防暴弹药任务安全性研究综述

2021-05-06翟浩龙崔晓萍

兵器装备工程学报 2021年4期

翟浩龙，崔晓萍

(武警工程大学装备管理与保障学院，西安 710086)

防暴弹药不是以大规模杀伤人员、武器装备和基础设施为目的，而是通过物理、化学、生物等有效的作用方式使目标人员降低/失去作战能力[1]，使对方武器装备及基础设施不能发挥正常作用，从而顺利实现阻止和限制其行动或反抗的效果，在任何情况下应用，都不能对人体产生不可逆的生理或心理伤害，所以安全性是防暴弹药应用过程中的最基本的要求[2]，但是从实际运用来看，其使用安全性依然面临各种风险和挑战[3]。此外，防暴弹药安全性的研究成果还能应用在以下几个方面：1)有助于防暴弹药的设计及性能优化改进；2)有助于指导作战人员合理使用防暴弹药，充分发挥其效能；3)有助于完成战场目标防护技术研究；因此，防暴弹药安全性研究、评估的准确性和实时性是实现非致命武器装备创新发展、精准装配、有效使用的重要基础，对充分发挥防暴武器装备的战术性能、提高处置能力具有重大的现实意义[4]。综上，本文主要对防暴弹药任务安全性研究情况进行了综述，以期推动防暴弹药任务安全性能的改进和提高，为下步防暴弹药安全性的深入研究提供参考与借鉴。

1 弹药安全性研究的标准以及影响因素

1.1 国外弹药安全性研究的标准

1982年，美国国防部颁布了世界上第一个弹药安全性军用标准 DOD—STD—2015海军)《非核弹药危险性评估标准》，经过多次修订后于2011年颁布了三军通用的MIL—STD—2015D。该标准规定了弹药安全性考核试验项目，这些项目包括4项基本安全性试验(28 d温湿度、振动、4 d温湿度、12 m安全跌落)、6项不敏感性考核试验(慢速烤燃、快速烤燃、子弹撞击、破片撞击、射流冲击、殉爆)和42项附加安全性试验(加速度、意外投弹、电磁干扰、电磁辐射、闪电、X射线、太阳辐射、毒性等)[5]。1998 年，北约发布了北约 IM 通用标准化协议STANAG4439，即《引入、评估和试验钝感弹药的政策》，2009年和2010年又先后两次对标准进行了更新，目前执行的是 STANAG4439( 第3版)。该标准分析了战斗部可能遭遇的典型危险性并制定了相关的模拟刺激，如表1所示。此外，英国、法国、德国和意大利等国家也制定了弹药安全性试验评估标准体系，适用范围包括所有非核弹药、弹药分系统 (如战斗部、引信、发射装置、推进装置、安全和解保装置等)和其他爆炸装置。

表1 STANAG中规定典型危险性和相关模拟刺激

1.2 弹药安全性影响因素

国外研究表明，就弹药自身而言，影响弹药安全性的因素主要包括炸药装药、弹体结构和包装防护结构。其中，炸药装药是影响弹药安全性的根本因素，分析弹体结构及包装防护结构最终都将归结为炸药装药的安定性方面。弹药安全性影响因素见表2[6]。

表2 弹药安全性影响因素

2 防暴弹药安全性研究的内容以及任务安全性的研究现状

2.1 防暴弹药安全性研究的内容

对于防暴弹药安全性的研究，同样需要在其设计、论证、制造、使用、储存、报废的全寿命过程中，开展全面地安全性工程设计与分析，从本质上降低防暴弹药的安全性风险指数。对新研发的防暴弹药都要进行高温、低温、振动、跌落、浸水、储存寿命等性能试验，同时对药剂还要进行安定性测试，产品测试合格，经部队试用后，才可实现大量产品化[7]。通常对防暴弹药安全性的研究主要包括固有安全性研究和使用安全性研究2个方面[8]，其内容如图1所示。其中，固有安全性包括设计安全性和制造安全性；使用安全性包括任务安全性、维护安全性、改进安全性和报废安全性，当然，使用人的无差错作业能力是弹药使用安全性的保证(因人为差错引起的安全问题不在本文的考虑范围)。防暴弹药作为非致命性武器的重要组成部分，其自身所含的炸药装药远低于杀伤类弹药，其设计、制造、维护、改进以及报废等阶段所面临的安全风险相对较低，所以对其安全性的研究应更多的是侧重于其使用过程中打击能量的有效控制方面的探索，主要解决其作用的有效范围和效应的准确控制方面的问题。

