云爆彈/溫壓彈的殺傷因素及殺傷特點的研究進展

李 越，李兵倉

1.空軍986醫院神經外科，西安 710054;2.陸軍軍醫大學大坪醫院武器生物殺傷效應評估研究室，創傷燒傷復合傷國家重點實驗室，重慶 400042

云爆彈又稱為燃料空氣炸彈(fuel air explosive，FAE)，是一款多因素的面殺傷武器。自20世紀60年代初問世以來[1]，美軍曾在越南戰爭、海灣戰爭、阿富汗戰爭中多次使用，俄軍也在20世紀90年代的車臣戰爭中使用了這種武器。溫壓彈(themobaric bomb)于20世紀80年代問世[2]，也稱為熱壓彈(heat-pressure bomb)，是FAE的改進型，其殺傷威力更強[3]。云爆彈/溫壓彈既可是身管武器發射的榴彈、火箭彈，也可是機載的炸彈和導彈，可單兵使用，也可班組應用。鑒于這類武器主要殺傷隱藏于各種建筑和山洞內的人員目標(對地面人員有規模化殺傷作用)，而城市/山地作戰又和陣地戰不同，故筆者以“fuel air explosive” “themobaric bomb” “heat-pressure bomb” “killing efficiency”為關鍵詞，檢索PubMed和SinoMed文獻數據庫。以“云爆彈” “燃料空氣炸彈” “溫壓彈” “熱壓彈” “殺傷效應”為關鍵詞，檢索萬方、維普、中國知網等數據庫。檢索時限為2002年1月—2021年6月。文獻納入標準為與云爆彈/溫壓彈相關的論著和綜述，以及與動物或人有關的武器定型、現場測試和戰傷調查；文獻排除標準為重復發表的文獻和無法獲取全文以及無論文摘要的文獻。共獲得中、英文文獻各20篇，最終納入中文文獻12篇，英文文獻4篇。另外，筆者采用了典型動物病理標本，以便更形象地說明這類武器的殺傷因素和特點。

1 彈藥簡介

FAE內裝填的主要是液體燃料，如環氧乙烷、環氧丙烷、甲基乙炔、丙二烯等，或這些燃料的混合物，另有少量高爆炸藥。它們在離地面一定高度(1.2m左右)時，高爆炸藥炸開彈體以向空中拋撒燃料形成氣溶膠云霧，再予引爆形成爆轟，從而在形成強大沖擊波(爆心約3Mpa,100m處約0.1MPa[4])和高溫的同時，也因燃燒而大量耗氧，其威力為等量TNT炸藥的5～10倍。云爆彈的毀傷威力受燃料配方、燃料拋灑均勻性、引信結構和彈體結構的影響[5-6]，需兩次起爆才能發揮殺傷作用，首次起爆用以炸開彈體拋灑燃料形成云霧，二次起爆用以引爆燃料云霧，故1枚云爆彈依稀可聽到兩次爆炸聲，第2次爆炸聲更震撼人心。兩次起爆的主要技術問題是如時間控制不當會影響殺傷效果，為此采用化學催化等方法將兩次起爆合并為一次是提高殺傷效果的關鍵，同時也簡化云爆彈結構，降低研制成本。

溫壓彈內裝填的是溫壓炸藥(混合炸藥，含鋁、硼、硅、鈦、鎂、鋯等納米級金屬粉末[7-9])，它兼具高爆炸藥和燃料空氣炸藥的特點，也可以認為是富含燃料的高爆炸藥。其爆速(3～4km/s)比高爆炸藥(8km/s)慢，爆炸過程最初是無氧爆炸(產生燃料，決定高壓性能)，然后是無氧燃燒(燃料粒子燃燒，決定中壓性能)，最后是有氧燃燒(消耗氧氣，決定高壓沖擊和熱性能)。30kg的含鋁溫壓炸藥其爆炸火球直徑可達17.4m，火球中心溫度在3 800K左右；3.0kg溫壓炸藥可形成半徑3.0m的云霧團，邊界處壓力可達2.10Mpa[10]。溫壓炸藥可以是液體，也可以是固體，拋撒后可在空中形成溫壓炸藥云霧團。以云霧團方式擴散的細微炸藥顆粒比油氣炸彈(FAE)的液態燃料有更強的毀傷力[3]，特別是在風力、風向、溫度變化以及雨天環境下，溫壓彈的殺傷效果比云爆彈更可靠。溫壓炸藥主要產生高溫和高壓沖擊波，這些殺傷因素在相對密閉的環境中威力比在開放空間中提高50%～100%。溫壓彈和FAE的爆炸原理具有相似性，有學者據此認為兩者沒有本質區別，溫壓彈只是FAE的提高型而已。

