Введение

При выполнении служебных и боевых задач для защиты от пуль и осколков сотрудниками силовых ведомств широко используются различные средства бронезащиты, основная роль среди которых принадлежит бронежилету (БЖ). При непробитии защитной структуры у пользователя может возникать особый вид повреждения — заброневая локальная контузионная травма (ЗЛКТ), под которой принято понимать «тупую» травму, обусловленную прохождением в тканях и органах, лежащих за БЖ, ударного импульса с высоким уровнем избыточного давления с последующим «сдвигом» тканей в месте приложения воздействия. Главное отличие этого вида травмы от неогнестрельной закрытой тупой травмы в результате низкоскоростного воздействия тупого твердого предмета относительно малой площади состоит в большей глубине возникающих повреждений из-за высокой скорости заброневого удара [1, 2].

За последние десятилетия произошел значительный прогресс в области разработки защитных материалов, использующихся при изготовлении БЖ. Для изделий, предназначенных для защиты от пистолетных и большинства автоматных пуль, могут применяться разные сорта стали, титановые и алюминиевые сплавы, а также баллистические материалы на основе арамидных волокон и сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Однако для разработки БЖ более высоких классов защиты, когда требуется сбережение здоровья и жизни от высокоскоростных винтовочных пуль с термоупрочненным сердечником, наиболее эффективны материалы из керамики [3, 4]. Неслучайно принятые на снабжение в Вооруженных силах Российской Федерации БЖ общевойсковой единый 6Б45 с комплектом штурмовым 6Б45-1 и боевой нагрудник защитный 6Б46 в составе защитных экранов имеют именно керамические (композитные) бронепанели.

Изучение особенностей заброневых повреждений при непробитии защитной композиции, разработанной на основе керамики, является актуальной задачей современной военной медицины. Исследование закономерностей формирования и экспертная оценка особенностей огнестрельной травмы при наличии преграды (включая БЖ) является также одной из актуальных задач судебной медицины [5, 6].

В вопросе изучения запреградной травмы первоочередной является проблема поиска научно обоснованного критериального показателя, с помощью которого возможно наиболее адекватно определять допустимый уровень заброневого локального удара через прогнозирование последствий его воздействия на организм человека [7, 8].

Ранее допустимость уровня ударного воздействия при непробитии защитной композиции регламентировалась (согласно ГОСТ Р50744-95) через оценку степени тяжести ЗЛКТ, возникающей при обстреле экспериментальных животных через испытываемый образец БЖ соответствующим классу защиты боеприпасом [9]. В приложении «Б» данного документа (разработанного при участии специалистов кафедр военно-полевой хирургии и судебной медицины Военно-медицинской академии) было определено 4 степени тяжести «заброневой тупой травмы туловища» и допустимой была установлена травма не выше II (средней) степени тяжести, характеризующаяся образованием у человека повреждений в виде ушибленных ран кожи, очаговых внутримышечных кровоизлияний, единичных очаговых субплевральных кровоизлияний и единичных очаговых кровоизлияний в брыжейку кишечника.

Однако с 01.03.2019 в Российской Федерации на бронеодежду распространяется требования нового ГОСТ 34286-2017 [10]. В данном стандарте «безопасный уровень заброневого воздействия поражающего элемента» уже не имеет четкого критерия допустимости и трактуется как некое «динамическое воздействие поражающего элемента при непробитии защитной структуры, определяемое показателем, нормируемым нормативным документом на конкретную продукцию». В примечании указанного документа уточняется, что под этим показателем понимается определенный параметр, позволяющий задать критерий оценки изделия, значение которого получают в результате измерений, расчета и прогноза.

Для оценки допустимости уровня заброневого ударного воздействия могут применяться разные показатели: глубина отпечатка (в скульптурном пластилине или баллистической глине); глубина и площадь временной полости (в блоках из пищевого желатина или баллистического геля); избыточное давление и импульс давления (регистрируемые внутри полости имитатора торса); характер перемещения грудины или ребра (у биообъекта или антропоморфного манекена) и пр. Широкое разнообразие данных показателей может приводить к тому, что соответствующими специалистами возможно применение разных по физическому смыслу оценочных параметров [11, 12]. Это может приводить к получению трудно сопоставимых либо полностью несопоставимых (несводимых) результатов.