图1 防暴弹药安全性内容框图

2.2 防暴弹药任务安全性研究现状

防暴弹药任务安全性研究与其研发设计同步，防暴弹药在投入使用之前，需要对其各项战技指标进行验证，所以对其安全性的研究都要有效结合其相关设计参数。某型爆震弹主要战技指标参数如表3所示，其中明确了该类弹药爆炸过程中具体发光强度、声强、延迟时间、安全距离等具体参数，这些参数为弹药的安全使用提供参考。但是对于防暴弹药任务安全性的研究并不是简单获取这些参数，任何一款防暴弹药在列装部队之前都要通过严格的论证、研制、试验、生产等各个环节，相关战技指标都已在使用说明书中备注明确，但是在实战过程中却依然存在过度伤害等安全性问题发生，Rohini等[9]通过分析1990年1月1日至2015年3月15日期间有记录在案的全球范围内处置群体性事件中催泪弹的使用情况，并对任务处置中造成的损伤、永久性残疾和死亡等情况进行了系统的评估，研究表明，这些防暴弹药使用过程存在较大安全隐患，导致了不必要的致残率和致死率。所以对防暴弹药任务安全性的研究是一个迫切需要加以重视的环节。纵观现阶段国内外对防暴弹药任务安全性的研究现状，主要从以下几个方面展开：

表3 主要战技指标

1) 基于理论研究方面。防暴弹药任务安全性研究涉及烟火学、医学、生命科学、环境保护等多个学科，加之其致伤机理不同、使用场景不同，所以对其安全性的研究需要从相关理论的研究着手。郭三学等[10]针对爆震弹爆炸产生的破片可能会对有生目标造成致命性伤害这一实际，主要通过箱体实验和高速摄影测试分析了破片的数量和质量分布及对有生目标的效应，建立了破片速度衰减方程，确定了爆震弹的安全半径，结果为爆震弹的设计改进和安全效应评价提供了理论依据；蒋贤沛等[11]针对爆震弹使用过程中的强声带来的安全性的问题，结合强声类防暴弹的作用机理，分析了影响其作战效能的因素，建立以使用安全性为核心的效能评估指标体系，通过直觉模糊综合评判改进传统评判方式，其评价理论对非致命武器效能的安全评估具有可行性；针对爆炸类防暴弹药爆炸冲击波可能对目标造成致命伤害，郭三学[12]以某型闪光爆震弹为研究对象，建立了冲击波超压方程，分析了冲击波超压效应，确定了冲击波超压对目标的作用半径，为闪光爆震弹的安全性应用提供了确切的技术参数；罗雷等[13]利用最小自由能法计算出某型防暴弹装药爆炸产物的平衡组分，利用盖斯定律计算出防暴弹装药的定容爆热，利用冲击波超压经验公式计算出固定药量的冲击波超压随距爆心距离R的变化曲线，对防暴弹微量装药近距离爆炸的安全性研究提供了研究方法。张振中等[14]以粒子的光散射理论为基础，研究催泪弹烟幕粒子粒径浓度的测量方法，研制了催泪弹烟幕粒子实验室生成与采集系统；基于激光彩虹原理，搭建了小粒子折射率测量系统，测量了典型激光波长下催泪弹烟幕粒子的折射率，为烟幕粒子的全散射法粒度测量提供较为准确的参数，并结合人体最大的生理耐受极限，为该类防暴弹药任务安全性的判断提供了理论依据；朱文坤等[15]通过对爆炸式催泪弹非致命效应各影响因素的研究，对爆炸式催泪弹的任务中安全性能进行了综合评估，提出了对爆炸式催泪弹任务安全性评价的方法，建立了以安全性为核心的评价指标体系，为爆炸式催泪弹的安全使用及优化改进提供参考；王众北等[16]提出了非致命防暴弹弹体材料的评价方法，建立了以安全性为中心的评价指标体系，利用数学建模的方法对其进行了安全性评价，为非致命防暴弹弹体材料的优化与改进提供参考；美国新罕布什尔大学在防暴弹药安全性研究方面，主要加强了对人体皮肤、肌肉、脂肪和骨骼等相关耐受能力的研究[17],给出了不同层次的安全标准等级；王登高等[18]围绕人体可能遭受防暴武器带来的损伤等级，主要从听觉、视觉、触觉、痛觉等医学角度就可逆性损伤的阈值进行了研究；研究表明，就闪光弹带来的强光辐射，眼睛能承受的可见光的最大亮度值约为106 cd/cm2,若超过此值，人眼的视网膜就会受到损伤；当遭受爆震弹产生的噪声品级L>120 dB，就必须考虑内耳可能遭受的永久性损伤；就爆炸破片、动能弹等对人体的痛觉效应，其动能标准为78.4 J,动能大于78.4 J就能使人致命，其比动能标准，有关人员通过对创伤弹道学的研究，提出擦伤皮肤的最小比动能e1=9.8 J/cm2，若比动能大于9.8 J/cm2，则存在致命风险[1]。

