耦合多維致傷判據的防暴動能彈安全設計規范研究

汪 送

(武警工程大學 裝備管理與保障學院， 西安 710086)

1 引言

動能類非致命武器(kinetic energy non-lethal weapons，KE-NLW)是發展最早的一類非致命武器[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運用。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，防暴動能武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穿透性損傷。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、年老個體的射擊等[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%、皮膚穿透占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2 135處損傷中，71%為嚴重損傷，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，過度損傷與設計缺陷或使用不當相關，但根本原因在于對不同類型動能彈丸的非致命致傷效應和損傷機理仍然缺乏本質的了解，特別是缺乏科學有效的安全設計準則和損傷評估方法。

本文將基于廣泛的文獻調研，構建動能彈丸的沖擊損傷譜，提煉關鍵致傷因素，進而綜述國內外主流致傷判據，并給出防暴動能彈的安全設計流程，旨在推動防暴動能彈的本質安全化設計，提高動能彈彈丸的使用安全性。

2 防暴動能彈沖擊損傷譜研究

2.1 防暴動能彈沖擊損傷譜的構建

防暴動能彈可導致鈍性和穿透性損傷，從局部挫傷到嚴重的器官損傷和死亡。不同類型防暴動能彈損傷機理并不相同，同一類型防暴動能彈對人體不同部位造成的損傷特性也并不相同，為提供損傷救治的科學手段，需要構建不同類型動能彈丸對人體的沖擊損傷譜。

為分析典型動能彈丸的沖擊損傷特性，通過查閱文獻，按照彈丸類型、彈丸參數、目標參數、損傷特性和致因分析對典型沖擊損傷案例進行了比較分析，得到了如表1所示的典型防暴動能彈沖擊損傷案例表，從表1可知，最小的彈丸重量僅為4.75 g(Fiocch橡膠彈丸)，最大的彈丸重量為40 g(布袋彈)雖然兩者質量相差較為懸殊，但動能分別為173.14 J和165.62 J，又較為接近；13個案例中，受擊對象均為男性，年齡從22～46歲，平均年齡34.45歲；損傷特性包括體表的擦傷、挫傷、撕裂、血腫和穿透，體內的氣胸、血胸、心肺挫傷、骨折等，主要的致傷原因有彈丸動能過大、射距過近、彈道擴散較大等。

表1 典型防暴動能彈沖擊損傷案例

續表(表1)

為進一步區分主流的橡皮彈(含能量衰減型防暴動能彈)和布袋彈的損傷類型，基于大量的文獻調研[8-19]，構建了如圖1和圖2分別所示的橡皮彈(含能量衰減彈)沖擊損傷譜和布袋彈沖擊損傷譜。從圖1和圖2可知，2種類型動能彈產生了遠超乎想象的損傷類型，這與防暴動能彈預期不產生中度以上傷害的初衷背離較遠，從頭頸部、胸部、腹部和四肢的損傷情況來看，頭部和胸部損傷類型較多，且較為復雜，也通常是致命性損傷的歸因區域，一方面提高了損傷救治的難度，另一方面也進一步表明了進行動能彈丸安全設計的必要。Suyama等[20]研究指出91%的布袋彈損傷是挫傷或擦傷，而橡皮彈此類傷的比例是64%。橡皮彈造成撕裂型傷害的可能性幾乎是布袋彈的4倍。對比圖1和圖2可知，橡皮彈相較布袋彈而言，損傷譜分布更為廣泛，這是由于橡膠彈丸的類型更多多樣，且通常初速更高，空中飛行速度衰減較慢，從而容易造成更為嚴重的損傷。

圖1 橡皮彈(含能量衰減彈)沖擊損傷譜

圖2 布袋彈沖擊損傷譜

2.2 基于損傷譜的防暴動能彈關鍵致傷因素提煉

動能彈丸造成的死亡、重傷和永久性殘疾，實際上是由于彈丸近距離射向頭部、頸部、胸部和腹部等重要器官造成的傷害所致。與損傷嚴重程度相關的主要因素是創傷區域的彈性系數、轉移的動能和彈藥的阻力系數，因此，沖擊損傷與彈丸參數、生物體參數和沖擊條件三方面因素密切相關[8-9]。

