0 引言
自20世纪60年代以来,非致命武器越来越多被执法部门用于需要诉诸武力但不能使用致命性武器的情况,通过传递能量干扰致痛目标达到拒止和驱离目的。2008年,北约组织(north atlantic treaty organization,NATO)在《盟军行政出版物(AAP)第6版——北约术语和定义词汇表》明确:“非致命武器是一种明确设计并主要用于使人失能或击退人员或使装备失效,同时将死亡、永久性损伤以及对财产和环境的损害降至最低的武器[1]。”凭借“软杀伤”剥夺或削弱对方作战能力的特点,非致命武器在国家决策、军事斗争等领域应用广泛,越来越受到执法者青睐。作为非致命武器的重要一员,非致命动能弹虽然具有效果暂时、可逆和区别对待的性质,但无法完全保证。执法者因对致伤机制缺乏本质了解,加之使用不当破坏作战效能和损伤风险的有效平衡,导致过度伤害事件屡见不鲜。因此,如何科学评估非致命动能弹损伤效能,提高其安全服役水平,是当前重要的研究方向。
在研究非致命动能弹的过程中,终点效应测试靶标常用于科学评估弹丸致伤效果,为弹丸本质安全化设计、安全验证、试验鉴定等方面提供参考。目前,国外研究者对钝性弹道冲击损伤判据、测试靶标应用以及构建验证方法取得了一定研究成果。根据度量方法、致伤部位等可将主要钝性弹道冲击损伤判据分为动能判据、比动能判据、钝性判据、粘性判据、最大颅内压/最大头部冲击力判据5类[2-3]。根据材料来源、应用特性等可将测试靶标分为生物靶标、物理靶标、仿生靶标、数字靶标4类[4]。基于损伤判据和靶标应用,北约组织(NATO)颁布了皮肤穿透(AEP-94)[5]、胸部损伤(AEP-99)[6]和头部损伤(AEP-103)[7]3份评估标准。与国外相比,国内损伤判据相对老旧单一,主要参照GJBZ20262—95《防暴动能弹威力标准》和GJB3287—98《防暴弹药定型试验规程》,未建立柔性非致命动能弹威力判据,难以准确评估柔性非致命动能弹致伤性能[8],在靶标研制应用上早期走“跟踪仿研”之路,目前向结合我国非致命动能弹药及人体数据适应性改进发展。本文中综述了5类损伤判据、4类靶标和3种评估标准发展现状,预测了测试靶标的发展趋势,提出了我国发展钝性弹道测试靶标的意见建议,可为国内非致命动能弹终点效应测试靶标的制备和损伤评估标准的制定提供参考。
1 钝性弹道冲击损伤判据研究进展
如何科学选择和确定损伤判据,对高效评估非致命动能弹损伤效能起着重要作用,同时对靶标应用、构建和验证具有指导意义。目前,国内采用的损伤判据主要包括动能判据、比动能判据和穿透力判据,而国外更多选用钝性判据(blunt criterion,BC)、粘性判据(viscous criterion,VC)等,以及用于头部冲击损伤评估的最大颅内压/最大头部冲击力判据[9]。根据靶标适用情况,主要对动能判据、比动能判据、钝性判据、粘性判据以及最大颅内压/最大头部冲击力判据进行对比分析,并重点介绍粘性判据机理和计算方法。
动能判据主要考虑弹丸质量、速度,通过测量弹丸冲击靶标后传递给靶标能量与碰击能量的比值来评估致伤效果。基于动能判据,比动能判据将弹丸撞击靶标瞬间的冲击截面积纳入计算因子,但由于不同弹丸冲击载荷特性不同,导致对皮肤穿透的比动能不同,所以比动能判据与动能判据相比更适合对比评估相同弹丸不同冲击速度下的皮肤穿透风险。
钝性判据是美军为测量弹丸冲击人体损伤情况而制定的损伤判据。基于动能判据,进一步考虑了生物体体重和体壁厚度。但由于未考虑弹丸材料特性等原因,因此对质量、速度、外形相同的弹丸,由于材料软硬程度不同,测量结果与实际效果有很大差异。
Lau和Viano[10]在1986年提出粘性判据。基于钝性判据,粘性判据考虑弹丸的形状、材质、截面密度和生物体的冲击部位、年龄、性别。在胸腔动态偏转的基础上,它由胸腔偏转(压缩)速度和胸壁厚度归一化的胸腔压缩率的乘积所确定。将粘性判据(VC)max式(1)定义为胸腔粘性响应的最大值:
(VC)max=(V(t)C(t))max
(1)
(2)
式(1)中: VC为粘性响应;(VC)max为峰值粘性响应;V(t)为胸腔压缩瞬时速度;C(t)为胸腔压缩率。图1显示了胸腔压缩速度V与胸腔压缩率C的关系。式(2)中:D(0)为胸腔初始外部厚度;D(t)为胸腔瞬时厚度,D(0)=0.236 m。
