唐劉建， 溫垚珂， 薛本源， 徐 誠， 宋 焦

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.內(nèi)蒙古北方重工集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014033)

槍彈擊中而未貫穿防彈衣的情況下，其沖擊動能仍會作用于人體上，產(chǎn)生所謂“沖擊凹陷”，形成類似于鈍器猛擊造成的傷害(鈍擊傷)，嚴(yán)重的可能造成人體的內(nèi)臟、骨骼受傷，甚至致死[1]。這種由小質(zhì)量高速投射物引起的非穿透性損傷稱之為防彈衣[4-5]后鈍性損傷(Behind Armor Blunt Trauma, BABT)。隨著個(gè)人防護(hù)能力不斷增強(qiáng)，現(xiàn)有常規(guī)槍彈已不能有效穿透防彈衣對人體造成直接傷害，因此鈍擊傷情況顯著增加。開展防彈衣后鈍性損傷的研究有助于了解人體組織在非穿透性投射物作用下的力學(xué)響應(yīng)與病理生理變化，進(jìn)而闡明投射物鈍擊傷的損傷機(jī)理，為提高槍彈殺傷威力和改進(jìn)防彈衣性能提供科學(xué)依據(jù)。

鈍擊傷的研究手段主要有：①尸體試驗(yàn)；②動物試驗(yàn)[6-9]；③非生物模擬物試驗(yàn)[10-13]；④計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬[14-17]。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，相互補(bǔ)充。由于尸體來源有限且受到倫理道德限制，相關(guān)試驗(yàn)不易開展。動物雖與人體在某些方面有一定相似性，但差異也非常顯著，而且需要較大的樣本量才能獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)果。明膠、肥皂等非生物模擬物的動態(tài)力學(xué)特性與肌肉有一定相似性，且試驗(yàn)的重復(fù)性較好，目前在創(chuàng)傷彈道學(xué)研究中被廣泛采用，但靶標(biāo)一般為均質(zhì)無法與人體解剖結(jié)構(gòu)對應(yīng)。非生物模擬靶標(biāo)目前正朝著與人體結(jié)構(gòu)更加接近的仿生假人靶標(biāo)發(fā)展，以期獲得更加接近真實(shí)人體殺傷效應(yīng)的結(jié)果。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法開始在鈍擊效應(yīng)研究中發(fā)揮出越來越重要的作用。構(gòu)建基于真實(shí)人體數(shù)據(jù)的虛擬計(jì)算機(jī)人體模型來進(jìn)行殺傷效應(yīng)模擬具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于缺少生物軟組織動態(tài)力學(xué)數(shù)據(jù)，當(dāng)前的數(shù)值模擬結(jié)果還不能令人信服。

本文首先建立了一個(gè)“明膠-胸廓”仿生人體軀干靶標(biāo)，進(jìn)而搭建同步測試系統(tǒng)開展手槍彈侵徹有防護(hù)人體軀干靶標(biāo)的試驗(yàn)研究。采用高速攝影記錄槍彈侵徹有防護(hù)靶標(biāo)的動態(tài)過程。通過埋設(shè)在靶標(biāo)內(nèi)的壓力傳感器記錄心臟和肺部的瞬態(tài)壓力特性。為鈍擊傷研究提供了可以借鑒的手段和數(shù)據(jù)。

1 靶標(biāo)制備

目前國際上常用的彈道明膠有兩種類型,分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、使用4 ℃的明膠和質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、使用10 ℃的明膠。本試驗(yàn)中的“明膠-胸廓”仿生人體軀干靶標(biāo)由質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的明膠組成，符合Jussila[18]提出的國際通用制備方法?！懊髂z-胸廓”仿生人體軀干靶標(biāo)的制備過程，如圖1所示。首先以1∶9的質(zhì)量比量取明膠固體顆粒和水，將明膠固體顆粒浸泡在水中。在浸泡期間充分?jǐn)嚢枰允沟妹髂z顆粒充分吸水膨脹。浸泡完畢之后，將明膠顆粒倒入恒溫水浴鍋，水浴溫度設(shè)定為60 ℃，加熱期間每隔10 min攪拌一次，直至明膠溶液表面無明顯泡沫。其后，關(guān)閉加熱裝置使明膠溶液溫度稍微降低，再將明膠溶液注入預(yù)置了人體胸廓模型的模具中，待其冷卻到室溫后將其放入4 ℃的恒溫箱中保存。在試驗(yàn)時(shí)從恒溫箱中取出靶標(biāo)進(jìn)行脫模，并盡快完成試驗(yàn)，以減小溫度對仿生靶標(biāo)性能的影響。本次試驗(yàn)主要測量子彈撞擊軟質(zhì)防彈衣時(shí)，仿生人體軀干靶標(biāo)心臟和左肺位置的瞬時(shí)壓力響應(yīng)，因此在這兩個(gè)位置埋設(shè)了壓力傳感器，傳感器埋設(shè)深度約距人體前胸表面10 cm。

2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。槍口距離防彈衣前端面6 m，測速靶位于槍口3 m處；當(dāng)子彈出槍口時(shí)，槍口焰觸發(fā)紅外觸發(fā)器；觸發(fā)器同時(shí)發(fā)送兩個(gè)觸發(fā)信號給高速攝影和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；高速攝影系統(tǒng)拍攝分辨率為768×768 pixels，拍攝頻率30 000 fps；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率100 kHz，壓力傳感器采用113B24型壓電式壓力傳感器。軟質(zhì)防彈衣尺寸為30 cm×30 cm，由50層UHMWPE無緯布組成，滿足NIJ IIIA級防彈標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of test system

