柱形钢质破片侵彻肥皂靶的弹道特征研究

贾骏麒，王敬夫，马 秦，赵晋龙，刘彦普，赵铱民，田 磊

·短篇论著·

柱形钢质破片侵彻肥皂靶的弹道特征研究

贾骏麒，王敬夫，马 秦，赵晋龙，刘彦普，赵铱民，田 磊

目的 研究不同速度和长径比破片的创伤弹道学特点，为高速破片伤的临床救治提供参考。方法 采用肥皂靶20块，分别在速度1 900m/s、1 100m/s、500m/s下用长径比为1的破片和速度1 100m/s下用长径比为 0.5、1、2的破片对其进行正向冲击试验，观察各组破片侵彻肥皂靶的弹道学特点，分析其差别和弹道规律。结果 破片长径比为1时，随着破片飞行速度增大，其弹道入口直径、弹道深度和弹道容积均不同程度增大，但弹道深度增大程度较小；速度为1 100m/s 时，随着破片长径比增大，其弹道入口直径减小，弹道深度增大，弹道容积变化趋势不明显。结论 破片飞行速度和其长径比在不同程度上影响其弹道直径、弹道深度和弹道空腔容积，这对由其导致战创伤的诊断和救治具有重要参考意义。

战创伤； 高速破片； 弹道学； 肥皂靶

战争形式的改变使得破片取代枪弹成为造成战斗减员和平民伤亡最主要的因素[1-2]，破片在几何形状和运动规律等方面均与枪弹有明显不同，这势必造成二者在弹道学方面的差别。破片按其飞行速度可分为常速破片、高速破片和超高速破片；按其加工方法可分为非预制破片和预制破片，现代爆炸性武器造成杀伤主要是高速预制破片[3-4]。影响破片侵彻能力的两个重要因素是破片的动能和其特征尺寸[5-6]，其中破片的速度是影响其动能主要的因素，长径比即类圆柱体长度和直径的比值是表现其特征尺寸最重要的参数[7]。肥皂因其质地与软组织较接近以及可塑性强的材料学特点，作为靶材料广泛应用于弹道学的研究。本实验通过用不同速度和长径比的圆柱体破片对肥皂靶进行正撞冲击试验， 观察并分析其弹道形态和侵彻特点，探讨破片速度和长径比对其弹道形态的影响，为战创伤机制研究和救治工作提供参考。

材料与方法

1 实验靶标和设备

肥皂靶由西安南风日化有限公司定制，尺寸 30cm×30cm×50cm，共 20 块，制作完成后用保鲜膜严密包裹并在7d内完成试验以防肥皂脱水风干。破片采用质量1.0g的30CrMnSi合金圆柱体破片，长径比分别为 0.5(Φ4mm×8mm) 、1(Φ5.5mm×5.5mm) 、2(Φ7mm×3.5mm) 。加载使用西北核技术研究所研制的二级轻气炮，测量设备为激光测速仪、示波器、高速摄录机和CT机。

2 试验分组

按破片飞行速度分为：高速组(1 900m/s)4块；中速组(1 100m/s)4块；低速组(500m/s)4块，破片长径比均为1。

对中等速度的破片按其长径比另外设置：大长径比组(2)4块； 小长径比组(0.5)4块。破片飞行速度均为1 100m/s。

3 加载与数据测量

将肥皂放在靶室内，反复调整激光准星位置使破片能沿靶体正中长轴射入，然后固定靶体。为控制破片触靶姿态的一致性，采用与破片轮廓精密匹配的定制化弹托作为载体，以使破片与靶体接触瞬间其长轴与速度方向相重合。调整激光测速仪位置、线路和示波器设置，将二级轻气炮的活塞、膜片、脱壳器以及装有破片的弹托安装完毕后对炮管和靶室抽真空，向轻气炮的一级和二级装置充入高压氮气，电引信触发。将示波器数据导入Origin 8.0(OriginLab，美国)进行处理，计算获得破片速度。侵彻过程全程由高速摄录机记录。

对侵彻后的肥皂靶拍照并进行CT扫描，将dicom数据导入到mimics 15.0(Materialise，比利时)软件中进行三维重建，在重建模型上观察弹道形态；测量弹道的入口直径、最大直径和深度；采用向弹道空腔灌水的方法测量空腔容积。

结 果

测量各组破片的飞行速度及弹道的入口直径、最大直径、弹道深度、弹道容积的数据结果见表1。

表1 破片飞行参数及弹道各测量指标之间的关系

1 破片速度与弹道特点之间的关系

长径比1∶1 下不同速度的柱状破片正撞肥皂靶所形成弹道形状大体相同，均为入口大并逐渐缩窄的锥形，弹道的最大直径出现在入口处或者入口附近(见图1)，其速度越大，所形成弹道入口直径和弹道容积越大，同时弹道也越深。不同速度的破片虽然在侵彻初段形成弹道直径相差巨大，但其在初始段明显收窄，在后段收窄不明显，在末段形态几乎一致。随着破片速度增大，其弹道的入口直径、最大直径和弹道容积均有所增大，但弹道深度在中速组和高速组之间的差异很小(见图 2) 。