图1 粘性判据机理表述和计算方法
Fig.1 The mechanism expression and calculation method of viscosity criterion
研究证明[10],Bir实验测试的PMHS数据与粘性判据有很好相关性,同时建立了(VC)max的耐受水平。文献[11]表明,0.6 m/s和0.8 m/s的(VC)max值分别与维持25%和50%概率的AIS2-3的胸部骨骼损伤风险相关。使用0.6 m/s的(VC)max值会产生更保守的结果,而0.8 m/s的(VC)max值在统计上更相关。目前,粘性判据已成为北约组织(NATO)评估非致命动能弹钝击人体胸部损伤效能的重要参考。
最大颅内压/最大头部冲击力判据[7]采取测量瞬时颅内压的最大值(transient intracranial pressure,TICP,在PMHS人体死后实验和动物实验期间测量的阈值)或最大头部冲击力(基于TICP计算的阈值)建立与人脑损伤严重程度对应关系,现已成为北约组织(NATO)评估非致命动能弹钝击人体头部损伤效能的重要参考。
5种损伤判据特点对比如表1所示[2,7],从动能判据、比动能判据到钝性判据,度量因素和方法逐渐增多,均适用于传统弹丸的致伤评估。粘性判据解决了钝性判据忽视弹丸材料特性的问题,对可变性柔性弹丸的评估更精准,但收集参数困难,测试设备昂贵,测试程序复杂。虽然两者都适用弹丸对人体躯干的冲击,但文献[2,11]表明,钝性判据更适合用于动能弹药的研制,而粘性判据更适合于钝性弹道冲击评估。与其他判据相比,最大颅内压/最大头部冲击力判据填补了头部冲击损伤评估领域空白,但测量部位受限、测量数据表征缺乏精细化。
表1 非致命动能弹冲击损伤判据特点对比
Table 1 Comparison of characteristics of impact damage criterion of non-lethal kinetic energy projectile
名称度量参数度量方法适用场合非致命指标主要缺陷动能判据射速、弹丸质量测速、称重传统弹丸对身体任何部位的冲击中国<98J美国<78J计算结果不能精确指导是否形成穿透伤比动能判据射速、弹丸质量、弹丸横截面积测量、称重、测速传统弹丸对身体任何部位的冲击<12J/cm2计算结果无法指导未形成穿透时人体内部结构所受伤害钝性判据射速、弹丸质量、目标质量、目标可变形壁厚度、弹丸直径测量、称重、测速传统弹丸对人体躯干的冲击<0.37m/s只用于传统弹丸冲击计算粘性判据受冲击区域平均位移与胸壁归一化厚度236mm的比率测量、计时各种弹丸对人体躯干的冲击≤0.8m/s收集参数困难,测试设备昂贵,测试程序复杂最大颅内压/最大头部冲击力判据枕大池内瞬时颅内压或人头部最大冲击力测压、测力各种弹丸对前额、颞侧和顶侧区域(不含颌面部和枕部区域)冲击<150kPa或<7.5kN缺乏准确量化损伤严重程度概率的数据
2 测试靶标研究进展
2.1 生物靶标研究进展
生物靶标指活体动物或死后人体受试者,可以真实反映人体的冲击损伤情况,包括对内脏、骨骼、肌肉等组织的损伤,通常分为PMHS靶标、动物活体靶标和离体组织靶标。
PMHS(post-mortem human subjects)即死后人体受试者,使用受道德伦理限制,须经有关机构批准。Bir等[11]从遗嘱遗体计划和解剖捐赠计划获得13具未防腐尸体,通过测量力和挠度建立人类反应走廊,用于评估靶标的生物保真度和开发新的评估方法。Freminville等[12]用非致命动能弹钝击解剖捐赠计划的23具未防腐尸体,验证不同部位50%概率骨折风险的对应冲击速度。Lucas等[13]通过PMHS实验分析泰瑟枪XREP的冲击力,探讨冲击伤和穿透伤的可能性。由于PMHS和活人身体结构的相似性,通过PMHS实验研发的人类反应走廊和粘性判据应用广泛,但存在获取困难、个体差异、缺乏病理学特征等问题。
