钉刺效应靶标及其评价模型

郭仕贵，张中英，王德文，刘云剑，彭瑞云

(1.63956 部队，北京100093;2.62032 部队，北京100850)

0 引言

某型刺钉器主要用于设置防人员障碍场或障碍群，以刺钉杀伤方式迟滞敌作战行动。当人员踏上刺钉器时，刺钉器射出数枚钢质刺钉，刺穿人员鞋(靴)底，刺入人员足部，使其失去或减弱机动能力。为了评价刺钉器对人员机动能力的影响程度，需建立相应靶标及评价模型。钉刺效应靶标由战靴和等效人足两部分组成。在靶标的建立过程中，其主要技术工作包括刺钉特性分析、战靴特性分析、生物试验、穿刺作用等效研究等。前两部分研究旨在选择合适的战靴，后两部分研究旨在研制等效人足。通过刺钉器对靶标的穿刺试验，得到效应试验数据［1］，对照相应的评价模型，即可评价刺钉器对人员机动能力的影响程度。限于篇幅等因素，本文仅介绍其中部分研究内容。

1 战靴特性分析

作战靴(战靴)是部队的重要装备之一，它不仅对脚提供直接防护，使其避免受到外来因素的伤害，而且还对脚的生理机能起着重要的保护作用，对作战人员战术技术动作的发挥、作训效能的提高和人员战斗力的保持有着重要的意义。

不同功能的战靴采用不同的材料、结构和生产工艺，以适应不同的穿着环境和作战条件。对于刺钉作用，主要体现在战靴的抗穿刺性能上。英军有关标准要求战靴的抗穿刺力为1 100 ～1 500 N，美军的标准战靴抗穿刺能力达1 900 N，我军某型战靴抗穿刺能力超过英军标准，在国际上处于先进水平(见表1)。综合分析战靴的抗穿刺能力、试验的可行性及战靴的发展趋势，选用国产B 型战靴(两层纺纶)原型作为本项研究用战靴。

表1 靴底抗穿刺性能数据Tab.1 Puncture resistance of boot bottom N

2 钉刺效应等效人足

本文所指的人足涉及人体膝盖以下部分，包括人体下肢和脚。等效人足研究在技术层面涉及等效材料的选择、几何模型制作、验证试验等工作。与国内外现有爆炸或冲击等效人体下肢不同［2-4］，本文的等效人足是基于刺钉对人脚的穿刺机理建立的。

2.1 等效人足材料选择

从简化模型角度，选择了两类材料:一是与人体软组织(皮肤、肌肉、肌腱、胶原组织等)硬度和弹性相当的硅橡胶;二是与人体小腿和脚骨皮质的硬度相当的环氧树脂。通过硬度检测仪测定数种环氧树脂和相关复合型化学材料的硬度，通过筛选和计算，初步确定材料的类型。然后，在某摩擦学国家重点实验室对这些材料和人脚骨皮质(脚掌部管状骨)进行了硬度检测。图1为用于检测的部分材料照片，表2为测试数据。

图1 用于检测硬度的骨骼和环氧树脂材料Fig.1 Materials used for test

表2 送检物硬度测试结果Tab.2 Hardness data HV

分析表2测试数据，其中人体管状骨皮质厚度 为2 mm，管状骨直径为10 ～11 mm，骨皮质平均硬度为55.03 HV，计算出管状骨横截面平均贯通硬度约为(55.03/5)11 HV. 某环氧树脂的平均硬度为11.43 HV，接近足骨皮质的硬度，因此选择某环氧树脂作为等效人足的骨骼材料。

2.2 等效人足模型制作

人足模型制作分4 步:第1 步用石膏模具复制“标准人”男性完整小腿及脚骨骼的副性模型(阴模);第2 步用所选环氧树脂浇注小腿及脚骨骼的正性模型(阳模);第3 步将此正性模型放入完整小腿及脚的副性模型中;第4 步用等效人体软组织的硅橡胶浇注完整小腿及脚的正性模型(如图2)。

图2 等效人足Fig.2 Simulate legs and feet

2.3 等效人足验证试验

为了验证等效人足材料选择的合理性，用木工射钉枪发射2 cm 长钢钉，分别对人足骨皮质和环氧树脂块进行贯穿试验，结果证明，二者的进钉深度相当。随后，用刺钉器对上述等效人足进行穿刺试验，并与相同条件下的生物试验进行比较，结果表明，二者穿刺情况基本一致。图3为着战靴的等效人足穿刺效果X 光照片。

图3 穿刺效果X 光照片Fig.3 X-ray photograph of stabbing effect

2.4 靶标

通过以上研究，确定钉刺效应等效人足靶标为“着某型国产战靴的等效人足”，如图4所示。战靴脚后跟的抗穿刺性能超过2 100 N. 等效人足模拟人体脚软组织和骨骼结构特性，其韧性、硬度、形状、尺寸等模拟“标准人”足，材料为环氧树脂和硅橡胶。

图4 钉刺效应等效人足靶标Fig.4 Stabbing effect hominine foot target

3 钉刺效应评价模型

针对刺钉对人员的致伤效应评价，目前无更多的资料可供借鉴［3，5-8］。期间，进行了生物试验、仿生试验，观察分析生物的病理特点、生物指标及行为变化，还研究了不同的刺伤部位、刺入深度、不同配重、伪装土层厚度等对刺伤效果的影响。结合作战行动的实际和人-机-环工效学原则，提出了刺钉对人员的致伤效应评价模型［9］，见表3.