Цель исследования — поиск и экспериментальное обоснование наиболее точного и универсального прогностического критерия тяжести ЗЛКТ при непробитии высокоэнергетическим поражающим элементом (ПЭ) защитной структуры БЖ.

Материал и методы

Для изучения механизма формирования ЗЛКТ было проведено экспериментальное исследование, состоящее из двух этапов.

На 1-м этапе изучали закономерности формирования локальной тыльной деформации защитной композиции БЖ, для чего были проведены опыты по обстрелу подвешенной на резиновых стропах композитной керамической бронепанели (класса защитной структуры Бр5 по ГОСТ 34286-2017) из снайперской винтовки Драгунова пулями патрона 7,62×54 (инд. 57-Н-323С) со средней ударной скоростью 828 м/с. Для фиксации быстропротекающих процессов использовали высокоскоростную видеосъемку с помощью комплекса Phantom Miro M310 (AMETEK, США) с частотой записи 10 тыс. кадров в секунду. Обработку видеоматериалов осуществляли с использованием прикладного программного обеспечения Phantom Camera Control.

Перед началом эксперимента на внутреннюю поверхность каждой бронепанели белым маркером наносили равномерную сетку с ценой деления 2 см, а также отмечали место ожидаемого воздействия ПЭ (рис. 1). Анализ изменений положения элементов координатной сетки с применением прикладного программного обеспечения позволял оценить исследуемые параметры в динамике.

Рис. 1. Координатная сетка, нанесенная на внутреннюю поверхность керамической бронепанели.

На 2-м этапе исследования моделировали локальное ударное воздействие на биообъекты сферическими ударниками с разной кинетической энергией, имитирующее действие участка тыльной деформации бронепанели (рис. 2, на цв. вклейке).

Рис. 2. Обстрел правой боковой поверхности груди экспериментального животного сферическим ударником.

Метание ударников осуществляли с использованием оригинальной пневмоимпульсной метательной установки, позволяющей регулировать скорость метания ударника путем изменения давления воздуха в ресивере и настройки запорного механизма с пневмоэлектроклапаном (рис. 3).

Рис. 3. Схематическое изображение пневмоимпульсной метательной установки.

1 — ствол диаметром 40 мм; 2 — казенник ствола; 3 — запорный механизм с пневмоэлектроклапаном; 4 — ресивер емкостью 0,5 л.

В исследовании применяли ударники сферической формы диаметром 40 мм, изготовленные из стали, алюминиевого сплава и капролона. Скорость метания подбирали в соответствии с требуемой кинетической энергией ударника (до начала возникновения проникающих ран).

Эксперименты были проведены на 27 крупных экспериментальных животных (свиней мясной породы массой около 80 кг). Учитывая полиморфность заброневой травмы и критичность повреждения внутренних органов груди и живота, каждое животное подвергали четырем ударным воздействиям — в область сердца, правого легкого, печени и кишечника. Оценка тяжести ЗЛКТ производили в соответствии с классификацией, представленной в ГОСТ Р 50744-95 [9].

На исследование было получено разрешение локального этического комитета ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова» МО РФ (протокол №199 от 19.12.2017).

Результаты и обсуждение

Проведенные опыты, основанные на анализе изображений, полученных с помощью высокоскоростной видеосъемки, показали, что воздействие ПЭ на керамическую бронепанель визуально характеризуется двумя основными этапами: непосредственного формирования локального участка тыльной деформации (обращенной к телу при ношении БЖ) и последующего перемещения всей бронепанели (рис. 4, на цв. вклейке).

Рис. 4. Динамика формирования тыльной деформации керамической бронепанели.

Формируемый при непробитии бронепанели участок деформации защитной структуры (при условии отсутствия подложки) характеризуется максимальной скоростью 48 м/с через 5 мс после воздействия (с падением до 18 м/с за 3,6 мс), а также (в среднем) высотой 12 мм, диаметром в основании около 40 мм и объемом до 220 см³. Наличие подложки в виде баллистического геля, имитирующего мягкие ткани человека, оказало значимое влияние на скорость формирования участка локальной тыльной деформации. По сравнению с нахождением бронепанели в подвешенном состоянии наблюдалась значительно меньшая величина максимальной скорости (около 38 м/с) с более резким ее падением до 9,8 м/с за время 3,6 мс (что соответствует окончанию формирования временной пульсирующей полости).

