防暴动能弹钝性弹道冲击实验测试研究综述

汪 送

(武警工程大学 装备管理与保障学院， 西安 710086)

在美军的武力连续体中，非致命武器仅次于致命武器，是遂行各类多样化任务中致命武器的有效补充，填补了口头警告和致命武力之间的空白，美军称其为“力量倍增器”。在各种类型非致命武器当中，动能非致命武器(Kinetic Energy Non-lethal Weapons，KE-NLW)发展最早[1]，自20世纪70年代后期以来，KE-NLW被军警部门在不需要或不适宜使用致命武器的情况下广泛使用。Robbe等[2]指出KE-NLW系统仍然是战场上应用最广泛的非致命武器之一。防暴动能弹是KE-NLW的重要成员，也称防暴致痛弹，是利用弹丸的飞行动能打击有生目标，使其致伤致痛，从而失去抵抗能力或行动受到抑制的一种警用非致命弹种[3]，国外也称其为冲击弹药(Impact Munitions)，动能冲击弹(Kinetic impact projectiles，KIPs)等。Biagioni等[4]指出在民众示威和需要控制暴乱个人的情况下，防暴发射器的使用已经取代了传统枪支。

防暴动能弹的设计初衷是使目标暂时失能，而不造成致命性或永久性伤残，也因此存在作战效能的下限和损伤风险的上限这双重限制。Haar等[5]将非致命性界定为：预期产生不需要专业医疗护理的轻伤，如轻微的挫伤、擦伤或扭伤，同时要避免产生需要专业医疗护理的重伤，包括从需要缝合的裂伤到需要手术或重症监护室级护理的贯穿性损伤。尽管设计初衷是不产生重伤，但在实际应用中导致过度伤害的案例屡见不鲜，其中较为常见的损伤致因有近距离射击、多发射击、对胸部以上部位的射击，以及对年幼、年长个体的射击等[6]。根据Hubbs等[7]统计的106个执法机构的373起事件中发射的969枚弹丸的损伤信息表明，瘀伤占51%、擦伤占31%、皮肤撕裂伤占6%、骨折占4%、皮肤贯穿占2%，1%导致受试者死亡，仅6%的弹丸未造成人身损伤。Haar等[5]通过统计分析防暴动能弹的损伤文献，在 1 984 个受伤个体中，53人(2.67%)因受伤而死亡，300人(15.12%)永久残疾，在2135处损伤中，71%是严重的，皮肤和四肢受伤最为频繁。这些统计数据清晰表明，防暴动能弹的使用安全性依然令人堪忧，为提高防暴动能弹的固有安全性和使用安全性，需要通过实验测试对其致伤威力进行全面评估。

由防暴动能弹冲击所造成的人体生物力学响应有3个组成部分：体质量加速的惯性阻力；刚性结构和组织的压缩产生的弹性阻力；由组织的速率依赖性引起的粘性阻力，目前存在3种经典的防暴动能弹钝击实验测试方法，即黏土测试、弹道明胶测试和生物力学替代品(碰撞假人)测试[8]。Lyon[9]指出虽然在过去的30 a中已经开发了各种钝性创伤模型，但是没有一种单一的方法能够评估各种类型的弹丸对身体不同部位的冲击。较简单的模型仅包括最基本的参数，而较复杂的模型往往仅适用于非常具体的弹丸类型。为评估防暴动能弹致伤威力，除了分析模型外，通常采用实验测试方法来进行弹丸致伤威力判定。

1 钝性弹道冲击典型测试平台

为分析不同射击距离及冲击能量下防暴动能弹对目标的潜在伤害，需要以不同的碰击速度进行冲击测试，一种可能的方法是在每次射击过后通过移动武器来改变碰击速度，这种方法因为弹道扩散和装药量误差大而难以精确实现。Alexandre等[10]给出了一个更好的解决方案，即设计一个特定的枪来实现不同速度的发射，并自制了配有可互换的铝质发射管的气动发射器，该发射器可承受高达1 MPa的输入压力，该气动发射器允许以特定的速度高精度发射直径达 40 mm 的不同的弹丸。表1给出了钝性弹道冲击领域典型测试平台的相关性能，表1给出的4个平台均采用气动发射器，通过高速摄影机拍摄弹丸终点特性，其中，Bir[11]为确定人体对胸部钝性冲击的响应走廊，搭建实验平台，采用刚性PVC弹丸对尸体标本、组织模拟物(粘土和明胶)和生物力学替代品进行冲击测试。Oukara等[12]提出了一种“力壁法”，建议使用三种依赖于颅内压的损伤阈值(无意识、脑膜损伤和骨损伤)为参考来确定射弹3个相应的临界冲击力。Sahoo等[13]开发了一种基于实验测试与数值模拟的方法来预测头部损伤风险。在3种不同的冲击速度下，用刚性力壁进行16次非致命弹丸冲击测试，力/变形时间数据用于非致命弹丸有限元模型验证。Anctil等[14]为测试皮肤穿透替代品的效果，也搭建了一种气动枪平台。但这些平台都采用压缩气瓶作为弹丸发射的动力源，因此在一定程度上限制了发射速度。此外，发射管普遍较短，难以获得一致性较好的碰击速度。