表3 刺钉对人员致伤效应评价模型Tab.3 Stabbing effect assessment model

该模型以刺钉相对人员的累及脚数、刺入部位、刺入刺钉数量、刺入深度、累积组织、刺钉及壳体滞留情况等为输入量，以人员行走、对作战行动的影响及医学处理为输出量，按影响程度从低到高分为1 级～4 级。

1 级:单脚单部位浅层钉刺伤(脚底软组织厚度的1/2 之内)，对人员机动能力有轻度影响;如果拔掉壳体和刺钉，可产生剧痛，少量出血，需架拐或搀扶行走;如果不拔掉壳体和刺钉有剧痛，出血不明显，行走困难;肌肉、神经组织的变化较轻。

2 级:单脚单部位深层(脚底软组织厚度的1/2以上)或全层钉刺伤或双脚单部位浅层钉刺伤，可产生更加剧烈疼痛、多量出血，对人员机动能力有较明显影响，需架拐或搀扶行走;肌肉、神经组织的变化较明显。

3 级:单脚多部位(2 ～4 处)深层或全层钉刺伤，并有个别刺钉滞留于足内甚至与壳体相连，通常行走困难，明显影响人员的机动能力，此类伤员需迅速进行医疗处置。

4 级:双脚多部位(5 处以上)深层或全层钉刺伤，并有两根以上刺钉滞留于足内或与壳体相连，此类伤员需立即进行医疗处置，即刻减员。

通过人足等效靶试验得到输入量，对照此评价模型，即可得到相应的输出量，实现刺钉器对人员作用的定量与定性评价。

4 结论

靶标研究及其确定是武器系统试验与评估过程中重要的一步。对于每一类武器系统，均有其预期的一种或多种打击目标，不同的杀伤机理及不同的杀伤目标，对应不同的效应试验靶标。对于刺钉器，其作用对象为人员，作用部位主要为人员脚部，其等效靶标为“着某型国产战靴的等效人足”。通过对比试验，验证了靶标的科学性与合理性。评价模型主要基于动物试验数据，其合理性有待于将来可能的战伤数据进行不断完善。

致谢:参加本项研究工作的还有刘吉成、陶小可、宋良文、王水明、高亚兵、胡文华、左红艳、徐新萍、任建平等同志。

References)

［1］孔令杰，王守祥，凌坤华，等. GJBz20307 爆破型防步兵地雷设计定型试验规程［S］.北京:中国人民解放军总参谋部，1995:9 -10.KONG Ling-jie，WANG Shou-xiang，LING Kun-hua，et al.GJBz20307 Design finalizing test procedures for anti-personnel demolition mine［S］. Beijing:General Staff Department of PLA.1995:9 -10.(in Chinese)

［2］European Committee for Standardization. DS/CWA 15756 Humanitarian mine action-personal protective equipment (PPE)-test and evaluation［S］. Brussels，Belgium:European Committee for Standardization，2007.

［3］RTO Human Factors and Medicine Panel (HFM)Task Group.Test methodologies for personal protective equipment against antipersonnel mine blast，RTO-TR-HFM-089［R］. Neuilly-sur-Seine Cedex，France:France Research and Technology Organisation of NATO，2004.

［4］Bergeron D M，Coley G G，Fall R W，et al. Assessment of lower leg injury from land mine blast-phase 1:test results using a frangible surrogate leg with assorted protective footwear and comparison with cadaver test data (U)，TR 2006-051［R］. Suffield，Alberta:Defence R＆D Canada，2006.

［5］余争平.新概念武器损伤与医学防护［M］. 北京:军事医学科学出版社，2009:145 -146.YU Zhen-ping. New concept weapons. injuries and their medical protection［M］. Beijing:Military Medical Science Press，2009:145 -146.(in Chinese)

［6］金鸿宾.创伤学［M］. 天津:天津科学技术出版社，2003:60 -65.JIN Hong-bing. Traumatology［M］. Tianjin:Tianjin Science and Technology Press，2003:60 -65.(in Chinese)

［7］IMAS 10.30 Safety ＆ occupational health-personal protective Equipment［S］. 2nd ed. New York，US:United Nations Mine Action Service，2003.

［8］Office of Science and Technology of the National Institute of Justice. NIJ Standard-0115.00 Stab resistance of personal body armor［S］. Washington，DC:US Department of Justice，2000.

［9］郭仕贵，张朋军，刘云剑，等. 地雷爆破装备试验技术［M］. 北京:国防工业出版社，2011:189 -190.GUO Shi-gui，ZHANG Peng-jun，LIU Yun-jian，et al. Mine and demolition equipments test technology［M］. Beijing:National Defense Industry Press，2011:189 -190.(in Chinese)