生物活体靶标指以猪、羊为代表的动物靶标,通过麻醉方式保持活体生物特征。Prat等[14]钝击PMHS和麻醉猪的胸部来比较胸壁的响应,验证两者都可作为成年人体的良好替代品。Kunz等[15]用非致命动能弹Sponge Round eXact I impact射击16头猪的胸骨,验证了在速度101～108 m/s、动能143～163 J条件下不会造成心脏损伤。蒲利森等[8,16-18]用东北山羊和瘦肉型猪开展钝击实验,验证10 mm布袋弹的安全射击距离在3 m以上,18.4 mm布袋弹和38 mm软体变形弹的安全射击距离在5 m以上。生物活体靶标具有较好的真实性、生物相容性和灵敏性,也存在与人体存在差异,需要较大样本量弥补生物个体差异性等问题。
离体组织靶标是动物的肌肉、骨骼和皮肤等组织。Pavier等[19]用3种柔性弹丸钝击猪胸腔,结果表明,弹丸质量和速度影响载弹速度、冲击动态和冲量。Kunz等[20]用厚度4.7 cm的猪皮测试泰瑟枪XREP弹药损伤效能,验证在 10 m内XREP弹药仍有穿透皮肤可能性。离体组织靶标易获得,但无法模拟人体结构、缺乏病理学结构。
三类生物靶标对比情况如表2所示。由于PMHS靶标使用受限,所以用生物活体靶标和离体组织靶标替代PMHS靶标,从三者损伤判据的相似性可以发现。PMHS靶标和生物活体靶标更适合具有系统性的损伤评估表征,离体组织靶标更适合研究区域损伤效果。由于文化差异以及道德伦理观念不同,国外的PMHS实验相对较多,而国内主要以生物活体实验为主[21]。
表2 生物靶标对比
Table 2 Biological target comparison
靶标优点缺陷应用目的损伤判据图示PMHS靶标与活人结构相同存在个体差异、缺乏病理学特征、伦理限制构建非致命武器钝击人体损伤评估标准骨折、内脏损伤、比动能判据、粘性判据生物活体靶标有病理学特征与人体冲击有区别、存在个体差异辅助验证损伤评估标准,指导非致命武器科学使用病理生理特征、骨折、比动能判据、粘性判据离体组织靶标与人体组织相似、易获得无法模拟人体结构、缺乏病理学结构用于非致命武器针对人体具体部分损伤效果研究比动能判据、粘性判据
2.2 物理靶标研究进展
物理靶标指模拟人体的实验装置,通过传感器获取冲击力、胸壁位移、加速度等数据,可重复使用、测量方便,但测量数据有限,无法模拟生物体的复杂性。
刚性壁是由高强度、高硬度材料制成,用于表征非致命武器弹丸冲击特性。Sahooa等[22]用非致命动能弹以3种碰击速度冲击刚性壁验证非致命动能弹有限元模型。Robbe等[23]用刚性壁冲击实验验证一种易于开发的SIR-X替代弹。Bracq等[24]通过刚性壁冲击实验优化可变形弹丸的模型参数,表征可变形非致命动能弹在接近作战条件下的动态特性。
Hybrid Ⅲ假人是一种生物仿真人模型,经过专业机构验证,可以精确测量钝性冲击对假人造成的冲击力、加速度、位移等物理参数。赵法栋等[25]通过数值模拟研究非致命动能弹钝击Hybrid Ⅲ50th假人胸部的动态过程,并基于粘性判据数值评估非致命动能弹胸部损伤风险。陈超明等[26]开展Hybrid Ⅲ50th假人冲击仿真,提出用Hybrid Ⅲ50th假人有限元模型代替人体有限元模型的方法。祁伟等[27]用2种非致命动能弹在6种距离冲击Hybrid Ⅲ 50th假人胸部,定量描述人体受动能冲击的损伤情况。Hybrid Ⅲ假人存在刚度过大、制作成本高、测量数据有限、经济效益低等问题。
3肋弹道冲击假人(3 rib ballistic impact dummy,3RBID)是由Bir[28]开发的模拟人体肋骨结构的替代品,由3根改装的BIOSID高钢肋骨组成,固定在背部脊椎上。Kapeles等[29]用40mm非致命动能弹对3RBID进行钝击实验,表征冲击能量范围内胸部钝性创伤风险。3RBID在评估非致命武器对胸部冲击损伤方面适应性和应用性好,但测量数据单一。
BLSH(ballistics load sensing headform)是模仿人脑开发的机械靶标,最初用于BHBT(头盔后钝性创伤)评估,现用来测量非穿透性弹丸撞击头部的冲击力。Raymond[30]比较PMHS与BLSH及其他替代品的测力结果,认为BLSH最适合评估非致命动能弹撞击头部损伤。Oukara等[31]分析验证最大颅内压和颅骨应变能可用于非致命性头部撞击评估。BLSH能够直接测量由于非穿透性弹丸撞击而传递给颅骨的动态载荷,但测试数据单一。
