耦合多维致伤判据的防暴动能弹安全设计规范研究

汪 送

(武警工程大学 装备管理与保障学院， 西安 710086)

1 引言

动能类非致命武器(kinetic energy non-lethal weapons，KE-NLW)是发展最早的一类非致命武器[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运用。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，防暴动能武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穿透性损伤。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、年老个体的射击等[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%、皮肤穿透占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2 135处损伤中，71%为严重损伤，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，过度损伤与设计缺陷或使用不当相关，但根本原因在于对不同类型动能弹丸的非致命致伤效应和损伤机理仍然缺乏本质的了解，特别是缺乏科学有效的安全设计准则和损伤评估方法。

本文将基于广泛的文献调研，构建动能弹丸的冲击损伤谱，提炼关键致伤因素，进而综述国内外主流致伤判据，并给出防暴动能弹的安全设计流程，旨在推动防暴动能弹的本质安全化设计，提高动能弹弹丸的使用安全性。

2 防暴动能弹冲击损伤谱研究

2.1 防暴动能弹冲击损伤谱的构建

防暴动能弹可导致钝性和穿透性损伤，从局部挫伤到严重的器官损伤和死亡。不同类型防暴动能弹损伤机理并不相同，同一类型防暴动能弹对人体不同部位造成的损伤特性也并不相同，为提供损伤救治的科学手段，需要构建不同类型动能弹丸对人体的冲击损伤谱。

为分析典型动能弹丸的冲击损伤特性，通过查阅文献，按照弹丸类型、弹丸参数、目标参数、损伤特性和致因分析对典型冲击损伤案例进行了比较分析，得到了如表1所示的典型防暴动能弹冲击损伤案例表，从表1可知，最小的弹丸重量仅为4.75 g(Fiocch橡胶弹丸)，最大的弹丸重量为40 g(布袋弹)虽然两者质量相差较为悬殊，但动能分别为173.14 J和165.62 J，又较为接近；13个案例中，受击对象均为男性，年龄从22～46岁，平均年龄34.45岁；损伤特性包括体表的擦伤、挫伤、撕裂、血肿和穿透，体内的气胸、血胸、心肺挫伤、骨折等，主要的致伤原因有弹丸动能过大、射距过近、弹道扩散较大等。

表1 典型防暴动能弹冲击损伤案例

续表(表1)

为进一步区分主流的橡皮弹(含能量衰减型防暴动能弹)和布袋弹的损伤类型，基于大量的文献调研[8-19]，构建了如图1和图2分别所示的橡皮弹(含能量衰减弹)冲击损伤谱和布袋弹冲击损伤谱。从图1和图2可知，2种类型动能弹产生了远超乎想象的损伤类型，这与防暴动能弹预期不产生中度以上伤害的初衷背离较远，从头颈部、胸部、腹部和四肢的损伤情况来看，头部和胸部损伤类型较多，且较为复杂，也通常是致命性损伤的归因区域，一方面提高了损伤救治的难度，另一方面也进一步表明了进行动能弹丸安全设计的必要。Suyama等[20]研究指出91%的布袋弹损伤是挫伤或擦伤，而橡皮弹此类伤的比例是64%。橡皮弹造成撕裂型伤害的可能性几乎是布袋弹的4倍。对比图1和图2可知，橡皮弹相较布袋弹而言，损伤谱分布更为广泛，这是由于橡胶弹丸的类型更多多样，且通常初速更高，空中飞行速度衰减较慢，从而容易造成更为严重的损伤。

图1 橡皮弹(含能量衰减弹)冲击损伤谱

图2 布袋弹冲击损伤谱

2.2 基于损伤谱的防暴动能弹关键致伤因素提炼

动能弹丸造成的死亡、重伤和永久性残疾，实际上是由于弹丸近距离射向头部、颈部、胸部和腹部等重要器官造成的伤害所致。与损伤严重程度相关的主要因素是创伤区域的弹性系数、转移的动能和弹药的阻力系数，因此，冲击损伤与弹丸参数、生物体参数和冲击条件三方面因素密切相关[8-9]。

