防暴动能弹皮肤穿透评估方法研究

焦世强

武警工程大学 装备管理与保障学院 陕西 西安 710086

引言

防暴动能弹作为非致命弹丸,主要依靠其钝击伤害,而不造成穿透性伤害,对嫌疑人员身体造成剧烈疼痛,使其暂时性失能,受到限制和控制,达到作战目的。但是,近年来,防暴动能弹过度伤害致死致残的案例时有发生,特别是在发生大规模群体性事件时的损伤率有所升高,给国际社会舆论带来了不良的影响。防暴动能弹的损伤评估也越来越重要,主要包括皮肤穿透评估和钝性损伤评估。经Jason[1]调查的案例数据分析,穿透伤在事故案例中占有较大的比例。因此,为减少防暴动能弹穿透皮肤引发过度伤害的可行性,对其皮肤穿透评估进行研究显得极为必要。本文重点对国内外防暴动能弹皮肤穿透评估方法的研究现状进行分析和总结。

1 防暴动能弹皮肤穿透案例分析

案例研究表明,已经有许多严重的穿透性损害发生的报道。2002年Mahajna A[2]研究了2000年10月以色列与阿拉伯冲突期间橡胶子弹造成的钝伤和穿透伤,152名受伤人员,钝性损伤93例(61%),穿透性损伤59例(39%),其中3名因穿透伤死亡。2017年Rohini J Haar[3]等人研究了1990年1月至2017年6月期间关于橡胶和塑料子弹造成伤亡的1984个案例,数据统计发现,死亡的53人中,有56%由穿透性损伤造成。2020年汪送[4]收集了2000年以来的橡皮弹冲击损伤案例分析,发现50%的伤害由穿透伤造成。通过案例分析发现：穿透伤通常是近距离射击所致,损伤较为严重,且伴随有脏器损伤,严重者造成永久性损伤或者死亡。因此,皮肤穿透风险是防暴动能弹丸的关键评估因素,如何精准评估防暴动能弹对皮肤穿透已成为一项重要的研究课题,它对防暴动能弹的研制设计、安全验证和安全服役具有重要的意义。

2 防暴动能弹皮肤穿透评估方法研究现状

国内外对防暴动能弹穿透威力评估做了大量的研究,主要有三类,即人类尸体实验、皮肤替代品实验及有限元模拟分析。重点围绕防暴动能弹终点效应进行实验,评估依据主要以弹丸穿透的阈值速度、比动能(能量密度)、冲击应力为依据进行分析。

2.1 人类尸体实验(PMHS) 十九世纪初美国就关于弹丸对皮肤的穿透进行了大量的研究,获得了大量具有研究价值的实验数据。1981年以来,DiMaio[5]、Journ'ee[6]、Mattoo[7]等人以人类尸体为靶标研究了不同口径铅芯弹的穿透能力,获得了人体下肢皮肤穿透的能量密度。2005年Warlow[8]研究了4.5mm的不同形状弹头的弹丸对皮肤穿透的影响,发现了接触形状和面积变化对穿透的影响。由于实验使用的弹丸为铅芯弹,与防暴动能弹的材质有很大区别,因此将这些数据应用于当前防暴动能弹的穿透阈值存在一定局限性。

2005年Cynthia A.Bir[9]等人为了量化防暴动能弹穿透皮肤的可能性,进行了人类尸体实验。通过RB1FS弹丸冲击尸体的各个部位,确定了穿透尸体不同部位皮肤所需要的能量密度,通过对比得出前胸部具有最低的穿透能量密度值23.99J/cm2,该研究填补了在确定非致命弹丸皮肤穿透能量密度数据的空白。虽然实验受体为年老的人体标本,但是对评估人体皮肤穿透提供了较为准确的保守的估计。

人类尸体实验虽然与真实的人体冲击结果更为接近,但是,将人类尸体用于弹道研究可能会引发伦理问题,而且法律程序复杂,不易实施。因此,国内外多采用寻找人类皮肤替代品。

2.2 替代品实验 对于此类研究,人们都在寻找适合人体皮肤的替代品。Haag[10]发现,厚度为1.3-2.0mm的汽车内橡胶管的效果其次。2002年以来,Thalia M.J.[11]等人建立了“皮肤-颅骨-大脑”模型来评估9mm Luger和7.62mm北约子弹,并描述了皮肤、颅骨和大脑的各种枪击创伤特征。其研究中的皮肤替代品是厚度未知的人造皮革。UZAR,A.I.[12]等人发现透明石蜡凝胶是一种很好的软组织替代品,因为它具有透明性、弹性、永久性和临时性空腔。Jorma J.[13]在创伤弹道研究中使用了一系列动物皮作为皮肤替代品,以拉伸性能和阈值穿透速度为指标,确定牛皮为最佳皮肤替代品。2012年Cynthia A.Bir等人[14]确定了天然麂皮、6mm闭孔泡沫、军械明胶作为最合适的替代品。在这些研究中,阈值穿透速度和能量密度可作为评估防暴动能弹穿透威力的评估参数。

2013年,北约APE-94“非致命性弹药的皮肤穿透评估”[15]定义了两种评估方法,以量化非致命弹丸对皮肤的穿透风险。这两种方法被认为适用于皮肤穿透风险评估。一种是基于模拟皮肤。模拟层由麂皮、闭孔泡沫和明胶构成。另一种方法是基于非致命弹丸冲击刚性壁的最大力作为损伤判据。并将10MPa作为钝性冲击导致皮肤穿透的平均临界应力值。

