手槍彈侵徹有防護仿生人體軀干靶標試驗研究

唐劉建， 溫垚珂， 薛本源， 徐 誠， 宋 焦

(1.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094；2.內蒙古北方重工集團有限公司，內蒙古 包頭 014033)

槍彈擊中而未貫穿防彈衣的情況下，其沖擊動能仍會作用于人體上，產生所謂“沖擊凹陷”，形成類似于鈍器猛擊造成的傷害(鈍擊傷)，嚴重的可能造成人體的內臟、骨骼受傷，甚至致死[1]。這種由小質量高速投射物引起的非穿透性損傷稱之為防彈衣[4-5]后鈍性損傷(Behind Armor Blunt Trauma, BABT)。隨著個人防護能力不斷增強，現有常規槍彈已不能有效穿透防彈衣對人體造成直接傷害，因此鈍擊傷情況顯著增加。開展防彈衣后鈍性損傷的研究有助于了解人體組織在非穿透性投射物作用下的力學響應與病理生理變化，進而闡明投射物鈍擊傷的損傷機理，為提高槍彈殺傷威力和改進防彈衣性能提供科學依據。

鈍擊傷的研究手段主要有：①尸體試驗；②動物試驗[6-9]；③非生物模擬物試驗[10-13]；④計算機數值模擬[14-17]。這些方法各有優缺點，相互補充。由于尸體來源有限且受到倫理道德限制，相關試驗不易開展。動物雖與人體在某些方面有一定相似性，但差異也非常顯著，而且需要較大的樣本量才能獲得具有統計意義的結果。明膠、肥皂等非生物模擬物的動態力學特性與肌肉有一定相似性，且試驗的重復性較好，目前在創傷彈道學研究中被廣泛采用，但靶標一般為均質無法與人體解剖結構對應。非生物模擬靶標目前正朝著與人體結構更加接近的仿生假人靶標發展，以期獲得更加接近真實人體殺傷效應的結果。近年來隨著計算機技術的迅猛發展，數值計算方法開始在鈍擊效應研究中發揮出越來越重要的作用。構建基于真實人體數據的虛擬計算機人體模型來進行殺傷效應模擬具有廣闊的應用前景，但由于缺少生物軟組織動態力學數據，當前的數值模擬結果還不能令人信服。

本文首先建立了一個“明膠-胸廓”仿生人體軀干靶標，進而搭建同步測試系統開展手槍彈侵徹有防護人體軀干靶標的試驗研究。采用高速攝影記錄槍彈侵徹有防護靶標的動態過程。通過埋設在靶標內的壓力傳感器記錄心臟和肺部的瞬態壓力特性。為鈍擊傷研究提供了可以借鑒的手段和數據。

1 靶標制備

目前國際上常用的彈道明膠有兩種類型,分別為質量分數10%、使用4 ℃的明膠和質量分數20%、使用10 ℃的明膠。本試驗中的“明膠-胸廓”仿生人體軀干靶標由質量分數10%的明膠組成，符合Jussila[18]提出的國際通用制備方法?！懊髂z-胸廓”仿生人體軀干靶標的制備過程，如圖1所示。首先以1∶9的質量比量取明膠固體顆粒和水，將明膠固體顆粒浸泡在水中。在浸泡期間充分攪拌以使得明膠顆粒充分吸水膨脹。浸泡完畢之后，將明膠顆粒倒入恒溫水浴鍋，水浴溫度設定為60 ℃，加熱期間每隔10 min攪拌一次，直至明膠溶液表面無明顯泡沫。其后，關閉加熱裝置使明膠溶液溫度稍微降低，再將明膠溶液注入預置了人體胸廓模型的模具中，待其冷卻到室溫后將其放入4 ℃的恒溫箱中保存。在試驗時從恒溫箱中取出靶標進行脫模，并盡快完成試驗，以減小溫度對仿生靶標性能的影響。本次試驗主要測量子彈撞擊軟質防彈衣時，仿生人體軀干靶標心臟和左肺位置的瞬時壓力響應，因此在這兩個位置埋設了壓力傳感器，傳感器埋設深度約距人體前胸表面10 cm。

2 試驗過程

試驗系統構成，如圖2所示。槍口距離防彈衣前端面6 m，測速靶位于槍口3 m處；當子彈出槍口時，槍口焰觸發紅外觸發器；觸發器同時發送兩個觸發信號給高速攝影和數據采集系統；高速攝影系統拍攝分辨率為768×768 pixels，拍攝頻率30 000 fps；數據采集系統采樣頻率100 kHz，壓力傳感器采用113B24型壓電式壓力傳感器。軟質防彈衣尺寸為30 cm×30 cm，由50層UHMWPE無緯布組成，滿足NIJ IIIA級防彈標準。