防暴動能彈有許多變量可以影響傷害模式和嚴重程度，包括材料組成、形狀、數量、出口速度(彈藥離開武器的速度)和彈藥的飛行軌跡、射擊距離和對身體的沖擊位置等[21]。Mahajna等[22]指出影響創傷類型、大小和深度的因素包括彈藥的重量(質量)、形狀和速度、彈藥撞擊時的動能、表面粘彈性屬性(張力)、身體表面在撞擊區域的抗侵徹能力以及彈藥的阻力系數。Haar等[5]研究指出影響受傷嚴重程度的潛在危險因素包括沖擊點、射擊距離和可獲得的醫療護理。彈道數據表明，密度高的物體和更快的彈丸速度增加了沖擊力[23]。基于圖1和圖2所示的沖擊損傷譜，結合損傷譜構建中所涉及的沖擊損傷案例，提煉防暴動能彈關鍵致傷因素如圖3所示。

圖3 防暴動能彈關鍵致傷因素框圖

從圖3可知，彈丸質量和速度決定彈丸動能，彈丸動能決定沖擊能量，截面積決定沖擊能量的分布，彈丸形狀影響彈丸彈道系數和阻力系數，彈丸材質影響沖擊能量傳遞過程，截面密度決定彈丸硬度，進而影響彈丸沖擊過程中的形變能力；目標體重影響沖擊過程中的動量傳遞，體壁厚度與穿透損傷相關，沖擊部位的彈性系數和組織楊氏模量決定損傷類型，年幼和年長的女性目標受嚴重損傷的概率更高；射擊距離影響碰擊速度，入射角決定了彈丸的沖擊載荷特性，沖擊次數的增加會導致損傷的疊加，彈著點分散較大則容易導致擊中非允許射擊的脆弱區域。以上提煉的因素是進行防暴動能彈沖擊損傷評估的關鍵致傷因素，也是關聯致傷判據的重要紐帶。

3 防暴動能彈致傷判據研究

在研究防暴動能彈致傷威力和損傷機理的過程中，如何科學選擇和確定致傷判據，對于損傷風險的高效評估具有決定性作用，David等[24]指出評估與動能彈藥有關的潛在傷害能力已經成為科學界的一個新問題，雖然已經提出了多種評估方法，但目前還沒有被廣泛接受的方法來評估由防暴動能彈沖擊造成的傷害等級。Alexandre等[25]指出目前還沒有普遍接受的標準來評估防暴動能彈的有效性和致傷威力，科學家、決策者和用戶等均強調需要這種評估工具。蒲利森等[26]也指出按國內外傳統殺傷彈標準或傳統動能防暴彈標準對10 mm布袋彈致傷威力所進行的考核，均不能真實地反映其生物致傷威力。因此，迫切需要明確的、可驗證的致傷判據，以便能夠為KE-NLW確定危險或安全的射擊距離并評估可能造成的傷害。

致傷判據是由一定條件下能夠正確反映人體損傷嚴重程度的物理量或者多個物理量組成的函數(損傷預測因子)表示。如圖3所示，由于人與人之間可能存在年齡、性別、身體機能等方面的差異，防暴動能彈在沖擊部位、沖擊速度、入射角度等相同條件前提下，對人體造成的損傷也會存在差異。因此，致傷判據只能依據正常情況下大部分人體的損傷嚴重程度制定，大部分致傷判據本質上反映的是損傷達到給定的簡明創傷定級標準(abbreviated injury scale，AIS)的可能性。在致傷判據的研究中運用過多種概率函數，最為常用的是邏輯回歸函數(logistic regression)，該函數在流行病學和武器損傷威力評估中均得到廣泛運用[23]。

(1)

式(1)中：x是預測變量，即致傷判據；p(x)表示損傷達到給定的AIS損傷等級的概率；α和β是通過對大量生物力學測試實驗的統計分析得到的參數。

國內采用的致傷判據主要包括動能判據(≤98 J)、比動能判據(10～26 J/cm2)和穿透力標準(安全作用距離不能穿透25 mm厚的紅松木板，有效致痛距離能穿透2層0.05 mm厚的牛皮紙)，而國外則更多地選用鈍性標準BC(blunt criterion)、粘性標準VCmax(viscous criterion)、沖擊動量標準、沖擊脈沖標準等(其中與胸部沖擊損傷關聯度較高，且應用較為廣泛的判據為BC判據和VCmax判據)，以及用于評估頭部沖擊損傷的最大顱內壓/最大頭部沖擊力標準。以下結合圖3所提煉的關鍵致傷因素及其與致傷判據之間的從屬關系，對主要致傷判據進行對比分析。