表1 钝性弹道冲击典型测试平台

1.1 生物替代品

除了PMHS样本，生物替代品也常被选作冲击对象，蒲利森等[19-20]采用瘦肉型猪进行局部组织创伤研究，采用山羊来进行内脏损伤研究，通过对生物的胸腹部、臀部进行实弹射击，展开了对10 mm布袋弹、18.4 mm布袋弹、18.4 mm橡皮霰弹、18.4 mm橡皮弹和38 mm软体变形弹的生物致伤效应实验，给出了上述弹药在不造成过度伤害前提下的有效使用距离。周龙伟等[21]选取东北地区山羊和瘦肉型猪作为18.4 mm橡皮霰弹的生物学试验模型，在常温状态下，研究了18.4 mm橡皮霰弹对两种试验动物在不同距离、不同防护、不同部位条件下的胸、腹部损伤情况，并采用X线摄片检查了弹丸存留情况及贯通伤深度。Langlet等[22]为了更好地理解钝性弹道参数和弹体结构如何影响弹丸与目标间的相互作用，进行了非致命动能弹丸冲击猪胸部的实验测试。结果表明，损伤的严重程度似乎主要与肋骨骨折导致结构脆化后可以转移到胸壁的剩余脉冲相关，并指出必须重视弹丸质量与速度的组合，从而科学确定非致命弹丸的安全界限。

1.2 非生物替代品

采用PMHS和动物来研究弹丸的终点效应能获得较为真实的生物力学响应，其中，PMHS提供了最好的形态学相似性，而动物具有最好的病理生理学相似性，但两者均存在样本获取困难、个体差异大的问题，必须

2 钝性弹道冲击典型替代品

2.1 PMHS替代品

在进行钝性弹道冲击测试时，人类尸体(Post Mortem Human Subject，PMHS)是最理想的测试对象，Bir[11]采用 37 mm PVC弹丸冲击PMHS的胸骨，获得了生物力学响应走廊(后文简称Bir实验走廊)，从而为机械替代品和有限元模型的验证提供了参照数据。Bir等[15]进一步指出，在不使用活体人类受试者的情况下量化皮肤贯穿阈值的最准确方法也是使用PMHS。作者采购了8具PMHS，用RB1FS弹丸对前胸部、后胸部、腹部和腿部等进行多次冲击，前、后胸部产生50%贯穿风险所需的能量密度分别为23.99 J/cm2和52.74 J/cm2。JEROME[16]采用PVC弹丸冲击PMHS，获得了钝性弹道冲击下腹部的力-时间、偏转-时间和力-偏转响应走廊。Freminville等[17]通过发射40 mm复合型动能弹丸研究评估了在不同距离范围的24具PMHS在额骨、颞骨、胸骨和左胫骨区域引起的损伤，获得了造成50%几率骨折风险的速度分别为：79.2 m/s、72.9 m/s、72.5 m/s和76.7 m/s。Nicolas等[18]对比了PMHS和猪的胸部行为，在相同冲击条件下，猪胸部的运动大于PMHS的运动，在给定的钝性标准(Blunt Criteria，BC)值下，PMHS的损伤程度总是高于猪。

