手枪弹侵彻有防护仿生人体躯干靶标试验研究

唐刘建， 温垚珂， 薛本源， 徐 诚， 宋 焦

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094；2.内蒙古北方重工集团有限公司，内蒙古 包头 014033)

枪弹击中而未贯穿防弹衣的情况下，其冲击动能仍会作用于人体上，产生所谓“冲击凹陷”，形成类似于钝器猛击造成的伤害(钝击伤)，严重的可能造成人体的内脏、骨骼受伤，甚至致死[1]。这种由小质量高速投射物引起的非穿透性损伤称之为防弹衣[4-5]后钝性损伤(Behind Armor Blunt Trauma, BABT)。随着个人防护能力不断增强，现有常规枪弹已不能有效穿透防弹衣对人体造成直接伤害，因此钝击伤情况显著增加。开展防弹衣后钝性损伤的研究有助于了解人体组织在非穿透性投射物作用下的力学响应与病理生理变化，进而阐明投射物钝击伤的损伤机理，为提高枪弹杀伤威力和改进防弹衣性能提供科学依据。

钝击伤的研究手段主要有：①尸体试验；②动物试验[6-9]；③非生物模拟物试验[10-13]；④计算机数值模拟[14-17]。这些方法各有优缺点，相互补充。由于尸体来源有限且受到伦理道德限制，相关试验不易开展。动物虽与人体在某些方面有一定相似性，但差异也非常显著，而且需要较大的样本量才能获得具有统计意义的结果。明胶、肥皂等非生物模拟物的动态力学特性与肌肉有一定相似性，且试验的重复性较好，目前在创伤弹道学研究中被广泛采用，但靶标一般为均质无法与人体解剖结构对应。非生物模拟靶标目前正朝着与人体结构更加接近的仿生假人靶标发展，以期获得更加接近真实人体杀伤效应的结果。近年来随着计算机技术的迅猛发展，数值计算方法开始在钝击效应研究中发挥出越来越重要的作用。构建基于真实人体数据的虚拟计算机人体模型来进行杀伤效应模拟具有广阔的应用前景，但由于缺少生物软组织动态力学数据，当前的数值模拟结果还不能令人信服。

本文首先建立了一个“明胶-胸廓”仿生人体躯干靶标，进而搭建同步测试系统开展手枪弹侵彻有防护人体躯干靶标的试验研究。采用高速摄影记录枪弹侵彻有防护靶标的动态过程。通过埋设在靶标内的压力传感器记录心脏和肺部的瞬态压力特性。为钝击伤研究提供了可以借鉴的手段和数据。

1 靶标制备

目前国际上常用的弹道明胶有两种类型,分别为质量分数10%、使用4 ℃的明胶和质量分数20%、使用10 ℃的明胶。本试验中的“明胶-胸廓”仿生人体躯干靶标由质量分数10%的明胶组成，符合Jussila[18]提出的国际通用制备方法。“明胶-胸廓”仿生人体躯干靶标的制备过程，如图1所示。首先以1∶9的质量比量取明胶固体颗粒和水，将明胶固体颗粒浸泡在水中。在浸泡期间充分搅拌以使得明胶颗粒充分吸水膨胀。浸泡完毕之后，将明胶颗粒倒入恒温水浴锅，水浴温度设定为60 ℃，加热期间每隔10 min搅拌一次，直至明胶溶液表面无明显泡沫。其后，关闭加热装置使明胶溶液温度稍微降低，再将明胶溶液注入预置了人体胸廓模型的模具中，待其冷却到室温后将其放入4 ℃的恒温箱中保存。在试验时从恒温箱中取出靶标进行脱模，并尽快完成试验，以减小温度对仿生靶标性能的影响。本次试验主要测量子弹撞击软质防弹衣时，仿生人体躯干靶标心脏和左肺位置的瞬时压力响应，因此在这两个位置埋设了压力传感器，传感器埋设深度约距人体前胸表面10 cm。

2 试验过程

试验系统构成，如图2所示。枪口距离防弹衣前端面6 m，测速靶位于枪口3 m处；当子弹出枪口时，枪口焰触发红外触发器；触发器同时发送两个触发信号给高速摄影和数据采集系统；高速摄影系统拍摄分辨率为768×768 pixels，拍摄频率30 000 fps；数据采集系统采样频率100 kHz，压力传感器采用113B24型压电式压力传感器。软质防弹衣尺寸为30 cm×30 cm，由50层UHMWPE无纬布组成，满足NIJ IIIA级防弹标准。

