水下爆炸對比格犬損傷試驗研究

沈文妮， 侯立軍， 唐佳煒， 穆春元， 張浩宇， 徐濤

(1.中國船舶科學研究中心， 江蘇 無錫 214082； 2.海軍軍醫大學長征醫院 神經外科， 上海 200003)

0 引言

海上特戰力量從20世紀初開始出現在戰場上，他們可以潛入港口、碼頭、近岸以及錨泊區，對軍艦、商船和岸基設施實施破壞、在淺水海域進行布雷和反水雷作業，起到了海戰中其他海軍武器裝備所不可替代的作用。水中兵器和導彈等武器在水下爆炸產生的沖擊波非常容易使得水中人員出現水下沖擊傷。水中沖擊波等載荷直接作用于人體所造成的原發損傷稱為爆震傷或原發沖擊傷，危重傷多，死亡率高。目前，國內外研究人員對空氣沖擊波引起的沖擊傷的致傷機理、防護和救治的研究比較深入，但是由于水的相對不可壓縮性以及氣泡脈動載荷的存在，水中沖擊波與空氣沖擊波相比具有不同的載荷特性和致傷特點，通常水下沖擊傷的傷情更為嚴重，防護和救治更為困難。因此，開展水下沖擊傷安全防護的研究對提高我國海軍衛勤保障能力有著重要的意義。

水下原發沖擊傷各主要臟器損傷特點為：肺臟是損傷的主要靶器官；腸道損傷遠較空氣沖擊傷重；腦部、神經等也會發生嚴重病變；實質臟器和體表損傷發生率低等。由各臟器損傷特點結合水下爆炸載荷特點，水下原發沖擊傷的致傷模式理論有：王正國等得出的血液動力學效應、碎裂效應、內爆效應和慣性效應等；以及3種形成機制理論：1)崩落，主要在爆炸波從高密度介質傳播到低密度介質的時候發生；2)由于周圍流體高壓使得充氣空間內陷破裂；3)組織密度的差異，產生組織間加速度差異，導致剪切力而撕裂。

為研究水下爆炸載荷與人員損傷的量效關系，給沖擊傷預測和救治提供參考，學者們建立了多達幾十種水下爆炸人員/動物致死、致傷評估模型。但是在改變藥量和爆距推算時，各模型產生了不一致的結果。圖1列出了20世紀50年代以來基于事故案例分析或動物水下爆炸試驗、被廣泛應用或引述的不同評估模型在0.1 kg、1 kg、10 kg、100 kg TNT藥量下人員致死、致傷距離，顯然各評估模型之間存在較大差異。圖1中，為100%致死距離，為50%致死/重度傷距離，為藥包質量。此外，所有關于人員/動物所受載荷的描述均在以下物理量中選取：1)藥量和爆距；2)沖擊波壓力峰值；3)沖擊波沖量。

圖1 指定藥量下典型評估模型致死、致傷距離Fig.1 Lethal & injury distances under a given charge weight following typical assessment model

綜上所述，水下爆炸致死/致傷評估模型存在以下問題：1)基于藥量和爆距的評估模型一般由特定藥量給出，缺乏“藥量-爆距”的普適性；2)基于沖擊波壓力峰值的評估模型忽視了水下爆炸沖擊波載荷脈寬“窄”的特點；3)基于沖擊波壓力峰值或沖量的評估模型則僅關注了水下爆炸沖擊波載荷的效應，忽略了水下爆炸特有的氣泡脈動載荷致傷效應；4)多數評估模型未將人員頭部是否露出水面分開，忽視了自由面效應以及人員/動物受載部位的區別。因此，對于潛水人員來說，亟需一個基于水下爆炸全過程且適應面較廣的評估標準。