Полученные количественные характеристики тыльной деформации позволили рассчитать значение импульса (количества движения), равного произведению массы данного участка на скорость его движения (кг∙м/с). Например, для бронепанели из карбида бора плотностью 2,4 г/см³ при толщине 8 мм и скорости 7,5 м/с значение импульса равно 5,42 кг×м/с. Кроме того, наличие данных о размерных и динамических характеристиках участка локальной тыльной деформации позволило предложить оригинальный способ моделирования заброневого локального ударного воздействия при непробитии бронепанели — с помощью сферических ударников диаметром 40 мм (разной массы и скорости).

Результаты исследования, проведенного на биообъектах, показали, что степень тяжести получаемых животными повреждений не имеет прямой зависимости от общепринятых в раневой баллистике параметров, таких как средняя скорость ударника, кинетическая энергия, удельная энергия и импульс (табл. 1 — параметры 1, 2, 3 и 4). У животных, получивших воздействие ударниками разного состава, зачастую наблюдались схожие по степени тяжести повреждения при различной величине кинетической, удельной энергии и импульса (и наоборот). Например, удар стального шара приводил к формированию ЗЛКТ II (средней) степени тяжести, начиная с кинетической энергии, равной 55 Дж, для повреждений аналогичной тяжести для ударников из алюминия и капролона требовалось ударное воздействие с энергией 120 и 160 Дж, соответственно.

Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований на биообъектах с использованием ударников с разными энергетическими параметрами (усредненные значения, n=27)

Примечание. v — скорость; Е — энергия; Е_уд — удельная энергия; I — импульс; I_уд — удельный импульс; I_п — приведенный удельный импульс; d — диаметр; m — масса. * — корреляция степени тяжести ЗЛКТ с разными энергетическими параметрами (p<0,05).

Учитывая возможность значимого влияния на тяжесть повреждений площади ударного воздействия, для каждого опыта производили расчет величины удельного импульса по формуле:

(1),

где: I_уд — удельный импульс (I/м²), m — масса ударника (кг), v — скорость ударника (м/с), S — площадь поперечного сечения ударника (м²).

Расчетная площадь контакта для сферического ударника диаметром 40 мм составляет 0,00126 м². При этом реальная площадь контакта может отличаться от расчетной площади, т.к. она постоянно меняется, вначале нарастает от нуля до достижения максимального значения и далее снова снижается.

Перерасчет на величину удельного импульса, учитывающего площадь воздействия на объект, позволил получить несколько лучшую зависимость тяжести повреждений от уровня локального ударного воздействия (табл. 1 — параметр 5). Из полученных данных можно сделать вывод о наличии определенной зависимости, показывающей, что принципиально среднее значение удельного импульса для I (легкой) степени тяжести травмы не должно превышать 4000 кг∙м/с/м², для II (средней) — 5100 кг∙м/с/м², а для III (тяжелой) — 5500 кг∙м/с/м².

Обращает на себя внимание полное соответствие выявленной закономерности повреждений только для тяжелого ударника, выполненного из стали, тогда как получаемые биообъектом травмы от воздействия более легкими ударниками, изготовленными из алюминия и капролона, в полной мере ей не соответствуют (особенно с увеличением скорости удара).

Указанное обстоятельство потребовало поиска иного показателя, характеризующего повреждающую способность локального ударного воздействия. В качестве нового оценочного показателя ударного воздействия был предложен «приведенный удельный импульс» ударника (I_п), который передается на ткани биообъекта и создает на поверхности контакта с ним импульс давления (выражается в Па×с). На его основе имеется возможность получать данные по уровню воздействия при любой массе ударника.

Расчет величины данного показателя осуществляется следующим образом: выполняют ударное воздействие на биообъект с использованием метаемого элемента (ударника) с фиксированной массой и диаметром, но имеющего разные энергетические параметры (путем изменения контактной скорости взаимодействия — метание сферических ударников осуществляется с помощью специальной метательной установки); затем для каждой энергии производят расчет величины удельного импульса по формуле 1.

