橡皮彈對生物鈍擊損傷效應試驗研究

熊漫漫， 覃彬， 王舒， 韓瑞國,2

(1.中國兵器工業第208研究所 瞬態沖擊技術重點實驗室， 北京 102202;2.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

非致命動能彈是依靠動能打擊人體，達到防暴目的彈藥，作用于目標部分的彈頭用橡膠或塑料等非金屬材料制成[1-2]。常用的非致命動能彈包括布袋彈、軟體變形彈、橡皮彈、痛塊彈，主要用于人員壓制、驅散、制服、抓捕等，一方面必須確保具有足夠強的作用效果，另一方面還必須盡量避免過度傷害，即同時保證“有效性”和“安全性”，常用于處理反恐防暴沖突[3-4]，但是由非致命動能武器產生的過傷害和死亡的報道近些年頻繁出現[5]。為了避免在反恐防暴行動中發生致命等意外事件，通過生物靶標試驗探究非致命動能彈不同物理因素對生物打擊效應的影響規律，并評估非致命動能彈的效能十分必要。

對于非致命動能彈，其速度一般低于300 m/s，生物皮膚的存在對其侵徹與否、速度衰減與反彈狀態等影響非常顯著。非致命動能彈通常作用于生物皮膚表面和皮下脂肪。針對非致命動能彈的評估試驗通常使用模擬靶標，如仿真假人[6-7]、天然皮革加泡沫加明膠[8]、硅橡膠[9]等，使用生物靶標的并不多。蒲利森等[10-13]開展10 mm布袋彈、18.4 mm布袋彈和38 mm軟體變形彈等非致命彈打擊豬、羊等生物靶標試驗，通過對生物進行解剖和傷情分析對不同非致命動能彈威力和致傷效能進行評估。陳向陽等[14]使用模擬動能武器打擊華南犬，探討致傷犬雙后肢后部分代謝及生化指標的變化特點。Freminville等[15]使用40 mm非致命動能彈打擊人體死尸，評估彈藥的殺傷效能，獲得人體不同部位發生50%骨折風險概率的彈頭速度。Bir等[16-17]用18.4 mm口徑橡皮彈打擊未經防腐處理的人體死尸，針對不同速度橡皮彈對人體不同部位皮膚的侵徹效應進行評估。安寶林等[18]在研究低速槍彈打擊生物、生物組織以及松木板的致傷效果時，提出了針對不同制式槍彈和鋼球的比動能致傷判據和最小致傷閾值。但上述研究主要針對特定槍彈的致傷閾值、傷情和生化指標分析，未涉及到動能彈的有效性、安全性分析及其致傷機理。

為了探究橡皮彈對生物鈍擊損傷效應，本文通過開展不同硬度和不同口徑橡皮彈打擊生物的彈道試驗，以生物的行為反應和傷情特征為表征量，分析橡皮彈的速度、口徑、硬度等因素對生物作用效能的影響規律。

1 試驗方法

1.1 試驗用彈

考慮與彈頭發射裝置口徑匹配，同時參考常用防暴動能彈口徑，試驗選用32 mm、16 mm、8 mm的3種不同口徑的球形橡皮彈；考慮彈頭速度控制和避免過度傷害，試驗選用邵氏硬度分別為20 HA、45 HA、70 HA的帽形橡皮彈，如圖1所示。橡皮彈的物理參數如表1所示。橡皮彈采用氣動發射裝置發射。

表1 橡皮彈參數Tab.1 Parameters of rubber bullets

圖1 試驗橡皮彈Fig.1 Test rubber bullets

1.2 生物靶標

試驗用生物選擇質量為(50±5)kg健康狀態良好的長白豬，共10頭。由于殺傷元種類較多，試驗研究需要的數據量大，9頭生物用于開展不同物理因素橡皮彈打擊下生物損傷效應試驗。1頭生物開展生物麻醉狀態下創傷試驗，觀察橡皮彈打擊下生物的傷情和皮膚的變形情況。通過控制橡皮彈速度，使生物傷情控制在國家軍用標準GJBz 20262—95防暴動能彈威力標準傷情分級中的Ⅰ度3級的范圍內[1]。

