爆炸冲击波作用下工事舱室内动物损伤效应试验研究

范俊奇，董宏晓，高永红，楼梦麟，赖西南

(1.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092;2.总参工程兵科研三所，洛阳 471023;3.第三军医大学 野战外科研究所，重庆 400042)

现代战争中，以高精度常规武器打击地下、地面的防御工事，摧毁对方的指挥与防御系统已成为重要的战争模式，常规武器爆炸冲击波是致伤工事内人员的主要毁伤元。以往的生物效应试验大多针对武器(炸药)在开阔场地爆炸产生的简单冲击波进行［1-8］，试验条件单一，缺乏系统性。而爆炸冲击波在工事舱内传播呈复杂冲击波特性(复杂冲击波指工事舱外爆炸产生的冲击波在闭合环境内传播，由激波在舱壁反射、折射形成一系列震动反射波叠加在一个相对缓慢上升的超压冲击波上的复杂冲击波)，该冲击波无论峰值压力、持续时间、冲量、频谱或对人员损伤均较简单冲击波明显不同，以往实验所建人员损伤关系亦难反映复杂冲击波对人员的损伤。因此，开展常规工事内炸药爆炸生物效应实验，建立复杂冲击波损伤人员非听觉器官安全阈值，具有重要意义。

1 试验概况

1.1 试验目的及内容

(1)研究复杂波的产生机理，求得规律的复杂波，为生物效应实验提供试验条件。

(2)研究不同当量TNT爆炸作用下两类复杂波冲量与动物损伤情况的对应关系，求得生物在复杂波作用下的损伤阈值，为工事内人员损伤情况提供必要参数，完善我军防护标准。

为实现试验目的，进行两种试验:① 对爆炸波模拟设备进行改装、调试试验，使之能产生符合实验要求的复杂波;② 两种不同复杂波作用下模拟工事舱内的绵羊损伤效应试验。

1.2 试验设备及改装

实验设备由爆室、冲击波整形段及试验段三部分组成，主要用于模拟常规武器与核武器中远区爆炸冲击波作用。设备可产生较规律的平面波。欲使设备产生的冲击波符合生物效应试验要求，产生规律复杂波，需对设备进行改装，试验中通过增加爆室长度，在整形段增加变截面段加强冲击波的反射与折射及在整形段后增加专门放置试验动物的实验舱等技术措施解决。改装后的设备见图1。

图1 生物效应试验设备Fig.1 The test device of damage effect experiment

1.3 试验方案

用TNT装药在多室型爆炸波模拟设备爆室内爆炸，通过一定技术措施，使之产生A、B两种复杂波，同时在工事舱内放置实验动物与测试传感器。通过不同爆炸条件下工事舱内模拟人体胸部的测试圆筒四周压力及绵羊损伤情况，得到复杂冲击波在人体胸部四周的分布特点及复杂波冲量与生物损伤程度的对应关系，最终得到绵羊在复杂波作用下的损伤阈值。试验方案见图2。

图2 试验方案图Fig.2 The experimental program

试验用健康绵羊体重约25 kg，并以坐姿固定于特制的架子上，置于工事中心保证其前胸正对冲击波传播方向(图3)。模拟人体胸腔的测试圆筒按普通人胸腔尺寸设计，高度 762 mm，直径305 mm。将圆筒垂直固定在与试验动物同一位置，同时测试模拟人体胸部的测试圆筒四周压力、舱室内冲击波压力、绵羊体内压力等参数及绵羊的损伤情况。

据理论计算获得的肺致伤阈值所需冲量及复杂冲击波特性，设计两种不同类型的复杂波(A类、B类)。A类冲击波作用时间较短(试验中约25 ms)，模拟工事舱室开口情况下生物的损伤效应;B类冲击波作用时间较长(试验中约120 ms)，模拟工事舱室封闭情况下对生物的损伤效应。对A类波设计四组试验;B类波设计两组试验。见表1。

试验中每炮仅放置一只绵羊，保证每组实验有6炮测试数据，减少因装药及测试等偶然原因造成的误差。

图3 试验绵羊放置方案Fig.3 The arrangement program of sheep

表1 舱室内绵羊损伤试验设计Tab.1 Experimental design of damage effect test to sheep

1.4 试验测试方案

为分析生物损伤情况，进一步研究复杂波作用下生物损伤规律，据规范要求，须对动力学参数(压力)及医学损伤进行测量。

1.4.1 动力学参数测试

舱室内复杂冲击波压力(P4)、舱室内模拟人体胸腔圆筒上布置的压力(P1、P2、P3、P6)、生物体内压力(P5)。各传感器布置方式见图4。舱室内复杂波压力传感器布置于工事舱壁正中，编号P4，传感器敏感面与工事内壁表面平齐。模拟人体胸腔的圆筒上压力传感器布置方案为:圆筒上端放置压力传感器(编号P1);圆筒周壁放置三个传感器，其中正对冲击波传播方向一个(编号P2)，侧壁平行于冲击波传播方向一个(编号P3)，背对冲击波传播方向一个(编号P6)，P2、P3、P6传感器高度为圆筒高度的一半。生物体内压力传感器置于绵羊食道内部(编号P5)。

