基于粘性标准的防暴动能弹冲击损伤评估综述

孙映斌，汪送

(1.武警工程大学 研究生大队，陕西 西安 710086；2.武警工程大学 装备管理与保障学院，陕西 西安 710086)

防暴动能弹作为一种能够使人员暂时失去抵抗能力而又不产生致命性、永久性伤害的武器装备，在武警部队和公安机关处置群体性事件及个人极端行为等任务场景中得到了广泛的应用。随着现代战争形态的变化，为防止授人以柄导致冲突升级，各国都很重视在小规模冲突中使用非致命武器尤其是非致命动能武器，以达到拒止的目的。我国列装的非致命动能武器主要由10 mm转轮防暴手枪和18.4 mm防暴枪组成,国外目前多使用40 mm口径的防暴动能弹发射器,如德国使用的H&K69滑膛手持发射器[1]和美国生产的FN 303发射器[2]。

然而，近几十年里，防暴动能弹的相关致伤数据[3-8]证明了防暴动能弹在某些特定的能量值、作用距离和冲击位置的致命性。防暴动能弹的冲击能量如果超过人体组织的耐受阈值，过度损伤便不可避免，这使人们对防暴动能弹的非致命特性产生了质疑。

躯干是人体横向面积最大的区域，通常被当做瞄准部位，所以了解和把握防暴动能弹对人体躯干的冲击致伤机理，明确产生严重伤害的标准成为了人们的关注焦点。粘性标准相较于其他致伤标准而言，能够较为准确地评估未发生穿透的冲击对人体产生的伤害，国内在这一领域的研究仍比较滞后。笔者从防暴动能弹冲击损伤评估标准的发展、粘性标准的定义和国外学者的研究应用，分析总结了粘性标准的研究现状、主要不足和发展趋势，在一定程度上为下一步国内开展相关研究指明了方向。

1 防暴动能弹冲击损伤评估标准发展

非致命动能武器的作用机理是以弹丸的冲击动能打击有生目标，并产生强烈痛感，从而使其失去抵抗能力或行动受到抑制。其弹丸多采用密度较小的柔性材料制成，如木材、橡胶、塑料等材料，特点是飞行速度低、衰减快，与目标接触面积大，不易产生穿透，通常不产生致命伤害[9]。结合《全球枪发非致命弹药图鉴》[10]所收录的弹药信息，显示了几种常见类型的防暴动能弹，如图1所示。

了解和掌握非致命动能武器的冲击损伤标准，就使得科学预测所造成的损伤严重程度成为了可能，进而指导防暴动能弹的开发和科学使用。自防暴动能弹诞生以来，各国研究人员对其冲击损伤评估标准的研究就从未停止过。表1描述了不同致伤标准对度量参数、度量方法、适用场合的要求和相关学者所定义的非致命指标及其主要缺陷。

表1 防暴动能弹冲击损伤评估标准特点对比

1.1 动能标准

在使用非致命动能武器过程中，研究人员发现防暴动能弹拥有的动能与被作用目标产生的伤害成正比，即速度和弹丸质量的大小决定了目标受到何种伤害。此时用动能来表达目标被冲击后的状态成为标准：动能存在一个临界点，大于该临界点，目标可能致死，小于则不然。各国对动能标准的认识并不统一，如法国定为39 J；德国和美国定为78 J；我国沿用苏联规定的98 J[11]，在实际试验中，为与其他国家做统一比较，我国也常用78 J作为动能标准。

1.2 比动能标准

随着防暴动能弹的迭代发展，研究人员发现当弹丸的形状发生改变后，较小的动能配合比较尖锐的弹丸时，依然产生了穿透，所以动能标准并不能描述所有冲击损伤问题。比动能标准取代了动能标准成为判断目标皮肤是否被穿透的依据。比动能表达了某一动能在某一空间上耗散的条件，即弹丸所具有的动能与击打面积的比值。有研究表明[12]，高达10 J/cm2的比动能值会造成皮肤穿透。我国军用标准[13]明确指出，防暴动能弹的威力要求比动能小于12 J/cm2。

1.3 钝性标准

由于动能标准和比动能标准未考虑冲击目标的特性,并且无法描述未产生穿透的人体躯干内部的损伤情况，钝性标准(BC)作为一种基于能量的模型，被用于对人体躯干弹道钝性冲击的损伤风险评估，能够更加准确地表达损伤程度，其对弹丸的物理参数十分敏感，使研究人员能够更加方便地了解参数变化对损伤的影响。钝性标准最早由美军在1970年制定，历来被用作弹药设计标准。BC=0.37作为参考值，对应于AIS>1(适用于胸部的简明损伤量级[14])的胸部损伤(肋骨骨折)50%的概率[15]。