图2 测试系统示意图Fig.2 Schematic of test system

试验中射手采用立姿有依托姿势从靶标正前方进行射击，射击距离为6 m，仅进行枪弹垂直入射(入射角90°)靶标试验，枪弹的入靶姿态由高速摄影系统观测并记录。入射角以及射击距离的变化对测试结果的影响拟在后续研究中进行。采用92式9 mm铅芯手枪弹对软防护下人体躯干的心脏、右肺和肝脏部位分别进行射击，弹着点位置如图3所示。

图3 弹着点和传感器位置Fig.3 The impact point and the position of sensors

3 试验结果

试验结果表明，“明胶-胸廓”仿生人体躯干靶标试验结果的重复性和精确性较好，其在心肺部位所测得压力的第一个峰值对真实人体心肺钝击伤具有重大的参考意义。本文建立的“明胶-胸廓”靶标相对于传统靶标有了一定的进步，但由于器官仿生材料研究还不够成熟且价格昂贵，本试验并未建立含仿生器官的靶标，因此无法较好的模拟人体脏器受到钝击时的整个压力变化过程，拟在后续研究中开展相关研究。

对心脏部位进行两次射击，测得弹丸入靶速度分别为331 m/s和341 m/s。传感器采集到的压力曲线，如图4所示。压力曲线有一个很陡峭的上升沿，然后迅速衰减振荡，并逐渐减小到零。入靶速度331 m/s时，心脏的峰值压力达到了2.40 MPa，0.2 ms后压力波传播到左肺处，峰值压力衰减为1.30 MPa。入靶速度341 m/s时，心脏的峰值压力为1.20 MPa，0.2 ms后左肺处测得的压力波峰值为0.50 MPa。第二发压力峰值明显小于第一发，主要是由于第二发的实际弹着点偏离了预期弹着点。

图4 压力随时间变化曲线Fig.4 Time histories of pressure

高速摄影拍摄到的手枪弹侵彻软防护下仿生人体躯干动态过程，如图5所示。以枪弹撞击防弹衣瞬间为计时零点，0.5 ms时防弹衣上出现一个边长约为10 cm的“◇”型凹陷区域。随着侵彻的进行，凹陷区域逐渐扩大并使整个防弹衣产生了明显的变形。到4.5 ms时防弹衣的变形达到最大程度，随后在人体躯干靶标弹性能作用下开始回弹。被击中的防弹衣背部产生一个高度约3 cm的塑性鼓包。两发枪弹均穿透了7层UHMWPE无纬布，对软质防弹衣的穿透率仅为14%，这主要是由于弹丸的铅芯易变形，在侵彻过程中会被迅速墩粗压扁，从而导致侵彻性能变差。

图5 手枪弹侵彻软防护下仿生人体靶标动态过程Fig.5 Dynamic process of pistol bullet impact soft body armor covered bionic human torso

图6(a)的曲线表明，虽然弹着点在右肺，但传播至心脏和左肺处的压力峰值仍然达到了0.39 MPa和0.25 MPa。对比图6(a)与图5，压力波经过心脏部位传播到左肺时，心脏处起始压力越大，传播过程中压力衰减的越快。由此可见，压力波在传播过程中衰减速度逐渐变小。图6(b)的压力曲线表明，当弹着点在肝脏部位时，由于距离传感器较远，心脏和左肺处压力传感器采集到的压力峰值仅为0.10 MPa。图6(b)中两条压力曲线的变化规律和幅值基本一致，主要是因为从弹着点到两个传感器的距离基本相同。

图6 弹着点分别为右肺和肝脏部位时，在心脏和左肺处传感器测得的压力曲线Fig.6 Time histories of pressure in the location of heart and left lung,when impacting at right lung and liver, respectively

4 结 论

本文建立了“明胶-胸廓”仿生人体躯干靶标模型，通过试验测量了手枪弹撞击人体典型位置时，心脏和左肺部位的钝击压力特性，并采用高速摄影记录了枪弹未贯穿侵彻有防护人体靶标的动态过程。直接侵彻心脏部位时传感器测量到的压力峰值在心脏部位为2.40 MPa，在左肺位置为1.30 MPa；侵彻过程中防弹衣会产生非常大的瞬态变形，并最终在防弹衣背部产生一个高度约3 cm的塑性鼓包;弹着点在右肺部位时，传播至心脏和左肺的压力峰值分别为0.39 MPa和0.25 MPa；弹着点在肝脏部位时，由于传播距离相近，心脏和左肺处压力传感器的压力峰值大小接近，约为0.10 MPa。本文研究可为钝击伤评估和防弹衣改进提供参考。