4 种物理靶标对比情况如表3所示。刚性壁适用于表征非致命动能弹冲击特性,例如弹丸冲击力。3肋弹道冲击假人和BLSH分别适用人体胸部和头部冲击损伤评估,Hybrid Ⅲ假人具有较好的人体特征。物理靶标依赖传感器,测量数据准确、稳定、单一,但缺乏对皮肤穿透及内脏损伤的表征。
表3 物理靶标对比
Table 3 Physical target comparison
靶标优点缺陷应用目的损伤判据图示刚性壁数据稳定可靠、方法简单测试数据单一表征非致命武器弹丸冲击特性冲击力、动能判据HybridⅢ假人高仿真、高精度、经过验证可靠、人体特征较好制作成本高、测量数据有限基于VC值测量冲击损伤冲击力、动能、粘性判据3肋弹道冲击假人结构简单、成本低测试数据单一基于VC值测量冲击损伤粘性判据BLSH数据稳定可靠测量数据有限评估人体头部钝击损伤效能最大颅内压/最大头部冲击力判据
2.3 仿生靶标研究进展
仿生靶标是指肥皂、凝胶或明胶等模拟生物体特性的靶标。通过观察分析靶标的变形程度、破裂现象和裂纹分布,判断动能弹的能量转移和分布,评估其对人体的伤害。
肥皂具有与人体肌肉相似的密度和物理响应特性。Kunz等[20]使用Taser®X12 TM霰弹枪在1～25 m的距离钝击覆盖人造皮肤和衣物的弹道肥皂,排除XREP弹药在10 m以上射击距离穿透皮肤的可能性。马志伟等[32]用3种子弹在4种距离开展钝击肥皂实验,验证10m内BB弹非致命打击效果最为理想。使用肥皂效果直观明了、数据便于获取,但测量数据精准度易受主观影响,且缺乏结构性,可重复性差。
明胶与人体肌肉密度和物理响应特性相似,用于确定穿透弹丸在目标内的能量沉积速率和总能量。Bir等[28,33]实验证明20%的弹道明胶比10%的在偏转和力的数据更接近人的反应。Papy等[34]验证由天然岩羚羊皮、闭孔泡沫和弹道明胶制成的靶标评估非致命动能弹钝击的潜在皮肤穿透力的有效性。熊漫漫等[35]采用牛皮、石蜡凝胶和明胶分别模拟皮肤、脂肪和肌肉,建立皮肤-脂肪-肌肉模型。曾鑫等[36]用非致命动能弹以不同速度撞击猪和明胶靶标。结果显示,明胶靶标能够反映猪体的冲击响应。SEBS凝胶是一种由苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物制成的凝胶材料,具有优异弹性、韧性和耐冲击性能。Bracq等[37-39]用37mm刚性非致命动能弹钝击SEBS凝胶,验证SEBS凝胶具有鲁棒性和一致性,可测量不同参数。Jianbo Shen等[40]验证Bracq制备SEBS凝胶的方法,并进行非致命武器钝性弹道冲击仿真,提出将SEBS凝胶建模为人体软组织模拟物需考虑应变速率依赖。
与物理靶标相比,仿生靶标直观反映非生物靶标的内部变形、破坏情况,用于表征皮肤穿透及内脏、肌肉损伤等,缺乏结构性、可重复性。3种仿生靶标对比情况如表4所示。明胶和SEBS凝胶测量精确,同时可按照需求制备、透明可视化,应用效果好。复合靶标是靶标未来发展的趋势,可在明胶中植入动物骨,在头部物理靶标、胸部物理靶标的空腔中灌入明胶等进行构建。
表4 仿生靶标对比
Table 4 Bionic target comparison
靶标优点缺陷应用目的损伤判据图示肥皂直观明了精准度易受主观影响、缺乏结构性、可重复性差模拟人体组织受冲击反应动能判据明胶透明可视化缺乏结构性、可重复性差模拟人体组织在受到冲击时的能量吸收和传递过程动能判据、比动能判据SEBS凝胶操作简单、数据稳定、重复性好测量数据单一、缺乏结构性生物力学分析、防弹衣评估伪粘性判据
2.4 数字靶标研究进展
数字靶标是基于计算机仿真技术的虚拟靶标,通过数值模拟预测和评估非致命动能弹对人体组织的损伤程度和范围,为武器设计和防护措施提供重要参考。
HTFEM模型(human torso finite element model)是Roberts等[41]在LS-DYNA软件中创建的5th男性躯干有限元模型。它网格划分精细,包括大约245 000个固体和壳单元,能详细模拟人体躯干的骨骼系统、内部器官、纵隔、肌肉、组织和皮肤等重要部位,还能够考虑不同组织材料的力学属性。HTFEM在高速冲击等动态环境下模拟有着良好的表现,但需与计划的动物实验和PMHS实验数据比较。