有足够多的实验数量，才能获得统计学上有显著性的结果，同时为了克服伦理问题并提高测试的可重复性和可再现性，从20世纪60年代起，通常使用非生物模拟物如弹道明胶(BG)或弹道肥皂来研究抛射物对人体的冲击[23]。表2给出了5种较为典型的钝性冲击非生物替代品模型，Merkle等[24]采用人体躯干替代模型(HSTM)来评估胸部和腹部内脏对弹道撞击的反应，HSTM在胸骨和胃上受到一系列弹道撞击，通过安装在器官中的传感器测量通过躯干传播的压力波，提高测试精度则需要持续提高HSTM的生物保真度，包括增加解剖细节和额外的材料表征。Bir[11]第一次尝试使用3-RCS来评估非致命弹药的弹道冲击，3-RCS提供评估持续损伤参数VC以预测损伤风险的能力，后面经过改进，成为三肋弹道冲击假人(3RBID)。Bir等[25]使用12号RB1FS弹丸来评估每种材料组合，最终确定的替代品包括天然麂皮的撕裂评估层(LAL)、0.6 cm厚的闭孔泡沫层和20%弹道明胶的贯穿评估层(PAL)，预测50%贯穿的能量密度为23.88 J/cm2(PMHS实验数据为23.99 J/cm2)。该模型可重复的、性价比高，并被北约STANREC标准草案采用，但天然麂皮的厚度变化很大，厚度不同可能导致结果略微不同。于是，Anctil[14]采用一层厚400 μm的热塑性聚氨酯薄膜代替标准草案中的天然麂皮，得到了相似的贯穿极限速度(V50)。Xiong等[26]建立了包括牛皮、石蜡凝胶和明胶在内的皮肤-脂肪-肌肉模型，分别模拟皮肤、脂肪和肌肉。采用16 mm球形橡胶子弹以不同速度(71～134 m/s)冲击该模型，并用高速摄像机拍摄空腔演化和牛皮变形。Bracq等[27]采用苯乙烯-丁烯-苯乙烯聚合物凝胶块(SEBS)作为弹道测试介质，通过测量凝胶壁动态位移来解释刚性弹丸的弹道冲击，耦合实验和数值方法，将弹道实验与钝性创伤的风险联系起来，基于12个数据对建立了在凝胶块上的单独实验数据和肋骨骨折概率之间可靠的传递函数。

表2 用于钝击损伤研究的典型非生物替代品模型

3 防暴动能弹弹丸终点弹道测试

弹丸类型不同，其终点特性也差异较大，在橡皮弹、布袋弹和复合型防暴动能弹3种类型的弹丸中，复合型防暴动能弹致伤机理最为复杂，其弹丸设计与表征也最为困难，Pavier等[28]采用分离式霍普金森压杆系统来确定复合型弹丸聚氯丁二烯基弹头的动态特性，以确定拟研究冲击应变率范围内的应力-应变曲线，采用40 mm气动枪发射弹丸，冲击装有力传感器的厚钢板，并通过测量刚板上的冲击力来提供参考载荷数据。Kapeles等[29]根据BC标准，取BC=0.37，改变弹丸质量和速度，以及目标的尺寸，生成了直径为40 mm的弹丸的损伤容限曲线，根据损伤容限曲线，可以确定给定弹丸不同速度下不同受体的损伤概率。所研究的两种弹药分别是防务技术公司的40 mm精确冲击弹(Exact ImpactTM)和直接冲击弹(Direct ImpactTM)，两种弹都包括标准射程和增程两种类型。其中，标准和增程型的精确冲击弹丸的BC值分别为1.06和1.48，这都远高于BC=0.37的50%概率维持AIS 2或3的胸部骨骼损伤阈值，这说明基于刚性弹丸所获得的损伤阈值和响应曲线对于软质布袋弹和复合型动能弹是否依然适用需要进一步的研究。Robbe等[2]指出为进行弹丸冲击损伤测试，通常使用商业上可获得的弹丸来执行，一方面，弹丸相当昂贵，且具有可膨胀特性，另一方面，测试者无法控制弹丸的机械特性和行为。如果制造商修改其弹丸的某些特性，则对测试的再现性将产生戏剧性的影响，于是提出一种易于开发的替代弹丸，称为“模拟非致命弹丸”(BSNLP)，其目的是取代标准中的参照弹丸，建议的BSNLP弹体均由Stratasys 3D打印公司生产的丙烯腈丁二烯ABS plus P430塑料制成，弹头材料则选用了四种可变形材料(聚丙烯闭孔泡沫塑料(EPP)、乙烯-醋酸-乙烯酯高密度泡沫(EVA HD 70)、氯丁橡胶泡沫橡胶(CR)、乙丙二烯亚甲基橡胶(EPDM))，其中，EPP和EVA HD 70的可重复性明显好于其他材料，使它们成为弹头材料的更好候选者，这两种材料制成的弹丸与市场上可用的弹丸的比较也显示出良好的一致性。

