橡皮弹对生物钝击损伤效应试验研究

熊漫漫， 覃彬， 王舒， 韩瑞国,2

(1.中国兵器工业第208研究所 瞬态冲击技术重点实验室， 北京 102202;2.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081)

0 引言

非致命动能弹是依靠动能打击人体，达到防暴目的弹药，作用于目标部分的弹头用橡胶或塑料等非金属材料制成[1-2]。常用的非致命动能弹包括布袋弹、软体变形弹、橡皮弹、痛块弹，主要用于人员压制、驱散、制服、抓捕等，一方面必须确保具有足够强的作用效果，另一方面还必须尽量避免过度伤害，即同时保证“有效性”和“安全性”，常用于处理反恐防暴冲突[3-4]，但是由非致命动能武器产生的过伤害和死亡的报道近些年频繁出现[5]。为了避免在反恐防暴行动中发生致命等意外事件，通过生物靶标试验探究非致命动能弹不同物理因素对生物打击效应的影响规律，并评估非致命动能弹的效能十分必要。

对于非致命动能弹，其速度一般低于300 m/s，生物皮肤的存在对其侵彻与否、速度衰减与反弹状态等影响非常显著。非致命动能弹通常作用于生物皮肤表面和皮下脂肪。针对非致命动能弹的评估试验通常使用模拟靶标，如仿真假人[6-7]、天然皮革加泡沫加明胶[8]、硅橡胶[9]等，使用生物靶标的并不多。蒲利森等[10-13]开展10 mm布袋弹、18.4 mm布袋弹和38 mm软体变形弹等非致命弹打击猪、羊等生物靶标试验，通过对生物进行解剖和伤情分析对不同非致命动能弹威力和致伤效能进行评估。陈向阳等[14]使用模拟动能武器打击华南犬，探讨致伤犬双后肢后部分代谢及生化指标的变化特点。Freminville等[15]使用40 mm非致命动能弹打击人体死尸，评估弹药的杀伤效能，获得人体不同部位发生50%骨折风险概率的弹头速度。Bir等[16-17]用18.4 mm口径橡皮弹打击未经防腐处理的人体死尸，针对不同速度橡皮弹对人体不同部位皮肤的侵彻效应进行评估。安宝林等[18]在研究低速枪弹打击生物、生物组织以及松木板的致伤效果时，提出了针对不同制式枪弹和钢球的比动能致伤判据和最小致伤阈值。但上述研究主要针对特定枪弹的致伤阈值、伤情和生化指标分析，未涉及到动能弹的有效性、安全性分析及其致伤机理。

为了探究橡皮弹对生物钝击损伤效应，本文通过开展不同硬度和不同口径橡皮弹打击生物的弹道试验，以生物的行为反应和伤情特征为表征量，分析橡皮弹的速度、口径、硬度等因素对生物作用效能的影响规律。

1 试验方法

1.1 试验用弹

考虑与弹头发射装置口径匹配，同时参考常用防暴动能弹口径，试验选用32 mm、16 mm、8 mm的3种不同口径的球形橡皮弹；考虑弹头速度控制和避免过度伤害，试验选用邵氏硬度分别为20 HA、45 HA、70 HA的帽形橡皮弹，如图1所示。橡皮弹的物理参数如表1所示。橡皮弹采用气动发射装置发射。

表1 橡皮弹参数Tab.1 Parameters of rubber bullets

图1 试验橡皮弹Fig.1 Test rubber bullets

1.2 生物靶标

试验用生物选择质量为(50±5)kg健康状态良好的长白猪，共10头。由于杀伤元种类较多，试验研究需要的数据量大，9头生物用于开展不同物理因素橡皮弹打击下生物损伤效应试验。1头生物开展生物麻醉状态下创伤试验，观察橡皮弹打击下生物的伤情和皮肤的变形情况。通过控制橡皮弹速度，使生物伤情控制在国家军用标准GJBz 20262—95防暴动能弹威力标准伤情分级中的Ⅰ度3级的范围内[1]。