HUByx模型(hermaphrodite universal biomechanical YX)是Roth等[42]基于CT扫描的人体胸腹有限元模型,包括心、肺、肾、肝、脾、骨骼、胃、肠、肌肉和皮肤,由38 600个8节点砖单元和77 800个4节点壳单元组成。Bracqa等[24,37,39]用HUByx模型数值模拟两例肺和心脏挫伤的病例报告,确定适合预测肺和心脏挫伤的模型数值指标。
Thota等[43-45]开发验证MTHOTA(mechanical thorax for trauma assessment)有限元模型,其简单、准确、易于设置、快速求解和无歧义性,由7 543个壳体单元、723个实心砖单元、7个部件(泡沫板、刚性冲击板、波纹板、4个板)和4个接触界面组成。通过仿真,MTHOTA模型力响应、挠度响应和(VC)max值与PMHS实验结果吻合。同时,Thota等[46]还采用非线性CAE、FEA等仿真方法对MTHOTA模型进行多种开发和验证。
SHTIM模型(surrogate human thorax for impact model)是Nsiampa[47]折衷开发的胸部有限元模型,由骨骼、心脏、肺、肋软骨、肋间肌、主动脉、气管、脂肪组织和皮肤组成,划分为350 408个网格单元。Nsiampa等[48]基于粘性判据对37 mm刚性弹和40 mm海绵弹进行不同角度的冲击仿真,验证40 mm海绵弹比37 mm刚性弹在降低伤害风险方面表现更好。
SUFEHM模型(strasbourg university finite element head model)是法国斯特拉斯堡大学开发的50th男性头部模型,由颅骨、硬脑膜、脑脊液、头皮和大脑等组成,具有13 208个六面体网格单元。Sahoo等[22]将医学成像提取的分数各向异性和纤维方向加入模型来模拟主要轴突束,从而增强脑模型。Oukara等[31]用XM1006弹丸有限元模型以50 m/s速度冲击SUFEHM模型,通过对比同等条件的刚性壁和BLSH冲击实验,验证3种方法对XM1006弹丸侧向(颞部)最大冲击力预测具有较好的一致性。
相比其他靶标,数字靶标不受实验条件和伦理道德制约,经济性、可重复性、安全性好,表征更为精准,但基于不同人体测量学数据构建,模拟结果偏理想化。5种数字靶标对比情况如表5所示。MTHOTA模型构建简单、便于求解。除MTHOTA模型外,其他模型均仿照人体(部分)结构构建且经过验证,可表征钝性弹道冲击人体内部损伤。前4 种模型适用于人体躯干损伤评估,损伤判据相似。SUFEHM模型与BLSH靶标应用目的和损伤判据相同。
表5 数字靶标对比
Table 5 Digital target comparison
靶标框架设计内部结构优点缺点损伤判据图示HTFEM模型骨骼系统、内部器官、纵隔、肌肉、组织和皮肤心、肝、胃、肺、纵膈相同方法开发实体躯干模型便于相互比较需要进一步与动物实验和PMHS进行比较,以完成模型验证冲击力、动能、比动能、粘性判据HUByx模型人体胸、腹、盆系统、肌肉、组织和皮肤心、肺、肾、肝、脾、胃、肠CT扫描建立,系统构建全面,经过验证部位材料特性个体化,人体模型差异化,不同情况需要调校冲击力、动能、比动能、粘性判据MTHOTA模型金属冲击板、泡沫板4块金属板、可折叠的波纹结构简单、准确、易于设置、快速求解和无歧义性测试数据单一、不能评估人体内部损伤粘性判据SHTIM模型骨骼结构、心脏、肺、肋软骨、肋间肌、主动脉、气管、脂肪组织和皮肤心脏、肋间肌、主动脉、气管、肺简单易用、折衷性、经过验证表征胸部几何形状和器官细节缺乏精度、反应硬性冲击力、动能、比动能、粘性判据
续表(5)
靶标框架设计内部结构优点缺点损伤判据图示SUFEHM模型颅骨、硬脑膜、脑脊液、头皮和脑大脑、小脑、脑干医学成像提取、准确、适应不同场景相对复杂、计算周期长、部分功能待验证最大颅内压/最大头部冲击力判据
3 测试靶标构建流程分析
作为评估非致命动能弹致伤效能的重要工具,靶标构建须遵照严格的流程方法,一般以类型区分。
对于生物靶标,应重点考虑靶标的获取和检验。PMHS靶标需要特定程序申请,经许可后要检验生理特征、保存条件等情况,整个过程须遵循使用道德规范。Prat等[14]将12具未防腐的人体尸体在2 ℃下保存,实验前在室温下加热12 h,排除胸部创伤、腐烂和明显解剖畸形的情况。生物活体靶标使用限制较少,周龙伟等[49]选用18只东北地区白色山羊、3头东北地区瘦肉型猪标准驯养2周,实验前脱毛,随机抽样检测心电图、呼吸、心率等。离体组织靶标无道德规范要求,可通过市场购买。Pavier等[19]从肉类加工厂订购一半猪胸壁,并确认了样品的均匀性。实验前,切片在38 ℃的温度下保存,在室温约23 ℃下放置12 h。
