范俊奇，董宏曉，高永紅，樓夢麟，賴西南

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092;2.總參工程兵科研三所，洛陽 471023;3.第三軍醫(yī)大學(xué) 野戰(zhàn)外科研究所，重慶 400042)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，以高精度常規(guī)武器打擊地下、地面的防御工事，摧毀對方的指揮與防御系統(tǒng)已成為重要的戰(zhàn)爭模式，常規(guī)武器爆炸沖擊波是致傷工事內(nèi)人員的主要毀傷元。以往的生物效應(yīng)試驗大多針對武器(炸藥)在開闊場地爆炸產(chǎn)生的簡單沖擊波進(jìn)行［1-8］，試驗條件單一，缺乏系統(tǒng)性。而爆炸沖擊波在工事艙內(nèi)傳播呈復(fù)雜沖擊波特性(復(fù)雜沖擊波指工事艙外爆炸產(chǎn)生的沖擊波在閉合環(huán)境內(nèi)傳播，由激波在艙壁反射、折射形成一系列震動反射波疊加在一個相對緩慢上升的超壓沖擊波上的復(fù)雜沖擊波)，該沖擊波無論峰值壓力、持續(xù)時間、沖量、頻譜或?qū)θ藛T損傷均較簡單沖擊波明顯不同，以往實驗所建人員損傷關(guān)系亦難反映復(fù)雜沖擊波對人員的損傷。因此，開展常規(guī)工事內(nèi)炸藥爆炸生物效應(yīng)實驗，建立復(fù)雜沖擊波損傷人員非聽覺器官安全閾值，具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 試驗?zāi)康募皟?nèi)容

(1)研究復(fù)雜波的產(chǎn)生機(jī)理，求得規(guī)律的復(fù)雜波，為生物效應(yīng)實驗提供試驗條件。

(2)研究不同當(dāng)量TNT爆炸作用下兩類復(fù)雜波沖量與動物損傷情況的對應(yīng)關(guān)系，求得生物在復(fù)雜波作用下的損傷閾值，為工事內(nèi)人員損傷情況提供必要參數(shù)，完善我軍防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

為實現(xiàn)試驗?zāi)康?，進(jìn)行兩種試驗:① 對爆炸波模擬設(shè)備進(jìn)行改裝、調(diào)試試驗，使之能產(chǎn)生符合實驗要求的復(fù)雜波;② 兩種不同復(fù)雜波作用下模擬工事艙內(nèi)的綿羊損傷效應(yīng)試驗。

1.2 試驗設(shè)備及改裝

實驗設(shè)備由爆室、沖擊波整形段及試驗段三部分組成，主要用于模擬常規(guī)武器與核武器中遠(yuǎn)區(qū)爆炸沖擊波作用。設(shè)備可產(chǎn)生較規(guī)律的平面波。欲使設(shè)備產(chǎn)生的沖擊波符合生物效應(yīng)試驗要求，產(chǎn)生規(guī)律復(fù)雜波，需對設(shè)備進(jìn)行改裝，試驗中通過增加爆室長度，在整形段增加變截面段加強(qiáng)沖擊波的反射與折射及在整形段后增加專門放置試驗動物的實驗艙等技術(shù)措施解決。改裝后的設(shè)備見圖1。

圖1 生物效應(yīng)試驗設(shè)備Fig.1 The test device of damage effect experiment

1.3 試驗方案

用TNT裝藥在多室型爆炸波模擬設(shè)備爆室內(nèi)爆炸，通過一定技術(shù)措施，使之產(chǎn)生A、B兩種復(fù)雜波，同時在工事艙內(nèi)放置實驗動物與測試傳感器。通過不同爆炸條件下工事艙內(nèi)模擬人體胸部的測試圓筒四周壓力及綿羊損傷情況，得到復(fù)雜沖擊波在人體胸部四周的分布特點及復(fù)雜波沖量與生物損傷程度的對應(yīng)關(guān)系，最終得到綿羊在復(fù)雜波作用下的損傷閾值。試驗方案見圖2。

圖2 試驗方案圖Fig.2 The experimental program

試驗用健康綿羊體重約25 kg，并以坐姿固定于特制的架子上，置于工事中心保證其前胸正對沖擊波傳播方向(圖3)。模擬人體胸腔的測試圓筒按普通人胸腔尺寸設(shè)計，高度 762 mm，直徑305 mm。將圓筒垂直固定在與試驗動物同一位置，同時測試模擬人體胸部的測試圓筒四周壓力、艙室內(nèi)沖擊波壓力、綿羊體內(nèi)壓力等參數(shù)及綿羊的損傷情況。