1.4 粘性标准

Lau等[16]在1981年提出了粘性响应(VC)，它是胸腔压缩速度和胸腔即时压缩率乘积的时间函数。在实验中，尸体胸部受到模拟车辆碰撞中的横向冲击载荷，发现基于最大胸部压缩速度和胸部压缩率的VC值(VCmax)是优于其他损伤标准的损伤预测因子。21世纪初，一些学者将其引入防暴动能弹人体躯干钝击损伤评估中，取得了很好的效果。粘性标准现已成为欧美国家检验防暴动能弹非致命性的重要标准之一。由于钝性标准(BC)没有考虑防暴弹的材料属性，当刚性防暴弹和可变形的复合型防暴弹拥有相同的初始能量和相同的直径时，利用钝性标准预测冲击损伤将会得出相似的结果。然而，Nsiampa等[17]在相关研究中表明，拥有同样能量的两种防暴弹，复合型防暴弹所造成的目标伤害程度始终小于刚性防暴弹，这是因为复合型防暴弹的可变形部分能够吸收一部分冲击能量，并在冲击过程中产生形变，从而减少了冲击力。因此，粘性标准更加适用于可变形的柔性和复合型防暴动能弹的冲击损伤评估。Bir[18]在尸体实验中发现，VCmax=0.8 m/s时，对应人体受到弹丸冲击后的中度损伤。

2 粘性标准的定义及其数学表达

2.1 粘性标准的定义

粘性标准是为评估人体躯干弹道冲击损伤风险而制定的标准之一，基于胸腔的动态压缩，并由粘性响应所确定。粘性响应是胸腔压缩速度和胸壁厚度归一化的胸腔压缩率的乘积，将粘性标准定义为胸腔粘性响应的最大值。该标准旨在预测由弹道冲击引起的软组织损伤和心肺呼吸功能障碍的严重程度。已有研究证明[19]，粘性标准与对尸体进行的测试冲击损伤评估有很好的相关性。作为时间函数的胸腔压缩曲线允许计算每个测试条件的VCmax，所获得的VCmax值与损伤数据相关联。

2.2 粘性标准的数学表达

VC=V(t)×C(t),

(1)

VCmax=max[V(t)×C(t)],

(2)

式中：VC是粘性响应；VCmax是峰值粘性响应；V(t)是胸腔压缩的瞬时速度(m/s)；C(t)是胸腔压缩率。

图2显示了胸腔压缩速度V与胸腔压缩率C的关系，D0是胸腔的初始外部厚度，Y(t)是胸腔的瞬时厚度。

结合图2对粘性标准的基本性质进行了分析，得到3个性质：

1)第1个性质：可以通过图2得出粘性响应是一个量的变化率，这个量是胸腔的瞬时厚度数值的平方与两倍胸腔的初始外部厚度的比值：

(3)

2)第2个性质：从图2中还可以观察到粘性响应是一个量的积分：

(4)

3)第3个性质：通过寻找峰值粘性响应得到峰值粘性响应的必要条件为

(5)

如果将Y(t)表示为时间t的显式解析函数，则可通过求解式(5)得到粘性响应的临界时间。

通过讨论粘性标准的几个重要性质，可以发现粘性响应实际上可以用方程(3)和(4)中定义的两个量来表示。根据该标准，不仅压缩量是相关的，而且压缩速率也是相关的。

3 粘性标准在冲击损伤评估中的应用

越来越多的研究人员倾向于使用粘性标准来研究防暴动能弹对人体躯干冲击的致伤原理，探求人体内部组织和器官所受到的伤害。国外一些学者通过不同的靶标材料使用粘性标准验证了防暴动能弹冲击所造成的损伤程度。

3.1 以生物体为靶标的冲击损伤研究

生物体靶标包括人类尸体和活的或死的动物。虽然尸体和人体相比缺乏张力，但用未经防腐处理的尸体代替人体试验已经是最接近于实际情况的实验对象[20]。动物中，猪和羊被较多地用于防暴动能弹冲击试验，这是因为猪和羊的表皮组织和内脏结构与人类最为相似。Lau等[16]在1981年将用于汽车碰撞领域的人体躯干冲击损伤评估的粘性响应引入钝性弹道冲击中，开发出了适用于防暴动能弹钝性弹道冲击损伤评估的粘性标准。2004年，Bir 等[21]对尸体进行了大量弹道冲击实验，通过绘制力-时间、压缩-时间和力-压缩曲线建立人体胸部对钝性弹道冲击的反应走廊，确定了粘性标准的阈值，为评估防暴动能弹冲击损伤和人体替代物的生物保真性以及开发新的评估方法做出了开创性贡献。Prata 等[22]在一项对比相同钝性弹道冲击下大型动物和人类尸体胸壁行为的研究中，利用粘性标准计算了被防暴动能弹冲击的两种生物靶标胸壁上的峰值速度和最大压缩，结合钝性标准说明了两种生物靶标的被冲击特性，得出了人类的胸壁比猪的胸壁更坚硬、更具抵抗力的结果，为评估防暴动能弹胸部钝性冲击风险提供了指导。