防暴动能弹有许多变量可以影响伤害模式和严重程度，包括材料组成、形状、数量、出口速度(弹药离开武器的速度)和弹药的飞行轨迹、射击距离和对身体的冲击位置等[21]。Mahajna等[22]指出影响创伤类型、大小和深度的因素包括弹药的重量(质量)、形状和速度、弹药撞击时的动能、表面粘弹性属性(张力)、身体表面在撞击区域的抗侵彻能力以及弹药的阻力系数。Haar等[5]研究指出影响受伤严重程度的潜在危险因素包括冲击点、射击距离和可获得的医疗护理。弹道数据表明，密度高的物体和更快的弹丸速度增加了冲击力[23]。基于图1和图2所示的冲击损伤谱，结合损伤谱构建中所涉及的冲击损伤案例，提炼防暴动能弹关键致伤因素如图3所示。

图3 防暴动能弹关键致伤因素框图

从图3可知，弹丸质量和速度决定弹丸动能，弹丸动能决定冲击能量，截面积决定冲击能量的分布，弹丸形状影响弹丸弹道系数和阻力系数，弹丸材质影响冲击能量传递过程，截面密度决定弹丸硬度，进而影响弹丸冲击过程中的形变能力；目标体重影响冲击过程中的动量传递，体壁厚度与穿透损伤相关，冲击部位的弹性系数和组织杨氏模量决定损伤类型，年幼和年长的女性目标受严重损伤的概率更高；射击距离影响碰击速度，入射角决定了弹丸的冲击载荷特性，冲击次数的增加会导致损伤的叠加，弹着点分散较大则容易导致击中非允许射击的脆弱区域。以上提炼的因素是进行防暴动能弹冲击损伤评估的关键致伤因素，也是关联致伤判据的重要纽带。

3 防暴动能弹致伤判据研究

在研究防暴动能弹致伤威力和损伤机理的过程中，如何科学选择和确定致伤判据，对于损伤风险的高效评估具有决定性作用，David等[24]指出评估与动能弹药有关的潜在伤害能力已经成为科学界的一个新问题，虽然已经提出了多种评估方法，但目前还没有被广泛接受的方法来评估由防暴动能弹冲击造成的伤害等级。Alexandre等[25]指出目前还没有普遍接受的标准来评估防暴动能弹的有效性和致伤威力，科学家、决策者和用户等均强调需要这种评估工具。蒲利森等[26]也指出按国内外传统杀伤弹标准或传统动能防暴弹标准对10 mm布袋弹致伤威力所进行的考核，均不能真实地反映其生物致伤威力。因此，迫切需要明确的、可验证的致伤判据，以便能够为KE-NLW确定危险或安全的射击距离并评估可能造成的伤害。

致伤判据是由一定条件下能够正确反映人体损伤严重程度的物理量或者多个物理量组成的函数(损伤预测因子)表示。如图3所示，由于人与人之间可能存在年龄、性别、身体机能等方面的差异，防暴动能弹在冲击部位、冲击速度、入射角度等相同条件前提下，对人体造成的损伤也会存在差异。因此，致伤判据只能依据正常情况下大部分人体的损伤严重程度制定，大部分致伤判据本质上反映的是损伤达到给定的简明创伤定级标准(abbreviated injury scale，AIS)的可能性。在致伤判据的研究中运用过多种概率函数，最为常用的是逻辑回归函数(logistic regression)，该函数在流行病学和武器损伤威力评估中均得到广泛运用[23]。

(1)

式(1)中：x是预测变量，即致伤判据；p(x)表示损伤达到给定的AIS损伤等级的概率；α和β是通过对大量生物力学测试实验的统计分析得到的参数。

国内采用的致伤判据主要包括动能判据(≤98 J)、比动能判据(10～26 J/cm2)和穿透力标准(安全作用距离不能穿透25 mm厚的红松木板，有效致痛距离能穿透2层0.05 mm厚的牛皮纸)，而国外则更多地选用钝性标准BC(blunt criterion)、粘性标准VCmax(viscous criterion)、冲击动量标准、冲击脉冲标准等(其中与胸部冲击损伤关联度较高，且应用较为广泛的判据为BC判据和VCmax判据)，以及用于评估头部冲击损伤的最大颅内压/最大头部冲击力标准。以下结合图3所提炼的关键致伤因素及其与致伤判据之间的从属关系，对主要致伤判据进行对比分析。

