柔性防暴彈致傷威力評估技術(shù)研究

蒲利森,李緒強,徐鵬,樹楠(.中國白城兵器試驗中心,吉林白城3700; .中國人民解放軍第5醫(yī)院,吉林白城3700)

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柔性防暴彈致傷威力評估技術(shù)研究

蒲利森1,李緒強1,徐鵬1,樹楠2
(1.中國白城兵器試驗中心,吉林白城137001; 2.中國人民解放軍第521醫(yī)院,吉林白城137001)

摘要:鑒于柔性防暴彈對目標(biāo)致傷時彈丸會發(fā)生形變,導(dǎo)致彈丸的比動能難以有效測定,對彈藥的致傷威力無法進行準(zhǔn)確評估。為真實反映柔性彈藥致傷效果,采用3種評價方案:傳統(tǒng)致傷威力評估方案、生物致傷威力評估方案和基于沖擊壓力的致傷威力評估方案,對柔性防暴動能彈致傷威力進行實驗研究。實驗結(jié)果表明:傳統(tǒng)致傷威力評估方案不適用于柔性彈致傷威力評估;柔性彈致傷威力評估可采用基于沖擊波壓力的致傷威力評估方案,運用“四分之一規(guī)則”對致傷威力進行評估。

關(guān)鍵詞:兵器科學(xué)與技術(shù);柔性防暴彈;生物實驗;致傷威力;壓力

0　引言

防暴動能彈主要用于遠(yuǎn)距離驅(qū)散騷亂人群,打擊并制服一定距離上的違法犯罪分子,屬于非致命動能武器[1-2],是防暴處突的常用裝備。但是在實際使用中曾經(jīng)出現(xiàn)由于處理不當(dāng)將人致死的案例,如2008年云南孟連縣發(fā)生的“719”事件就是由于使用防暴槍自衛(wèi)導(dǎo)致兩人死亡。為進一步降低近距離使用時對人員的傷害,“十一五”期間我國又大力研發(fā)非致命柔性彈藥,如布袋彈、軟體變形彈等[3-5],其主要特點是對人致傷時彈丸會產(chǎn)生不同程度的形變,極大地降低比動能。目前國內(nèi)外創(chuàng)傷研究多集中于侵徹貫穿傷和爆炸沖擊傷方面,對于柔性彈藥致傷機理及其致傷威力的研究還較少。尤其是致傷威力評估方面,在鑒定試驗中目前主要依據(jù)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的以不穿透25 mm厚松木板進行考核,模擬介質(zhì)實驗結(jié)果表明非致命柔性彈藥威力均滿足要求。但是,對于這些武器能否滿足防暴彈威力標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的對人體不得造成中度及中度以上損傷尚不可知,因為穿透25 mm厚松木板要求彈藥比動能大于等于118 J/ cm2,是殺傷武器的致命判定標(biāo)準(zhǔn)[6];而防暴武器威力標(biāo)準(zhǔn)明確要求比動能應(yīng)不大于12.0 J/ cm2,二者之間比動能相差超過10倍,即彈藥在不穿透25 mm厚松木板的情況下依然有很大概率超出防暴武器威力標(biāo)準(zhǔn)。即使按照防暴武器威力標(biāo)準(zhǔn)進行能量測試也難以準(zhǔn)確評估,因為該威力標(biāo)準(zhǔn)主要適用于橡膠或者塑料這種微變形材料,對于具有良好延展性的變形彈丸來說直接套用缺乏理論依據(jù)[7]。為確保能夠合理使用武器,完成既定的戰(zhàn)術(shù)使命而不造成意外事件,立項開展進行了變形防暴彈生物致傷效應(yīng)實驗研究工作,獲得大量的實驗生物學(xué)數(shù)據(jù)。通過運用創(chuàng)傷彈道理論對數(shù)據(jù)進行分析處理,準(zhǔn)確掌握了彈藥的致傷威力,為開展柔性防暴彈威力實驗技術(shù)研究提供了大量詳實的生物學(xué)依據(jù)。

1　傳統(tǒng)致傷威力評估實驗

目前現(xiàn)有的防暴動能彈威力評估主要采取兩種方案來進行考核評定:其中一種是指標(biāo)明確要求的以在規(guī)定距離上不穿透25 mm厚松木板為準(zhǔn)進行評定,主要考核不同溫度條件下彈藥對松木板是否具有穿透效果;另外一種是對彈丸在規(guī)定距離上不同溫度條件下的速度進行測試,獲得彈丸的動能、比動能,依據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/ Z 20262—95中第6條關(guān)于防暴動能榴(霰)彈致傷效應(yīng)及能量標(biāo)準(zhǔn)要求進行比對,判斷人員可能的致傷程度。

1.1松木板實驗

依據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求在規(guī)定距離上向槍口前方垂直設(shè)立的25 mm厚松木板靶發(fā)射彈藥,觀察彈丸對松木板靶的穿透情況,測量彈丸撞擊靶板后的印痕面積和侵徹深度,對每個彈種在指定距離上各測試5發(fā)有效數(shù)據(jù),實驗數(shù)據(jù)詳見表1.