1.3 试验布置及方法

图2为试验系统示意图，枪口距离生物为1.5 m. 其中图2(a)为高速摄影观察生物伤情和皮肤变形情况试验系统示意图。试验前将生物麻醉，并将腿固定在金属架子上，腹部朝外。高速摄像机型号为Phantom V122M，拍摄分辨率为640×480像素，频率为10 000帧/s. 图2(b)为不同物理因素橡皮弹打击下生物伤情和行为反应试验系统示意图。试验时生物在一定范围内自由活动，从栅栏外向生物射击。为减少连续射击带来的应激反应对生物行为状态的影响，每头生物射击5～10发。记录射击速度、弹着点位置、皮肤伤情特征、行为反应，结束后开始下一个生物的射击。定义橡皮弹打击下生物皮肤表面出现的皮损、红晕或苍白为“可见伤情”，持续尖叫、惊跳或意图逃跑为“明显异常行为反应”。

图2 测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of test system

2 结果与讨论

2.1 生物皮肤表面钝击损伤特点及形成机制分析

橡皮弹打击生物时，生物表面皮肤产生钝击变形，钝击变形超过一定量，生物表面留下可见伤情。图3为32 mm口径橡皮弹以88.8 m/s的速度、9.42 J/cm2比动能打击生物左胸留下的伤情。损伤区域从内到外分为皮损区、苍白区、红晕区，直径分别为15 mm、60 mm、90 mm，其中苍白区与红晕区界限明显。打击一段时间后，皮损区可见皮下出血，苍白区变成紫红色血肿区，原红晕区基本消失。

图3 32 mm口径橡皮弹以88.8 m/s速度打击生物胸部伤情Fig.3 Pig thorax trauma condition under the impact of 32 mm caliber bullet at 88.8 m/s

高速摄影记录橡皮弹打击下生物皮肤的变形历程如图4所示：1) 橡皮弹打击在生物皮肤表面，发生变形并嵌入在皮肤内，其中嵌入直径最大为64 mm，与苍白区大小相近；2) 弹着点周围皮肤发生褶皱，并向外扩散，褶皱凹陷区域最大为93 mm，与红晕区大小相近；3) 弹头离开皮肤表面，褶皱逐渐自愈抚平，直至恢复。

与皮肤形变同时，橡皮弹也发生显著形变，主要经历3个过程：1) 橡皮弹打击在皮肤表面，慢慢嵌入皮肤，并被皮肤压扁变形，直径最大变为60 mm左右，速度逐渐变小，直至为0 m/s；2) 橡皮弹开始反弹，嵌入皮肤部分拔出，变成细长锥形，并逐渐恢复；3) 橡皮弹离开皮肤表面，开始振荡式形变，变形—恢复—变形—恢复—变形，速度逐渐衰减。

图4 32 mm口径橡皮弹88.8 m/s打击下皮肤和弹头的变形历程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，苍白区直径与橡皮弹变形后最大直径相近，推测其形成机制与弹头直接打击有关。橡皮弹打击时发生变形，打击瞬间产生极大剪切应力，且在沿半径方向应力分布不均，越靠近弹着点中心，应力越大。若剪切应力产生的变形超过皮肤的极限应变，与之直接接触的生物皮肤发生剥落，造成皮损；若剪切应力产生的变形未超过皮肤的极限应变，则嵌入的皮肤组织出现苍白区。

红晕区直径与皮肤褶皱扩散的最大直径相近，根据高速摄影观察，褶皱以弹着点为圆心向外扩散，压缩和拉伸应力协同作用，推动弹着点周围变形区域向外移动直至能量全部释放，变形区域达到最大。变形导致血液被挤出该区域，变形恢复后，血液迅速充盈，形成红晕区。

结果表明：皮损区和苍白区的形成与弹头的剪切作用有关，而红晕区的形成由皮肤的压缩和拉伸变形协同作用造成；由于损伤机制的差异，红晕区与苍白区界限清晰，存在明显的不连续间断。

2.2 各因素对生物钝击损伤效应影响规律分析

2.2.1 橡皮弹速度

图5 30 HA的16 mm口径橡皮弹不同打击速度下生物伤情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口径橡皮弹以速度66.5 m/s、72.3 m/s、100.8 m/s、124.8 m/s、131.1 m/s、148.7 m/s打击生物的胸腹部。图5为生物在不同弹速下的伤情特征，损伤区域形状基本为圆形。损伤区域从内到外依次为：皮损区、紫色血肿区、红晕区。皮损区生物表面皮肤剥落，皮下脂肪露在外面；紫色血肿区和红晕区为充血部位，界限分明，其中血肿区是由苍白区充血后形成的。

