)果在專業(yè)的分析軟件中建立數(shù)值模型再現(xiàn)人體、 動能彈等材料結(jié)構(gòu)特性， 并利用軟件進(jìn)行仿真模擬以獲得鈍性沖擊的相關(guān)數(shù)據(jù). 在北約代號為AEP-99的非致命彈丸胸部損傷風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)中， 明確將數(shù)值模擬作為實驗的替代方法寫入其中， 正說明了目前數(shù)值靶標(biāo)的高可靠性和有效性. Julien等[36]認(rèn)為通過有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)胸部位移和能量傳遞相關(guān). 王玉華等[47]基于有限元模擬仿真軟件ANSYS/LS-DYNA模擬分析了高速彈頭撞擊靶板的情況， 研究了其碰撞侵入過程中的形變、 受力等情況. 本文選取以下三種具有代表性的有限元模型進(jìn)行簡述.

4.1 HTFEM模型

最早的胸部數(shù)值靶標(biāo)有限元模型FEMs于1970年創(chuàng)建， 在其中使用線彈性材料屬性作為胸部的模擬材料， 并且只對胸骨施加了靜態(tài)的壓力. 而后胸部數(shù)值靶標(biāo)不斷改進(jìn)完善， 與人體的一致性越來越高. Roberts等[48]開發(fā)了5%男性人體軀干有限元模型HTFEM， 結(jié)合以往實驗結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)， 模擬骨骼結(jié)構(gòu)(肋骨、 胸骨、 軟骨和脊柱)為線彈性， 內(nèi)臟器官(心臟、 肝臟、 肺和胃)為粘彈性， 以及縱膈、 肌肉、 組織和皮膚等. 通過模型可以模擬非穿透性彈道沖擊下人體各部位的多種響應(yīng).

4.2 HUByx模型

通過建立人體軀干框架并在其中內(nèi)置各類主要器官， 可以在很大程度上模擬人體的結(jié)構(gòu)特性， 并在鈍性沖擊中較為真實地反映出體內(nèi)能量沖擊情況， 有較好的生物保真度.

Bodo等[49]使用在醫(yī)學(xué)掃描三維重建的基礎(chǔ)上建立的人體軀干有限元模型HUByx， 其模型內(nèi)容包括心、 肺、 腎、 肝、 脾、 胃、 腸、 肌肉、 皮膚和骨骼等主要器官. 通過在計算機中分別用粘性行為定律和流體力學(xué)定律重現(xiàn)文獻(xiàn)[26]使用不可壓縮棒擊打HUByx模型， 再次驗證了該模型與人體的一致性， 使得HUByx模型可以用于動能彈沖擊人體的模擬和致傷分析. Bracq等[46]利用HUByx模型再現(xiàn)了剛性彈丸對PMHS肋骨的沖擊， 通過完成對HUByx模型的驗證確定了可以將其用來評估剛性彈丸沖擊人體軀干時肋骨骨折的危險性. Goumtcha等[50]利用HUByx模型對民用沖擊和軍事沖擊的損傷案例進(jìn)行了重現(xiàn)， 較好地體現(xiàn)了HUByx模型與現(xiàn)實世界中人體的一致性， 確定該模型可以用于進(jìn)一步預(yù)測沖擊損傷.

4.3 MTHOTA模型

Thota等[51]為了簡化評估高速動能彈對人體造成鈍性創(chuàng)傷的計算量， 設(shè)計了一種新的胸部機械替代物MTHOTA. 在計算機中使用與文獻(xiàn)[26] 相同的不可壓縮沖擊棒對機械胸腔有限元模型進(jìn)行了迭代沖擊分析. 通過不斷修正相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)， 最終使MTHOTA有限元模型的沖擊響應(yīng)與人體相應(yīng)走廊相關(guān)， 并給出能量吸收物厚度的建議[52]， 研究了彈丸與胸腔之間的能量交互關(guān)系[53].

數(shù)值靶標(biāo)使用成本低廉， 建立好模型后可以在仿真軟件中反復(fù)進(jìn)行實驗， 同時可以重復(fù)測量多點的不同數(shù)據(jù)， 甚至可以在仿真實驗后再對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采集， 實用性強. 但由于研究者目前對于人體骨骼、 器官等身體部位在動載荷下的材料響應(yīng)特性了解尚不全面， 組織間的相互作用結(jié)構(gòu)掌握不細(xì)致， 使得難以完全在計算機中真實地體現(xiàn)出各部位的響應(yīng)， 也就無法完全真實預(yù)測出致傷情況， 同時， 數(shù)值靶標(biāo)在模擬應(yīng)力波的傳播和揭示遠(yuǎn)達(dá)損傷機制方面也有所欠缺[54]. 總的來看， 數(shù)值靶標(biāo)的優(yōu)勢遠(yuǎn)大于其不足， 依然是當(dāng)前對防暴動能彈致傷情況預(yù)測的一種主要手段， 且廣泛應(yīng)用于動能彈在開發(fā)階段的沖擊效果預(yù)測或是預(yù)制品的性能實驗. 將三類數(shù)值靶標(biāo)進(jìn)行對比， 可在表 3 看到各自的優(yōu)缺點.

表 3 數(shù)值靶標(biāo)對比Tab.3 Comparison between numerical targets

5 發(fā)展趨勢

相比于傳統(tǒng)物理靶標(biāo)， 隨后開發(fā)出的人體軀干模型具有更高的仿生度和真實性.