2) 基于试验测试方面。防暴弹药任务安全性研究的试验测试主要分为三类：

一是仿真实验，这类试验主要是根据弹药的杀伤机理，建立数学模型，通过仿真试验，对其致伤半径和杀伤系数等给出理论数据，对其安全性做出初步判断；黄东等[19]采用数值模拟的研究方法对防暴动能弹侵彻靶板的过程进行模拟,并通过改变防暴动能弹参数的方法建立多个模型,分析比较各模型的计算结果,得出防暴动能弹碰撞速度和入射角度2个参数对侵彻性能的影响，并通过了验证，从而为提升防暴动能弹安全性提供了参考；李青等[20]基于外弹道理论，建立了催泪子母弹子弹运动的数学模型。仿真表明，提出的体积作用效能评估方法具有原理简单，运算量小，可操作性强，适用性高的特点，研究工作为催泪子母弹作战运用及安全性能优化提供了科学指导；商保利等[21]通过建立了破片运动的数学模型，对防暴弹破片非杀伤效应进行了研究，通过分析对比不同材料的属性初步拟定材料的预选方案，最终通过实验进行验证，为选择合适的弹体材料提升安全性能提供参考；秦华杨等[22]基于多物质的ALE有限元法，运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，对闪光爆震弹冲击波效应进行了数值模拟，对闪光爆震弹的任务安全性进行仿真评估，得到了闪光爆震弹冲击波超压随距离的衰减规律，并提出了闪光爆震弹的冲击波安全半径的理论分析方法；王志刚等[23]根据爆炸式催泪弹气溶胶烟雾扩散特征，应用重气和非重气扩散数学模型，通过计算虚源点，将两种模型有效结合起来，对气溶胶烟雾扩散过程进行分析研究，得到气溶胶烟雾扩散半径、浓度变化规律以及单枚催泪弹有效作用区域，为提升催泪弹的任务安全性提供了参数依据；张国强等[24]依据LS-DYNA结构非线性分析工具，结合爆炸冲击波超压的致伤效应理论，建立了相应的仿真模型，通过实验分析得到了致伤半径，结果表明，利用仿真数据可以计算出冲击波超压对人员致伤安全半径，并具有一定的实践指导意义。