结语：在今后的学习、生活、工作中，将充分发挥学生党员在学生公寓管理和公寓文化建设中的先锋模范作用，从自身做起，积极带动周围同学在实践中“履行宗旨、锻炼党性、提高修养”如何把优秀大学生凝聚在党的旗帜下，是高校学生党建工作的重要使命。

图6所示为16 mm口径橡皮弹打击生物胸腹部皮肤的损伤直径与弹头速度关系曲线。由图6可以看出，橡皮弹速度高于66.5 m/s，生物皮肤表面出现皮损区、血肿区、红晕区，且随着打击速度的增加，血肿区和红晕区的直径逐渐增加，而皮损区直径几乎不变。即同一种橡皮弹打击生物胸腹部，随着橡皮弹速度的增加，生物皮肤伤情越严重，血肿区和红晕区面积随着打击速度的增加而增加。橡皮弹速度为72.3 m/s没有出现明显皮损现象，推测可能是由于橡皮弹是斜入射，导致实际比动能小于名义比动能。

图6 生物伤情特征区域直径随橡皮弹速度变化曲线Fig.6 Diameter of trauma feature region vs. velocity

2.2.2 橡皮弹硬度

使用邵氏硬度分别为20 HA、45 HA和70 HA的3种相同17.5 mm口径橡皮弹射击生物胸部，观察生物皮肤伤情特征。如表2所示，20 HA硬度橡皮弹打击下生物皮肤伤情主要以红晕为主，没有苍白和皮损出现。软质橡皮弹速度控制较困难，实际试验中速度最高为47.7 m/s。当速度大于33.2 m/s，比动能大于0.857 J/cm2时，皮肤出现明显红晕区伤情。45 HA硬度橡皮弹打击下生物皮肤伤情主要以红晕和苍白为主，没有皮损出现：当速度大于28.3 m/s，比动能大于0.704 J/cm2时，皮肤出现明显红晕区伤情；当速度大于61.9 m/s，比动能大于3.370 J/cm2时，皮肤开始出现苍白区。70 HA硬度橡皮弹下打击下生物皮肤伤情主要以红晕和苍白为主，没有皮损出现：当速度大于20.7 m/s，比动能大于0.410 J/cm2，皮肤出现明显红晕伤情；当速度大于40.6 m/s，比动能大于1.576 J/cm2，皮肤出现苍白区。

对比可以看出，同一口径下不同硬度的橡皮弹：造成生物皮肤明显红晕伤情所需比动能，20 HA硬度橡皮弹(0.857 J/cm2)>45 HA硬度橡皮弹(0.704 J/cm2)>70 HA硬度橡皮弹(0.410 J/cm2);造成皮肤苍白伤情所需比动能，45 HA硬度橡皮弹(3.370 J/cm2)>70 HA硬度橡皮弹(1.576 J/cm2)。即同一口径橡皮弹打击生物胸部，橡皮弹硬度越高，造成皮肤明显红晕和苍白所需的比动能越低。

2.2.3 橡皮弹口径

使用口径分别为8 mm、16 mm和32 mm的3种相同硬度橡皮弹射击生物胸部，观察生物皮肤伤情特征和行为反应。基于数学统计分析方法，对不同比动能造成生物皮肤表面伤情和明显异常行为反应风险概率分布问题进行研究。橡皮弹打击下生物皮肤表面产生损伤：定义出现皮损、红晕或苍白这些可见伤情特征为“1”，没有出现这些伤情特征定义为“0”；定义出现持续尖叫、惊跳或意图逃跑这些剧烈的行为反应为“1”，没有这些剧烈的行为反应定义为“0”.