图1 不同速度破片弹道三维重建模型(由左至右：低速组、中速组、高速组)

图2 弹道入口直径、弹道深度和弹道容积随着破片速度增大的变化趋势示意图

2 破片长径比与弹道特点之间的关系

不同长径比的柱状破片正撞肥皂靶所形成弹道形状不同，与长径比为1的破片相比，小长径比破片形成的弹道入口更大、缩减更明显，大长径比破片形成的弹道则入口较小、在初段有小范围膨胀后迅速缩窄(见图 3) 。长径比为1的破片其弹道呈锥形，即在入口处最大，然后较均匀的缩窄，至末段呈一狭长的锥形；长径比为2的破片在侵彻初段经历一个短期的膨胀过程，然后开始缩窄，末段与长径比1的破片类似；长径比为0.5的破片其弹道在初段即迅速缩窄，在很短距离内即停止继续侵彻。随着破片长径比的增大，其弹道入口直径、最大直径减小，弹道深度增大，但长径比1和长径比2组的破片其弹道深度差异相对较小；弹道空腔容积随长径比不同变化趋势不明显，长径比1组的弹道空腔容积略小于其他两组(见图4)。

图3 不同长径比破片弹道三维重建模型(从左至右：长径比 2、1、0.5)

图4 弹道入口直径、最大直径、弹道深度和弹道容积随着破片速度增大的变化趋势示意图

讨 论

对于枪弹的致伤特点在过去几十年里国内外学者已经进行了大量的细致研究，但是破片与枪弹之间弹道学特点的差异以及由此所导致的生物毁伤效应差异的研究仍然较少。 破片在其外形与运动特点方面与枪弹有很大不同[3]：首先，破片的形状通常为球体、立方体、棱锥、不规则形等，且长径比通常远不及枪弹；其次，破片的飞行速度通常高于枪弹，一般的高速破片速度在1 000～1 500m/s，有的甚至可以达到3 000m/s以上；破片的质量也通常小于枪弹，世界各国主要列装武器所产生的破片集中在0.8～5g；再者，破片在飞行过程中不形成有规律的高速自转，加之其长径比通常较小，所以侵彻过程中翻转效应很小。上述这些原因势必导致破片与枪弹侵彻生物体后其毁伤效应有所差别。

颌面部因其位置的特殊性、结构的复杂性、对功能和美观的重要性，已经成为战创伤的高发区域和研究的重点区域。对于枪弹对颌面部造成损伤国内外学者已经进行了大量研究[8-9]，但对破片造成颌面部创伤的研究目前仍鲜有文献报道。本试验发现破片区别于枪弹的弹道学特点，表现为：首先，在弹道形态上，破片的弹道大致为一自入口处均匀缩窄的锥形，这与枪弹侵彻后在初段形成一膨胀空腔的类葫芦形有明显不同，可能是因其外形不同于枪弹、在飞行过程中没有规律性自转且在侵彻靶体后不容易形成翻转导致；其次，由于破片质量较小、速度较高，而与弹道空腔直接相关的侵彻动能与速度的平方成正比，故侵彻的初始速度对弹道空腔的影响很大。在本试验中随着破片飞行速度的增加，其弹道入口直径和弹道容积均显著增大，这说明速度是影响破片弹道空腔的重要因素。值得注意的是，本试验中随着破片速度的增加在高速段其弹道深度增加并不明显，说明破片的飞行速度在达到一定值后对其侵彻深度的影响较弱。第三，作为表征破片形态特征参数的长径比在对本试验中肥皂靶弹道形态产生明显影响，相同质量和速度的柱形破片，其弹道深度随长径比的增加而增大，弹道入口直径却减小，而弹道空腔容积没有形成明显的变化趋势，这可能是由于大长径比破片与靶体接触面积更小，在破片与靶体接触面的压强更大，导致了其侵彻深度的增加，同时有研究证实长径比更大的破片其临界穿透质量更小，导致其更易穿透靶体[6]；而弹道容积更多地是与投射物动量和动能有关，与投射物的形态特征没有直接关系。