根據頭部是否露出水面將水中作戰人員戰位進行分類，主要有泅渡戰位和潛泳戰位兩種。為模擬水中作戰人員遭受水中爆炸襲擊造成的原發沖擊傷，本文使用試驗專用比格犬作為人體替代物，分別在觀測水箱和爆炸水池中對比格犬開展了水下爆炸試驗，研究了水下爆炸載荷下兩種狀態比格犬的損傷閾值，為人員水下沖擊傷預測和救治提供參考。

1 克級水下爆炸試驗

1.1 克級水下爆炸試驗裝置

觀測水箱試驗裝置(1 m×1 m×1 m)原用于觀察水下爆炸氣泡脈動過程及其與物體的相互作用過程。針對以往動物試驗未觀察到水下爆炸作用下的致傷影像過程、機理分析不清的現狀，本次試驗利用該觀測裝置，通過高速攝像機直接觀察記錄克級水下爆炸載荷與比格犬的相互作用全過程，以探究比格犬在不同戰位、不同距徑比(爆炸距離與氣泡最大半徑之比)下水下爆炸沖擊波、氣泡致其損傷的機制。

1.2 比格犬受試狀態

試驗采用10只平均體重約為8 kg的比格犬，均處于全麻狀態，并在水中保持軀干豎直，潛泳戰位比格犬采用氣管插管的方式保持呼吸，泅渡戰位比格犬保持頭部露出水面，比格犬試驗狀態如圖2所示。

圖2 克級水下爆炸試驗比格犬受試狀態Fig.2 Beagles in the tank

采用1 g TNT當量的雷管裝藥在觀測水箱內進行爆炸試驗，爆炸氣泡的最大半徑約為160 mm，因此5只模擬泅渡戰位比格犬在距徑比0.75～3.38范圍、5只模擬潛泳戰位比格犬在距徑比0.94～3.75范圍內進行了試驗，試驗工況見表1。試驗拍攝采用高速攝像機完成，觀察氣泡載荷與比格犬的相互作用，部分試驗結果如表2、表3所示。

表1 克級水下爆炸試驗工況Table 1 Conditions of underwater blast tests with gram-level charge

表2 工況A1拍攝結果(G085)Table 2 Conditions of A1 process (G085)

表3 工況A6拍攝結果(G087左，G076右)Table 3 Conditions of A6 process (G087 Left, G076 Right)

1.3 比格犬胸腹部變形

在克級水下爆炸試驗中，胸/腹部正對爆源的比格犬身體變形程度較大，因此胸腹水平向變形量可作為其受載過程的重要度量。

1.3.1 模擬泅渡戰位比格犬胸腹部變形

模擬泅渡戰位的受試比格犬按距徑比從小到大排序為G085、G026、G084、G075和G079，將各時刻高速攝像中比格犬胸腹部寬度與試驗前對比判讀，可得其水平向變形幅度最大處的變形量時程曲線以及變形量極值隨水平爆距的變化如圖3所示。從氣泡載荷與上述受試比格犬相互作用的過程可以看出：

圖3 泅渡比格犬胸腹部變形量統計Fig.3 Deformation of the swimming beagles’ thorax and abdomen

1)G085、G026胸腹距徑比不大于2，二者在體外氣泡脈動以及負壓載荷作用下，胸腹部隨氣泡膨脹而大幅壓縮、隨氣泡收縮而大幅拉伸，直至載荷消逝。

2)G084、G075胸腹距徑比不小于2.5，二者胸腹部變形不明顯，以整體擺動為主。

3)隨距徑比增加，比格犬胸腹壓縮量、拉伸量均呈遞減趨勢，G085胸腹變形差值(56 mm)約為G075的13.6倍。

1.3.2 模擬潛泳戰位比格犬胸腹部變形

模擬潛泳戰位的受試比格犬按距徑比從小到大排序為：G083、G173/G076、G087，由高速攝像結果得到胸腹部正對爆源的比格犬G087、G076胸腹部變形量時程曲線以及變形量極值隨水平爆距變化如圖4所示。從氣泡載荷與上述受試比格犬相互作用的過程可以看出：