表2 不同硬度橡皮弹打击生物胸部的皮肤伤情Tab.2 Creature skin trauma condition for different hardness bullets impacting on creature thorax

(1)

式中:P(x)为橡皮弹打击下生物产生可见伤情和明显异常行为反应的概率；x为橡皮弹打击比动能；x50是50%风险概率下对应的比动能；Δx是与风险区间大小相关的参数；As、At为常数。

图7 8 mm口径橡皮弹打击生物胸部皮肤可见伤情和明显异常行为反应风险曲线Fig.7 Trauma and abnormal behavior risk probabilitycurve for 8 mm calibre rubber bullet impacting on creature thorax

图7～图9为相同硬度不同口径橡皮弹打击生物胸部的皮肤伤情和行为反应风险概率曲线，随着比动能的增加，生物皮肤开始出现皮损、红晕或苍白等可见伤情，而此时生物本身没有明显异常行为反应，当比动能进一步增加时，生物才开始有明显的持续尖叫、惊跳或意图逃跑等行为反应。其中，8 mm口径橡皮弹打击下，造成50%皮肤可见伤情风险概率的比动能为4.09 J/cm2，而造成50%明显异常行为反应风险概率的比动能为8.60 J/cm2，明显高于造成50%皮肤可见伤情风险概率的比动能。同样，16 mm橡皮弹50%明显异常行为反应风险概率的比动能4.46 J/cm2，高于50%皮肤可见伤情风险概率的比动能1.90 J/cm2；32 mm口径橡皮弹50%明显异常行为反应风险概率的比动能2.61 J/cm2，高于50%皮肤可见伤情风险概率的比动能1.58 J/cm2. 研究表明，橡皮弹打击生物胸部，生物皮肤的伤情对橡皮弹比动能的响应比行为更敏锐，皮肤伤情情况比行为反应更能敏锐地感知橡皮弹的伤害。

图8 16 mm口径橡皮弹打击生物胸部皮肤可见伤情和明显异常行为反应风险概率曲线Fig.8 Trauma and abnormal behavior risk probabilitycurve for 16 mm calibre rubber bulletimpacting on creature thorax

图9 32 mm口径橡皮弹打击生物胸部皮肤可见伤情和明显异常行为反应风险概率曲线Fig.9 Trauma and abnormal behavior risk probabilitycurve for 32 mm calibre rubber bulletimpacting on creature thorax

表3所示为不同口径橡皮弹打击生物胸部，50%风险概率皮肤可见伤情和明显异常行为反应对应的比动能。结果表明，同一硬度不同口径橡皮弹造成生物皮肤可见伤情和明显异常行为反应所需的比动能：32 mm口径橡皮弹<16 mm口径橡皮弹<8 mm口径橡皮弹，即同一硬度橡皮弹打击生物胸部，橡皮弹口径越大，造成皮肤可见伤情(皮损、红晕或苍白)和明显异常行为反应所需比动能越小。

3 结论

本文通过开展橡皮弹打击生物试验，研究了橡皮弹打击下生物局部的损伤效应和行为反应，分析了橡皮弹速度、口径和硬度等物理因素对生物局部伤情和行为反应的影响规律。研究得出以下结论：

1) 橡皮弹打击生物胸腹部，生物皮肤表面伤情特征以皮损、苍白和红晕为主，其中皮损区和苍白区的形成与弹头的剪切作用有关，苍白区一段时间后由于充血变成血肿；而红晕区的形成由皮肤的压缩和拉伸变形协同作用造成，由于损伤机制的差异，红晕区与苍白区界限清晰，存在明显的不连续间断。

表3 不同口径橡皮弹打击生物胸部50% 风险概率皮肤可见伤情和明显异常 行为反应比动能对比Tab.3 Specific kinetic energy comparison of different diameter bullets 50% trauma and abnormal behavior risk probability

2) 同一种橡皮弹打击生物胸腹部，随着打击速度的增加，生物皮肤表面伤情变得严重，血肿区和红晕区直径随着打击速度的增加而增加，但皮损区直径随着打击速度的增加几乎不变。

3) 同一口径橡皮弹打击生物胸部，造成生物皮肤可见伤情所需的比动能：70 HA橡皮弹<45 HA橡皮弹<20 HA橡皮弹，即硬度越高，造成皮肤可见伤情所需比动能越小。

4) 同一硬度橡皮弹打击生物胸部，造成生物可见伤情和明显异常行为反应所需的比动能为32 mm口径橡皮弹<16 mm口径橡皮弹<8 mm口径橡皮弹，即口径越大，造成可见伤情和明显异常行为反应所需比动能越小。

5)对橡皮弹打击造成局部皮肤可见伤情和明显异常行为的风险概率进行分析发现，橡皮弹50%明显异常行为反应风险概率的比动能高于50%皮肤可见伤情风险概率的比动能，生物皮肤伤情对橡皮弹比动能的响应比行为反应更敏锐。