二是实弹测试试验，通过建立相关试验平台，主要对设计生产出来的防暴弹药进行的基本性能和相关参数的检测，通过分析比对各种环境下的试验数据，参照相关标准，对其任务安全性作出客观评价，并得出具体安全参数，试验结果对防暴弹药设计和改进其任务安全性能提供参考。马志伟等[25]围绕霰弹对人体杀伤效应进行试验研究，通过建立霰弹射击平台，选用肥皂模拟肌体组织，进行了不同霰弹在不同射击距离上的终点效应实验，确保弹体的侵彻威力均在设定的范围之内，既对有生目标造成一定的伤害，又不会造成永久性的创伤或死亡，确保准确掌握柔性防暴弹的致伤威力，提升其任务安全性能，蒲利森等[26]进行了实弹射击生物试验，并对试后生物进行了活体解剖和伤情分类，分析了不同条件下的此类弹药对人体的致伤威力特性，对其使用过程中的安全射程以及需应规避部位给出了具体参考数据；西里尔·罗比等[27]依据国家原子能机构最近出版的评估动能弹对胸部或头部非穿透性撞击的一些标准文件，结合弹药射向目标过程的动态物理参数，能有效判断其对目标的打击程度，提出了一种实验装置，并给出了实验结果，以便与其他防暴动能弹进行比较，增强了对动能弹使用安全的可控性。祁伟等[28]提出一种利用假人进行非致命动能冲击响应测试的方法，使用Hybrid Ⅲ第50百分位国际标准假人进行测试，分别用两种不同的非致命动能武器及弹药在6种距离对其胸部进行射击，通过Hybrid Ⅲ假人内置传感器记录冲击过程中假人胸部的冲击响应，有效获得用于评价假人胸部力学响应的加速度、位移、动能等数据，该方法与传统的使用肥皂、明胶和松木靶板进行测试相比，结果更加精确、可信，而且避免了目前尸体、动物等实验所存在的局限性，能应用于绝大多数非致命动能武器安全性的研究方面，因此，具有很好的通用性、重复性及军事应用价值。

三是使用环境试验，也称实战检验，这类数据来源于一线任务处置现场，一般包含在各种环境条件下使用防暴弹药的效能情况，相关数据一般体现在使用防暴弹药的案例报告当中，这些数据一般没有全面的报道，所以获取相对难度较大,但是这些案例报告中包含防暴弹药操作过程、弹药终点效应以及相关医疗诊治结果等宝贵数据，是一般性的试验测试报告所不能提供的，这类数据更有助于精准分析防暴弹药安全性及其杀伤极限，目前主要以国外相关报道为主。帕皮等[29]通过全面排查数据库，详细介绍18例使用防暴弹药处置案情的案例报告(其中包括动能弹和催泪弹)，通过分析弹药使用的全过程，结合诊断报告，详细说明了防暴弹药潜在的致命伤害，并提供一些改进建议，为任务中科学合理安全使用弹药提供参考；萨默斯·霍兹等[30]重点围绕由发射催泪弹导致的穿透性颅脑损伤的病例展开了研究，收集了患者的人员信息、伤口位置、神经系统检查、计算机断层扫描(CT)结果、手术处理和临床结果，研究表明，当枪发式催泪弹直接朝向目标头部发射时，有可能造成严重伤害或死亡，对于与催泪弹相关的穿透性头部损伤，死亡率极大，需要从人体健康的角度重新评估其安全性和使用方法；海德T.阿尔希洛等[31]依据关于伊拉克使用催泪弹的案例报告和相关文献，详细分析了其对人体头部可能造成的直接伤害，甚至造成严重的致命性损伤，使用中应充分预见催泪弹的化学、热和机械副作用对人体带来的伤害。因此，通过分析相关的案例报告，对实际任务中弹药的终点效应进行研究，能够更加精准掌握防暴弹药任务中对人体的安全效应，对其安全性的研究具有重要意义。

3) 基于新材料新技术应用方面。随着科学技术的发展进步，对于防暴弹药安全性研究的不断深入，为尽量降低防暴弹药过度杀伤的概率，提高其安全可靠性，一些新型材料和新的设计理念不断被运用到防暴弹药的生产方面。新材料方面，主要体现在弹体材质的变化，其中动能弹目前多采用密度较小的柔性材料如橡胶、塑料、木材制成，而且飞行速度较小，衰减快，与人体的接触面积大，没有穿透能力，有效提高了其安全性；爆炸类防暴弹药方面，郭三学等[32]提出选用纸质材料替代原有材质制作弹筒的新型设计，利用最小自由能法获得了装药配方中炸药爆炸后的平衡组成,通过试验,证明了新设计的爆炸式催泪弹产品具有极高的安全性和可靠性。新技术方面，主要体现在爆炸类防暴弹药破片的设计方面，依据闪光爆震弹破片速度衰减规律，郭三学[33]提出在弹体表面加工V形槽体的设计思路,以达到控制破片安全效应的目的，设计了破片的数量、质量、V形槽体尺寸。在弹体声光效应基本不变的情况下，通过破片预制，实现了对破片数量、质量以及形状的有效控制,大大提髙了闪光爆震弹的安全性，从根本上解决了因破片质量大而产生不安全因素的难题；马永忠等[34]提出采用无破片弹体的设计方案，选用开孔外壳和内壳相结合的双层腔体结构，对新型强光爆震弹进行了结构设计。利用仿真软件分析了内壳材料厚度、喷口的数量和直径等对声压效应的影响，对结构参数进行了优化，并通过了对声光效应的试验检验，试验表明：弹药爆炸时外壳体不发生破裂，破片被滞留在弹体内部，不会产生杀伤性破片，并具有较好的复杂环境适应性，从根本上解决了破片带来的安全隐患。