由云爆彈/溫壓彈的爆炸特性可知，風力、風向、溫度、降雨對它們的作戰效果有不同程度的影響。但由于燃料/溫壓炸藥氣溶膠的比重大于空氣，容易散落地面并向低洼處漂移，因而除對地/海面目標具有面殺傷作用外，能更有效殺傷躲藏在地堡、隧道、塹壕、地下工事等相對密閉環境中的有生目標[3]。特別是其嚴重耗氧(集群使用效果更佳)特性，不僅造成人員低氧窒息(通常3～4min)，也能使機動戰車因低氧導致發動機熄火。

2 殺傷因素

FAE的主要殺傷因素有沖擊波、高溫、低氧，溫壓彈的主要殺傷因素和FAE相同，但從“溫”、“壓”名稱可以判斷，其溫度更高，壓力也更持久，加之低氧，其對人體的殺傷效果更佳。不言而喻，云爆彈/溫壓彈產生的煙霧、有毒有害氣體以及建筑物倒塌無疑會造成人員窒息和各種壓砸傷。

2.1破片 一般情況下，破片不是云爆彈/溫壓彈的主要殺傷因素。特殊情況下，為強化面殺傷效果，它也可以通過預置不同類型的破片進行更遠距離上的殺傷。破片的數量和質量與彈壁厚度及破片是否預置有關，而彈壁厚度又與沖擊波強度和破片形成有密切關系。薄壁溫壓彈沖擊波威力大，但破片數量和殺傷威力小，厚壁溫壓彈反之。綜合考慮彈壁厚度與殺傷威力是溫壓彈的重要設計內容之一。沖擊波作用后飛濺的石子、碎磚塊、玻璃等也被視作具有殺傷作用的破片。下面簡單列出了破片初速、破片在某距離上的速度、破片命中概率和人員致傷/致死數量等計算公式，以供讀者初步了解。

圓柱形戰斗部的破片初速度計算公式[11]：

破片在某距離上的速度：

式中:v=破片在某飛行距離上的速度;cw=阻力系數;ρa=空氣密度;ρm=破片密度;D=破片直徑。

爆炸場內人員目標被破片命中的概率:

式中:ρ=破片平均密度。

爆炸場內人員致死數和人員致傷數：

N(致死)=PkπR221ρ21;

N(致傷)=Pkπ(R222-R221)ρ22 。

2.2沖擊波 云爆彈/溫壓彈的沖擊波比普通高爆炸藥的峰值高，上升快，持續時間長。在相同裝藥量的情況下，前者沖擊波的毀傷威力比后者的提高2.72～4.67 倍[12]，對生物的損傷程度也更重(圖1、2)。以裝藥量72kg的溫壓彈為例[11]，其在不同距離上的超壓值平均為：929kPa/6m、514kPa/8m、 327kPa/10m、235kPa/12m、193kPa/14m、120kPa/17m 、87kPa/20m、66kPa/22m。在相對密閉環境內，沖擊波具有反射、折射和疊加作用，故其殺傷力比開放空間內更強。有文獻指出，超壓>100kPa時可致人員全部死亡，50～100kPa造成人員重傷， 20～50kPa時人員為輕傷[11]。這一報道與以往沖擊波致傷實驗有所不同，以往實驗表明[13]，沖擊波超壓為522.4～690kPa時，可導致50%的動物發生嚴重肺損傷，690.6kPa則個別致死，897.8～1 243.1kPa可致死50%的動物，1 381.2～1 726.6kPa一般均致死。

圖1 云爆彈/溫壓彈造成動物嚴重肺沖擊傷(裝藥量120kg，超壓約2.2MPa，動物現場死亡)。a.肺臟背側;b.肺臟腹側;c.肺臟切面，可見大量泡沫樣液體

2.3高溫 高溫是云爆彈/溫壓彈的重要殺傷物理因素，可造成體表和呼吸道的嚴重燒傷(圖3、4)。裝藥量72kg云爆彈/溫壓彈火球表面最高溫度為2 629°C，其表面1 000°C的持續時間為2.083s，1 500°C和2 000°C持續時間分別為1.232s和0.821s，而高溫火球的直徑可達16.8m[11]，并以2 000～2 500m/s的速度迅速膨脹[14]。

