爆炸沖擊波作用下工事艙室內動物損傷效應試驗研究

范俊奇，董宏曉，高永紅，樓夢麟，賴西南

(1.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092;2.總參工程兵科研三所，洛陽 471023;3.第三軍醫大學 野戰外科研究所，重慶 400042)

現代戰爭中，以高精度常規武器打擊地下、地面的防御工事，摧毀對方的指揮與防御系統已成為重要的戰爭模式，常規武器爆炸沖擊波是致傷工事內人員的主要毀傷元。以往的生物效應試驗大多針對武器(炸藥)在開闊場地爆炸產生的簡單沖擊波進行［1-8］，試驗條件單一，缺乏系統性。而爆炸沖擊波在工事艙內傳播呈復雜沖擊波特性(復雜沖擊波指工事艙外爆炸產生的沖擊波在閉合環境內傳播，由激波在艙壁反射、折射形成一系列震動反射波疊加在一個相對緩慢上升的超壓沖擊波上的復雜沖擊波)，該沖擊波無論峰值壓力、持續時間、沖量、頻譜或對人員損傷均較簡單沖擊波明顯不同，以往實驗所建人員損傷關系亦難反映復雜沖擊波對人員的損傷。因此，開展常規工事內炸藥爆炸生物效應實驗，建立復雜沖擊波損傷人員非聽覺器官安全閾值，具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 試驗目的及內容

(1)研究復雜波的產生機理，求得規律的復雜波，為生物效應實驗提供試驗條件。

(2)研究不同當量TNT爆炸作用下兩類復雜波沖量與動物損傷情況的對應關系，求得生物在復雜波作用下的損傷閾值，為工事內人員損傷情況提供必要參數，完善我軍防護標準。

為實現試驗目的，進行兩種試驗:① 對爆炸波模擬設備進行改裝、調試試驗，使之能產生符合實驗要求的復雜波;② 兩種不同復雜波作用下模擬工事艙內的綿羊損傷效應試驗。

1.2 試驗設備及改裝

實驗設備由爆室、沖擊波整形段及試驗段三部分組成，主要用于模擬常規武器與核武器中遠區爆炸沖擊波作用。設備可產生較規律的平面波。欲使設備產生的沖擊波符合生物效應試驗要求，產生規律復雜波，需對設備進行改裝，試驗中通過增加爆室長度，在整形段增加變截面段加強沖擊波的反射與折射及在整形段后增加專門放置試驗動物的實驗艙等技術措施解決。改裝后的設備見圖1。

圖1 生物效應試驗設備Fig.1 The test device of damage effect experiment

1.3 試驗方案

用TNT裝藥在多室型爆炸波模擬設備爆室內爆炸，通過一定技術措施，使之產生A、B兩種復雜波，同時在工事艙內放置實驗動物與測試傳感器。通過不同爆炸條件下工事艙內模擬人體胸部的測試圓筒四周壓力及綿羊損傷情況，得到復雜沖擊波在人體胸部四周的分布特點及復雜波沖量與生物損傷程度的對應關系，最終得到綿羊在復雜波作用下的損傷閾值。試驗方案見圖2。

圖2 試驗方案圖Fig.2 The experimental program

試驗用健康綿羊體重約25 kg，并以坐姿固定于特制的架子上，置于工事中心保證其前胸正對沖擊波傳播方向(圖3)。模擬人體胸腔的測試圓筒按普通人胸腔尺寸設計，高度 762 mm，直徑305 mm。將圓筒垂直固定在與試驗動物同一位置，同時測試模擬人體胸部的測試圓筒四周壓力、艙室內沖擊波壓力、綿羊體內壓力等參數及綿羊的損傷情況。

據理論計算獲得的肺致傷閾值所需沖量及復雜沖擊波特性，設計兩種不同類型的復雜波(A類、B類)。A類沖擊波作用時間較短(試驗中約25 ms)，模擬工事艙室開口情況下生物的損傷效應;B類沖擊波作用時間較長(試驗中約120 ms)，模擬工事艙室封閉情況下對生物的損傷效應。對A類波設計四組試驗;B類波設計兩組試驗。見表1。