試驗(yàn)中射手采用立姿有依托姿勢從靶標(biāo)正前方進(jìn)行射擊，射擊距離為6 m，僅進(jìn)行槍彈垂直入射(入射角90°)靶標(biāo)試驗(yàn)，槍彈的入靶姿態(tài)由高速攝影系統(tǒng)觀測并記錄。入射角以及射擊距離的變化對測試結(jié)果的影響擬在后續(xù)研究中進(jìn)行。采用92式9 mm鉛芯手槍彈對軟防護(hù)下人體軀干的心臟、右肺和肝臟部位分別進(jìn)行射擊，彈著點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 彈著點(diǎn)和傳感器位置Fig.3 The impact point and the position of sensors

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，“明膠-胸廓”仿生人體軀干靶標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和精確性較好，其在心肺部位所測得壓力的第一個(gè)峰值對真實(shí)人體心肺鈍擊傷具有重大的參考意義。本文建立的“明膠-胸廓”靶標(biāo)相對于傳統(tǒng)靶標(biāo)有了一定的進(jìn)步，但由于器官仿生材料研究還不夠成熟且價(jià)格昂貴，本試驗(yàn)并未建立含仿生器官的靶標(biāo)，因此無法較好的模擬人體臟器受到鈍擊時(shí)的整個(gè)壓力變化過程，擬在后續(xù)研究中開展相關(guān)研究。

對心臟部位進(jìn)行兩次射擊，測得彈丸入靶速度分別為331 m/s和341 m/s。傳感器采集到的壓力曲線，如圖4所示。壓力曲線有一個(gè)很陡峭的上升沿，然后迅速衰減振蕩，并逐漸減小到零。入靶速度331 m/s時(shí)，心臟的峰值壓力達(dá)到了2.40 MPa，0.2 ms后壓力波傳播到左肺處，峰值壓力衰減為1.30 MPa。入靶速度341 m/s時(shí)，心臟的峰值壓力為1.20 MPa，0.2 ms后左肺處測得的壓力波峰值為0.50 MPa。第二發(fā)壓力峰值明顯小于第一發(fā)，主要是由于第二發(fā)的實(shí)際彈著點(diǎn)偏離了預(yù)期彈著點(diǎn)。

圖4 壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Time histories of pressure

高速攝影拍攝到的手槍彈侵徹軟防護(hù)下仿生人體軀干動態(tài)過程，如圖5所示。以槍彈撞擊防彈衣瞬間為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，0.5 ms時(shí)防彈衣上出現(xiàn)一個(gè)邊長約為10 cm的“◇”型凹陷區(qū)域。隨著侵徹的進(jìn)行，凹陷區(qū)域逐漸擴(kuò)大并使整個(gè)防彈衣產(chǎn)生了明顯的變形。到4.5 ms時(shí)防彈衣的變形達(dá)到最大程度，隨后在人體軀干靶標(biāo)彈性能作用下開始回彈。被擊中的防彈衣背部產(chǎn)生一個(gè)高度約3 cm的塑性鼓包。兩發(fā)槍彈均穿透了7層UHMWPE無緯布，對軟質(zhì)防彈衣的穿透率僅為14%，這主要是由于彈丸的鉛芯易變形，在侵徹過程中會被迅速墩粗壓扁，從而導(dǎo)致侵徹性能變差。

圖5 手槍彈侵徹軟防護(hù)下仿生人體靶標(biāo)動態(tài)過程Fig.5 Dynamic process of pistol bullet impact soft body armor covered bionic human torso

圖6(a)的曲線表明，雖然彈著點(diǎn)在右肺，但傳播至心臟和左肺處的壓力峰值仍然達(dá)到了0.39 MPa和0.25 MPa。對比圖6(a)與圖5，壓力波經(jīng)過心臟部位傳播到左肺時(shí)，心臟處起始壓力越大，傳播過程中壓力衰減的越快。由此可見，壓力波在傳播過程中衰減速度逐漸變小。圖6(b)的壓力曲線表明，當(dāng)彈著點(diǎn)在肝臟部位時(shí)，由于距離傳感器較遠(yuǎn)，心臟和左肺處壓力傳感器采集到的壓力峰值僅為0.10 MPa。圖6(b)中兩條壓力曲線的變化規(guī)律和幅值基本一致，主要是因?yàn)閺膹椫c(diǎn)到兩個(gè)傳感器的距離基本相同。

圖6 彈著點(diǎn)分別為右肺和肝臟部位時(shí)，在心臟和左肺處傳感器測得的壓力曲線Fig.6 Time histories of pressure in the location of heart and left lung,when impacting at right lung and liver, respectively

4 結(jié) 論

本文建立了“明膠-胸廓”仿生人體軀干靶標(biāo)模型，通過試驗(yàn)測量了手槍彈撞擊人體典型位置時(shí)，心臟和左肺部位的鈍擊壓力特性，并采用高速攝影記錄了槍彈未貫穿侵徹有防護(hù)人體靶標(biāo)的動態(tài)過程。直接侵徹心臟部位時(shí)傳感器測量到的壓力峰值在心臟部位為2.40 MPa，在左肺位置為1.30 MPa；侵徹過程中防彈衣會產(chǎn)生非常大的瞬態(tài)變形，并最終在防彈衣背部產(chǎn)生一個(gè)高度約3 cm的塑性鼓包;彈著點(diǎn)在右肺部位時(shí)，傳播至心臟和左肺的壓力峰值分別為0.39 MPa和0.25 MPa；彈著點(diǎn)在肝臟部位時(shí)，由于傳播距離相近，心臟和左肺處壓力傳感器的壓力峰值大小接近，約為0.10 MPa。本文研究可為鈍擊傷評估和防彈衣改進(jìn)提供參考。