沈文妮， 侯立军， 唐佳炜， 穆春元， 张浩宇， 徐涛

(1.中国船舶科学研究中心， 江苏 无锡 214082； 2.海军军医大学长征医院 神经外科， 上海 200003)

0 引言

海上特战力量从20世纪初开始出现在战场上，他们可以潜入港口、码头、近岸以及锚泊区，对军舰、商船和岸基设施实施破坏、在浅水海域进行布雷和反水雷作业，起到了海战中其他海军武器装备所不可替代的作用。水中兵器和导弹等武器在水下爆炸产生的冲击波非常容易使得水中人员出现水下冲击伤。水中冲击波等载荷直接作用于人体所造成的原发损伤称为爆震伤或原发冲击伤，危重伤多，死亡率高。目前，国内外研究人员对空气冲击波引起的冲击伤的致伤机理、防护和救治的研究比较深入，但是由于水的相对不可压缩性以及气泡脉动载荷的存在，水中冲击波与空气冲击波相比具有不同的载荷特性和致伤特点，通常水下冲击伤的伤情更为严重，防护和救治更为困难。因此，开展水下冲击伤安全防护的研究对提高我国海军卫勤保障能力有着重要的意义。

水下原发冲击伤各主要脏器损伤特点为：肺脏是损伤的主要靶器官；肠道损伤远较空气冲击伤重；脑部、神经等也会发生严重病变；实质脏器和体表损伤发生率低等。由各脏器损伤特点结合水下爆炸载荷特点，水下原发冲击伤的致伤模式理论有：王正国等得出的血液动力学效应、碎裂效应、内爆效应和惯性效应等；以及3种形成机制理论：1)崩落，主要在爆炸波从高密度介质传播到低密度介质的时候发生；2)由于周围流体高压使得充气空间内陷破裂；3)组织密度的差异，产生组织间加速度差异，导致剪切力而撕裂。

为研究水下爆炸载荷与人员损伤的量效关系，给冲击伤预测和救治提供参考，学者们建立了多达几十种水下爆炸人员/动物致死、致伤评估模型。但是在改变药量和爆距推算时，各模型产生了不一致的结果。图1列出了20世纪50年代以来基于事故案例分析或动物水下爆炸试验、被广泛应用或引述的不同评估模型在0.1 kg、1 kg、10 kg、100 kg TNT药量下人员致死、致伤距离，显然各评估模型之间存在较大差异。图1中，为100%致死距离，为50%致死/重度伤距离，为药包质量。此外，所有关于人员/动物所受载荷的描述均在以下物理量中选取：1)药量和爆距；2)冲击波压力峰值；3)冲击波冲量。

图1 指定药量下典型评估模型致死、致伤距离Fig.1 Lethal & injury distances under a given charge weight following typical assessment model

综上所述，水下爆炸致死/致伤评估模型存在以下问题：1)基于药量和爆距的评估模型一般由特定药量给出，缺乏“药量-爆距”的普适性；2)基于冲击波压力峰值的评估模型忽视了水下爆炸冲击波载荷脉宽“窄”的特点；3)基于冲击波压力峰值或冲量的评估模型则仅关注了水下爆炸冲击波载荷的效应，忽略了水下爆炸特有的气泡脉动载荷致伤效应；4)多数评估模型未将人员头部是否露出水面分开，忽视了自由面效应以及人员/动物受载部位的区别。因此，对于潜水人员来说，亟需一个基于水下爆炸全过程且适应面较广的评估标准。

根据头部是否露出水面将水中作战人员战位进行分类，主要有泅渡战位和潜泳战位两种。为模拟水中作战人员遭受水中爆炸袭击造成的原发冲击伤，本文使用试验专用比格犬作为人体替代物，分别在观测水箱和爆炸水池中对比格犬开展了水下爆炸试验，研究了水下爆炸载荷下两种状态比格犬的损伤阈值，为人员水下冲击伤预测和救治提供参考。

1 克级水下爆炸试验

1.1 克级水下爆炸试验装置

观测水箱试验装置(1 m×1 m×1 m)原用于观察水下爆炸气泡脉动过程及其与物体的相互作用过程。针对以往动物试验未观察到水下爆炸作用下的致伤影像过程、机理分析不清的现状，本次试验利用该观测装置，通过高速摄像机直接观察记录克级水下爆炸载荷与比格犬的相互作用全过程，以探究比格犬在不同战位、不同距径比(爆炸距离与气泡最大半径之比)下水下爆炸冲击波、气泡致其损伤的机制。