圖2 云爆彈/溫壓彈造成動物胃腸道沖擊傷(裝藥量120kg，超壓約2.2MPa，動物現場死亡)。a.腸壁廣泛出血;b.腸壁穿孔，穿孔周圍出血

圖3 云爆彈/溫壓彈造成動物的體表燒傷。a.動物現場瀕臨死亡;b.動物現場死亡

圖4 云爆彈/溫壓彈造成動物的氣管燒傷。a.氣管壁黏膜下廣發出血，組織壞死;b.支氣管分支處黏膜下廣泛出血

火球的熱輻射劑量可用下式計算：

式中:Q=熱輻射劑量(J/m2)，D=火球直徑(m)，T=火球溫度(K)，F=常數(161.7)，bG=常量(2.04×104)，r=測點到火球中心距離(m)，M=裝藥量(kg)。

根據熱劑量 592kJ/m2致人死亡，392kJ/m2致人重傷，172kJ/m2致人輕傷[11]，則致人死亡、重傷、輕傷人數為：

死亡人數N31=πR231ρ31 ;

重傷人數N32=π(R232-R231)ρ32 ;

輕傷人數N33=π(R233-R232)ρ33 。

綜上所述，為了使得外國游客在中國境內旅游的時候能夠清楚地明白我們想要傳遞和表達的旅游知識，就要求我們把自身的文化進行類比，是其和國外的文化形成聯系，讓外國人能夠接受即可。但是這樣做的前提是，一定要在保證不動搖我國文化特色的基礎上，借助外部的旅游宣傳手段來進行旅游知識的弘揚。這將使得我國高校的旅游英語翻譯專業如火如荼，也加強了文化之間的傳遞性和促進性提升。

式中：ρ31=死亡半徑內人員密度(人/m2)；ρ32=重傷半徑內人員密度(人/m2)；ρ33=輕傷半徑內人員密度(人/m2)。

2.4低氧 正常情況下空氣中氧濃度為20.9%(體積)；一般情況下，低于19.5%可呼吸加速、疲勞無力；<17%則呼吸困難和喘息；<15%呼吸加速、心跳加快、耳鳴目眩、判斷力降低；<12%嘴唇發紫、判斷力喪失；<9%則惡心嘔吐、意識喪失，如不及時搶救可迅速死亡。

在相同裝藥條件下，云爆/溫壓炸藥比TNT導致人體低氧窒息的能力高5.51倍。爆轟區的氧氣含量可在4min內降至正常含量的1/3，乃至耗盡[15]。以裝藥量70kg溫壓彈為例，氧濃度自爆炸后17s開始下降,22.8s濃度最低(15.3%),持續時間為4s，此后隨著新鮮空氣補充,氧氣濃度逐漸恢復正常[16]。

溫壓彈氧平衡計算公式如下[11]：

式中:M=裝藥量;NOiAVi=炸藥中被還原原子數與相應化合價乘積;NRiAVi=炸藥中被氧化原子數與相應化合價乘積。

計算爆炸場窒息死亡人數的公式為N=πR42ρ4，式中ρ4=人員密度(人/m2)，R42 =火球半徑(m)。

2.5有毒有害氣體 云爆彈/溫壓彈爆炸產生的有毒有害氣體主要有一氧化碳(CO)、硫化氫(H2S)和氮氧化物(NOX)。CO為無色無味氣體，濃度在13%～75%時可發生爆炸。CO與血紅蛋白的親和力比氧與血紅蛋白的親和力高250～300倍，因而人體吸入CO后血紅蛋白失去攜氧能力，造成組織和細胞低氧，當空氣中CO濃度達0.4%時，短時內人會失去知覺，若不及時搶救即會死亡。H2S是易燃性氣體，無色，低濃度時有臭雞蛋味，極低濃度時有硫磺味。它是一種神經毒素，對黏膜有強烈刺激作用，高濃度H2S可短時致人斃命，低濃度則刺激眼睛和呼吸系統，麻痹嗅神經，抑制中樞神經系統。常見NOX有一氧化氮(NO，無色)、二氧化氮(NO2，紅棕色)、一氧化二氮(N2O)、五氧化二氮(N2O5)等，其中除N2O5常態下呈固體外，其他均為氣態。NOX對呼吸系統有毒性，輕者可引起咳嗽，重者可發生呼吸困難和肺水腫。實測表明，裝藥量為70kg的云爆彈/溫壓彈爆炸15s開始CO急劇升高,21.3s達最高值(2 104μL/L，持續時間2s),30s后恢復到平衡態。NOX濃度無明顯變化[16]。