從彈藥打擊效果來看,布袋彈對松木板有一定的侵徹作用(見圖1),單發(fā)最大撞擊深度約為8.47 mm,不及松木板靶厚度的一半(12.5 mm),充分說明布袋彈對松木板不具有穿透性;軟體變形彈撞擊松木板后彈丸變成薄餅狀(見圖2),對松木板無侵徹效果,同樣不具有穿透性,充分說明布袋彈和軟體變形彈的威力結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

表1　侵徹松木板實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of projectiles penetrating into pine plates

圖1　10 mm布袋彈撞擊木板效果Fig.1 Hit effects of 10 mm bag bullets

圖2　軟體變形彈撞擊木板效果Fig.2 Hit effect of soft-deformed bullet

1.2能量測試

用固定架射擊并逐發(fā)測試彈丸的飛行速度,回收飛行彈體稱量彈丸質(zhì)量。由于彈丸在撞擊目標(biāo)時會產(chǎn)生形變,此處我們以松木板上的印痕面積或彈丸變形后的面積作為最大截面積,計算得到彈丸的動能和比動能,結(jié)果詳見表2.

依據(jù)GJB/ Z 20262—95中6.2條關(guān)于防暴動能榴(霰)彈投射體撞擊目標(biāo)的能量標(biāo)準(zhǔn)可知:直徑大于10 mm的球形或圓柱形投射體(邵氏硬度小于90 HA)的比動能不大于12.0 J/ cm2且同時動能小于120 J.從表2中可以看出,雖然布袋彈的動能均未超過120 J,但是比動能均超過12.0 J/ cm2,彈丸在有效使用距離內(nèi)極可能致人產(chǎn)生中度以上損傷,尤其是10 mm布袋彈比動能過大,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出穿透皮膚能量密度0.1 J/ mm2的臨界值[8],說明布袋彈近距離使用時威力過大不滿足指標(biāo)要求;軟體變形彈的動能和比動能測試結(jié)果均符合致傷標(biāo)準(zhǔn)要求,但因其致傷類型為振動沖擊傷不再是貫穿傷,不再適用GJB/ Z 20262—95相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行評價,其實際致傷效果還需要實驗驗證。

表2　能量測試結(jié)果Tab.2 Energy measured results

鑒于柔性彈藥的致傷機理發(fā)生改變,且能量測試與松木板實驗結(jié)果之間存在較大的差異性,難以對彈藥威力進行全面、準(zhǔn)確的評估。為深入了解柔性防暴彈的打擊特性和致傷威力,依據(jù)創(chuàng)傷彈道學(xué)可知,開展生物實驗?zāi)軌蛘鎸嵲佻F(xiàn)彈藥對局部組織的損傷形式、特點和程度。提取樣本進行醫(yī)學(xué)病理檢查,能夠全面反映彈藥的致傷效果,從生物學(xué)角度客觀反映對人的致傷威力[9]。

2　生物致傷實驗

2.1實驗方案

選用山羊和瘦肉型豬制作生物模型,以考核柔性彈藥對生物的全身和局部損傷效應(yīng)情況。實驗時將生物俯臥位固定于實驗靶架上,向胸部、腹部、臀部(或雙后肢)3個部位射擊,具體目標(biāo)點位置為:胸部目標(biāo)點選為第3肋間,腹部目標(biāo)點選為左右上腹部,臀部及雙后肢不做具體限制;每種動物每個部位每個距離上有效彈數(shù)不低于6發(fā)。射擊距離按照產(chǎn)品使用說明和前期實驗摸底情況進行確定(詳見表3),發(fā)射時采用高速攝影測試彈丸撞擊速度;致傷后,現(xiàn)場活殺并觀察局部組織損傷程度,測量傷道深度、壞死組織量和皮膚充血、淤血、出血范圍,測量皮下脂肪、胸壁和腹壁厚度,觀察胸腹腔有無出血、內(nèi)臟損傷等傷情。