1.2 比格犬受试状态

试验采用10只平均体重约为8 kg的比格犬，均处于全麻状态，并在水中保持躯干竖直，潜泳战位比格犬采用气管插管的方式保持呼吸，泅渡战位比格犬保持头部露出水面，比格犬试验状态如图2所示。

图2 克级水下爆炸试验比格犬受试状态Fig.2 Beagles in the tank

采用1 g TNT当量的雷管装药在观测水箱内进行爆炸试验，爆炸气泡的最大半径约为160 mm，因此5只模拟泅渡战位比格犬在距径比0.75～3.38范围、5只模拟潜泳战位比格犬在距径比0.94～3.75范围内进行了试验，试验工况见表1。试验拍摄采用高速摄像机完成，观察气泡载荷与比格犬的相互作用，部分试验结果如表2、表3所示。

表1 克级水下爆炸试验工况Table 1 Conditions of underwater blast tests with gram-level charge

表2 工况A1拍摄结果(G085)Table 2 Conditions of A1 process (G085)

表3 工况A6拍摄结果(G087左，G076右)Table 3 Conditions of A6 process (G087 Left, G076 Right)

1.3 比格犬胸腹部变形

在克级水下爆炸试验中，胸/腹部正对爆源的比格犬身体变形程度较大，因此胸腹水平向变形量可作为其受载过程的重要度量。

1.3.1 模拟泅渡战位比格犬胸腹部变形

模拟泅渡战位的受试比格犬按距径比从小到大排序为G085、G026、G084、G075和G079，将各时刻高速摄像中比格犬胸腹部宽度与试验前对比判读，可得其水平向变形幅度最大处的变形量时程曲线以及变形量极值随水平爆距的变化如图3所示。从气泡载荷与上述受试比格犬相互作用的过程可以看出：

图3 泅渡比格犬胸腹部变形量统计Fig.3 Deformation of the swimming beagles’ thorax and abdomen

1)G085、G026胸腹距径比不大于2，二者在体外气泡脉动以及负压载荷作用下，胸腹部随气泡膨胀而大幅压缩、随气泡收缩而大幅拉伸，直至载荷消逝。

2)G084、G075胸腹距径比不小于2.5，二者胸腹部变形不明显，以整体摆动为主。

3)随距径比增加，比格犬胸腹压缩量、拉伸量均呈递减趋势，G085胸腹变形差值(56 mm)约为G075的13.6倍。

1.3.2 模拟潜泳战位比格犬胸腹部变形

模拟潜泳战位的受试比格犬按距径比从小到大排序为：G083、G173/G076、G087，由高速摄像结果得到胸腹部正对爆源的比格犬G087、G076胸腹部变形量时程曲线以及变形量极值随水平爆距变化如图4所示。从气泡载荷与上述受试比格犬相互作用的过程可以看出：

图4 潜泳比格犬胸腹部变形量统计Fig.4 Deformation of the diving beagles’ thorax and abdomen

1)G083距径比小于1，其与气泡接触部位跟随体外脉动的气泡发生剧烈压缩和拉伸，并吸引气泡在其上持续脉动。

2)G173、G076距径比为2.19，在气泡一次脉动期间(0～25 ms)胸腹部随体外的气泡脉动以及负压载荷产生压缩和拉伸，在25 ms以后G173、G076胸腹呈现脉动趋势。

3)G087距径比大于3，其胸腹部变形不明显，以整体摆动为主。

4)随距径比增加，比格犬胸腹压缩量、拉伸量降低，G076胸腹变形差值(16.5 mm)为G087的12.5倍。

1.3.3 两战位比格犬胸腹部变形

G085、G026、G076、G084、G075、G087胸腹部均正对雷管，综合比较上述比格犬的胸腹部变形量，其时程曲线以及极值随水平爆距变化如图5所示。由图5可见：

图5 比格犬胸腹部变形量统计Fig.5 Deformation of the beagles’ thorax and abdomen

1)G075、G087距径比为3.13，虽分别处于泅渡和潜泳战位，但其变形程度类似。

2)G173、G026、G076比格犬距径比约为2，胸腹部产生较为持续的脉动现象。

3)本次试验中，比格犬胸腹部变形量差值最大可达其身体宽度的26.5%(G085)。

1.4 克级水下爆炸试验载荷与伤情统计

根据刘建湖对水下爆炸压力的各段载荷半经验半解析公式，结合一系列使用观测水箱进行水下爆炸试验获得的压力数据，得出各工况受试比格犬所受冲击波压力载荷及气泡脉动载荷，典型曲线如图6所示。