1.3 試驗布置及方法

圖2為試驗系統示意圖，槍口距離生物為1.5 m. 其中圖2(a)為高速攝影觀察生物傷情和皮膚變形情況試驗系統示意圖。試驗前將生物麻醉，并將腿固定在金屬架子上，腹部朝外。高速攝像機型號為Phantom V122M，拍攝分辨率為640×480像素，頻率為10 000幀/s. 圖2(b)為不同物理因素橡皮彈打擊下生物傷情和行為反應試驗系統示意圖。試驗時生物在一定范圍內自由活動，從柵欄外向生物射擊。為減少連續射擊帶來的應激反應對生物行為狀態的影響，每頭生物射擊5～10發。記錄射擊速度、彈著點位置、皮膚傷情特征、行為反應，結束后開始下一個生物的射擊。定義橡皮彈打擊下生物皮膚表面出現的皮損、紅暈或蒼白為“可見傷情”，持續尖叫、驚跳或意圖逃跑為“明顯異常行為反應”。

圖2 測試系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of test system

2 結果與討論

2.1 生物皮膚表面鈍擊損傷特點及形成機制分析

橡皮彈打擊生物時，生物表面皮膚產生鈍擊變形，鈍擊變形超過一定量，生物表面留下可見傷情。圖3為32 mm口徑橡皮彈以88.8 m/s的速度、9.42 J/cm2比動能打擊生物左胸留下的傷情。損傷區域從內到外分為皮損區、蒼白區、紅暈區，直徑分別為15 mm、60 mm、90 mm，其中蒼白區與紅暈區界限明顯。打擊一段時間后，皮損區可見皮下出血，蒼白區變成紫紅色血腫區，原紅暈區基本消失。

圖3 32 mm口徑橡皮彈以88.8 m/s速度打擊生物胸部傷情Fig.3 Pig thorax trauma condition under the impact of 32 mm caliber bullet at 88.8 m/s

高速攝影記錄橡皮彈打擊下生物皮膚的變形歷程如圖4所示：1) 橡皮彈打擊在生物皮膚表面，發生變形并嵌入在皮膚內，其中嵌入直徑最大為64 mm，與蒼白區大小相近；2) 彈著點周圍皮膚發生褶皺，并向外擴散，褶皺凹陷區域最大為93 mm，與紅暈區大小相近；3) 彈頭離開皮膚表面，褶皺逐漸自愈撫平，直至恢復。

與皮膚形變同時，橡皮彈也發生顯著形變，主要經歷3個過程：1) 橡皮彈打擊在皮膚表面，慢慢嵌入皮膚，并被皮膚壓扁變形，直徑最大變為60 mm左右，速度逐漸變小，直至為0 m/s；2) 橡皮彈開始反彈，嵌入皮膚部分拔出，變成細長錐形，并逐漸恢復；3) 橡皮彈離開皮膚表面，開始振蕩式形變，變形—恢復—變形—恢復—變形，速度逐漸衰減。

圖4 32 mm口徑橡皮彈88.8 m/s打擊下皮膚和彈頭的變形歷程Fig.4 Evolution of pig skin and bullet deformation under impact of 32 mm calibre rubber bullet at 88.8 m/s

分析可知，蒼白區直徑與橡皮彈變形后最大直徑相近，推測其形成機制與彈頭直接打擊有關。橡皮彈打擊時發生變形，打擊瞬間產生極大剪切應力，且在沿半徑方向應力分布不均，越靠近彈著點中心，應力越大。若剪切應力產生的變形超過皮膚的極限應變，與之直接接觸的生物皮膚發生剝落，造成皮損；若剪切應力產生的變形未超過皮膚的極限應變，則嵌入的皮膚組織出現蒼白區。

紅暈區直徑與皮膚褶皺擴散的最大直徑相近，根據高速攝影觀察，褶皺以彈著點為圓心向外擴散，壓縮和拉伸應力協同作用，推動彈著點周圍變形區域向外移動直至能量全部釋放，變形區域達到最大。變形導致血液被擠出該區域，變形恢復后，血液迅速充盈，形成紅暈區。

結果表明：皮損區和蒼白區的形成與彈頭的剪切作用有關，而紅暈區的形成由皮膚的壓縮和拉伸變形協同作用造成；由于損傷機制的差異，紅暈區與蒼白區界限清晰，存在明顯的不連續間斷。

2.2 各因素對生物鈍擊損傷效應影響規律分析

2.2.1 橡皮彈速度

圖5 30 HA的16 mm口徑橡皮彈不同打擊速度下生物傷情Fig.5 Pig trauma caused by 16 mm calibre rubber bullet with Shore hardness 30 HA at different impacting velocities

邵氏硬度30 HA的16 mm口徑橡皮彈以速度66.5 m/s、72.3 m/s、100.8 m/s、124.8 m/s、131.1 m/s、148.7 m/s打擊生物的胸腹部。圖5為生物在不同彈速下的傷情特征，損傷區域形狀基本為圓形。損傷區域從內到外依次為：皮損區、紫色血腫區、紅暈區。皮損區生物表面皮膚剝落，皮下脂肪露在外面；紫色血腫區和紅暈區為充血部位，界限分明，其中血腫區是由蒼白區充血后形成的。