圖2 測試系統示意圖Fig.2 Schematic of test system

試驗中射手采用立姿有依托姿勢從靶標正前方進行射擊，射擊距離為6 m，僅進行槍彈垂直入射(入射角90°)靶標試驗，槍彈的入靶姿態由高速攝影系統觀測并記錄。入射角以及射擊距離的變化對測試結果的影響擬在后續研究中進行。采用92式9 mm鉛芯手槍彈對軟防護下人體軀干的心臟、右肺和肝臟部位分別進行射擊，彈著點位置如圖3所示。

圖3 彈著點和傳感器位置Fig.3 The impact point and the position of sensors

3 試驗結果

試驗結果表明，“明膠-胸廓”仿生人體軀干靶標試驗結果的重復性和精確性較好，其在心肺部位所測得壓力的第一個峰值對真實人體心肺鈍擊傷具有重大的參考意義。本文建立的“明膠-胸廓”靶標相對于傳統靶標有了一定的進步，但由于器官仿生材料研究還不夠成熟且價格昂貴，本試驗并未建立含仿生器官的靶標，因此無法較好的模擬人體臟器受到鈍擊時的整個壓力變化過程，擬在后續研究中開展相關研究。

對心臟部位進行兩次射擊，測得彈丸入靶速度分別為331 m/s和341 m/s。傳感器采集到的壓力曲線，如圖4所示。壓力曲線有一個很陡峭的上升沿，然后迅速衰減振蕩，并逐漸減小到零。入靶速度331 m/s時，心臟的峰值壓力達到了2.40 MPa，0.2 ms后壓力波傳播到左肺處，峰值壓力衰減為1.30 MPa。入靶速度341 m/s時，心臟的峰值壓力為1.20 MPa，0.2 ms后左肺處測得的壓力波峰值為0.50 MPa。第二發壓力峰值明顯小于第一發，主要是由于第二發的實際彈著點偏離了預期彈著點。

圖4 壓力隨時間變化曲線Fig.4 Time histories of pressure

高速攝影拍攝到的手槍彈侵徹軟防護下仿生人體軀干動態過程，如圖5所示。以槍彈撞擊防彈衣瞬間為計時零點，0.5 ms時防彈衣上出現一個邊長約為10 cm的“◇”型凹陷區域。隨著侵徹的進行，凹陷區域逐漸擴大并使整個防彈衣產生了明顯的變形。到4.5 ms時防彈衣的變形達到最大程度，隨后在人體軀干靶標彈性能作用下開始回彈。被擊中的防彈衣背部產生一個高度約3 cm的塑性鼓包。兩發槍彈均穿透了7層UHMWPE無緯布，對軟質防彈衣的穿透率僅為14%，這主要是由于彈丸的鉛芯易變形，在侵徹過程中會被迅速墩粗壓扁，從而導致侵徹性能變差。

圖5 手槍彈侵徹軟防護下仿生人體靶標動態過程Fig.5 Dynamic process of pistol bullet impact soft body armor covered bionic human torso

圖6(a)的曲線表明，雖然彈著點在右肺，但傳播至心臟和左肺處的壓力峰值仍然達到了0.39 MPa和0.25 MPa。對比圖6(a)與圖5，壓力波經過心臟部位傳播到左肺時，心臟處起始壓力越大，傳播過程中壓力衰減的越快。由此可見，壓力波在傳播過程中衰減速度逐漸變小。圖6(b)的壓力曲線表明，當彈著點在肝臟部位時，由于距離傳感器較遠，心臟和左肺處壓力傳感器采集到的壓力峰值僅為0.10 MPa。圖6(b)中兩條壓力曲線的變化規律和幅值基本一致，主要是因為從彈著點到兩個傳感器的距離基本相同。

圖6 彈著點分別為右肺和肝臟部位時，在心臟和左肺處傳感器測得的壓力曲線Fig.6 Time histories of pressure in the location of heart and left lung,when impacting at right lung and liver, respectively

4 結 論

本文建立了“明膠-胸廓”仿生人體軀干靶標模型，通過試驗測量了手槍彈撞擊人體典型位置時，心臟和左肺部位的鈍擊壓力特性，并采用高速攝影記錄了槍彈未貫穿侵徹有防護人體靶標的動態過程。直接侵徹心臟部位時傳感器測量到的壓力峰值在心臟部位為2.40 MPa，在左肺位置為1.30 MPa；侵徹過程中防彈衣會產生非常大的瞬態變形，并最終在防彈衣背部產生一個高度約3 cm的塑性鼓包;彈著點在右肺部位時，傳播至心臟和左肺的壓力峰值分別為0.39 MPa和0.25 MPa；彈著點在肝臟部位時，由于傳播距離相近，心臟和左肺處壓力傳感器的壓力峰值大小接近，約為0.10 MPa。本文研究可為鈍擊傷評估和防彈衣改進提供參考。