物理靶标制造技术相对成熟,可定制或购买成品。Hybird III假人[50]由通用汽车公司开发,骨骼由刚性部件铰接而成,表面包裹一层橡胶材料模拟人体的肌肉和皮肤。刚性壁[23]是由铝制“冲击垫”、垫圈和螺母组成的圆柱体,整体由钢梁结构支撑,内嵌传感器。Humanetics公司的3RBID[23]由3个BioSID肋骨与额外的聚氨酯阻尼垫和氯丁橡胶涂层组成,配备RibEye挠度测量系统或旋在中央肋上的加速度计。BLSH[51]由Biokinetiks公司开发,配备7个奇石单元,颅骨下部结构由镁构成,硅橡胶垫用作皮肤替代物来覆盖称重传感器阵列。
仿生靶标通过原材料加工个性化制作。透明弹道肥皂块[20]由甘油肥皂制成,密度在1 060～1 100 kg/m3之间,弹性极限为0.5 N/mm2。弹道明胶[52]有2种,一种是质量分数10%,使用温度为4 ℃的弹道明胶(Fackler gelatin);一种是质量分数20%,使用温度为10 ℃的弹道明胶(NATO gelatin)。Jussila等[53]提出10%弹道明胶的完整制备方法和国际通用检验标准,我国也将质量分数10%、使用温度4 ℃的弹道明胶作为标准非生物靶标。SEBS凝胶[38,54]由SEBS Kraton G1652共聚物粉末与PRIMOL 352矿物油混合,得到苯乙烯/弹性体的比例约为30/70%,密度约为880 kg/m3,接近20%质量明胶的硬度和弹性模量。
数字靶标主要通过计算机技术构建,SUFEHM[22,55]头部模型采用3 层复合壳,参数来自Shuck和Advani的人脑组织体外实验数据,以及Kruse等发表的磁共振弹性成像(MRE)最近的体内值。Lu等[56]基于中国视觉人体(CVH)数据集使用医学图像处理软件mimics处理重建三维表面模型,并利用Geomagic studio软件优化三维曲面,使用HyperMesh软件网格划分,建立人体胸腹有限元模型。
实体靶标、数字靶标构建流程分别如图2、图3所示,物理靶标、仿生靶标主要通过文献获取参数、购置材料制作,并安装传感器检查校正。数字靶标通过对人体CT扫描获得原始数据,利用反向建模软件构建人体模型,通过文献数据赋予材料参数构建人体有限元模型。在检查校正中,应考虑国内外人体生理差异,参照我国人体数据优化改进靶标的结构、尺寸和材质(材料参数)。
图2 实体靶标和参照弹构建流程
Fig.2 Construction process of physical target and reference projectile
图3 数字靶标和参照弹构建流程
Fig.3 Construction process of digital target and reference projectile
在靶标构建时,参照弹通过3D打印、真空覆膜构建并进行刚性壁冲击实验验证,参照弹有限元模型通过文献数据或3D扫描构建,并结合刚性壁冲击仿真验证。例如,Robbe等[23,57]3D打印构建等效参照弹并通过刚性壁冲击实验验证,结合文献和实验数据构建参照弹有限元模型并通过刚性壁冲击仿真验证。Bracq等[24]3D扫描构建参照弹有限元模型,并结合刚性壁冲击仿真验证。同时,由于我国列装非致命动能弹与国外参照弹在设计参数上差异明显,可基于已验证参照弹的动能、速度、冲击截面积等性能参数,结合动能判据、比动能判据、冲击力判据适配性改进我国非致命动能弹为新型参照弹。
4 靶标验证研究进展
结合损伤评估标准验证靶标的可信度是一种有效方法。北约组织(NATO)颁布AEP系列标准文件评估非致命武器对人体不同部位钝击损伤情况。相比国外,我国在《枪弹试验方法》(GJB3196—98)、《枪用防暴橡皮弹规范》(GJB5059—2001)规定“安全作用距离为射击0.025 m厚松木板的穿透率为0,有效致痛距离以120 g重的单层牛皮纸击穿率50%为界限”已不合时宜[3]。因此参照系列标准文件(AEP-94、99、103)开展靶标验证研究,有利于推进我国靶标制备工作,优化改进适合国情的非致命动能弹损伤评估标准。
