防暴動能彈皮膚穿透評估方法研究

焦世強

武警工程大學 裝備管理與保障學院 陜西 西安 710086

引言

防暴動能彈作為非致命彈丸,主要依靠其鈍擊傷害,而不造成穿透性傷害,對嫌疑人員身體造成劇烈疼痛,使其暫時性失能,受到限制和控制,達到作戰目的。但是,近年來,防暴動能彈過度傷害致死致殘的案例時有發生,特別是在發生大規模群體性事件時的損傷率有所升高,給國際社會輿論帶來了不良的影響。防暴動能彈的損傷評估也越來越重要,主要包括皮膚穿透評估和鈍性損傷評估。經Jason[1]調查的案例數據分析,穿透傷在事故案例中占有較大的比例。因此,為減少防暴動能彈穿透皮膚引發過度傷害的可行性,對其皮膚穿透評估進行研究顯得極為必要。本文重點對國內外防暴動能彈皮膚穿透評估方法的研究現狀進行分析和總結。

1 防暴動能彈皮膚穿透案例分析

案例研究表明,已經有許多嚴重的穿透性損害發生的報道。2002年Mahajna A[2]研究了2000年10月以色列與阿拉伯沖突期間橡膠子彈造成的鈍傷和穿透傷,152名受傷人員,鈍性損傷93例(61%),穿透性損傷59例(39%),其中3名因穿透傷死亡。2017年Rohini J Haar[3]等人研究了1990年1月至2017年6月期間關于橡膠和塑料子彈造成傷亡的1984個案例,數據統計發現,死亡的53人中,有56%由穿透性損傷造成。2020年汪送[4]收集了2000年以來的橡皮彈沖擊損傷案例分析,發現50%的傷害由穿透傷造成。通過案例分析發現：穿透傷通常是近距離射擊所致,損傷較為嚴重,且伴隨有臟器損傷,嚴重者造成永久性損傷或者死亡。因此,皮膚穿透風險是防暴動能彈丸的關鍵評估因素,如何精準評估防暴動能彈對皮膚穿透已成為一項重要的研究課題,它對防暴動能彈的研制設計、安全驗證和安全服役具有重要的意義。

2 防暴動能彈皮膚穿透評估方法研究現狀

國內外對防暴動能彈穿透威力評估做了大量的研究,主要有三類,即人類尸體實驗、皮膚替代品實驗及有限元模擬分析。重點圍繞防暴動能彈終點效應進行實驗,評估依據主要以彈丸穿透的閾值速度、比動能(能量密度)、沖擊應力為依據進行分析。

2.1 人類尸體實驗(PMHS) 十九世紀初美國就關于彈丸對皮膚的穿透進行了大量的研究,獲得了大量具有研究價值的實驗數據。1981年以來,DiMaio[5]、Journ'ee[6]、Mattoo[7]等人以人類尸體為靶標研究了不同口徑鉛芯彈的穿透能力,獲得了人體下肢皮膚穿透的能量密度。2005年Warlow[8]研究了4.5mm的不同形狀彈頭的彈丸對皮膚穿透的影響,發現了接觸形狀和面積變化對穿透的影響。由于實驗使用的彈丸為鉛芯彈,與防暴動能彈的材質有很大區別,因此將這些數據應用于當前防暴動能彈的穿透閾值存在一定局限性。

2005年Cynthia A.Bir[9]等人為了量化防暴動能彈穿透皮膚的可能性,進行了人類尸體實驗。通過RB1FS彈丸沖擊尸體的各個部位,確定了穿透尸體不同部位皮膚所需要的能量密度,通過對比得出前胸部具有最低的穿透能量密度值23.99J/cm2,該研究填補了在確定非致命彈丸皮膚穿透能量密度數據的空白。雖然實驗受體為年老的人體標本,但是對評估人體皮膚穿透提供了較為準確的保守的估計。

人類尸體實驗雖然與真實的人體沖擊結果更為接近,但是,將人類尸體用于彈道研究可能會引發倫理問題,而且法律程序復雜,不易實施。因此,國內外多采用尋找人類皮膚替代品。

2.2 替代品實驗 對于此類研究,人們都在尋找適合人體皮膚的替代品。Haag[10]發現,厚度為1.3-2.0mm的汽車內橡膠管的效果其次。2002年以來,Thalia M.J.[11]等人建立了“皮膚-顱骨-大腦”模型來評估9mm Luger和7.62mm北約子彈,并描述了皮膚、顱骨和大腦的各種槍擊創傷特征。其研究中的皮膚替代品是厚度未知的人造皮革。UZAR,A.I.[12]等人發現透明石蠟凝膠是一種很好的軟組織替代品,因為它具有透明性、彈性、永久性和臨時性空腔。Jorma J.[13]在創傷彈道研究中使用了一系列動物皮作為皮膚替代品,以拉伸性能和閾值穿透速度為指標,確定牛皮為最佳皮膚替代品。2012年Cynthia A.Bir等人[14]確定了天然麂皮、6mm閉孔泡沫、軍械明膠作為最合適的替代品。在這些研究中,閾值穿透速度和能量密度可作為評估防暴動能彈穿透威力的評估參數。

2013年,北約APE-94“非致命性彈藥的皮膚穿透評估”[15]定義了兩種評估方法,以量化非致命彈丸對皮膚的穿透風險。這兩種方法被認為適用于皮膚穿透風險評估。一種是基于模擬皮膚。模擬層由麂皮、閉孔泡沫和明膠構成。另一種方法是基于非致命彈丸沖擊剛性壁的最大力作為損傷判據。并將10MPa作為鈍性沖擊導致皮膚穿透的平均臨界應力值。