試驗中每炮僅放置一只綿羊，保證每組實驗有6炮測試數據，減少因裝藥及測試等偶然原因造成的誤差。

圖3 試驗綿羊放置方案Fig.3 The arrangement program of sheep

表1 艙室內綿羊損傷試驗設計Tab.1 Experimental design of damage effect test to sheep

1.4 試驗測試方案

為分析生物損傷情況，進一步研究復雜波作用下生物損傷規律，據規范要求，須對動力學參數(壓力)及醫學損傷進行測量。

1.4.1 動力學參數測試

艙室內復雜沖擊波壓力(P4)、艙室內模擬人體胸腔圓筒上布置的壓力(P1、P2、P3、P6)、生物體內壓力(P5)。各傳感器布置方式見圖4。艙室內復雜波壓力傳感器布置于工事艙壁正中，編號P4，傳感器敏感面與工事內壁表面平齊。模擬人體胸腔的圓筒上壓力傳感器布置方案為:圓筒上端放置壓力傳感器(編號P1);圓筒周壁放置三個傳感器，其中正對沖擊波傳播方向一個(編號P2)，側壁平行于沖擊波傳播方向一個(編號P3)，背對沖擊波傳播方向一個(編號P6)，P2、P3、P6傳感器高度為圓筒高度的一半。生物體內壓力傳感器置于綿羊食道內部(編號P5)。

圖4 測試傳感器布置圖Fig.4 The arrangement plan of sensors of different type

1.4.2 動物損傷效應醫學測試

每次試驗后立即對綿羊作CT及核磁共振觀察見圖5，試驗1小時后對動物進行醫學解剖，觀察動物心、肺、腦、腎臟等器官損傷情況，結合試驗測得的沖擊波參數確定爆炸沖擊波作用下工事艙室內綿羊的損傷閾值。

圖5 動物核磁共振觀測及醫學研究Fig.5 Anatomical research and NMR observation to sheep after test

2 試驗結果及分析

2.1 工事艙內壓力試驗

實測各組試驗中工事艙內壓力(P4)及生物體內壓力(P5)典型波形見圖6。各組試驗實測復雜沖擊波峰值、沖量及各試驗參數統計見表2，表中數據為同組試驗不同炮次的平均值，B1、B2組中帶“*”數據為前30 ms沖量。

圖6 實測壓力波形Fig.6 Typical press waves

表2 艙室內復雜沖擊波參數Tab.2 Parameters of the Wave in enclosed space

表3 試驗后動物傷情及判別Tab.3 Condition injuries to the sheep and it’s distinguish after test

由圖6壓力波形知:

(1)成功獲得兩類典型復雜波，每組試驗波形均有多個峰值，特征相似且規律性好。表明試驗對不同峰值及沖量值的復雜波控制是成功的。

(2)由表2知，對A類復雜波前15 ms內均有三個以上主要峰值，在15 ms后復雜波能量衰減較快，復雜波前15 ms能量(以沖量表示)占復雜波總能量的60%以上。因此對以TNT為代表的常規炸藥爆炸，開口工事艙室內生物損傷效應，應以前15 ms沖量為主要依據。

(3)與A類復雜波相比，B類復雜波作用時間較長，達100 ms以上。且能量主要分布在前30 ms，占總能量的60%以上。因此，常規炸藥爆炸作用下，封閉工事艙室內生物的損傷效應，應以前30 ms的沖量為主要依據。

(4)與工事艙室內壓力波形相比，生物食道內壓力波形較光滑，且升壓時間、作用時間均較工事艙室內壓力提高許多;峰值壓力也較工事艙室內壓力小，為艙室內壓力的60%左右。

2.2 動物損傷情況分析

試驗后各組動物損傷情況醫學描述及傷情判別見表3。第二、第四組綿羊試驗解剖后肺損傷情況見圖7。

圖7 試驗后動物肺損傷情況Fig.7 Condition injuries to the lung of the sheep

由表3復雜波作用下不同組別生物損傷效應試驗結果統計知:

(1)四組實驗動物傷情控制較好，從無傷、微傷、輕傷到重傷，成功獲得動物損傷的大概閾值;在A類復雜波作用下工事艙室內生物損傷閾值應在試驗中第二組測試所得數據附近，即壓力峰值約80 kPa，沖量約120 kPa·ms。

(2)相同藥量的B類復雜波作用下工事艙室內生物損傷較A類復雜波作用重。其損傷閾值壓力及沖量較A類復雜波作用下小;B類復雜波作用下工事艙室內生物損傷閾值應在第一組測試所得數據附近，即壓力峰值約60 kPa，沖量約90 kPa·ms。

2.3 試驗圓筒壓力分析

模擬人體胸腔試驗測試的圓筒上四個壓力傳感器實測典型波形(P1、P2、P3，P6)如圖 8、圖 9 所示。由圖8、圖9中A、B類復雜波作用下模擬人體胸腔的測試圓筒上壓力波形對比知:

(1)A類復雜波作用下實測模擬人體胸部的鐵制測試圓筒四個壓力的波形特征相同，但壓力數值相差較大，P1、P1較大，但P3及P6壓力較小，其峰值為 9.06 kPa，2.68 kPa。因此在A類復雜波作用下艙室內動物胸腔的致傷中，應主要考慮正對沖擊波傳播方向的致傷，其它方向壓力太小可忽略。