圖4 潛泳比格犬胸腹部變形量統計Fig.4 Deformation of the diving beagles’ thorax and abdomen

1)G083距徑比小于1，其與氣泡接觸部位跟隨體外脈動的氣泡發生劇烈壓縮和拉伸，并吸引氣泡在其上持續脈動。

2)G173、G076距徑比為2.19，在氣泡一次脈動期間(0～25 ms)胸腹部隨體外的氣泡脈動以及負壓載荷產生壓縮和拉伸，在25 ms以后G173、G076胸腹呈現脈動趨勢。

3)G087距徑比大于3，其胸腹部變形不明顯，以整體擺動為主。

4)隨距徑比增加，比格犬胸腹壓縮量、拉伸量降低，G076胸腹變形差值(16.5 mm)為G087的12.5倍。

1.3.3 兩戰位比格犬胸腹部變形

G085、G026、G076、G084、G075、G087胸腹部均正對雷管，綜合比較上述比格犬的胸腹部變形量，其時程曲線以及極值隨水平爆距變化如圖5所示。由圖5可見：

圖5 比格犬胸腹部變形量統計Fig.5 Deformation of the beagles’ thorax and abdomen

1)G075、G087距徑比為3.13，雖分別處于泅渡和潛泳戰位，但其變形程度類似。

2)G173、G026、G076比格犬距徑比約為2，胸腹部產生較為持續的脈動現象。

3)本次試驗中，比格犬胸腹部變形量差值最大可達其身體寬度的26.5%(G085)。

1.4 克級水下爆炸試驗載荷與傷情統計

根據劉建湖對水下爆炸壓力的各段載荷半經驗半解析公式，結合一系列使用觀測水箱進行水下爆炸試驗獲得的壓力數據，得出各工況受試比格犬所受沖擊波壓力載荷及氣泡脈動載荷，典型曲線如圖6所示。

圖6 壓力測量曲線與理論計算對比Fig.6 Comparison between experimental and theoretical calculation results

本次試驗載荷水平如下：沖擊波峰壓介于6.2～38.4 MPa，氣泡脈動峰壓介于829.1～5 120 kPa，負壓峰值介于25.27～126.6 kPa，沖擊波沖量介于120.6～505.0 Pa·s，氣泡脈動沖量介于287.5～1 437.7 Pa·s。經試驗后觀察、檢查、解剖，試驗載荷與動物傷情、存活情況統計如表4所示，從中可見：

表4 克級水下爆炸試驗載荷參數與傷情統計Table 4 Load and injuries to beagles in underwater blast tests with gram-level charge

1)水下爆炸作用下，含氣器官如肺、聽器等，遭遇沖擊波、氣泡、負壓等載荷作用，損傷最為嚴重；出現大量呼吸暫停、抽搐癥狀，部分解剖見腦部損傷。

2)泅渡戰位比格犬頭部不直接承受爆炸載荷，但仍出現一定程度的顱腦傷情(腦室出血、呼吸暫停(腦震蕩)等)；潛泳戰位比格犬頭部直接承受爆炸載荷，同時也承受泅渡戰位的載荷，潛泳戰位腦出血、腦水腫等顯著顱腦損傷(3/5)相比泅渡戰位(1/5)更為多發，存活率也更低。

3)泅渡戰位比格犬在距徑比不小于1.56時均存活，潛泳戰位比格犬在距徑比不小于3.75時方存活，因此在同等水下爆炸條件下，潛泳戰位比格犬的損傷半徑約為泅渡戰位的2.5倍。

4)G173犬與G076犬爆距相等，前者頭部正對爆源，后者胸部正對爆源，G173犬腦部損傷程度更大，二者肺部損傷程度相當且均死亡；可見爆源正對部位一定程度上影響了腦部傷勢，但對肺部損傷乃至毀傷結果未產生決定性影響。