本试验通过对破片创伤弹道学进行研究， 其结果可为战创伤的临床救治工作提供有益的参考：(1)相比较低速破片而言，中高速破片在侵彻的初始阶段可形成更大的空腔，并且该空腔随着弹道的深入迅速缩窄。弹道空腔的形成与空腔壁受到的侧向压力直接相关，而这正是在生物体上造成毁伤最为重要的原因。提示：当人体被破片击中后其毁伤主要发生在侵彻的初始阶段，所以对于破片尤其是中高速破片所造成的颌面部创伤，其救治清创的重点应放在伤道周围，特别是创口周围的组织，而且考虑到弹道入口直径以及空腔容积与破片速度呈正相关，在救治中对于高速破片导致的创伤更应适当扩大探查和清创范围。(2)不同速度破片所导致的弹道深度之间的差异远小于其速度本身之间的差异，所以切不可忽视对小威力弹药破片伤的深部探查，而是应当在条件允许的情况下结合影像学资料常规性进行严格的探查清创。(3)试验结果表明，长径比对弹道形态的影响同样重要，当影像学检查发现破片长径比较大时，应判断其伤道在侵彻初始阶段损伤更重，伤道更深，故清创重点应放在创口下方一定深度的组织并适当扩大清创深度；而长径比较小的破片弹道呈浅碟状，其对表浅结构的破坏更大，故应将清创重点放在创口表面附近组织，并适当增大清创的横向范围。

本研究用于破片加载手段较以往类似试验有较大改进。以往的研究多用各类枪械加载，通过控制弹头类型与装药量实现破片类型和加载速度的多样化。其优点在于成本较低，利于进行大样本量实验。但该方法也存在明显的缺陷，如破片速度和飞行姿态难以精确控制、可重复性较差，破片速度难以达到1 000m/s以上从而无法模拟高速破片的运动特点， 对所发射破片的尺寸限制性较强，火药爆炸产生的气流和口焰高温对实验结果影响较大等。针对上述问题，我们与西北核技术研究所开展合作，使用二级轻气炮作为加载设备建立了全新的高速破片生物毁伤效应实验研究平台。其优点在于：(1)整个加载过程在真空下进行，完全避免了空气激扰对测量的干扰；(2)可对1～5g的破片实现400～3 000m/s的发射，能对各种常规爆炸性武器产生的破片进行有效模拟；(3)通过成熟的压强-弹速换算公式精确控制轻气炮气体压强的方式控制弹速，从实验结果来看，误差可控制在±2%以内；(4)精密匹配弹托的使用使每发破片的姿态严格保持为正向撞击触靶，明显优于传统方法；(5)完全依赖高压气体冷发射，除破片冲击靶标产生的动能转换外不产生高温，这尤其适用于进行动物研究。此外，目前用于弹道学研究的靶体材料主要有肥皂、硅胶、弹道凝胶等，它们之间各具优缺点，其中，硅胶和弹道凝胶在材料弹性和透明度方面要优于肥皂，但对于本实验而言，肥皂在其材料学特性与生物体软组织比较接近的前提下具有更好的塑性，在撞击侵彻过程中不会发生回弹、溃缩等，能更好地保存弹道形态，十分利于进行弹道直径、容积和形态的分析。

综上所述，本试验通过二级轻气炮、高速摄影机、激光测速仪等先进装备搭建了全新高速破片致伤平台，该平台在稳定性、精确性、可重复性、安全性等方面均具有较大优势，后期引入各种测量仪器可以作为口腔颌面部高速破片伤的标准化实验平台。本试验通过不同类型破片对肥皂靶的冲击，发现了破片速度和长径比对弹道深度、空腔形态、空腔容积等方面的影响规律，可为高速破片的生物毁伤效应和临床救治研究提供参考依据。

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(本文编辑： 郭 卫)

Study on the ballistic characteristics of cylindrical steel fragments penetrating soap target

JIAJun-qi，WANGJin-fu，MAQin,ZHAOJin-long，LIUYan-pu，ZHAOYi-min，TIANLei
(State Key Laboratory of Military Stomatology & National Clinical Research Center for Oral Diseases & Shaanxi Clinical Research Center for Oral Diseases,Department of Oral and Maxillofacial Surgery，School of Stomatology,Fourth Military Medical University，Xi’an 710032，China)

Objective To study the ballistic characteristics of different types of fragments,and provide useful references for the clinical treatment. Methods Twenty pieces of soap were respectively penetrated by steel fragments with 1 length-diameter ratio at the speed of 1 900m/s,1 100m/s,500m/s,and by steel fragments with 0.5,1,2 length-diameter ratio at the speed of 1 100m/s. Then the ballistic characteristics was analyzed and the differences between the ballistic characteristics were observed. Results When the length diameter ratio of the fragment was 1,the entrance diameter,depth and volume of ballistic cavity were increased in different degrees with the increased velocity,but the depth of the cavity was relatively smaller. When the speed was 1 100m/s,the entrance diameter of the cavity was decreased with increase length diameter ratio, and there was no significant difference between the volumes with increased depth. Conclusion The fragment’s speed and length-diameter ratios affect the ballistic diameter,depth and cavity volume in different degrees,which have great value for the diagnosis and treatment of trauma caused by high speed fragments.

war injury; high speed fragment; ballistics; soap target

710032 西安，军事口腔医学国家重点实验室，口腔疾病国家临床医学研究中心, 陕西省口腔疾病临床医学研究中心,第四军医大学口腔医院颌面外科

田磊，E-mail:tianleison@163.com

1009-4237(2017)06-0462-04

R 641

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.06.017

2016-09-29；

2017-01-16)