3.1 動能/比動能致傷判據

動能判據是指當投射物的動能達到一定界限時，就能對人員有效地殺傷，否則就不能。動能判據基于能量傳遞的觀點，將能量傳遞率作為重要測度指標，能量傳遞率是指彈丸沖擊靶標后傳遞給靶標的能量與碰擊能量的比值，表示為：

(2)

(3)

式(2)～(3)中：E為動能(J)；m為彈丸質量(kg)；V為彈丸速度(m/s)；ηE為能量傳遞率(%)；Ec為彈丸碰擊動能(J)；Ex為彈丸回彈動能(J)；Vc為彈丸碰擊速度(m/s)；Vx為彈丸回彈速度(m/s)。

事實上，Koene等[27]認為速度(動能)和穿透并不總是相關的重要原因是：損傷不是由于能量吸收，而是由于太多的應力(σmax)，在應變超過某個臨界極限(εmax)的情況下，組織被破壞。此外，除了閾值速度，還應該考慮沖擊截面積(口徑)、彈丸材料和形狀。因此，動能判據逐漸地被比動能判據所取代，比動能計算式為：

e=E/A

(4)

式(4)中：e為動能彈丸的比動能；A為彈丸撞擊靶標瞬間的沖擊截面積。

文獻[28]建議“致痛但不穿透人體皮膚的安全閾值”是比動能為10 J/cm2，“致傷等級(AIS)為Ⅱ級的安全閾值”是比動能22 J/cm2、動能55 J。不同國家對動能閾值具體規定并不一致，如法國定為39 J、德國和美國定為78 J、國內采用的98 J是沿用前蘇聯的規定。比動能判據比較適合進行皮膚穿透風險評估，但是存在10 J/cm2[28-29]和23.99 J/cm2[30]2個相差較大的穿透閾值，這也說明，沖擊載荷特性不同的動能彈丸對皮膚的穿透比動能是完全不同的，從而在一定程度上限制了比動能判據的適用范圍，比動能判據適合對比評估相同彈丸不同沖擊速度下的皮膚穿透風險。

3.2 鈍性沖擊致傷判據

鈍性BC判據是美國軍隊為了預測平頭彈沖擊人體的損傷情況而制定的致傷判據，其計算式為[31]：

(5)

式(5)中：m表示彈丸質量(kg)；V表示彈丸速度(m/s)；W表示目標質量(kg)；T表示目標體壁厚度(cm)；D表示彈丸直徑(cm)。

如圖3所示，BC判據在比動能判據的基礎上，進一步考慮了受擊對象的體重和體壁厚度，使得損傷評估更為科學和全面。BC判據曾是彈藥設計制造的參考依據，之后Bir等人將這一標準引入到了防暴動能彈沖擊損傷評估領域，并確定當BC=0.37 m/s時，胸部損傷AIS等級大于I級的概率為50%。然而，BC判據有一定的局限性，如未考慮彈體的材料特性等，因此對質量、速度、外形相同的防暴動能彈，即使材料不同(如具有不同形變特性的硬質和軟質材料)，根據公式(5)將計算得到相同的BC值，而這與實際嚴重不符。事實上，對于軟質彈丸，較高的BC值也可能不會造成極為嚴重的損傷。

3.3 粘性沖擊致傷判據

粘性VCmax判據由Lau和Viano首先提出[32]，該標準描述了胸部損傷與胸部形變量及形變速度的關系，適用于粘性損傷評估。其表達式為：

(6)

一般情況下，胸部損傷程度受VC的最大值影響，因此利用VC判據時往往考慮VCmax值。當VCmax=0.8 m/s時，胸部損傷AIS等級大于等于I級的概率為50%。VCmax判據直接從人體胸部的響應情況來評估損傷，避免了BC判據因彈丸形變性能不同而導致評估結果卻相同的問題。北約標準《非致命彈丸胸部損傷風險評估》(AEP-99)[33]也是采用粘性VCmax判據。

從式(6)可知，VCmax判據似乎只與胸壁的變形量和變形速率相關，但正如圖3所示，不同的VCmax值與彈丸的物理參數以及生物體的體重和體壁厚度都密切相關，VCmax判據是上述因素耦合影響的最終結果，因此，VCmax判據是一種較為系統全面的致傷判據。