據(jù)理論計算獲得的肺致傷閾值所需沖量及復(fù)雜沖擊波特性，設(shè)計兩種不同類型的復(fù)雜波(A類、B類)。A類沖擊波作用時間較短(試驗中約25 ms)，模擬工事艙室開口情況下生物的損傷效應(yīng);B類沖擊波作用時間較長(試驗中約120 ms)，模擬工事艙室封閉情況下對生物的損傷效應(yīng)。對A類波設(shè)計四組試驗;B類波設(shè)計兩組試驗。見表1。

試驗中每炮僅放置一只綿羊，保證每組實驗有6炮測試數(shù)據(jù)，減少因裝藥及測試等偶然原因造成的誤差。

圖3 試驗綿羊放置方案Fig.3 The arrangement program of sheep

表1 艙室內(nèi)綿羊損傷試驗設(shè)計Tab.1 Experimental design of damage effect test to sheep

1.4 試驗測試方案

為分析生物損傷情況，進(jìn)一步研究復(fù)雜波作用下生物損傷規(guī)律，據(jù)規(guī)范要求，須對動力學(xué)參數(shù)(壓力)及醫(yī)學(xué)損傷進(jìn)行測量。

1.4.1 動力學(xué)參數(shù)測試

艙室內(nèi)復(fù)雜沖擊波壓力(P4)、艙室內(nèi)模擬人體胸腔圓筒上布置的壓力(P1、P2、P3、P6)、生物體內(nèi)壓力(P5)。各傳感器布置方式見圖4。艙室內(nèi)復(fù)雜波壓力傳感器布置于工事艙壁正中，編號P4，傳感器敏感面與工事內(nèi)壁表面平齊。模擬人體胸腔的圓筒上壓力傳感器布置方案為:圓筒上端放置壓力傳感器(編號P1);圓筒周壁放置三個傳感器，其中正對沖擊波傳播方向一個(編號P2)，側(cè)壁平行于沖擊波傳播方向一個(編號P3)，背對沖擊波傳播方向一個(編號P6)，P2、P3、P6傳感器高度為圓筒高度的一半。生物體內(nèi)壓力傳感器置于綿羊食道內(nèi)部(編號P5)。

圖4 測試傳感器布置圖Fig.4 The arrangement plan of sensors of different type

1.4.2 動物損傷效應(yīng)醫(yī)學(xué)測試

每次試驗后立即對綿羊作CT及核磁共振觀察見圖5，試驗1小時后對動物進(jìn)行醫(yī)學(xué)解剖，觀察動物心、肺、腦、腎臟等器官損傷情況，結(jié)合試驗測得的沖擊波參數(shù)確定爆炸沖擊波作用下工事艙室內(nèi)綿羊的損傷閾值。

圖5 動物核磁共振觀測及醫(yī)學(xué)研究Fig.5 Anatomical research and NMR observation to sheep after test

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 工事艙內(nèi)壓力試驗

實測各組試驗中工事艙內(nèi)壓力(P4)及生物體內(nèi)壓力(P5)典型波形見圖6。各組試驗實測復(fù)雜沖擊波峰值、沖量及各試驗參數(shù)統(tǒng)計見表2，表中數(shù)據(jù)為同組試驗不同炮次的平均值，B1、B2組中帶“*”數(shù)據(jù)為前30 ms沖量。

圖6 實測壓力波形Fig.6 Typical press waves

表2 艙室內(nèi)復(fù)雜沖擊波參數(shù)Tab.2 Parameters of the Wave in enclosed space

表3 試驗后動物傷情及判別Tab.3 Condition injuries to the sheep and it’s distinguish after test

由圖6壓力波形知:

(1)成功獲得兩類典型復(fù)雜波，每組試驗波形均有多個峰值，特征相似且規(guī)律性好。表明試驗對不同峰值及沖量值的復(fù)雜波控制是成功的。

(2)由表2知，對A類復(fù)雜波前15 ms內(nèi)均有三個以上主要峰值，在15 ms后復(fù)雜波能量衰減較快，復(fù)雜波前15 ms能量(以沖量表示)占復(fù)雜波總能量的60%以上。因此對以TNT為代表的常規(guī)炸藥爆炸，開口工事艙室內(nèi)生物損傷效應(yīng)，應(yīng)以前15 ms沖量為主要依據(jù)。

(3)與A類復(fù)雜波相比，B類復(fù)雜波作用時間較長，達(dá)100 ms以上。且能量主要分布在前30 ms，占總能量的60%以上。因此，常規(guī)炸藥爆炸作用下，封閉工事艙室內(nèi)生物的損傷效應(yīng)，應(yīng)以前30 ms的沖量為主要依據(jù)。