(2)B類復雜波作用下，實測模擬人體胸部的鐵制測試圓筒上的四個壓力波型基本特征相同，且壓力數值相差不大，P1、P1較大，P3及P6相對較小，但峰值達到P1的80%以上，不可忽略。因此B類復雜波作用下艙室內動物胸腔的致傷中，除應主要考慮正對沖擊波傳播方向致傷外，也應考慮其它方向復雜沖擊波影響。

圖8 A類復雜波作用的圓筒壓力波形Fig.8 Typical press waves of type A on the test cylinder

圖9 B類復雜波作用的圓筒實測復雜壓力波形Fig.9 Typical press waves of type B on the test cylinder

3 結論

(1)通過對多室型爆炸波模擬設備的改裝及調試，獲得符合要求規律性良好的兩類復雜波，成功模擬實戰條件下工事艙室開口及封閉兩種實際情況。

(2)試驗設計的四組實驗中動物傷情差別控制較好，從無傷、微傷、輕傷至重傷，成功獲得動物損傷閾值。

(3)與A類復雜波相比，B類復雜波作用時間較長，相同藥量下B類復雜波作用下工事艙室內生物損傷較A類復雜波作用下重。其損傷壓力閾值較A類復雜波作用下小。

(4)在A類復雜波作用下艙室內動物胸腔的致傷中，應考慮正對沖擊波傳播方向的致傷，其它方向壓力可忽略。B類復雜波作用下，在艙室內動物胸腔的致傷中，除應考慮正對沖擊波傳播方向的致傷外。也應考慮其它方向復雜沖擊波影響。

(5)動物體內壓力波形較光滑，且升壓時間、作用時間較長;其峰值壓力為艙室內壓力的60%左右。

［1］ Hinsley D E， RosellP A， RowlandsT K， etal.Penetratingmissile injuries during asymmetric warfare in the 2003 Gulfconflict［J］.Br J Surg，2005，92(5):637-642.

［2］ Bradic N，Cuculic D，Jancic E.Terrorism in croatia［J］.Prehosp italDisasterMed，2003，18(2):88-91.

［3］ Milagros M，Manuel P，Baudraxler F，et al.Blast injuries fromMadrid terrorist bombing attacks［J］.Emerg Radiol，2006，13(3):113-122.

［4］劉 江，李兵倉，谷春廣，等.中口徑穿甲爆破燃燒彈對坦克內綿羊致傷的試驗研究［J］.解放軍醫學雜志，2003，28(1):9-10.

LIU Jiang， LI Bing-cang， GU Chun-guang， etal. An investigation of injuries produced by armour-piercing incendiary shell of intermediate caliber to sheep in the tank［J］.Med J Chin PLA，2003，28(1):9-10.

［5］楊志煥，李曉炎，寧 心，等.水下沖擊波與空氣沖擊波對生物內臟損傷效應對比研究［J］.中華航海醫學與高氣壓醫學雜志，2006，13(2):65-68.

YANG Zhi-huan，LI Xiao-yan，NING Xin，et al.A comparative study on viscera injuries caused by underwater blast wave and air blast wave［J］.Chinese Journal Med ＆ Hyperbar Med，2006，13(2):65-68.

［6］劉瑞峰，劉彥普，周樹夏，等.爆炸沖擊波對家兔頸部大血管損傷機制研究［J］.中國臨床康復，2006，11(7):1638-1639.

LIU Rui-feng，LIU Yan-pu，ZHOU Shu-xia，et al.Investigation on rabbits cervical vascular explosive injury［J］.Chinese Journal of Clinical Rehabilitation，2006，11(7):1638-1639.

［7］李正宇，龍 源，唐獻述.爆炸沖擊荷載對動物殺傷作用距離的試驗研究［J］.安全與環境學報，2005，5(1):84-86.

LI Zheng-yu， LONG Yuan， TANG Xian-shu. On safety distance in regard to blast impact wave［J］.Journal of Safety and Environment，2005，5(1):84-86.

［8］陳海斌，王正國，楊志煥，等.沖擊波傳播的三個時段模擬實驗中動物肺的損傷［J］.爆炸與沖擊，2000，20(3):264-269.

CHEN Hai-bin，WANG Zheng-guo，YANG Zhi-huan，et al.Injury of animal lungs in the experiment to simulate the three phase of shock wave propagation［J］.Explosion and Shock Wave，2000，20(3):264-269.

［9］李兵倉，劉魯岳，陳志強，等.某型榴彈爆炸時綿羊的顱腦傷［J］.第三軍醫大學學報，2001，23(4):384-386.

LIBing-cang， LIU Lu-yue， CHEN Zhi-qiang，etal.Observation on the craniocerebral injury of sheep by high explosive shell［J］.Acta Academiae Medicinae Militaris Tertiae，2001，23(4):384-386.