2013年3月,加拿大国防部研发部[16]发现了一层400μm厚的热塑性聚氨酯薄膜的穿透极限与北约标准中规定的天然麂皮相似。此外,发现当使用热塑性聚氨酯薄膜作为第一层时,可以在不影响获得的穿透极限的情况下移除皮肤软组织替代品的泡沫层。这项研究的结果表明,目前的替代品可以更换,以简化设置和分析技术,同时提供了近似的结果。

2.3 有限元模拟分析法 有限元模拟的方法由于其更好的经济性、安全性、可重复性,排除了伦理道德、繁琐的实验流程、昂贵的测试设备等因素的制约,在国内外研究受到越来越多的学者的青睐。2016年刘硕等人[17]利用有限元软件LS-DYNA分析了橡皮弹对人体皮肤的打击效果,从理论和仿真实验的角度分析了橡皮弹的安全射击距离。

国内对防暴动能弹钝击损伤评估研究起步较晚,近几年也取得了较为丰硕的成果。但是对防暴动能弹穿透皮肤评估方面,研究的还比较少。2010年安保林等人[18]试验研究了低速枪弹对有生目标的作用效果。2013年朱永杰等人[19]在明胶块表面粘上一层厚0.11mm的铝箔或牛皮纸来模拟人体皮肤对18.4mm动能痛块弹的终点效应进行了实验研究,确定其理想的比动能为8J/cm2。

2019年熊漫漫等人[20]以牛皮、石蜡和凝胶构建了皮肤-脂肪-肌肉模型,并用非致命橡胶球形弹对其冲击的实验,分析了不同的速度下橡胶子弹冲击皮肤-脂肪-肌肉模型的空腔演化和能量传递规律。北京工业大学爆炸科学与技术国家重点实验室[21]开展了BB弹侵彻“牛皮+明胶”复合靶的实验和数值模拟模型研究。用穿透或不穿透牛皮来评价BB枪的安全性。2020年2月,熊漫漫、覃彬[22]等人用橡皮弹射击长白猪,以长白猪皮肤的伤情特征和行为反应为表征量,分析了橡皮弹的速度、硬度、口径对生物皮肤损伤效应的影响。

通过对比可以看出,国外在防暴动能弹皮肤穿透评估研究已经非常成熟,并制定了评定标准。国内的研究还比较薄弱,在皮肤穿透阈值方面,目前还没有定义皮肤穿透相关的评估标准。

3 现有研究的缺陷与不足

通过对国内外防暴动能弹皮肤穿透评估方法的研究分析,认为对该问题的研究还存在如下问题：

一是弹丸数据的单一性。生物验证试验数据少,未形成统一的评估标准。不同弹丸的穿透特性缺乏对比性研究,穿透伤与钝性伤的同步发生还没有研究。当前开发的替代品的验证主要依据都指向韦恩州立大学人类尸体实验采用的RB1FS弹丸的比动能数据,也是在开放文献中唯一可参考的数据,北约标准及加拿大的替代品的验证也仅为RB1FS弹丸。

二是替代品材料的差异性。由于没有给出麂皮和泡沫的具体力学性能参数,因此结果存在偏差。替代品受材料特性的影响较大,各地生产的材料差异性也较大,难以广泛使用。

三是当前评估防暴动能弹穿透的参数仅为比动能和临界冲击应力10MPa两个值。是否满足这两个条件就可以认为防暴动能弹是安全有效的呢?答案是否定的,以法国的Flash-Ball弹丸为例,其撞击皮肤时比动能约为5.7J/cm2,不会穿透皮肤,但是它的能量约为200J,近距离会造成心脏和肺挫伤。因此,还需要结合防暴动能弹钝性损伤标准同步评估弹丸。

4 总结与展望

随着非致命武器的发展,防暴动能弹的运用场景也越来越多,其皮肤穿透评估的方法也将更加标准化、具体化、科学化。

(1)防暴动能弹皮肤穿透评估方法标准化。国内防暴动能弹损伤威力评估的研究相对滞后,需进一步与国际水平接轨。对已有替代品的模型和分析方法在防暴动能弹皮肤穿透预测模拟中的有效性和适用性需系统验证和评估,最终建立国内适用的替代品预测模型和有限元数值模拟方法,实现对防暴动能弹皮肤穿透演化过程的有效模拟和预测。

(2)防暴动能弹皮肤穿透评估方法具体化。目前,防暴动能弹皮肤穿透评估的主要指标为比动能和最大冲击应力。但随着防暴动能弹的不断发展,弹丸的材质、口径、终点效应等不同,针对单一的皮肤穿透评估标准是不适用的。因此,需要对防暴动能弹进行分类,针对不同类型的弹丸开展更为深入的研究,分类制定各自的皮肤穿透标准,使防暴动能弹评估更为具体化。

(3)防暴动能弹皮肤穿透评估方法科学化。将试验与数值模拟仿真有机结合,二者互相验证,互相预测、改进,使防暴动能弹评估方法更加科学高效。与生物试验相比,有限元模型仿真实验具有数据易于获取、可重复性强、准确度高且不涉及法律与道德伦理等优势；与替代品试验相比,仿真实验具有计算精度高、消耗资源少等优势。但有限元模型仿真结果又离不开试验的验证。因此,在防暴动能弹皮肤穿透评估方法上要充分结合试验与仿真,以仿真为试验做预测,以试验为仿真做验证支撑。