2013年3月,加拿大國防部研發部[16]發現了一層400μm厚的熱塑性聚氨酯薄膜的穿透極限與北約標準中規定的天然麂皮相似。此外,發現當使用熱塑性聚氨酯薄膜作為第一層時,可以在不影響獲得的穿透極限的情況下移除皮膚軟組織替代品的泡沫層。這項研究的結果表明,目前的替代品可以更換,以簡化設置和分析技術,同時提供了近似的結果。

2.3 有限元模擬分析法 有限元模擬的方法由于其更好的經濟性、安全性、可重復性,排除了倫理道德、繁瑣的實驗流程、昂貴的測試設備等因素的制約,在國內外研究受到越來越多的學者的青睞。2016年劉碩等人[17]利用有限元軟件LS-DYNA分析了橡皮彈對人體皮膚的打擊效果,從理論和仿真實驗的角度分析了橡皮彈的安全射擊距離。

國內對防暴動能彈鈍擊損傷評估研究起步較晚,近幾年也取得了較為豐碩的成果。但是對防暴動能彈穿透皮膚評估方面,研究的還比較少。2010年安保林等人[18]試驗研究了低速槍彈對有生目標的作用效果。2013年朱永杰等人[19]在明膠塊表面粘上一層厚0.11mm的鋁箔或牛皮紙來模擬人體皮膚對18.4mm動能痛塊彈的終點效應進行了實驗研究,確定其理想的比動能為8J/cm2。

2019年熊漫漫等人[20]以牛皮、石蠟和凝膠構建了皮膚-脂肪-肌肉模型,并用非致命橡膠球形彈對其沖擊的實驗,分析了不同的速度下橡膠子彈沖擊皮膚-脂肪-肌肉模型的空腔演化和能量傳遞規律。北京工業大學爆炸科學與技術國家重點實驗室[21]開展了BB彈侵徹“牛皮+明膠”復合靶的實驗和數值模擬模型研究。用穿透或不穿透牛皮來評價BB槍的安全性。2020年2月,熊漫漫、覃彬[22]等人用橡皮彈射擊長白豬,以長白豬皮膚的傷情特征和行為反應為表征量,分析了橡皮彈的速度、硬度、口徑對生物皮膚損傷效應的影響。

通過對比可以看出,國外在防暴動能彈皮膚穿透評估研究已經非常成熟,并制定了評定標準。國內的研究還比較薄弱,在皮膚穿透閾值方面,目前還沒有定義皮膚穿透相關的評估標準。

3 現有研究的缺陷與不足

通過對國內外防暴動能彈皮膚穿透評估方法的研究分析,認為對該問題的研究還存在如下問題：

一是彈丸數據的單一性。生物驗證試驗數據少,未形成統一的評估標準。不同彈丸的穿透特性缺乏對比性研究,穿透傷與鈍性傷的同步發生還沒有研究。當前開發的替代品的驗證主要依據都指向韋恩州立大學人類尸體實驗采用的RB1FS彈丸的比動能數據,也是在開放文獻中唯一可參考的數據,北約標準及加拿大的替代品的驗證也僅為RB1FS彈丸。

二是替代品材料的差異性。由于沒有給出麂皮和泡沫的具體力學性能參數,因此結果存在偏差。替代品受材料特性的影響較大,各地生產的材料差異性也較大,難以廣泛使用。

三是當前評估防暴動能彈穿透的參數僅為比動能和臨界沖擊應力10MPa兩個值。是否滿足這兩個條件就可以認為防暴動能彈是安全有效的呢?答案是否定的,以法國的Flash-Ball彈丸為例,其撞擊皮膚時比動能約為5.7J/cm2,不會穿透皮膚,但是它的能量約為200J,近距離會造成心臟和肺挫傷。因此,還需要結合防暴動能彈鈍性損傷標準同步評估彈丸。

4 總結與展望

隨著非致命武器的發展,防暴動能彈的運用場景也越來越多,其皮膚穿透評估的方法也將更加標準化、具體化、科學化。

(1)防暴動能彈皮膚穿透評估方法標準化。國內防暴動能彈損傷威力評估的研究相對滯后,需進一步與國際水平接軌。對已有替代品的模型和分析方法在防暴動能彈皮膚穿透預測模擬中的有效性和適用性需系統驗證和評估,最終建立國內適用的替代品預測模型和有限元數值模擬方法,實現對防暴動能彈皮膚穿透演化過程的有效模擬和預測。

(2)防暴動能彈皮膚穿透評估方法具體化。目前,防暴動能彈皮膚穿透評估的主要指標為比動能和最大沖擊應力。但隨著防暴動能彈的不斷發展,彈丸的材質、口徑、終點效應等不同,針對單一的皮膚穿透評估標準是不適用的。因此,需要對防暴動能彈進行分類,針對不同類型的彈丸開展更為深入的研究,分類制定各自的皮膚穿透標準,使防暴動能彈評估更為具體化。

(3)防暴動能彈皮膚穿透評估方法科學化。將試驗與數值模擬仿真有機結合,二者互相驗證,互相預測、改進,使防暴動能彈評估方法更加科學高效。與生物試驗相比,有限元模型仿真實驗具有數據易于獲取、可重復性強、準確度高且不涉及法律與道德倫理等優勢；與替代品試驗相比,仿真實驗具有計算精度高、消耗資源少等優勢。但有限元模型仿真結果又離不開試驗的驗證。因此,在防暴動能彈皮膚穿透評估方法上要充分結合試驗與仿真,以仿真為試驗做預測,以試驗為仿真做驗證支撐。