防暴動能彈鈍性彈道沖擊實驗測試研究綜述

汪 送

(武警工程大學 裝備管理與保障學院， 西安 710086)

在美軍的武力連續體中，非致命武器僅次于致命武器，是遂行各類多樣化任務中致命武器的有效補充，填補了口頭警告和致命武力之間的空白，美軍稱其為“力量倍增器”。在各種類型非致命武器當中，動能非致命武器(Kinetic Energy Non-lethal Weapons，KE-NLW)發展最早[1]，自20世紀70年代后期以來，KE-NLW被軍警部門在不需要或不適宜使用致命武器的情況下廣泛使用。Robbe等[2]指出KE-NLW系統仍然是戰場上應用最廣泛的非致命武器之一。防暴動能彈是KE-NLW的重要成員，也稱防暴致痛彈，是利用彈丸的飛行動能打擊有生目標，使其致傷致痛，從而失去抵抗能力或行動受到抑制的一種警用非致命彈種[3]，國外也稱其為沖擊彈藥(Impact Munitions)，動能沖擊彈(Kinetic impact projectiles，KIPs)等。Biagioni等[4]指出在民眾示威和需要控制暴亂個人的情況下，防暴發射器的使用已經取代了傳統槍支。

防暴動能彈的設計初衷是使目標暫時失能，而不造成致命性或永久性傷殘，也因此存在作戰效能的下限和損傷風險的上限這雙重限制。Haar等[5]將非致命性界定為：預期產生不需要專業醫療護理的輕傷，如輕微的挫傷、擦傷或扭傷，同時要避免產生需要專業醫療護理的重傷，包括從需要縫合的裂傷到需要手術或重癥監護室級護理的貫穿性損傷。盡管設計初衷是不產生重傷，但在實際應用中導致過度傷害的案例屢見不鮮，其中較為常見的損傷致因有近距離射擊、多發射擊、對胸部以上部位的射擊，以及對年幼、年長個體的射擊等[6]。根據Hubbs等[7]統計的106個執法機構的373起事件中發射的969枚彈丸的損傷信息表明，瘀傷占51%、擦傷占31%、皮膚撕裂傷占6%、骨折占4%、皮膚貫穿占2%，1%導致受試者死亡，僅6%的彈丸未造成人身損傷。Haar等[5]通過統計分析防暴動能彈的損傷文獻，在 1 984 個受傷個體中，53人(2.67%)因受傷而死亡，300人(15.12%)永久殘疾，在2135處損傷中，71%是嚴重的，皮膚和四肢受傷最為頻繁。這些統計數據清晰表明，防暴動能彈的使用安全性依然令人堪憂，為提高防暴動能彈的固有安全性和使用安全性，需要通過實驗測試對其致傷威力進行全面評估。

由防暴動能彈沖擊所造成的人體生物力學響應有3個組成部分：體質量加速的慣性阻力；剛性結構和組織的壓縮產生的彈性阻力；由組織的速率依賴性引起的粘性阻力，目前存在3種經典的防暴動能彈鈍擊實驗測試方法，即黏土測試、彈道明膠測試和生物力學替代品(碰撞假人)測試[8]。Lyon[9]指出雖然在過去的30 a中已經開發了各種鈍性創傷模型，但是沒有一種單一的方法能夠評估各種類型的彈丸對身體不同部位的沖擊。較簡單的模型僅包括最基本的參數，而較復雜的模型往往僅適用于非常具體的彈丸類型。為評估防暴動能彈致傷威力，除了分析模型外，通常采用實驗測試方法來進行彈丸致傷威力判定。

1 鈍性彈道沖擊典型測試平臺

為分析不同射擊距離及沖擊能量下防暴動能彈對目標的潛在傷害，需要以不同的碰擊速度進行沖擊測試，一種可能的方法是在每次射擊過后通過移動武器來改變碰擊速度，這種方法因為彈道擴散和裝藥量誤差大而難以精確實現。Alexandre等[10]給出了一個更好的解決方案，即設計一個特定的槍來實現不同速度的發射，并自制了配有可互換的鋁質發射管的氣動發射器，該發射器可承受高達1 MPa的輸入壓力，該氣動發射器允許以特定的速度高精度發射直徑達 40 mm 的不同的彈丸。表1給出了鈍性彈道沖擊領域典型測試平臺的相關性能，表1給出的4個平臺均采用氣動發射器，通過高速攝影機拍攝彈丸終點特性，其中，Bir[11]為確定人體對胸部鈍性沖擊的響應走廊，搭建實驗平臺，采用剛性PVC彈丸對尸體標本、組織模擬物(粘土和明膠)和生物力學替代品進行沖擊測試。Oukara等[12]提出了一種“力壁法”，建議使用三種依賴于顱內壓的損傷閾值(無意識、腦膜損傷和骨損傷)為參考來確定射彈3個相應的臨界沖擊力。Sahoo等[13]開發了一種基于實驗測試與數值模擬的方法來預測頭部損傷風險。在3種不同的沖擊速度下，用剛性力壁進行16次非致命彈丸沖擊測試，力/變形時間數據用于非致命彈丸有限元模型驗證。Anctil等[14]為測試皮膚穿透替代品的效果，也搭建了一種氣動槍平臺。但這些平臺都采用壓縮氣瓶作為彈丸發射的動力源，因此在一定程度上限制了發射速度。此外，發射管普遍較短，難以獲得一致性較好的碰擊速度。