Roberts等[48]采用人體測量學(xué)方法， 使用生物模擬材料建立了HSTM模型. 通過在HSTM模型模塑時于心臟、 肝臟和胃等器官上安裝的壓阻式壓力傳感器和連接在胸骨上的加速度計來記錄對其撞擊的反應(yīng). 針對配備防護(hù)的HSTM心臟部位和肝臟部位使用不同速度、 不同口徑的彈藥進(jìn)行了26次彈道實驗， 在相似撞擊條件下， 壓力響應(yīng)的重復(fù)性相差不到10%， 與HTFEM有限元模型對比數(shù)據(jù)相差也不到10%， 確定可用于胸部損傷機制的研究并有助于損傷預(yù)防.

Andrew等[55]在美國防彈標(biāo)準(zhǔn)下對配備防護(hù)的HSTM模型進(jìn)行了沖擊實驗， 得到了彈道撞擊期間各模擬器官的壓力分布數(shù)據(jù)以及防護(hù)背心的能量轉(zhuǎn)移情況， 確定了HSTM具有區(qū)分威脅級別、 影響條件和影響位置的能力. 可以看出， 人體軀干模型能夠較好地體現(xiàn)出人體骨骼結(jié)構(gòu)、 內(nèi)臟等物理特性， 通過內(nèi)置的傳感器可以給出人體骨骼和內(nèi)臟受沖擊情況， 也可以直接觀察沖擊的皮膚穿透、 侵入情況并進(jìn)行測量， 能夠較為全面反映出人體結(jié)構(gòu)受到動能彈沖擊后的各類響應(yīng).

目前， 人體軀干模型多用于測量有防護(hù)的高速彈道沖擊， 了解殺傷性子彈的能量傳遞， 給防彈衣等防護(hù)用品提供測試條件. 更重要的是， 開發(fā)人體和器官的精確替代品是一項復(fù)雜而昂貴的任務(wù)[46]， 同時， 僅依靠測量物理假人單一位置的應(yīng)力-應(yīng)變無法反映全身受沖擊的情況， 因此， 將HSTM作為完美替代物還存在較大差距. 將HSTM靶標(biāo)與其他靶標(biāo)進(jìn)行對比， 可在表 4 中看出各自優(yōu)缺點.

表 4 各類典型靶標(biāo)對比

在人體軀干模型研發(fā)十余年后仍沒有被廣泛用于動能彈沖擊測試一方面是因為其身體皮膚、 內(nèi)部組織等部分結(jié)構(gòu)是由明膠等損耗材料制成的， 一次動能沖擊測試后就有可能使表面皮膚和組織損壞而無法進(jìn)行二次實驗； 另一方面是當(dāng)前人體軀干模型雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)充實， 能夠測量各內(nèi)臟表面所受壓力和胸骨的加速度， 但軀干部位的過度傷害往往是由于肋骨斷裂進(jìn)一步引發(fā)的器官穿透損傷[25]或由動能沖擊的沖擊波造成的心臟、 肺、 肝[24]等器官鈍性損傷， 當(dāng)前尚無法有效對此類情況進(jìn)行預(yù)測. 另外， 人體軀干模型目前內(nèi)部器官不全且相對粗略， 仿真度不高， 體內(nèi)傳感器較少， 無法有效反映整個軀干受沖擊后的狀態(tài)， 并不能較好地預(yù)測出所有對胸部造成過度傷害的可能.

下一步， 以人體軀干模型為代表的物理靶標(biāo)一方面可以使用可修補或可替換的替代材料作為人體軀干模型的皮膚和皮下組織， 另一方面， 可以通過增加傳感器的方式對胸壁的位移和速度進(jìn)行測量， 計算出最大粘性標(biāo)準(zhǔn)VCmax用于判定軀干損傷等級， 并觀察實物中骨折、 斷骨穿透等情況進(jìn)行傷情判斷， 這樣可以大幅提高測量防暴動能彈沖擊的仿真度， 為致傷判定提供有效依據(jù). 同時， 還需進(jìn)一步提高人體的仿真度， 并對沖擊部位受擊響應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測， 牢牢把握住每一個可能造成過度傷害的因素， 這樣才能夠?qū)Ψ辣﹦幽軓椫聜赡苄赃M(jìn)行有效預(yù)測. 數(shù)值模型則需要廣大研究者共同努力， 精準(zhǔn)掌握人體內(nèi)肌肉、 骨骼、 器官等所有組織的材料響應(yīng)特性與相互間的作用情況， 不斷提高計算機對人體的仿真程度， 從而達(dá)到更精準(zhǔn)有效地預(yù)測防暴動能彈對人體沖擊損傷情況的目的.

6 結(jié) 論

為推動防暴動能彈終點效應(yīng)測試研究工作， 綜述了相關(guān)靶標(biāo)的研究進(jìn)展：

1) 將常用的防暴動能彈靶標(biāo)分為生物靶標(biāo)、 物理靶標(biāo)、 仿生靶標(biāo)和數(shù)值靶標(biāo)4類， 并給出了定義；

2) 對每類靶標(biāo)的特點、 應(yīng)用時機、 缺點等進(jìn)行了分析并給出發(fā)展趨勢， 物理靶標(biāo)和數(shù)值靶標(biāo)應(yīng)用前景更為廣闊；

3) 下一步應(yīng)提高以人體軀干模型為代表的物理靶標(biāo)仿真度并對受擊響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測， 同時提高其耐用性、 可復(fù)用性；

4) 此外， 還應(yīng)全面掌握人體組織特性， 進(jìn)一步提高數(shù)值靶標(biāo)的生物保真性.