При выполнении ударного воздействия с использованием ударников, имеющих массы, отличающиеся от «эталонного» (ввиду наличия четкой зависимости тяжести ЗЛКТ от величины кинетической и удельной энергии, им может являться стальной шар диаметром 40 мм и массой 0,262 кг), определение величины приведенного удельного импульса проводится по формуле:

(2),

где: I_п — приведенный удельный импульс (Па×с); M_n — приведенная масса, (кг); m_f — фиксированная масса ударника («эталонного»), при которой определен удельный импульс для порогового значения степени тяжести контузии (кг); m — масса ударника, различного от «эталонного» (кг); V_n — приведенная скорость ударника, (м/с); E — кинетическая энергия ударника (Дж); S — площадь поперечного сечения наконечника ударника (м²).

Результаты экспериментальных исследований на биообъектах с использованием ударников с разными энергетическими параметрами при перерасчете величин ударного воздействия на приведенный удельный импульс представлены в табл. 1 (параметр 6). Установлено, что наибольшая сходимость результатов воздействия имеется в отношении величины приведенного удельного импульса — одинаковая величина приведенного удельного импульса (независимо от массы ударника) соответствовала, как правило, определенной (сходной) тяжести ЗЛКТ (коэффициент корреляции 0,94 — связь прямая, сильная, статистически значимая на уровне p<0,05).

Согласно полученным данным, значение приведенного удельного импульса для I (легкой) степени тяжести травмы не должно превышать 4200 Па×с, для II (средней) степени тяжести — 5500 Па×с, а для III (тяжелой) степени тяжести — 6000 Па×с. Локальное ударное воздействие, имеющее величину менее 3500 Па×с, происходит преимущественно в условиях упругой деформации тканей, приводя лишь к незначительным (поверхностным) ссадинам и кровоподтекам — на наш взгляд, это воздействие должно рассматриваться как 0 (нулевая) степень тяжести ЗЛКТ (и, соответственно, как отсутствие вреда здоровью). Воздействие величиной приведенного удельного импульса более 6000 Па×с ведет к образованию повреждений IV (крайне тяжелой) степени тяжести, при этом возможны проникающие повреждения (условная V степень тяжести).

Установленный новый энергетический параметр ударного воздействия в виде расчетной величины приведенного удельного импульса является более адекватным критерием оценки степени тяжести ЗЛКТ (в сравнении с традиционными), т.к. он дополнительно учитывает факт того, что на поверхности контакта ударника с живыми тканями создается кратковременный импульс давления, равный по величине «приведенному» удельному импульсу (определенной массой и скоростью) с учетом площади взаимодействия [13].

Несомненно, тяжесть повреждений будет зависеть не только от свойств повреждающего фактора, но и от особенностей самого объекта воздействия (физико-механических свойств разных биологических тканей — толщины, тургора, эластичности и пр.; анатомо-функциональных особенностей организма в целом — возрастных и патологических изменений), которые также требуют своего учета на индивидуальном диагностическом уровне (в ходе производства судебно-медицинской экспертизы).

В обобщенной виде предполагаемая нами зависимость тяжести ЗЛКТ от величины приведенного удельного импульса представлена в табл. 2.

Таблица 2. Зависимость тяжести контузионной травмы от величины приведенного удельного импульса (усредненные значения)*

Примечание. * — I, II, III и IV степени тяжести ЗЛКТ и их морфологические характеристики взяты из ГОСТ Р50744-95; 0 (нулевая) степень и критериальные значения приведенного удельного импульса являются оригинальными дополнениями.

Заключение

С помощью предложенной установки для метания ударников сферической формы (одного диаметра, но разной массы и скорости) показана принципиальная возможность экспериментального моделирования ударного воздействия, схожего с таковым при реальной стрельбе боеприпасами стрелкового оружия по биообъектам, защищенным бронекомпозицией. В результате серии натурных экспериментов установлено, что тяжесть ЗЛКТ наилучшим образом соотносится с величиной такого энергетического параметра, как приведенный удельный импульс. На его основе возможно наиболее точное прогнозирование тяжести заброневых повреждений при непробитии защитной композиции БЖ. Данный критерий целесообразно использовать в качестве основного критерия оценки тяжести ЗЛКТ в системе медицинской диагностики, включая судебно-медицинскую.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.