結語：在今后的學習、生活、工作中，將充分發揮學生黨員在學生公寓管理和公寓文化建設中的先鋒模范作用，從自身做起，積極帶動周圍同學在實踐中“履行宗旨、鍛煉黨性、提高修養”如何把優秀大學生凝聚在黨的旗幟下，是高校學生黨建工作的重要使命。

圖6所示為16 mm口徑橡皮彈打擊生物胸腹部皮膚的損傷直徑與彈頭速度關系曲線。由圖6可以看出，橡皮彈速度高于66.5 m/s，生物皮膚表面出現皮損區、血腫區、紅暈區，且隨著打擊速度的增加，血腫區和紅暈區的直徑逐漸增加，而皮損區直徑幾乎不變。即同一種橡皮彈打擊生物胸腹部，隨著橡皮彈速度的增加，生物皮膚傷情越嚴重，血腫區和紅暈區面積隨著打擊速度的增加而增加。橡皮彈速度為72.3 m/s沒有出現明顯皮損現象，推測可能是由于橡皮彈是斜入射，導致實際比動能小于名義比動能。

圖6 生物傷情特征區域直徑隨橡皮彈速度變化曲線Fig.6 Diameter of trauma feature region vs. velocity

2.2.2 橡皮彈硬度

使用邵氏硬度分別為20 HA、45 HA和70 HA的3種相同17.5 mm口徑橡皮彈射擊生物胸部，觀察生物皮膚傷情特征。如表2所示，20 HA硬度橡皮彈打擊下生物皮膚傷情主要以紅暈為主，沒有蒼白和皮損出現。軟質橡皮彈速度控制較困難，實際試驗中速度最高為47.7 m/s。當速度大于33.2 m/s，比動能大于0.857 J/cm2時，皮膚出現明顯紅暈區傷情。45 HA硬度橡皮彈打擊下生物皮膚傷情主要以紅暈和蒼白為主，沒有皮損出現：當速度大于28.3 m/s，比動能大于0.704 J/cm2時，皮膚出現明顯紅暈區傷情；當速度大于61.9 m/s，比動能大于3.370 J/cm2時，皮膚開始出現蒼白區。70 HA硬度橡皮彈下打擊下生物皮膚傷情主要以紅暈和蒼白為主，沒有皮損出現：當速度大于20.7 m/s，比動能大于0.410 J/cm2，皮膚出現明顯紅暈傷情；當速度大于40.6 m/s，比動能大于1.576 J/cm2，皮膚出現蒼白區。

對比可以看出，同一口徑下不同硬度的橡皮彈：造成生物皮膚明顯紅暈傷情所需比動能，20 HA硬度橡皮彈(0.857 J/cm2)>45 HA硬度橡皮彈(0.704 J/cm2)>70 HA硬度橡皮彈(0.410 J/cm2);造成皮膚蒼白傷情所需比動能，45 HA硬度橡皮彈(3.370 J/cm2)>70 HA硬度橡皮彈(1.576 J/cm2)。即同一口徑橡皮彈打擊生物胸部，橡皮彈硬度越高，造成皮膚明顯紅暈和蒼白所需的比動能越低。

2.2.3 橡皮彈口徑

使用口徑分別為8 mm、16 mm和32 mm的3種相同硬度橡皮彈射擊生物胸部，觀察生物皮膚傷情特征和行為反應?；跀祵W統計分析方法，對不同比動能造成生物皮膚表面傷情和明顯異常行為反應風險概率分布問題進行研究。橡皮彈打擊下生物皮膚表面產生損傷：定義出現皮損、紅暈或蒼白這些可見傷情特征為“1”，沒有出現這些傷情特征定義為“0”；定義出現持續尖叫、驚跳或意圖逃跑這些劇烈的行為反應為“1”，沒有這些劇烈的行為反應定義為“0”.