弹丸的终点特性决定着弹-靶间的能量传递，在冲击点导致直接损伤的同时，因转移能量在靶标中的动态扩散进一步导致间接损伤，Pavie等[30]在一个普通的动能范围内(100～160 J)，为了研究胸部损伤的严重程度，对两个不同质量的40 mm弹丸在动物替代物上的冲击测试进行了分析。实验结果表明，动能和口径不足以区分两种射弹的致伤威力。诸如动量、形状和阻抗等参数影响射弹与胸部的相互作用和末端效应，其损伤机制取决于射弹和胸腔的相互作用以及撞击过程中传递到胸腔的能量。Pavier等[28]进一步为研究冲击点附近的响应，在离体的含肋猪胸上嵌入力传感器、加速度传感器和应变片，拟通过冲击来观察壁位移、肋骨加速度和应变、肋骨骨折，受伤取决于弹丸和胸腔之间的相互作用，这由传递到胸腔的脉冲来表示，而动量驱动了脉冲和胸部位移。结果表明：“低质量-高速度”弹丸可以迅速提供负载，“高质量-低速度”的弹丸具有较慢的冲击动态特性，但提供更高的冲击力，这种弹丸对受损结构具有更大的作用，并引起可能导致肺穿孔的大量局部位移。Kapeles等[29]采用 40 mm 增程型精确冲击弹和直接冲击弹冲击三肋弹道冲击假人(3RBID)，结果仅导致了给定能级下的较低的VCmax值，这与柔软或硬质泡沫弹头材料的变形或断裂会耗散本应转移到目标的能量有关。通常认为，40 mm的大口径弹丸不会造成皮肤穿透，但通过提高发射速度并冲击多层替代品，增程型精确冲击弹和直接冲击弹在速度足够大时也造成了皮肤穿透，因此，实战应用中，射击距离不应小于所规定的最小安全射距。Sebastian等[31]为有效评估TASER®增程电击弹(XREP®)的作战效能，在不同射击距离上实验测试了XREP®系统中发射武器和射弹间的相互作用及实弹和训练弹的射击精度。研究指出，为了能够评估XREP®的安全性，必须考虑弹药的弹道特征，射弹的准确性和精度越好，可以预期的附带损害就越少。

从上述研究可知，为获取较为真实的钝击测试结果，需要开发与人体组织结构相类似的非生物替代材料，同时为减小射弹散布和提高弹道一致性，在进行钝击实验时普遍采用弹道气动发射装置(如弹道空气炮)，或者使用专门研制的弹道枪进行弹丸发射，针对PMHS的试验逐渐减少，发展有效的非生物替代品成为重要的试验手段。在动物实验、PMHS测试可能引发道德和伦理问题的大背景下，开发廉价的、可重复、可再现的机械替代品是进行防暴动能弹钝击实验测试的不二选择。

4 结论

1) 测试平台以气动发射为主，枪械发射为辅，以获得不同的出口速度，但是弹丸速度一致性方面有一定欠缺，由于通过防暴枪进行弹丸发射因装药量存在不可避免的差异，从而导致出口速度出现较大偏差，且难以获得预期所需的出口速度，且因枪管长度较短，受火药燃气扰动，弹丸飞行稳定性较差，而弹道空气炮可以通过调整发射压力来获得不同的出口速度，同时通过增长发射管的长度，可以显著提高动能弹弹丸的弹道一致性和着靶能量一致性；

2) PMHS替代品和生物替代品各有优缺点，但样本获取困难，个体差异性较大，为提供具有可对比性的测试结果，需要采用非生物替代品，但基于单纯明胶块的多层替代品，通常仅用于测量弹丸冲击所形成的空腔及其演化，或用于验证皮肤穿透的替代品，但不能定量测度能量的转移与传递过程，下一步研究方向包括：构建复合靶标，在明胶块内部嵌入各类传感器和肋骨、长骨的仿生骨，以预测能量扩散和空间损伤，分析弹丸不同载荷特性下皮肤穿透/非穿透与骨折间的关联关系；

3) 现有的弹-靶间能量交互的研究，多是针对制式枪弹创伤弹道的研究，或是针对防弹衣背面钝性创伤的研究。当前，国内尚未建立具有解剖结构的和可定量测度空间能量扩散的仿生靶标，对于揭示防暴动能弹冲击能量传递以及转移能量的动态扩散规律研究还缺乏标准化的等效靶标。