應當說明，云爆彈/溫壓彈爆炸產生的有毒有害氣體濃度受裝藥量、投放數量、環境風速、溫度、濕度等多種因素的影響，加之短暫的爆轟時間(微秒級)難以和測量儀器響應時間同步,因此武器試驗時的測量結果很難完全反映有毒有害氣體的真實情況。

3 損傷特點

根據云爆彈/溫壓彈的殺傷因素和特性，總結這類彈藥的損傷特點如下。

3.1沖擊波損傷重 典型的沖擊波損傷是“外輕內重”，即生物體表雖無明顯創傷，內部器官(肺、胃腸道、中耳)卻損傷嚴重。這一損傷特點主要和云爆/溫壓炸藥的沖擊波峰值更高、上升更快以及持續時間更長有關，這就決定了沖擊波對生物的毀傷能力更強。爆炸后距爆心近的動物現場死亡或迅速死亡的主要原因和極重度沖擊波損傷有關。

3.2燒傷重 裝藥量120kg云爆彈/溫壓彈致傷實驗表明，距爆心10m處體表燒傷發生率為100%，平均燒傷面積約80%，Ⅲ度燒傷面積可達50%；吸入性損傷的發生率也為100%(5/5)，其中80%為極重度損傷，表現為咽喉部和氣管、支氣管內有大量泡沫樣粉紅色液體，氣管和支氣管壁全層出血。云爆彈/溫壓彈的這一損傷特點主要和其形成的高溫火球有關，且高溫持續時間較長，如爆炸現場有其他助燃/易燃物，則燒傷發生率更高，燒傷程度也更重。

3.3低氧窒息重 云爆彈/溫壓彈爆炸后大量消耗空氣中的氧是低氧窒息的重要原因。應該說明，這一損傷特點在山洞、坑道等相對密閉空間內體現的更為明顯，而開放空間內如單發云爆彈/溫壓彈爆炸，因耗氧面積和程度有限，加之空氣流動可迅速補充氧氣，低氧窒息不一定很突出。但嚴重的肺沖擊傷、吸入性損傷以及伴隨的有毒有害氣體，必然會嚴重影響傷者呼吸，多種因素的疊加，即使在開放空間內，傷者低氧窒息的可能性也會大大增加。

3.4“洞內”損傷重 所謂“洞內”損傷重是指隱蔽于山洞、坑道、戰壕、地下工事等相對密閉或低洼處的人員損傷更重。這一特點主要和云爆/溫壓炸藥形成的氣溶膠的比重大于空氣，容易散落地面和漂移有關，特別是在相對密閉環境中內其爆炸威力比在開放空間中更強，加之密閉環境內氧氣消耗快，空氣流動受限，氧氣補充慢，因而形成越躲避越容易受傷、且損傷程度更重的“反常”現象。

3.5復合傷多 云爆彈/溫壓彈毀傷人體是多因素綜合作用的結果，最容易造成燒-沖復合傷，典型表現是除嚴重燒傷外，口鼻處有大量血性泡沫樣液體，距離爆心越近，損傷程度越重。如彈體內沒有預置破片，彈壁形成的破片較少，因而形成彈-燒-沖復合傷的概率不高，如若發生，則發生距離遠比燒-沖復合傷遠得多(破片、碎石飛行距離更遠)。遠距離上的燒-沖復合傷變輕，但破片打擊往往是致命性的，若擊中重要器官會導致現場死亡。低氧窒息雖然致命，但在燒傷、沖擊傷和破片傷的掩蓋下，現場表現并不突出。

云爆彈/溫壓彈是一類特殊裝藥的面殺傷武器，高溫、低氧是其突出的殺傷因素，因而對隱蔽目標殺傷力更強。未來城市作戰的可能性大，人員目標多隱蔽，因而無論軍隊還是地方醫務工作者，均應了解云爆彈/溫壓彈的殺傷因素和特點，從而在戰時面對傷員時做到備而不亂。

作者貢獻聲明：李越：文獻檢索、邏輯整理、全文寫作；李兵倉：修改文稿、學術把關