表3　實驗射擊距離確定Tab.3 Experimental firing distances

2.2致傷基本情況

2.2.118.4 mm布袋彈

18.4mm布袋彈傷的局部損傷特點是以軟組織挫裂傷為基本特征,主要表現(xiàn)為單純血液循環(huán)障礙型和血液循環(huán)障礙型伴表皮剝脫型兩種情況。從宏觀病理解剖來看,兩種動物以豬的損傷最為典型,除3 m距離造成肺挫傷、廣泛肺出血外(見圖3),其余條件下豬均未出現(xiàn)明顯內(nèi)臟損傷;羊的損傷明顯重于豬,3 m距離可致肝破裂、肋骨骨折、腸道和胃壁挫傷,局部損傷達(dá)肌肉全層[10]。

圖3　3 m距離致豬肺挫傷、廣泛肺出血Fig.3 The pulmonary contusion and extensive hemorrhage of a pig hit at 3 m

2.2.210 mm布袋彈

10 mm布袋彈傷的臨床表現(xiàn)主要分為兩種類型:一方面局部創(chuàng)傷仍以單純血液循環(huán)障礙和血液循環(huán)障礙伴表皮剝脫為主,另一方面近距離使用時可形成盲管傷。從解剖結(jié)果來看,豬的布袋彈傷除0.1 m距離侵入肺組織約4 cm(見圖4)和1 m距離穿入肌肉8 cm傷情外,其余距離未出現(xiàn)明顯內(nèi)臟損傷。而羊的布袋彈傷,在10 m距離中彈后出現(xiàn)內(nèi)臟輕微挫傷,腹腔內(nèi)血腫形成;5 m距離中彈后出現(xiàn)肋骨骨折、肝臟和結(jié)腸挫傷等情況;3 m距離中彈后部分出現(xiàn)局部洞穿,伴隨有肋骨骨折和肺挫裂傷等情況發(fā)生;0.1～1 m距離中彈后各部位均出現(xiàn)盲管傷,可造成股骨粉碎性骨折、穿入肝臟和肺組織[11]。

圖4　豬穿入右肺約4 cmFig.4 About 4 cm of bullet penetrating into pig’s right lung

10 mm布袋彈近距離射擊時,存在護片包裹鉛砂彈丸未能及時散開的現(xiàn)象,此時10 mm布袋彈打擊目標(biāo)時可視為一剛體,無延展性;在護片散開時布袋彈丸具有較好的延展性,可大大降低致傷效果,但是護片散開的距離無明顯界限,與裝配工藝及溫度有一定的相關(guān)性。

2.2.3軟體變形彈

軟體變形彈傷對兩種生物均無穿透作用,其臨床表現(xiàn)以局部挫傷為主,主要表現(xiàn)為單純血液循環(huán)障礙。根據(jù)生物解剖結(jié)果觀察發(fā)現(xiàn),在大于3 m距離的軟體變形彈傷豬未出現(xiàn)大的實質(zhì)性臟器破裂出血,致死可能低,但在3 m距離可致輕度肺挫傷(見圖5)。軟體變形彈而對羊的致傷實驗中,3 m和5 m距離均出現(xiàn)了肋骨骨折、肺挫裂傷、血氣胸和肝破裂及腹腔大出血(見圖6),10 m距離仍可致肺、胃壁挫傷[12]。

圖5　3 m距離上豬肺挫傷Fig.5 The pulmonary contusion of pig hit at 3 m

圖6　5 m距離羊肝臟挫裂傷Fig.6 The hepatic contusion of goat hit at 5 m

2.3致傷結(jié)果評定

經(jīng)解剖測量,實驗用瘦肉型豬的胸壁厚度4～6 cm,腹壁厚度3～5 cm,皮下脂肪厚度1.5～2.5 cm;山羊胸壁厚度1.5～2.5 cm,腹壁厚度0.5～1.5 cm.豬與人的皮膚組織十分相似,是大面積燒傷中異皮的提供者[13],其主要區(qū)別體現(xiàn)豬的皮膚壁厚比人的略厚;山羊皮膚組織結(jié)構(gòu)也與人的相似[14],但其胸腹壁厚度則明顯低于人的;結(jié)合兩種動物實驗結(jié)果分析,進一步推測到人可以得出如下結(jié)論。

表4　通過兩種動物傷情綜合比較對人損傷嚴(yán)重度的預(yù)測Tab.4 Predictions of human injury severity by comparison of two kinds of animal injury conditions