图4 测试传感器布置图Fig.4 The arrangement plan of sensors of different type

1.4.2 动物损伤效应医学测试

每次试验后立即对绵羊作CT及核磁共振观察见图5，试验1小时后对动物进行医学解剖，观察动物心、肺、脑、肾脏等器官损伤情况，结合试验测得的冲击波参数确定爆炸冲击波作用下工事舱室内绵羊的损伤阈值。

图5 动物核磁共振观测及医学研究Fig.5 Anatomical research and NMR observation to sheep after test

2 试验结果及分析

2.1 工事舱内压力试验

实测各组试验中工事舱内压力(P4)及生物体内压力(P5)典型波形见图6。各组试验实测复杂冲击波峰值、冲量及各试验参数统计见表2，表中数据为同组试验不同炮次的平均值，B1、B2组中带“*”数据为前30 ms冲量。

图6 实测压力波形Fig.6 Typical press waves

表2 舱室内复杂冲击波参数Tab.2 Parameters of the Wave in enclosed space

表3 试验后动物伤情及判别Tab.3 Condition injuries to the sheep and it’s distinguish after test

由图6压力波形知:

(1)成功获得两类典型复杂波，每组试验波形均有多个峰值，特征相似且规律性好。表明试验对不同峰值及冲量值的复杂波控制是成功的。

(2)由表2知，对A类复杂波前15 ms内均有三个以上主要峰值，在15 ms后复杂波能量衰减较快，复杂波前15 ms能量(以冲量表示)占复杂波总能量的60%以上。因此对以TNT为代表的常规炸药爆炸，开口工事舱室内生物损伤效应，应以前15 ms冲量为主要依据。

(3)与A类复杂波相比，B类复杂波作用时间较长，达100 ms以上。且能量主要分布在前30 ms，占总能量的60%以上。因此，常规炸药爆炸作用下，封闭工事舱室内生物的损伤效应，应以前30 ms的冲量为主要依据。

(4)与工事舱室内压力波形相比，生物食道内压力波形较光滑，且升压时间、作用时间均较工事舱室内压力提高许多;峰值压力也较工事舱室内压力小，为舱室内压力的60%左右。

2.2 动物损伤情况分析

试验后各组动物损伤情况医学描述及伤情判别见表3。第二、第四组绵羊试验解剖后肺损伤情况见图7。

图7 试验后动物肺损伤情况Fig.7 Condition injuries to the lung of the sheep

由表3复杂波作用下不同组别生物损伤效应试验结果统计知:

(1)四组实验动物伤情控制较好，从无伤、微伤、轻伤到重伤，成功获得动物损伤的大概阈值;在A类复杂波作用下工事舱室内生物损伤阈值应在试验中第二组测试所得数据附近，即压力峰值约80 kPa，冲量约120 kPa·ms。

(2)相同药量的B类复杂波作用下工事舱室内生物损伤较A类复杂波作用重。其损伤阈值压力及冲量较A类复杂波作用下小;B类复杂波作用下工事舱室内生物损伤阈值应在第一组测试所得数据附近，即压力峰值约60 kPa，冲量约90 kPa·ms。

2.3 试验圆筒压力分析

模拟人体胸腔试验测试的圆筒上四个压力传感器实测典型波形(P1、P2、P3，P6)如图 8、图 9 所示。由图8、图9中A、B类复杂波作用下模拟人体胸腔的测试圆筒上压力波形对比知:

(1)A类复杂波作用下实测模拟人体胸部的铁制测试圆筒四个压力的波形特征相同，但压力数值相差较大，P1、P1较大，但P3及P6压力较小，其峰值为 9.06 kPa，2.68 kPa。因此在A类复杂波作用下舱室内动物胸腔的致伤中，应主要考虑正对冲击波传播方向的致伤，其它方向压力太小可忽略。

(2)B类复杂波作用下，实测模拟人体胸部的铁制测试圆筒上的四个压力波型基本特征相同，且压力数值相差不大，P1、P1较大，P3及P6相对较小，但峰值达到P1的80%以上，不可忽略。因此B类复杂波作用下舱室内动物胸腔的致伤中，除应主要考虑正对冲击波传播方向致伤外，也应考虑其它方向复杂冲击波影响。

图8 A类复杂波作用的圆筒压力波形Fig.8 Typical press waves of type A on the test cylinder

图9 B类复杂波作用的圆筒实测复杂压力波形Fig.9 Typical press waves of type B on the test cylinder

3 结论

(1)通过对多室型爆炸波模拟设备的改装及调试，获得符合要求规律性良好的两类复杂波，成功模拟实战条件下工事舱室开口及封闭两种实际情况。

(2)试验设计的四组实验中动物伤情差别控制较好，从无伤、微伤、轻伤至重伤，成功获得动物损伤阈值。

(3)与A类复杂波相比，B类复杂波作用时间较长，相同药量下B类复杂波作用下工事舱室内生物损伤较A类复杂波作用下重。其损伤压力阈值较A类复杂波作用下小。

(4)在A类复杂波作用下舱室内动物胸腔的致伤中，应考虑正对冲击波传播方向的致伤，其它方向压力可忽略。B类复杂波作用下，在舱室内动物胸腔的致伤中，除应考虑正对冲击波传播方向的致伤外。也应考虑其它方向复杂冲击波影响。

(5)动物体内压力波形较光滑，且升压时间、作用时间较长;其峰值压力为舱室内压力的60%左右。

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