4.1 皮肤靶标验证
2013年11月,用于非致命动能弹的皮肤穿透评估标准(AEP-94)[5]发布。它基于PMHS实验,使用18.5 mm弹丸RB1FS和闭孔泡沫、天然麂皮覆盖的弹道明胶块。弹道明胶块制成质量浓度为20%、边长为25 cm的明胶立方体,使用前储存温度保持10 ℃。使用泡沫为6 mm Darice闭孔泡沫。天然麂皮最佳厚度为1.39 mm,符合ISO 2589:2002皮革标准。在验证中,以179 m/s(±4 m/s)的速度冲击,3.81～7.62 cm的穿透深度作为弹道明胶靶标可接受的范围。
4.2 胸部靶标验证
2017年2月,北约组织(NATO)颁布人体胸部损伤评估标准(AEP-99)[6]。它基于PMHS实验开发验证了实验和数值2种方法。SIR-X弹丸验证3RBID胸部靶标流程如图4所示,使用SIR-X弹丸以56±2 m/s和86.5±2.5 m/s速度冲击3RBID获取挠度作为时间的函数,并计算(VC)max。3次有效射击结果满足下列条件即可:
图4 SIR-X参照弹验证3RBID胸部靶标流程
Fig.4 SIR-X verifies the 3RBID thorax target process with reference to the projectile
1) 对于速度56±2 m/s,(VC)max保持0.28～0.32 m/s,挠度作为时间的函数在规定区间内。
2) 对于速度86.5±2.5 m/s,(VC)max保持0.78～0.85 m/s,挠度作为时间的函数在规定区间内。
数值验证参照美国韦恩州立大学(WSU)数据或SIR-X弹丸验证3RBID胸部靶标实验。WSU数据验证采取模拟PVC弹丸对胸部数值模型冲击仿真,标准提供构建PVC弹丸有限元模型参数,流程如图5所示。仿真测试3种冲击条件,每次冲击应垂直于冲击的胸面,偏航角为0°。以冲击点挠度作为时间的函数计算(VC)max并与WSU数据比较。如果满足以下条件,则认为SHTIM胸部有限元模型是有效的:① 胸部冲击点在射击方向上的挠度随时间变化保持在人类反应走廊内。② (VC)max保持在基于WSU数据的胸腔验证最大边界内。
图5 WSU数据验证SHTIM胸部有限元模型流程
Fig.5 Validation of SHTIM thorax finite element model process with WSU data
4.3 头部靶标验证
2018年1月,北约组织(NATO)颁布头部钝击损伤评估标准(AEP-103)[7]。它介绍了实验和数值2种量化头部前额、颞侧和顶侧区域损伤的方法,并将瞬时颅内压最大值TICP和最大接触力作为评估关键指标。实验的参考弹是SIR-X,以48.8 m/s(±1.1 m/s)、59.2 m/s(±1.4 m/s)、79.5 m/s(±1.8 m/s)速度钝击靶标,每次钝击的结果应满足以下2个条件之一:① 对于定义区域,最大接触力值保持在与射弹速度走廊规定边界内。② 最大TICP值与射弹速度走廊位于定义区域的边界内。
数值验证参照实验验证。用SIR-X有限元模型以48.8、59.2、79.5 m/s的速度钝击靶标,最大接触力和最大TICP满足规定区间即被验证。
3份标准文件源于实验和案例数据。Robbe等[23,57-58]验证了其有效性,同时也指出增加靶标特定层、参照弹替代品的必要性,并研制了新的等效参考弹。通过分析,标准文件保持了很好连续性,增强了数据表征和指导应用的精准性。数值模拟的作用更加凸显,可作为补充手段来弥补实验带来的不确定性。但3份标准文件的评估方法只能提供近似可能,现实中面对复杂形势,难以用标准进行简单、灵活且有效的推导评估。下一步,应用更多案例实验数据进一步验证,同时考虑更多参考弹,使用多种类型靶标验证,以便参照执行。
5 测试靶标发展方向预测