根據(jù)生物傷情具體體征表現(xiàn)及表4可知:10 mm布袋彈使用距離應(yīng)大于3 m;18.4 mm布袋彈和38 mm軟體變形彈對豬均無穿透性且傷情較輕,使用距離可縮短至3 m,能夠確保對人員不產(chǎn)生中度以上損傷。鑒于柔性彈致傷時以“鈍擊傷”為主要表現(xiàn)形式,因此近距離中彈后應(yīng)及時進行彩超和X線檢查,了解內(nèi)臟損傷情況十分必要。

3　基于沖擊壓力的致傷威力評估實驗

明膠近似完全彈性體,其密度可做成與軟組織的相同,均勻透明,采用高速攝影的方法,能夠直接觀察到投射物在明膠靶標(biāo)體內(nèi)產(chǎn)生的空腔脈動、邊界效應(yīng)等與肌肉組織相似的物理現(xiàn)象,是研究投射物能量傳遞與阻力、致傷效果等定量關(guān)系的理想組織模擬物。柔性彈丸在撞擊目標(biāo)時會產(chǎn)生不同程度的變形,致傷時除10 mm布袋彈近距離會對生物產(chǎn)生盲管傷外,生物體征主要表現(xiàn)為“鈍擊傷”,因此沖擊壓力致傷是彈藥致傷的關(guān)鍵因素。故本文擬采用明膠為模擬介質(zhì),探索通過測量彈丸在不同距離撞擊明膠時產(chǎn)生的壓力,結(jié)合前期生物實驗結(jié)果數(shù)據(jù)建立對應(yīng)關(guān)系,以壓力值大小和作用時間長短來判定對人的致傷等級的考核評估方案。

創(chuàng)傷彈道學(xué)研究表明:沖擊波壓力致傷主要因素為壓力峰值,以此研究建立了傷情判定的“四分之一規(guī)則”,即輕度肺損傷的閾壓力為在不同正壓作用時間條件下造成70 kg體重的人員24 h內(nèi)50%死亡所需的壓力值(p50)的1/4,嚴(yán)重肺損傷的閾壓力為p50的3/4,相當(dāng)于致死量的閾值。沖擊波致傷主要以超壓的擠壓和動壓的撞擊,使人員受擠壓、摔擲而損傷內(nèi)臟或造成外傷、骨折、腦震蕩等,其致傷機理與柔性彈藥撞擊致傷有一定的相似性[15];參考生物致傷實驗以及與人體接近程度,動物類型選取山羊,依據(jù)不同正壓時間下的p50結(jié)果來判定對人的損傷程度[8]。

為了研究分析依據(jù)柔性彈對明膠打擊時產(chǎn)生的壓力測試結(jié)果判定對人致傷程度等級評估的可行性,參照GJB 4388—2002普通槍彈定型試驗規(guī)程關(guān)于模擬靶標(biāo)規(guī)格的要求,制作了濃度為10%且大小為30 cm×30 cm×30 cm的明膠靶標(biāo),采用與生物致傷相同的方法對靶標(biāo)進行射擊實驗,壓力傳感器放置在明膠靶正中心且距離受彈靶面約5 cm的位置處,運用輕武器動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)——槍口壓力波測試系統(tǒng)逐發(fā)測試彈丸撞擊明膠靶面時的壓力峰值;同時利用高速攝影拍攝彈丸撞擊明膠的全過程并測試得到撞擊瞬間彈丸的飛行速度等參數(shù)。經(jīng)測試得到3種柔性彈在不同射距下對明膠撞擊時的壓力、能量等參數(shù)如表5所示,壓力曲線如圖7和圖8所示。

表5　對明膠打擊時的壓力測試結(jié)果Tab.5 Pressure test results of gelatin

從表5中可知壓力作用時間均小于30 ms,此時山羊p50值為471 kPa[8].按照“四分之一規(guī)則”造成輕度肺損傷的壓力閾值為117.75 kPa,重度肺損傷的壓力閾值為353.25 kPa.實驗測試結(jié)果壓力峰值均未大于重度肺損傷壓力閾值,可以初步判斷該能量不會使人致死;除10 mm布袋彈5 m射距外,其余條件由于測試結(jié)果壓力峰值出現(xiàn)部分超過輕度肺損傷閾值,存在造成內(nèi)臟器官損傷的可能性,但是由于無穿透傷且壓力峰值的均值與輕度肺損傷壓力閾值接近,說明損傷相對較輕。生物實驗結(jié)果表明3種彈藥在5 m射距外對豬均未造成臟器損傷,無致死可能;而羊的臟器則不同程度地存在破裂、挫傷、出血等傷情,說明對體質(zhì)瘦小的人員有造成中度以上損傷的可能性。