2 千克級泅渡戰位水下爆炸試驗

2.1 千克級泅渡戰位水下爆炸試驗方法

試驗分別采用1 kg、3 kg、3.5 kg TNT裝藥，受試比格犬平均體重為10 kg，水平爆距介于3～24 m，共進行42犬次試驗，工況如表5所示。試驗時，受試比格犬在麻醉后放入試驗水池，均處于模擬泅渡戰位，現場部署示意如圖7所示，分別在受試比格犬同等位置以及部分比格犬顱內布放壓力傳感器。圖7中為爆深，為水平爆距。

表5 千克級泅渡戰位水下爆炸試驗工況統計Table 5 Conditions of underwater blast tests with kilogram-level charge for beagles in swimming position

圖7 千克級泅渡戰位水下爆炸試驗布置示意圖Fig.7 Layout of underwater blast tests with kilogram-level charge for beagles in swimming position

2.2 千克級泅渡戰位水下爆炸試驗載荷與傷情統計

千克級泅渡戰位水下爆炸試驗各工況壓力載荷與比格犬傷情統計如表6所示，共死亡15犬次、存活27犬次。本次試驗載荷水平如下：沖擊波峰壓介于1.9～13 MPa，氣泡脈動峰壓介于257～1 073 kPa，沖擊波沖量介于474～2 215 Pa·s，氣泡脈動沖量介于1 604～6 047 Pa·s。死亡比格犬均顯示了含氣臟器的損傷，如肺、聽器、腸道等，其中以肺部

表6 千克級泅渡戰位水下爆炸試驗載荷參數與傷情統計Table 6 Load and injuries to beagles in swimming position in underwater blast tests with kilogram-level charge

續表6

損傷最為嚴重。典型工況下受試比格犬同等位置壓力與顱內壓力時程曲線如圖8所示，可見水下爆炸過程中沖擊波載荷和氣泡脈動載荷均在比格犬顱內引起了壓力響應。結合直接顱腦傳導理論，可知泅渡戰位比格犬頭部雖未浸入水中，但水下爆炸壓力載荷仍可通過與大腦相連的結構如頸部血管、頸椎等傳遞至腦部造成損傷。

圖8 水下爆炸壓力載荷和動物顱內的壓力響應Fig.8 Underwater blast pressure and response of beagles

3 比格犬損傷閾值分析

本文基于以下原則對各戰位受試比格犬進行傷情分級：

1)輕度傷：聽器傷、內臟輕度挫傷和體表擦傷等；對戰斗力影響不大，無需特殊救治。

2)中度傷：內臟較大范圍挫傷(片狀出血或血腫)、較輕的肺水腫、大片軟組織傷、單純脫位、個別無明顯變位的肋骨骨折、腦震蕩等；預后多良好，一般不需要后送，對戰斗力影響較小。

3)重度傷：內臟破裂、骨折(股骨、脊柱、顱底和多發性肋骨骨折)、較嚴重的肺水腫、肺出血等；傷勢危重，傷情復雜，不積極治療，有生命危險，無法重返戰斗，短期內喪失戰斗力。

4)極重度傷：嚴重顱腦和脊髓損傷、胸腹腔破裂、廣泛而嚴重的肺出血、肺水腫、大血管破裂、肢體離斷伴有大出血等；傷勢極為嚴重，如不大力搶救，一般在24 h內死亡。

千克級水下爆炸試驗根據上述分級方法中對戰斗力、救治情況的描述，認為同一載荷工況下，多數死亡為重度、極重度傷，少數死亡或全數存活為輕度、中度傷。

3.1 模擬泅渡戰位比格犬損傷閾值分析

在水下爆炸過程中，受試比格犬連續遭受沖擊波、氣泡脈動等載荷，且氣泡脈動載荷能一定程度上反映負壓載荷的大小，因此在水下爆炸致傷/致死閾值分析中，需要綜合考慮沖擊波、氣泡脈動載荷的作用。由于沖擊波載荷脈寬相比氣泡脈動載荷脈寬更“窄”，沖擊波載荷即以進行衡量，而氣泡脈動載荷以進行衡量。