非致命动能弹关键致伤因素总结为弹丸因素、生物体因素和冲击条件3类[3]。如图6所示,钝性弹道冲击损伤判据主要考虑弹丸因素和生物体因素,弹丸研制主要考虑弹丸因素,靶标应用与构建主要考虑生物体因素,靶标验证及非致命动能弹损伤评估则全部考虑。随着研究深入,Ndompetelo[47]发现非致命动能弹动量和进入胸腔的能量耗散可能是损伤判据的参考因素。Drapela等[59]发现使用单一评估标准可能导致对非致命性潜在危险的错误判断,因此提出了“动能应大于6 J/cm2以引起劝阻性疼痛,小于10 J/cm2以防止皮肤穿透,仅需2.5 J/cm2的比动能就会对眼睛造成不可逆损伤”的综合标准。但10 J/cm2标准过于严格,因为根据Bir等[60]研究,23.99 J/cm2的冲击是可接受的。Robbe等[57]指出PMHS的典型年龄、潜在的较差人体状况和裸露皮肤进行钝击实验导致评估结果往往高于现实情况。徐唐杰[52]发现弹道明胶在常温下无法保存且多为均质靶标,未能很好表征人体解剖学结构。因此用PVC材质制造了内脏器官、软组织和皮肤脂肪层,用聚苯硫醚(PPS)仿骨骼材料制造了肋骨、胸骨、锁骨和肩胛骨,用尼龙材料3D打印制成脊柱和胸板,通过螺钉组合成胸部仿生靶标,可用于高速冲击下人体内脏钝性损伤研究。
图6 非致命动能弹关键致伤因素
Fig.6 Key injury factors of non-lethal kinetic energy projectile
根据国内外测试靶标研究进展及各类靶标构建与验证中存在的主要问题,国内开发钝性弹道测试靶标潜在的发展方向如下:
1) 开发复合型人体躯干靶标,使用熔融沉积型(FDM)3D打印聚醚醚酮(PEEK)及其复合材料定制中国50th人体骨骼系统,应用PVC材质仿生内脏器官,并内嵌高精度传感器,使用明弹道胶、SEBS凝胶或其他替代品代替肌肉,使用6 mm Darice闭孔泡沫、1.39 mm厚度的天然麂皮或岩羊皮代替皮肤[5,57],通过PMHS实验验证躯干靶标,并反向构建等效人体躯干有限元模型。
2) 基于粘性判据,耦合多种判据开发一套科学综合的损伤评估标准。通过PMHS实验、有限元分析判明动量、进入胸腔的能量耗散等因素与损伤判据的关联性,分析冲击部位直达损伤与内脏器官间接损伤的对应关系。同时结合弹丸因素、生物体因素和冲击条件,扩大对非致命动能弹在不同种类型号、冲击部位、使用环境下致伤效能的分析评估,科学指导非致命动能弹合理使用和本质安全化研发。
3) 突出与人工智能交叉融合,开发人机交互系统链接空气炮发射系统、高速摄像机等测量设备,通过图像识别技术加强对实验实时数据的采集、检验、评估,并基于深度学习算法拟合弹丸参量-靶标响应-致伤等级-人体损伤间的非线性映射关系。同时建立实验和案例数据库,通过批量清洗、分类、管理、分析数据,突出关联性参数研究,辅助损伤标准和损伤判据检验优化。
6 结论
1) 阐述国内外损伤判据采用现状,介绍主流5种损伤判据,重点阐明粘性判据机理表述和计算方法。通过对比分析,钝性判据更适合用于动能弹药的研制,粘性判据更适合钝性弹道冲击评估,最大颅内压/最大头部冲击力判据对头部损伤评估意义重大。但由于度量参数考虑不周全、评估部位受限、数据表征缺乏精细化等因素,需进一步研究揭示弹-靶能量交互及靶标内应力波的传播规律;
2) 区分4类靶标阐述其应用进展及特征趋势。生物靶标数据在统计学上具备显著性的结果,但需要大量实验样本,成本高。物理靶标、仿生靶标与人体部位特性相似。物理靶标测量数据准确、稳定、单一。仿生靶标直观反映内部变形和破坏情况,缺乏结构性、可重复性。数字靶标不受外部条件制约,简单精准高效,模拟结果偏理想化。研发复合型人体躯干靶标是下一步的发展趋势;
3) 区分4类靶标阐述构建方法及进展。PMHS靶标通过申请使用,生物活体靶标、离体靶标、物理靶标和仿生靶标购买获取或定制使用,数字靶标通过CT扫描构建,并提出适合我国参照弹和靶标适配性改进方法。
4) 结合3种北约组织(NATO)损伤评估标准阐明皮肤、胸部、头部靶标验证流程。参考弹和靶标的单一性是存在的问题和下一步的改进方向,标准的有效性还需要案例实验进一步验证;
5) 总结提炼3类非致命动能弹致伤关键因素,并分析与损伤判据、靶标应用、构建及验证的关联性。结合靶标创新研究进展分析,从开发复合型人体躯干靶标、开发科学综合损伤评估标准、突出与人工智能交叉融合3 个方面提出意见建议,为国内测试靶标的构建提供参考。
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