表1 鈍性彈道沖擊典型測試平臺

1.1 生物替代品

除了PMHS樣本，生物替代品也常被選作沖擊對象，蒲利森等[19-20]采用瘦肉型豬進行局部組織創傷研究，采用山羊來進行內臟損傷研究，通過對生物的胸腹部、臀部進行實彈射擊，展開了對10 mm布袋彈、18.4 mm布袋彈、18.4 mm橡皮霰彈、18.4 mm橡皮彈和38 mm軟體變形彈的生物致傷效應實驗，給出了上述彈藥在不造成過度傷害前提下的有效使用距離。周龍偉等[21]選取東北地區山羊和瘦肉型豬作為18.4 mm橡皮霰彈的生物學試驗模型，在常溫狀態下，研究了18.4 mm橡皮霰彈對兩種試驗動物在不同距離、不同防護、不同部位條件下的胸、腹部損傷情況，并采用X線攝片檢查了彈丸存留情況及貫通傷深度。Langlet等[22]為了更好地理解鈍性彈道參數和彈體結構如何影響彈丸與目標間的相互作用，進行了非致命動能彈丸沖擊豬胸部的實驗測試。結果表明，損傷的嚴重程度似乎主要與肋骨骨折導致結構脆化后可以轉移到胸壁的剩余脈沖相關，并指出必須重視彈丸質量與速度的組合，從而科學確定非致命彈丸的安全界限。

1.2 非生物替代品

采用PMHS和動物來研究彈丸的終點效應能獲得較為真實的生物力學響應，其中，PMHS提供了最好的形態學相似性，而動物具有最好的病理生理學相似性，但兩者均存在樣本獲取困難、個體差異大的問題，必須

2 鈍性彈道沖擊典型替代品

2.1 PMHS替代品

在進行鈍性彈道沖擊測試時，人類尸體(Post Mortem Human Subject，PMHS)是最理想的測試對象，Bir[11]采用 37 mm PVC彈丸沖擊PMHS的胸骨，獲得了生物力學響應走廊(后文簡稱Bir實驗走廊)，從而為機械替代品和有限元模型的驗證提供了參照數據。Bir等[15]進一步指出，在不使用活體人類受試者的情況下量化皮膚貫穿閾值的最準確方法也是使用PMHS。作者采購了8具PMHS，用RB1FS彈丸對前胸部、后胸部、腹部和腿部等進行多次沖擊，前、后胸部產生50%貫穿風險所需的能量密度分別為23.99 J/cm2和52.74 J/cm2。JEROME[16]采用PVC彈丸沖擊PMHS，獲得了鈍性彈道沖擊下腹部的力-時間、偏轉-時間和力-偏轉響應走廊。Freminville等[17]通過發射40 mm復合型動能彈丸研究評估了在不同距離范圍的24具PMHS在額骨、顳骨、胸骨和左脛骨區域引起的損傷，獲得了造成50%幾率骨折風險的速度分別為：79.2 m/s、72.9 m/s、72.5 m/s和76.7 m/s。Nicolas等[18]對比了PMHS和豬的胸部行為，在相同沖擊條件下，豬胸部的運動大于PMHS的運動，在給定的鈍性標準(Blunt Criteria，BC)值下，PMHS的損傷程度總是高于豬。