3.2 以生物替代品模型为靶标的冲击损伤研究

生物替代品模型主要由仿生模型和机械模型组成。肥皂和明胶作为比较理想的仿生材料，其密度和物理响应与肌肉组织类似[23]，且能够方便地观察到弹丸冲击形成的位移和空腔。刚性壁和假人(如Hybrid III假人[24])是比较常用的机械靶标，通过内置的传感器能够比较准确地表征冲击响应，从而为研究人员提供了评估冲击损伤的依据。在40 mm防暴动能弹冲击人体效应评估的研究中，Kapeles等[25]使用两种不同弹头结构的防暴动能弹进行了终点效应研究，对3肋骨弹道冲击假人(3RBID)进行多次不同能量的冲击，从而得出用于损伤评估的粘性标准值，数据表明，根据最大粘性标准(VCmax≤0.8 m/s)，两种弹药都在损伤量级的可接受值范围内。这项研究还表明，当对具有柔软性或能量耗散特性的弹丸进行评估时，钝性标准具有局限性。Bracq等[26-27]在一项关于预测动能弹丸冲击下肋骨断裂的研究中，采用聚合物凝胶块作为弹道冲击靶标，基于粘性标准的峰值(VCmax)和AIS损伤分级的关系，对比了不同冲击条件下的数据，得到了预测肋骨断裂的有效参数。在一项关于审查用于评估胸部损伤的拟人模型研究中，Thota等[28]使用粘性标准验证了多个不同类型用于模拟汽车碰撞的拟人模型(ATD)是否可用于钝性弹道胸部创伤的评估，并且给出了用于胸部钝击损伤评估模型的开发方案。

3.3 以数值仿真模型为靶标的冲击损伤研究

由于人类尸体的稀缺和伦理的约束，动物与人体的不同比例以及各种机械模型内脏的缺失等问题，加之实验成本高，可重复性差、数据收集困难等原因，研究人员更加倾向于使用数字化人体模型(如HUBYX人体有限元模型[10])。通过数值仿真的方式构建人体有限元模型，利用相关软件进行仿真计算，通过与尸体试验数据相对比进而验证模型的有效性，是以数值仿真模型为靶标的防暴动能弹冲击损伤研究的一般程序和方法。使用数值仿真模型进行弹道冲击试验具有成本低、用时短、可重复性好、安全性高以及数据易得的显著优势。Bodo等[29]对比Bir的人体弹道冲击反应走廊，验证了人体躯干有限元模型HUBYX的生物保真性，通过比较AIS损伤风险等级与VCmax的关系来评估伤害AIS≤2的概率，从而预测了拥有不同参数的防暴动能弹冲击人体所造成肺损伤和骨折的风险。Thota的研究团队[30]为了验证一种用于评估高速钝性冲击的胸部替代品有限元模型MTHOTA，通过仿真计算得出冲击MTHOTA的VCmax,对比尸体冲击测试得出的数据显示出高度一致性，从而成功证明了MTHOTA作为人体躯干替代品的可行性；并通过另一项旨在评估能量吸收机制对钝性弹道冲击致胸部损伤影响的研究中[31]，使用了3种不同类型的弹丸冲击不同厚度的MTHOTA模型，分别计算VCmax并进行比较，证明了适当改变复合型防暴弹的可变形部分的设计和材料，能够有效改变弹丸所造成伤害的严重程度。Nsiampa等[32]在一项研究中发现，由于人体躯干的材料和几何特性分布并不均匀，胸骨和肋骨以及内脏和肌肉等的分布导致了这种不均匀，躯干的局部刚度将受到不同器官的材料和几何特征的影响，VCmax的数值往往取决于不同的冲击位置，胸部最低部分显示出VCmax的较高值。冲击的角度也是一个关键因素，冲击方向往往不是垂直的，但VCmax的最高值通常在垂直位置给出，这就说明了来自不同冲击方向的冲击，受严重伤害的风险可能更高。

4 粘性标准评估的不足及研究趋势

4.1 粘性标准冲击损伤评估的缺陷

虽然粘性标准已经在防暴动能弹冲击损伤评估中得到广泛应用，但使用粘性标准作为防暴动能弹损伤判据也存在一些问题。

1)粘性标准用于评估防暴动能弹人体躯干冲击损伤必须在能够表征粘性响应的复杂模型上进行。而目前所有的对模拟汽车碰撞应用有用的拟人化试验假人的胸腔模型都不能用于评估钝性弹道冲击造成的胸部创伤，因为它们中的每一个都与为汽车相关的碰撞而开发的生物力学响应走廊相关联[28]。现在学者们所进行的基于粘性标准的研究主要通过数理仿真模型进行，想要开发一款适用于评估钝性弹道冲击造成的胸部创伤的机械模型似乎困难重重，因为很难找到适合的材料替代物，并且制造和测试都很不容易。