4) 基于优化药剂配方方面。这类方法重点体现在爆炸式防暴弹药冲击波超压的安全性分析上，当冲击波超压为0.019 8～0.027 6 MPa时，会对人员造成轻度伤害，当达到0.027 6～0.041 4 MPa，就会对人员造成中等伤害，在0.041 4～0.103 5 MPa，就会内脏严重挫伤，50%耳膜破裂，大于0.103 5 MPa，就会死亡，所以设计和应用中，严格控制对人员造成中等伤害，冲击波超压为0.019 8 MPa确定为人体损伤的临界值[1]，并在此距离处确定该类弹药的安全半径，安全半径越小，其应用越安全。弹药的装药通常通过计算爆炸装药的定容爆热，根据爆炸装药量算出该类弹药的冲击波超压,并确定其安全半径；同理，也可通过仿真试验，设定不同安全半径条件的装药量，优化配方设计，为爆炸式防暴弹药的装药改进提供理论数据。王众北等[35]通过对比分析几种常用的氧化剂、可燃剂、粘合剂和附加剂的理化性质，确定了闪光爆震弹装药的组分为 KClO4、Al 粉、CS 刺激剂、酚醛树脂和石墨。采用均匀设计法进行了配方设计，并通过静爆试验，对试验弹爆炸产生的闪光强度、脉冲声压级以及冲击波超压进行了测试，为防暴弹药装药研究来提高安全性提供良好借鉴；王草山等[36]基于BP神经网络建立了装药性能预测模型，采用神经网络与遗传算法相结合的方法进行了装药优化，通过声光效应试验对优化结果进行了验证，得到了最优配方，降低强光爆震弹在使用中潜在的安全威胁。结果表明，通过装药配方的优化，提高了防暴弹药的综合性能，为防暴弹药的性能改进、提升其安全性提供了新的思路和方法。

3 关于防暴弹药任务安全性研究的发展趋势

纵观国内外防暴弹药任务安全性的研究方面，全面的理论体系还有待进一步完善，系统的任务安全性评估体系仍未建立，尤其国内在这一领域的研究还处于初级阶段，虽然近些年随着科技的发展，新材料、新技术、新理念也不断的被运用到相关领域，但就目前阶段来看，笔者认为对于防暴弹药任务安全性研究的发展趋势主要有以下几个方面：一是要不断建立和完善能够全面系统评估防暴弹药致伤威力评判标准的理论体系，作为防暴弹药任务安全性研究和评价的重要理论依据；就目前国内外对防暴弹药任务的安全性研究来看，依托的理论不够系统、全面，能够指出存在问题，但是还不能完全给出具体可行的改进方案，所以相关评估结果还存在一定的偏差。二是不断运用智能算法和仿真分析预测，为防暴弹药安全使用提供技术指导；针对弹药的作用目标对象不同，任务中要充分考虑到目标人员年龄、性别、健康状况、攻击部位以及耐受的极限程度等实际情况，确保精准控制弹药终端效应，在提高其可靠性的基础上提升其任务安全性能。三是要不断建立和完善各类防暴弹药实战检验的数据库，基于大量数据，不断优化改进弹药设计，提升其任务安全性。四是世界各国应加强相关领域的交流合作，共同努力，推动技术创新，不断提升防暴弹药任务安全性。五是智能化控制平台不断被应用于防暴弹药终端效应的控制领域，精准打击能力不断提升。