有足夠多的實驗數量，才能獲得統計學上有顯著性的結果，同時為了克服倫理問題并提高測試的可重復性和可再現性，從20世紀60年代起，通常使用非生物模擬物如彈道明膠(BG)或彈道肥皂來研究拋射物對人體的沖擊[23]。表2給出了5種較為典型的鈍性沖擊非生物替代品模型，Merkle等[24]采用人體軀干替代模型(HSTM)來評估胸部和腹部內臟對彈道撞擊的反應，HSTM在胸骨和胃上受到一系列彈道撞擊，通過安裝在器官中的傳感器測量通過軀干傳播的壓力波，提高測試精度則需要持續提高HSTM的生物保真度，包括增加解剖細節和額外的材料表征。Bir[11]第一次嘗試使用3-RCS來評估非致命彈藥的彈道沖擊，3-RCS提供評估持續損傷參數VC以預測損傷風險的能力，后面經過改進，成為三肋彈道沖擊假人(3RBID)。Bir等[25]使用12號RB1FS彈丸來評估每種材料組合，最終確定的替代品包括天然麂皮的撕裂評估層(LAL)、0.6 cm厚的閉孔泡沫層和20%彈道明膠的貫穿評估層(PAL)，預測50%貫穿的能量密度為23.88 J/cm2(PMHS實驗數據為23.99 J/cm2)。該模型可重復的、性價比高，并被北約STANREC標準草案采用，但天然麂皮的厚度變化很大，厚度不同可能導致結果略微不同。于是，Anctil[14]采用一層厚400 μm的熱塑性聚氨酯薄膜代替標準草案中的天然麂皮，得到了相似的貫穿極限速度(V50)。Xiong等[26]建立了包括牛皮、石蠟凝膠和明膠在內的皮膚-脂肪-肌肉模型，分別模擬皮膚、脂肪和肌肉。采用16 mm球形橡膠子彈以不同速度(71～134 m/s)沖擊該模型，并用高速攝像機拍攝空腔演化和牛皮變形。Bracq等[27]采用苯乙烯-丁烯-苯乙烯聚合物凝膠塊(SEBS)作為彈道測試介質，通過測量凝膠壁動態位移來解釋剛性彈丸的彈道沖擊，耦合實驗和數值方法，將彈道實驗與鈍性創傷的風險聯系起來，基于12個數據對建立了在凝膠塊上的單獨實驗數據和肋骨骨折概率之間可靠的傳遞函數。

表2 用于鈍擊損傷研究的典型非生物替代品模型

3 防暴動能彈彈丸終點彈道測試

彈丸類型不同，其終點特性也差異較大，在橡皮彈、布袋彈和復合型防暴動能彈3種類型的彈丸中，復合型防暴動能彈致傷機理最為復雜，其彈丸設計與表征也最為困難，Pavier等[28]采用分離式霍普金森壓桿系統來確定復合型彈丸聚氯丁二烯基彈頭的動態特性，以確定擬研究沖擊應變率范圍內的應力-應變曲線，采用40 mm氣動槍發射彈丸，沖擊裝有力傳感器的厚鋼板，并通過測量剛板上的沖擊力來提供參考載荷數據。Kapeles等[29]根據BC標準，取BC=0.37，改變彈丸質量和速度，以及目標的尺寸，生成了直徑為40 mm的彈丸的損傷容限曲線，根據損傷容限曲線，可以確定給定彈丸不同速度下不同受體的損傷概率。所研究的兩種彈藥分別是防務技術公司的40 mm精確沖擊彈(Exact ImpactTM)和直接沖擊彈(Direct ImpactTM)，兩種彈都包括標準射程和增程兩種類型。其中，標準和增程型的精確沖擊彈丸的BC值分別為1.06和1.48，這都遠高于BC=0.37的50%概率維持AIS 2或3的胸部骨骼損傷閾值，這說明基于剛性彈丸所獲得的損傷閾值和響應曲線對于軟質布袋彈和復合型動能彈是否依然適用需要進一步的研究。Robbe等[2]指出為進行彈丸沖擊損傷測試，通常使用商業上可獲得的彈丸來執行，一方面，彈丸相當昂貴，且具有可膨脹特性，另一方面，測試者無法控制彈丸的機械特性和行為。如果制造商修改其彈丸的某些特性，則對測試的再現性將產生戲劇性的影響，于是提出一種易于開發的替代彈丸，稱為“模擬非致命彈丸”(BSNLP)，其目的是取代標準中的參照彈丸，建議的BSNLP彈體均由Stratasys 3D打印公司生產的丙烯腈丁二烯ABS plus P430塑料制成，彈頭材料則選用了四種可變形材料(聚丙烯閉孔泡沫塑料(EPP)、乙烯-醋酸-乙烯酯高密度泡沫(EVA HD 70)、氯丁橡膠泡沫橡膠(CR)、乙丙二烯亞甲基橡膠(EPDM))，其中，EPP和EVA HD 70的可重復性明顯好于其他材料，使它們成為彈頭材料的更好候選者，這兩種材料制成的彈丸與市場上可用的彈丸的比較也顯示出良好的一致性。