2)粘性标准需要提供胸腔压缩量和胸腔压缩的瞬时速度,然而在冲击事件发生的过程中，对于可变形弹丸和人体躯干替代品，都会发生形变，测量这些形变数据需要借助高速摄像机等昂贵设备，有时测量结果也并不能使人满意。

3)粘性标准是通过对生物胸腔替代品(人类尸体和动物)、仿生替代品(拟人试验假人)的实验数据进行统计分析而发展起来的，其物理意义并不明确[33]。粘性标准对于可变形防暴动能弹冲击损伤评估的适用性，目前还没有达成共识[14]。

4.2 粘性标准冲击损伤评估发展趋势

基于粘性标准对比其他标准在评估防暴动能弹对人体躯干冲击损伤的优势及该标准固有的局限性，结合防暴动能弹的迭代发展，考虑以下两个方向将会成为粘性标准冲击损伤评估的发展趋势：

1)以粘性标准为核心，耦合多维防暴动能弹冲击损伤评估标准，从而形成一套科学评估防暴动能弹冲击损伤的组合判据[34]。在确保评估结果准确可靠的前提下使其广泛适用于研究不同材料、不同结构的防暴动能弹和冲击目标的不同部位，从而指导适应任务需求的防暴动能弹的开发。

2)构建基于深度学习的神经卷积网络模型[35,36]。通过大量的仿真试验，获得VCmax仿真数据集，并进行训练和验证，得到一种仿真数据驱动的有预知功能的防止过度伤害的预警算法，结合智能伤势识别系统，使非致命动能武器的操作人员在预知损伤等级后，提前做出射击调整，决策适当的打击位置或者停止射击，杜绝过度损伤情况的发生。

5 城市战环境下低附带人员损伤标准

在战争进行到中后阶段，城市作战成为了战争不可忽视的一个重要环节。城市中，往往平民集中，建筑密集，想达到既能有效毁伤敌防御工事、杀伤敌作战部队，又能最大限度地降低对周边人员和建筑的低附带损伤，是非常困难的[37]。然而，无论是从人道主义角度出发，还是为避免舆论攻击，如何降低城市战中人员远场低附带损伤也是不得不面对的问题。

战斗部爆炸所产生的动能破片飞溅是炮弹造成远场低附带人员损伤的主要机理[38]，在这一点上，与其他动能武器弹药毁伤机理有共通之处。通过笔者对非致命动能武器对人员致伤标准的研究总结，对人员的损伤主要有两个关键标准。比动能标准主要描述动能弹丸对人体一般皮肤是否造成穿透，如果产生穿透，人员势必面临着脏器破裂、失血、感染等危及生命的重大风险。结合我国军用标准[13]，远场低附带人员损伤的标准也应定为比动能小于12 J/cm2。但不产生穿透的动能冲击也有可能造成脏器破损或严重骨折从而危及生命，故应将粘性标准引入远场低附带人员损伤评估范畴，即VCmax≤0.8 m/s[18]，对应不产生人体中度损伤及以上风险50%的概率。比动能标准和粘性标准的组合判据能够很好地预测远场低附带人员损伤的程度。

根据这一组合判据，为有效降低远场低附带人员损伤，采用轻质易碎或可变形的破片材料、预制球状破片从而使之不产生尖锐破片、寻找速度衰减剧烈的新型材料，成为城市战中适合使用的炮弹选择，科研人员应重点考虑。

6 结论

通过对防暴动能弹冲击损伤粘性标准的梳理和研究，发现：

1)防暴动能弹的冲击损伤评估标准经历了动能标准、比动能标准、钝性标准、粘性标准的发展过程，致伤标准的变化伴随着防暴动能弹的迭代和冲击靶标的拓展。

2)利用粘性标准能够更加准确地预测各种类型防暴动能弹对人体胸部的冲击损伤，已经被认可是一种更可靠的预测方法。除粘性标准外的其他致伤标准在柔性防暴动能弹和复合型防暴动能弹的冲击损伤评估领域研究中存在一定局限性。

3)使用粘性标准存在着收集参数困难、测试设备昂贵、测试程序复杂的缺陷。开发一款性价比高、方便数据采集的人体躯干机械模型十分紧迫。

4)耦合多维致伤标准形成组合致伤判据、开发具有预知功能的预警算法是防暴动能弹冲击损伤评估的发展趋势。

5)国内关于城市战环境下对人员低附带损伤动能弹以及其损伤标准的开发和研究比较滞后，为应对未来可能的应用环境，急需科研人员聚焦目光。