3.1 动能/比动能致伤判据

动能判据是指当投射物的动能达到一定界限时，就能对人员有效地杀伤，否则就不能。动能判据基于能量传递的观点，将能量传递率作为重要测度指标，能量传递率是指弹丸冲击靶标后传递给靶标的能量与碰击能量的比值，表示为：

(2)

(3)

式(2)～(3)中：E为动能(J)；m为弹丸质量(kg)；V为弹丸速度(m/s)；ηE为能量传递率(%)；Ec为弹丸碰击动能(J)；Ex为弹丸回弹动能(J)；Vc为弹丸碰击速度(m/s)；Vx为弹丸回弹速度(m/s)。

事实上，Koene等[27]认为速度(动能)和穿透并不总是相关的重要原因是：损伤不是由于能量吸收，而是由于太多的应力(σmax)，在应变超过某个临界极限(εmax)的情况下，组织被破坏。此外，除了阈值速度，还应该考虑冲击截面积(口径)、弹丸材料和形状。因此，动能判据逐渐地被比动能判据所取代，比动能计算式为：

e=E/A

(4)

式(4)中：e为动能弹丸的比动能；A为弹丸撞击靶标瞬间的冲击截面积。

文献[28]建议“致痛但不穿透人体皮肤的安全阈值”是比动能为10 J/cm2，“致伤等级(AIS)为Ⅱ级的安全阈值”是比动能22 J/cm2、动能55 J。不同国家对动能阈值具体规定并不一致，如法国定为39 J、德国和美国定为78 J、国内采用的98 J是沿用前苏联的规定。比动能判据比较适合进行皮肤穿透风险评估，但是存在10 J/cm2[28-29]和23.99 J/cm2[30]2个相差较大的穿透阈值，这也说明，冲击载荷特性不同的动能弹丸对皮肤的穿透比动能是完全不同的，从而在一定程度上限制了比动能判据的适用范围，比动能判据适合对比评估相同弹丸不同冲击速度下的皮肤穿透风险。

3.2 钝性冲击致伤判据

钝性BC判据是美国军队为了预测平头弹冲击人体的损伤情况而制定的致伤判据，其计算式为[31]：

(5)

式(5)中：m表示弹丸质量(kg)；V表示弹丸速度(m/s)；W表示目标质量(kg)；T表示目标体壁厚度(cm)；D表示弹丸直径(cm)。

如图3所示，BC判据在比动能判据的基础上，进一步考虑了受击对象的体重和体壁厚度，使得损伤评估更为科学和全面。BC判据曾是弹药设计制造的参考依据，之后Bir等人将这一标准引入到了防暴动能弹冲击损伤评估领域，并确定当BC=0.37 m/s时，胸部损伤AIS等级大于I级的概率为50%。然而，BC判据有一定的局限性，如未考虑弹体的材料特性等，因此对质量、速度、外形相同的防暴动能弹，即使材料不同(如具有不同形变特性的硬质和软质材料)，根据公式(5)将计算得到相同的BC值，而这与实际严重不符。事实上，对于软质弹丸，较高的BC值也可能不会造成极为严重的损伤。

3.3 粘性冲击致伤判据

粘性VCmax判据由Lau和Viano首先提出[32]，该标准描述了胸部损伤与胸部形变量及形变速度的关系，适用于粘性损伤评估。其表达式为：

(6)

一般情况下，胸部损伤程度受VC的最大值影响，因此利用VC判据时往往考虑VCmax值。当VCmax=0.8 m/s时，胸部损伤AIS等级大于等于I级的概率为50%。VCmax判据直接从人体胸部的响应情况来评估损伤，避免了BC判据因弹丸形变性能不同而导致评估结果却相同的问题。北约标准《非致命弹丸胸部损伤风险评估》(AEP-99)[33]也是采用粘性VCmax判据。

从式(6)可知，VCmax判据似乎只与胸壁的变形量和变形速率相关，但正如图3所示，不同的VCmax值与弹丸的物理参数以及生物体的体重和体壁厚度都密切相关，VCmax判据是上述因素耦合影响的最终结果，因此，VCmax判据是一种较为系统全面的致伤判据。