(4)與工事艙室內(nèi)壓力波形相比，生物食道內(nèi)壓力波形較光滑，且升壓時間、作用時間均較工事艙室內(nèi)壓力提高許多;峰值壓力也較工事艙室內(nèi)壓力小，為艙室內(nèi)壓力的60%左右。

2.2 動物損傷情況分析

試驗后各組動物損傷情況醫(yī)學(xué)描述及傷情判別見表3。第二、第四組綿羊試驗解剖后肺損傷情況見圖7。

圖7 試驗后動物肺損傷情況Fig.7 Condition injuries to the lung of the sheep

由表3復(fù)雜波作用下不同組別生物損傷效應(yīng)試驗結(jié)果統(tǒng)計知:

(1)四組實驗動物傷情控制較好，從無傷、微傷、輕傷到重傷，成功獲得動物損傷的大概閾值;在A類復(fù)雜波作用下工事艙室內(nèi)生物損傷閾值應(yīng)在試驗中第二組測試所得數(shù)據(jù)附近，即壓力峰值約80 kPa，沖量約120 kPa·ms。

(2)相同藥量的B類復(fù)雜波作用下工事艙室內(nèi)生物損傷較A類復(fù)雜波作用重。其損傷閾值壓力及沖量較A類復(fù)雜波作用下小;B類復(fù)雜波作用下工事艙室內(nèi)生物損傷閾值應(yīng)在第一組測試所得數(shù)據(jù)附近，即壓力峰值約60 kPa，沖量約90 kPa·ms。

2.3 試驗圓筒壓力分析

模擬人體胸腔試驗測試的圓筒上四個壓力傳感器實測典型波形(P1、P2、P3，P6)如圖 8、圖 9 所示。由圖8、圖9中A、B類復(fù)雜波作用下模擬人體胸腔的測試圓筒上壓力波形對比知:

(1)A類復(fù)雜波作用下實測模擬人體胸部的鐵制測試圓筒四個壓力的波形特征相同，但壓力數(shù)值相差較大，P1、P1較大，但P3及P6壓力較小，其峰值為 9.06 kPa，2.68 kPa。因此在A類復(fù)雜波作用下艙室內(nèi)動物胸腔的致傷中，應(yīng)主要考慮正對沖擊波傳播方向的致傷，其它方向壓力太小可忽略。

(2)B類復(fù)雜波作用下，實測模擬人體胸部的鐵制測試圓筒上的四個壓力波型基本特征相同，且壓力數(shù)值相差不大，P1、P1較大，P3及P6相對較小，但峰值達(dá)到P1的80%以上，不可忽略。因此B類復(fù)雜波作用下艙室內(nèi)動物胸腔的致傷中，除應(yīng)主要考慮正對沖擊波傳播方向致傷外，也應(yīng)考慮其它方向復(fù)雜沖擊波影響。

圖8 A類復(fù)雜波作用的圓筒壓力波形Fig.8 Typical press waves of type A on the test cylinder

圖9 B類復(fù)雜波作用的圓筒實測復(fù)雜壓力波形Fig.9 Typical press waves of type B on the test cylinder

3 結(jié)論

(1)通過對多室型爆炸波模擬設(shè)備的改裝及調(diào)試，獲得符合要求規(guī)律性良好的兩類復(fù)雜波，成功模擬實戰(zhàn)條件下工事艙室開口及封閉兩種實際情況。

(2)試驗設(shè)計的四組實驗中動物傷情差別控制較好，從無傷、微傷、輕傷至重傷，成功獲得動物損傷閾值。

(3)與A類復(fù)雜波相比，B類復(fù)雜波作用時間較長，相同藥量下B類復(fù)雜波作用下工事艙室內(nèi)生物損傷較A類復(fù)雜波作用下重。其損傷壓力閾值較A類復(fù)雜波作用下小。

(4)在A類復(fù)雜波作用下艙室內(nèi)動物胸腔的致傷中，應(yīng)考慮正對沖擊波傳播方向的致傷，其它方向壓力可忽略。B類復(fù)雜波作用下，在艙室內(nèi)動物胸腔的致傷中，除應(yīng)考慮正對沖擊波傳播方向的致傷外。也應(yīng)考慮其它方向復(fù)雜沖擊波影響。

(5)動物體內(nèi)壓力波形較光滑，且升壓時間、作用時間較長;其峰值壓力為艙室內(nèi)壓力的60%左右。

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