彈丸的終點特性決定著彈-靶間的能量傳遞，在沖擊點導致直接損傷的同時，因轉移能量在靶標中的動態擴散進一步導致間接損傷，Pavie等[30]在一個普通的動能范圍內(100～160 J)，為了研究胸部損傷的嚴重程度，對兩個不同質量的40 mm彈丸在動物替代物上的沖擊測試進行了分析。實驗結果表明，動能和口徑不足以區分兩種射彈的致傷威力。諸如動量、形狀和阻抗等參數影響射彈與胸部的相互作用和末端效應，其損傷機制取決于射彈和胸腔的相互作用以及撞擊過程中傳遞到胸腔的能量。Pavier等[28]進一步為研究沖擊點附近的響應，在離體的含肋豬胸上嵌入力傳感器、加速度傳感器和應變片，擬通過沖擊來觀察壁位移、肋骨加速度和應變、肋骨骨折，受傷取決于彈丸和胸腔之間的相互作用，這由傳遞到胸腔的脈沖來表示，而動量驅動了脈沖和胸部位移。結果表明：“低質量-高速度”彈丸可以迅速提供負載，“高質量-低速度”的彈丸具有較慢的沖擊動態特性，但提供更高的沖擊力，這種彈丸對受損結構具有更大的作用，并引起可能導致肺穿孔的大量局部位移。Kapeles等[29]采用 40 mm 增程型精確沖擊彈和直接沖擊彈沖擊三肋彈道沖擊假人(3RBID)，結果僅導致了給定能級下的較低的VCmax值，這與柔軟或硬質泡沫彈頭材料的變形或斷裂會耗散本應轉移到目標的能量有關。通常認為，40 mm的大口徑彈丸不會造成皮膚穿透，但通過提高發射速度并沖擊多層替代品，增程型精確沖擊彈和直接沖擊彈在速度足夠大時也造成了皮膚穿透，因此，實戰應用中，射擊距離不應小于所規定的最小安全射距。Sebastian等[31]為有效評估TASER?增程電擊彈(XREP?)的作戰效能，在不同射擊距離上實驗測試了XREP?系統中發射武器和射彈間的相互作用及實彈和訓練彈的射擊精度。研究指出，為了能夠評估XREP?的安全性，必須考慮彈藥的彈道特征，射彈的準確性和精度越好，可以預期的附帶損害就越少。

從上述研究可知，為獲取較為真實的鈍擊測試結果，需要開發與人體組織結構相類似的非生物替代材料，同時為減小射彈散布和提高彈道一致性，在進行鈍擊實驗時普遍采用彈道氣動發射裝置(如彈道空氣炮)，或者使用專門研制的彈道槍進行彈丸發射，針對PMHS的試驗逐漸減少，發展有效的非生物替代品成為重要的試驗手段。在動物實驗、PMHS測試可能引發道德和倫理問題的大背景下，開發廉價的、可重復、可再現的機械替代品是進行防暴動能彈鈍擊實驗測試的不二選擇。

4 結論

1) 測試平臺以氣動發射為主，槍械發射為輔，以獲得不同的出口速度，但是彈丸速度一致性方面有一定欠缺，由于通過防暴槍進行彈丸發射因裝藥量存在不可避免的差異，從而導致出口速度出現較大偏差，且難以獲得預期所需的出口速度，且因槍管長度較短，受火藥燃氣擾動，彈丸飛行穩定性較差，而彈道空氣炮可以通過調整發射壓力來獲得不同的出口速度，同時通過增長發射管的長度，可以顯著提高動能彈彈丸的彈道一致性和著靶能量一致性；

2) PMHS替代品和生物替代品各有優缺點，但樣本獲取困難，個體差異性較大，為提供具有可對比性的測試結果，需要采用非生物替代品，但基于單純明膠塊的多層替代品，通常僅用于測量彈丸沖擊所形成的空腔及其演化，或用于驗證皮膚穿透的替代品，但不能定量測度能量的轉移與傳遞過程，下一步研究方向包括：構建復合靶標，在明膠塊內部嵌入各類傳感器和肋骨、長骨的仿生骨，以預測能量擴散和空間損傷，分析彈丸不同載荷特性下皮膚穿透/非穿透與骨折間的關聯關系；

3) 現有的彈-靶間能量交互的研究，多是針對制式槍彈創傷彈道的研究，或是針對防彈衣背面鈍性創傷的研究。當前，國內尚未建立具有解剖結構的和可定量測度空間能量擴散的仿生靶標，對于揭示防暴動能彈沖擊能量傳遞以及轉移能量的動態擴散規律研究還缺乏標準化的等效靶標。