图6 压力测量曲线与理论计算对比Fig.6 Comparison between experimental and theoretical calculation results

本次试验载荷水平如下：冲击波峰压介于6.2～38.4 MPa，气泡脉动峰压介于829.1～5 120 kPa，负压峰值介于25.27～126.6 kPa，冲击波冲量介于120.6～505.0 Pa·s，气泡脉动冲量介于287.5～1 437.7 Pa·s。经试验后观察、检查、解剖，试验载荷与动物伤情、存活情况统计如表4所示，从中可见：

表4 克级水下爆炸试验载荷参数与伤情统计Table 4 Load and injuries to beagles in underwater blast tests with gram-level charge

1)水下爆炸作用下，含气器官如肺、听器等，遭遇冲击波、气泡、负压等载荷作用，损伤最为严重；出现大量呼吸暂停、抽搐症状，部分解剖见脑部损伤。

2)泅渡战位比格犬头部不直接承受爆炸载荷，但仍出现一定程度的颅脑伤情(脑室出血、呼吸暂停(脑震荡)等)；潜泳战位比格犬头部直接承受爆炸载荷，同时也承受泅渡战位的载荷，潜泳战位脑出血、脑水肿等显著颅脑损伤(3/5)相比泅渡战位(1/5)更为多发，存活率也更低。

3)泅渡战位比格犬在距径比不小于1.56时均存活，潜泳战位比格犬在距径比不小于3.75时方存活，因此在同等水下爆炸条件下，潜泳战位比格犬的损伤半径约为泅渡战位的2.5倍。

4)G173犬与G076犬爆距相等，前者头部正对爆源，后者胸部正对爆源，G173犬脑部损伤程度更大，二者肺部损伤程度相当且均死亡；可见爆源正对部位一定程度上影响了脑部伤势，但对肺部损伤乃至毁伤结果未产生决定性影响。

2 千克级泅渡战位水下爆炸试验

2.1 千克级泅渡战位水下爆炸试验方法

试验分别采用1 kg、3 kg、3.5 kg TNT装药，受试比格犬平均体重为10 kg，水平爆距介于3～24 m，共进行42犬次试验，工况如表5所示。试验时，受试比格犬在麻醉后放入试验水池，均处于模拟泅渡战位，现场部署示意如图7所示，分别在受试比格犬同等位置以及部分比格犬颅内布放压力传感器。图7中为爆深，为水平爆距。

表5 千克级泅渡战位水下爆炸试验工况统计Table 5 Conditions of underwater blast tests with kilogram-level charge for beagles in swimming position

图7 千克级泅渡战位水下爆炸试验布置示意图Fig.7 Layout of underwater blast tests with kilogram-level charge for beagles in swimming position

2.2 千克级泅渡战位水下爆炸试验载荷与伤情统计

千克级泅渡战位水下爆炸试验各工况压力载荷与比格犬伤情统计如表6所示，共死亡15犬次、存活27犬次。本次试验载荷水平如下：冲击波峰压介于1.9～13 MPa，气泡脉动峰压介于257～1 073 kPa，冲击波冲量介于474～2 215 Pa·s，气泡脉动冲量介于1 604～6 047 Pa·s。死亡比格犬均显示了含气脏器的损伤，如肺、听器、肠道等，其中以肺部

表6 千克级泅渡战位水下爆炸试验载荷参数与伤情统计Table 6 Load and injuries to beagles in swimming position in underwater blast tests with kilogram-level charge

续表6

损伤最为严重。典型工况下受试比格犬同等位置压力与颅内压力时程曲线如图8所示，可见水下爆炸过程中冲击波载荷和气泡脉动载荷均在比格犬颅内引起了压力响应。结合直接颅脑传导理论，可知泅渡战位比格犬头部虽未浸入水中，但水下爆炸压力载荷仍可通过与大脑相连的结构如颈部血管、颈椎等传递至脑部造成损伤。

图8 水下爆炸压力载荷和动物颅内的压力响应Fig.8 Underwater blast pressure and response of beagles

3 比格犬损伤阈值分析

本文基于以下原则对各战位受试比格犬进行伤情分级：

1)轻度伤：听器伤、内脏轻度挫伤和体表擦伤等；对战斗力影响不大，无需特殊救治。

2)中度伤：内脏较大范围挫伤(片状出血或血肿)、较轻的肺水肿、大片软组织伤、单纯脱位、个别无明显变位的肋骨骨折、脑震荡等；预后多良好，一般不需要后送，对战斗力影响较小。