3.4 頭部沖擊致傷判據

根據北約標準《非致命彈丸頭部損傷評估》(AEP-103)[34]，有2個標準可以預測非致命彈丸造成腦損傷的嚴重程度。第1個標準是瞬時顱內壓的最大值(transient intracranial pressure，TICP，通過PMHS和動物試驗測得的閾值)；第2個標準是最大接觸力(由基于顱內壓數據的數值模型計算的閾值)，接觸力的值來自TICP值的數值外推。頭部沖擊致傷閾值如表2所示。

表2 頭部沖擊致傷閾值

國軍標對于非致命性防暴彈藥幾乎是一片空白[35]，我國防暴動能武器還一直沿用松木板及牛皮紙的評估辦法，在《防暴彈藥定型試驗規程》(GJB3287—98)中定義“0.025 m厚、無腐朽、節疤、蟲孔、木質均勻、含水率不大于15%的紅松木板或擊穿比動能為118 J/cm2的相應厚度均勻板材”為模擬靶標材料。在《槍彈試驗方法》(GJB3196—98)、《槍用防暴橡皮彈規范》(GJB5059—2001)中，也仍沿用了松木板(安全閾值)及120 g牛皮紙(有效閾值)的穿透率對橡皮彈進行評估。并規定其安全作用距離為射擊0.025 m厚松木板的穿透率為0，有效致痛距離則以120 g重的單層牛皮紙擊穿率50%為界限。這些評估方法已不適用于布袋彈、能量衰減型防暴動能彈的致傷評判，因此，為評估防暴動能彈的致傷威力，需要科學地選用致傷判據，特別應注重在需求論證階段進行優化設計，提高動能彈丸的本質安全化設計水平。

4 耦合多維致傷判據的防暴動能彈安全設計流程研究

現有防暴動能彈普遍存在近距離威力過大、遠距離效能不足的現實問題，雖然目前尚無普遍認可的防暴動能彈致傷判據，但為提高防暴動能彈的本質安全化設計水平，需要綜合國外認可度較高的致傷判據來進行安全設計，得到如圖4所示的動能彈丸安全設計流程。

圖4 動能彈丸安全設計流程

首先，明確動能彈彈丸的參數輸入，包括彈丸質量、速度、材料等數據，基于公式(5)計算BC值，如果BC值小于0.37，則通過試驗測試測算彈丸沖擊瞬間的速度和截面積，在進行皮膚穿透風險驗證之前，首選基于結構、材料、形變過程等數據，構建RB1FS等效彈丸，隨后以比動能為23.99 J/cm2驗證皮膚等效模擬靶，驗證通過后，采用新設計的彈丸沖擊皮膚模擬靶，確保不產生穿透；進一步根據驗證通過的人體胸部靶標，進行VCmax計算，該值應小于0.8 m/s；雖然頭部是非允許的射擊部位，但考慮到可能的彈道擴散和目標的隨機移動，進一步進行頭部損傷閾值驗證，確保最大顱內壓小于45 kPa，或者最大頭部沖擊力小于3 600 N，以確保不產生中度以上的傷害，以上步驟均通過，則進行進一步的有效性驗證，以確保動能彈丸在有效射程范圍內能達到預期的致痛效果，如果上述步驟中的任一步驟未能驗證通過，則需要進行參數優化，重新進行驗證流程。

圖4給出的安全性設計流程是一種較為保守的驗證方式，特別是在進行衰減能量型彈丸驗證時，雖然計算的BC值可能較高，但后續的驗證步驟均能通過，此時應結合彈丸實際，進行比對閾值的科學修訂，從而確保設計出的動能彈丸兼具安全性和有效性。

5 結論

1) 橡皮彈(含能量衰減型防暴動能彈)和布袋彈具有廣泛的沖擊損傷譜，致損嚴重程度給損傷救治帶來較大的挑戰；

2) 動能彈丸關鍵致傷因素包括：彈丸質量、硬度、初速、阻力系數、射擊距離、入射角、彈道擴散和打擊區域；

3) 動能彈丸安全設計需要遞進考慮BC值、比動能、VCmax值和最大顱內壓(或最大頭部沖擊力)，耦合多維致傷判據進行設計優化，整個過程需要重復進行、迭代優化。