3.4 头部冲击致伤判据

根据北约标准《非致命弹丸头部损伤评估》(AEP-103)[34]，有2个标准可以预测非致命弹丸造成脑损伤的严重程度。第1个标准是瞬时颅内压的最大值(transient intracranial pressure，TICP，通过PMHS和动物试验测得的阈值)；第2个标准是最大接触力(由基于颅内压数据的数值模型计算的阈值)，接触力的值来自TICP值的数值外推。头部冲击致伤阈值如表2所示。

表2 头部冲击致伤阈值

国军标对于非致命性防暴弹药几乎是一片空白[35]，我国防暴动能武器还一直沿用松木板及牛皮纸的评估办法，在《防暴弹药定型试验规程》(GJB3287—98)中定义“0.025 m厚、无腐朽、节疤、虫孔、木质均匀、含水率不大于15%的红松木板或击穿比动能为118 J/cm2的相应厚度均匀板材”为模拟靶标材料。在《枪弹试验方法》(GJB3196—98)、《枪用防暴橡皮弹规范》(GJB5059—2001)中，也仍沿用了松木板(安全阈值)及120 g牛皮纸(有效阈值)的穿透率对橡皮弹进行评估。并规定其安全作用距离为射击0.025 m厚松木板的穿透率为0，有效致痛距离则以120 g重的单层牛皮纸击穿率50%为界限。这些评估方法已不适用于布袋弹、能量衰减型防暴动能弹的致伤评判，因此，为评估防暴动能弹的致伤威力，需要科学地选用致伤判据，特别应注重在需求论证阶段进行优化设计，提高动能弹丸的本质安全化设计水平。

4 耦合多维致伤判据的防暴动能弹安全设计流程研究

现有防暴动能弹普遍存在近距离威力过大、远距离效能不足的现实问题，虽然目前尚无普遍认可的防暴动能弹致伤判据，但为提高防暴动能弹的本质安全化设计水平，需要综合国外认可度较高的致伤判据来进行安全设计，得到如图4所示的动能弹丸安全设计流程。

图4 动能弹丸安全设计流程

首先，明确动能弹弹丸的参数输入，包括弹丸质量、速度、材料等数据，基于公式(5)计算BC值，如果BC值小于0.37，则通过试验测试测算弹丸冲击瞬间的速度和截面积，在进行皮肤穿透风险验证之前，首选基于结构、材料、形变过程等数据，构建RB1FS等效弹丸，随后以比动能为23.99 J/cm2验证皮肤等效模拟靶，验证通过后，采用新设计的弹丸冲击皮肤模拟靶，确保不产生穿透；进一步根据验证通过的人体胸部靶标，进行VCmax计算，该值应小于0.8 m/s；虽然头部是非允许的射击部位，但考虑到可能的弹道扩散和目标的随机移动，进一步进行头部损伤阈值验证，确保最大颅内压小于45 kPa，或者最大头部冲击力小于3 600 N，以确保不产生中度以上的伤害，以上步骤均通过，则进行进一步的有效性验证，以确保动能弹丸在有效射程范围内能达到预期的致痛效果，如果上述步骤中的任一步骤未能验证通过，则需要进行参数优化，重新进行验证流程。

图4给出的安全性设计流程是一种较为保守的验证方式，特别是在进行衰减能量型弹丸验证时，虽然计算的BC值可能较高，但后续的验证步骤均能通过，此时应结合弹丸实际，进行比对阈值的科学修订，从而确保设计出的动能弹丸兼具安全性和有效性。

5 结论

1) 橡皮弹(含能量衰减型防暴动能弹)和布袋弹具有广泛的冲击损伤谱，致损严重程度给损伤救治带来较大的挑战；

2) 动能弹丸关键致伤因素包括：弹丸质量、硬度、初速、阻力系数、射击距离、入射角、弹道扩散和打击区域；

3) 动能弹丸安全设计需要递进考虑BC值、比动能、VCmax值和最大颅内压(或最大头部冲击力)，耦合多维致伤判据进行设计优化，整个过程需要重复进行、迭代优化。