圖7　18.4 mm布袋彈壓力曲線圖Fig.7 Pressure curve of 18.4 mm bag bullets

圖8　軟體變形彈壓力曲線圖Fig.8 Pressure curve of soft-deformed bullets

從3種彈藥的壓力測試結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn),軟體變形彈由于動能較大、材料偏軟,因此撞擊時壓力峰值高、作用時間長;18.4 mm布袋彈由于動能降低且彈丸為布袋包裹鉛砂,部分彈丸會穿入明膠,撞擊目標(biāo)時衰減較快,因此壓力峰值明顯下降、作用時間最短;10 mm布袋彈的動能雖然最小,但是由于彈丸直徑小、質(zhì)量輕,對明膠會產(chǎn)生“貫穿傷”,遠(yuǎn)距離由于包裹片散開后彈丸的比動能會顯著降低,因此出現(xiàn)5 m外作用時間變大的情況。根據(jù)創(chuàng)傷彈道學(xué)可知,在其它條件相同時,在一定時限(約數(shù)毫秒至數(shù)百毫秒)內(nèi),正壓作用時間越長,則損傷越重。對比18.4 mm布袋彈和軟體變形彈生物致傷結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),雖然近距離兩種彈藥對生物豬均只產(chǎn)生了肺挫傷等傷情,但結(jié)合生物羊的致傷情況來看,“布袋彈傷”的挫傷范圍、程度確實較“軟體彈傷”小,進一步證實壓力測試結(jié)果用于非侵徹類彈丸致傷威力評估的可行性。

4　結(jié)論

本文根據(jù)柔性防暴彈具有的變形特性,在打擊目標(biāo)時會顯著降低比動能,致傷的主要特征類似“鈍擊傷”,即肌體表面基本無破損,但體內(nèi)臟器受到?jīng)_擊震蕩可能出現(xiàn)破裂、出血等傷情。鑒于目前主要以能否穿透25 mm松木板和動能、比動能測試結(jié)果為依據(jù)判定彈丸致傷威力,結(jié)合彈丸結(jié)構(gòu)特點、材料性能以及傳統(tǒng)威力標(biāo)準(zhǔn)的適用對象要求,從致傷機理進行分析,指出現(xiàn)有考核方案在威力評估方面存在不足。通過制作生物模型,開展進行實彈射擊后的生物致傷效應(yīng)實驗,運用創(chuàng)傷彈道理論測試得到彈丸撞擊明膠時的壓力峰值,按照沖擊致傷“四分之一規(guī)則”對彈丸致傷威力進行評估。通過與同等條件下的生物致傷結(jié)果比對發(fā)現(xiàn),二者在評估對人致傷威力上基本一致,說明以測量彈丸撞擊明膠時產(chǎn)生的沖擊壓力峰值和正壓作用時間來評定威力是完全可行的,從而研究確定了柔性防暴彈威力實驗技術(shù)方案。

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Study of Wounding Assessment Methods for Flexible Anti-riot Kinetic-energy Projectiles

PU Li-sen1, LI Xu-qiang1, XU Peng1, SHU Nan2
(1.Baicheng Ordnance Test Center of China, Baicheng 137001, Jilin, China; 2.No.521 Hospital of PLA,Baicheng 137001, Jilin, China)

Abstract:Flexible anti-riot kinetic energy projectile is deformed when it impacts a target, which make it difficult to evaluate the specific kinetic energy of projectile.Three methods, such as traditional wounding assessment, animal experiment and wounding assessment based on impact pressure, are used to evaluate the wounding efficiency of the flexible anti-riot kinetic projectile.The experimental results show that the traditional lethality assessment method is not appropriate for the flexible anti-riot kinetic projectile, and the lethality assessment method based on impact pressure could be adopted to evaluate the wounding efficiency of the flexible anti-riot kinetic projectile while the one-quarter principle is used.

Key words:ordnance science and technology; flexible anti-riot kinetic energy projectile; animal experiment; wounding efficiency;pressure

作者簡介:蒲利森(1977—),男,高級工程師。E-mail:sunny.laopu@163.com

收稿日期:2015-06-01

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.009

中圖分類號:R826.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-1093(2016)02-0253-07