表2 不同硬度橡皮彈打擊生物胸部的皮膚傷情Tab.2 Creature skin trauma condition for different hardness bullets impacting on creature thorax

(1)

式中:P(x)為橡皮彈打擊下生物產生可見傷情和明顯異常行為反應的概率；x為橡皮彈打擊比動能；x50是50%風險概率下對應的比動能；Δx是與風險區間大小相關的參數；As、At為常數。

圖7 8 mm口徑橡皮彈打擊生物胸部皮膚可見傷情和明顯異常行為反應風險曲線Fig.7 Trauma and abnormal behavior risk probabilitycurve for 8 mm calibre rubber bullet impacting on creature thorax

圖7～圖9為相同硬度不同口徑橡皮彈打擊生物胸部的皮膚傷情和行為反應風險概率曲線，隨著比動能的增加，生物皮膚開始出現皮損、紅暈或蒼白等可見傷情，而此時生物本身沒有明顯異常行為反應，當比動能進一步增加時，生物才開始有明顯的持續尖叫、驚跳或意圖逃跑等行為反應。其中，8 mm口徑橡皮彈打擊下，造成50%皮膚可見傷情風險概率的比動能為4.09 J/cm2，而造成50%明顯異常行為反應風險概率的比動能為8.60 J/cm2，明顯高于造成50%皮膚可見傷情風險概率的比動能。同樣，16 mm橡皮彈50%明顯異常行為反應風險概率的比動能4.46 J/cm2，高于50%皮膚可見傷情風險概率的比動能1.90 J/cm2；32 mm口徑橡皮彈50%明顯異常行為反應風險概率的比動能2.61 J/cm2，高于50%皮膚可見傷情風險概率的比動能1.58 J/cm2. 研究表明，橡皮彈打擊生物胸部，生物皮膚的傷情對橡皮彈比動能的響應比行為更敏銳，皮膚傷情情況比行為反應更能敏銳地感知橡皮彈的傷害。

圖8 16 mm口徑橡皮彈打擊生物胸部皮膚可見傷情和明顯異常行為反應風險概率曲線Fig.8 Trauma and abnormal behavior risk probabilitycurve for 16 mm calibre rubber bulletimpacting on creature thorax

圖9 32 mm口徑橡皮彈打擊生物胸部皮膚可見傷情和明顯異常行為反應風險概率曲線Fig.9 Trauma and abnormal behavior risk probabilitycurve for 32 mm calibre rubber bulletimpacting on creature thorax

表3所示為不同口徑橡皮彈打擊生物胸部，50%風險概率皮膚可見傷情和明顯異常行為反應對應的比動能。結果表明，同一硬度不同口徑橡皮彈造成生物皮膚可見傷情和明顯異常行為反應所需的比動能：32 mm口徑橡皮彈<16 mm口徑橡皮彈<8 mm口徑橡皮彈，即同一硬度橡皮彈打擊生物胸部，橡皮彈口徑越大，造成皮膚可見傷情(皮損、紅暈或蒼白)和明顯異常行為反應所需比動能越小。

3 結論

本文通過開展橡皮彈打擊生物試驗，研究了橡皮彈打擊下生物局部的損傷效應和行為反應，分析了橡皮彈速度、口徑和硬度等物理因素對生物局部傷情和行為反應的影響規律。研究得出以下結論：

1) 橡皮彈打擊生物胸腹部，生物皮膚表面傷情特征以皮損、蒼白和紅暈為主，其中皮損區和蒼白區的形成與彈頭的剪切作用有關，蒼白區一段時間后由于充血變成血腫；而紅暈區的形成由皮膚的壓縮和拉伸變形協同作用造成，由于損傷機制的差異，紅暈區與蒼白區界限清晰，存在明顯的不連續間斷。

表3 不同口徑橡皮彈打擊生物胸部50% 風險概率皮膚可見傷情和明顯異常 行為反應比動能對比Tab.3 Specific kinetic energy comparison of different diameter bullets 50% trauma and abnormal behavior risk probability

2) 同一種橡皮彈打擊生物胸腹部，隨著打擊速度的增加，生物皮膚表面傷情變得嚴重，血腫區和紅暈區直徑隨著打擊速度的增加而增加，但皮損區直徑隨著打擊速度的增加幾乎不變。

3) 同一口徑橡皮彈打擊生物胸部，造成生物皮膚可見傷情所需的比動能：70 HA橡皮彈<45 HA橡皮彈<20 HA橡皮彈，即硬度越高，造成皮膚可見傷情所需比動能越小。

4) 同一硬度橡皮彈打擊生物胸部，造成生物可見傷情和明顯異常行為反應所需的比動能為32 mm口徑橡皮彈<16 mm口徑橡皮彈<8 mm口徑橡皮彈，即口徑越大，造成可見傷情和明顯異常行為反應所需比動能越小。

5)對橡皮彈打擊造成局部皮膚可見傷情和明顯異常行為的風險概率進行分析發現，橡皮彈50%明顯異常行為反應風險概率的比動能高于50%皮膚可見傷情風險概率的比動能，生物皮膚傷情對橡皮彈比動能的響應比行為反應更敏銳。