3)重度伤：内脏破裂、骨折(股骨、脊柱、颅底和多发性肋骨骨折)、较严重的肺水肿、肺出血等；伤势危重，伤情复杂，不积极治疗，有生命危险，无法重返战斗，短期内丧失战斗力。

4)极重度伤：严重颅脑和脊髓损伤、胸腹腔破裂、广泛而严重的肺出血、肺水肿、大血管破裂、肢体离断伴有大出血等；伤势极为严重，如不大力抢救，一般在24 h内死亡。

千克级水下爆炸试验根据上述分级方法中对战斗力、救治情况的描述，认为同一载荷工况下，多数死亡为重度、极重度伤，少数死亡或全数存活为轻度、中度伤。

3.1 模拟泅渡战位比格犬损伤阈值分析

在水下爆炸过程中，受试比格犬连续遭受冲击波、气泡脉动等载荷，且气泡脉动载荷能一定程度上反映负压载荷的大小，因此在水下爆炸致伤/致死阈值分析中，需要综合考虑冲击波、气泡脉动载荷的作用。由于冲击波载荷脉宽相比气泡脉动载荷脉宽更“窄”，冲击波载荷即以进行衡量，而气泡脉动载荷以进行衡量。

由表4、表6可知，模拟泅渡战位比格犬试验载荷与最终存活情况统计如图9(-图)所示，其中红线为试验比格犬致死阈值曲线，其中纵线取克级试验G085犬(死亡/肺破裂)与G026犬(存活/肺水肿，右脑出血)所受冲击波冲量均值(384 Pa·s)；横线取千克级试验D033犬(死亡/双肺广泛淤血、鼓膜充血)与工况B1中试验犬(3只死亡/双肺广泛淤血；1只存活)所受气泡脉动峰压均值(770.8 kPa)。图9中蓝线为试验比格犬重/极重度伤阈值曲线，其中纵线取克级试验G026犬(存活/肺水肿，右脑出血)与G084犬(存活/B超未见明显异常)所受冲击波冲量均值(218 Pa·s)；横线取千克级试验工况B2中试验犬(3只死亡/双肺广泛淤血，肝淤血，肠出血；1只存活/试验后即刻全身痉挛)与工况B3中试验犬(3只存活；1只死亡/双肺广泛淤血，肝淤血)所受气泡脉动峰压均值(421.5 kPa)。图9中蓝线以下为轻度、中度冲击伤区域，两线之间为重度、极重度冲击伤区域，红线以上为致死区域。

图9 水下爆炸试验载荷与模拟泅渡战位比格犬存活情况统计Fig.9 Load and injuries to the swimming beagles in underwater blast tests

3.2 模拟潜泳战位比格犬损伤阈值分析

根据表4，模拟潜泳战位比格犬试验载荷与最终存活情况统计见图10(-图)。图10中红线为试验比格犬致死阈值曲线，其中纵线取克级试验G092犬(存活)与G087犬(死亡/肺水肿，脑水肿)所受冲击波冲量均值(131 Pa·s)；由于潜泳战位比格犬的损伤半径约为泅渡战位的2.5倍，横线根据泅渡战位致死阈值曲线进行推算，可得气泡脉动峰压阈值约为330 kPa。

图10 水下爆炸试验载荷与模拟潜泳战位比格犬存活情况统计Fig.10 Load and injuries to the diving beagles in underwater blast tests

4 结论

本文通过开展模拟泅渡、潜泳战位比格犬水下爆炸试验，直接观察了气泡载荷与比格犬的相互作用过程，并结合医学检查进行了多种损伤模式分析。得到以下主要结论：

1)在克级水下爆炸试验中，气泡以及负压载荷对距径比小于3的受试比格犬更多表现为从体外进行直接压缩、拉扯；对距径比大于3的受试比格犬更多表现为整体摆动；距径比约为2时比格犬胸腹部产生较为持续的脉动现象。

2)水下爆炸作用下，含气器官如肺、听器等，遭遇冲击波、气泡、负压等载荷的作用，损伤最为严重；此外，无论头部是否露出水面，脑部都会产生一定程度的损伤。

3)在同等水下爆炸条件下，潜泳战位比格犬的损伤半径约为泅渡战位的2.5倍。

4)模拟泅渡战位比格犬水下爆炸致死阈值约为冲击波冲量大于384 Pa·s且气泡脉动峰压大于770.8 kPa，致重度伤以下阈值约为冲击波冲量小于218 Pa·s且气泡脉动峰压小于421.5 kPa；模拟潜泳战位比格犬水下爆炸致死阈值约为冲击波冲量大于131 Pa·s且气泡脉动峰压大于330 kPa。