由表4、表6可知，模擬泅渡戰位比格犬試驗載荷與最終存活情況統計如圖9(-圖)所示，其中紅線為試驗比格犬致死閾值曲線，其中縱線取克級試驗G085犬(死亡/肺破裂)與G026犬(存活/肺水腫，右腦出血)所受沖擊波沖量均值(384 Pa·s)；橫線取千克級試驗D033犬(死亡/雙肺廣泛淤血、鼓膜充血)與工況B1中試驗犬(3只死亡/雙肺廣泛淤血；1只存活)所受氣泡脈動峰壓均值(770.8 kPa)。圖9中藍線為試驗比格犬重/極重度傷閾值曲線，其中縱線取克級試驗G026犬(存活/肺水腫，右腦出血)與G084犬(存活/B超未見明顯異常)所受沖擊波沖量均值(218 Pa·s)；橫線取千克級試驗工況B2中試驗犬(3只死亡/雙肺廣泛淤血，肝淤血，腸出血；1只存活/試驗后即刻全身痙攣)與工況B3中試驗犬(3只存活；1只死亡/雙肺廣泛淤血，肝淤血)所受氣泡脈動峰壓均值(421.5 kPa)。圖9中藍線以下為輕度、中度沖擊傷區域，兩線之間為重度、極重度沖擊傷區域，紅線以上為致死區域。

圖9 水下爆炸試驗載荷與模擬泅渡戰位比格犬存活情況統計Fig.9 Load and injuries to the swimming beagles in underwater blast tests

3.2 模擬潛泳戰位比格犬損傷閾值分析

根據表4，模擬潛泳戰位比格犬試驗載荷與最終存活情況統計見圖10(-圖)。圖10中紅線為試驗比格犬致死閾值曲線，其中縱線取克級試驗G092犬(存活)與G087犬(死亡/肺水腫，腦水腫)所受沖擊波沖量均值(131 Pa·s)；由于潛泳戰位比格犬的損傷半徑約為泅渡戰位的2.5倍，橫線根據泅渡戰位致死閾值曲線進行推算，可得氣泡脈動峰壓閾值約為330 kPa。

圖10 水下爆炸試驗載荷與模擬潛泳戰位比格犬存活情況統計Fig.10 Load and injuries to the diving beagles in underwater blast tests

4 結論

本文通過開展模擬泅渡、潛泳戰位比格犬水下爆炸試驗，直接觀察了氣泡載荷與比格犬的相互作用過程，并結合醫學檢查進行了多種損傷模式分析。得到以下主要結論：

1)在克級水下爆炸試驗中，氣泡以及負壓載荷對距徑比小于3的受試比格犬更多表現為從體外進行直接壓縮、拉扯；對距徑比大于3的受試比格犬更多表現為整體擺動；距徑比約為2時比格犬胸腹部產生較為持續的脈動現象。

2)水下爆炸作用下，含氣器官如肺、聽器等，遭遇沖擊波、氣泡、負壓等載荷的作用，損傷最為嚴重；此外，無論頭部是否露出水面，腦部都會產生一定程度的損傷。

3)在同等水下爆炸條件下，潛泳戰位比格犬的損傷半徑約為泅渡戰位的2.5倍。

4)模擬泅渡戰位比格犬水下爆炸致死閾值約為沖擊波沖量大于384 Pa·s且氣泡脈動峰壓大于770.8 kPa，致重度傷以下閾值約為沖擊波沖量小于218 Pa·s且氣泡脈動峰壓小于421.5 kPa；模擬潛泳戰位比格犬水下爆炸致死閾值約為沖擊波沖量大于131 Pa·s且氣泡脈動峰壓大于330 kPa。