Problems of medical and biological support of the process of developing advanced bulletproof vests

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Проблема исследования заброневой контузионной травмы (ЗКТ), выработки адекватных оценочных критериев и методов ее оценки возникла сравнительно давно. Американские исследователи столкнулись с ней значительно раньше, чем российские, что связано с широким применением бронежилетов (БЖ) как в период Второй мировой войны, так и Войны в Корее 1950–1953 гг. [1].

В нашей стране исследование данных вопросов началось значительно позже — в начале 70-х гг., в связи с разработкой БЖ для МВД СССР, а затем, с 1980 г., в связи с созданием армейского БЖ 6Б2 (Ж-81), широко применявшегося военнослужащими 40-й армии в Республике Афганистан. Приоритет в исследовании ЗКТ при непробитии БЖ принадлежит специалистам Ржевского испытательного полигона Л.Б. Озерецковскому и его ученику М.В. Тюрину, тесно сотрудничавшими с Военно-медицинской академией [2].

Повышенный интерес к исследованию ЗКТ на современном этапе связывают с появлением на вооружении армий ведущих стран мира крупнокалиберного снайперского оружия [3].

К настоящему времени в ведущих западных странах разработаны стандарты, содержащие различные методики испытаний, предназначенные как для общегосударственных нужд, например HOSDB2007 (Департамента научных разработок МВД Великобритании); NIJ 0101.06 (Национального института юстиции США), так и для военного ведомства, например MIL-STD-662F в США и UK/SC/5449 в Великобритании [4]. В США подготовлен доработанный стандарт Института юстиции (NIJ 0101.07), который помимо прочего учитывает и особенности оценки БЖ для женщин [5].

В России к этому вопросу также нет единых подходов. Существующий ГОСТ 34286–2017, принятый вместо ГОСТ Р 50744-95 с 1.03.2019 г., устанавливает только общие требования к БЖ, а ГОСТа на методы оценки вообще не существует. В разных сертификационных центрах России отсутствуют единые методологические подходы как к проведению самих исследований, так и к оценке допустимости заброневого ударного воздействия (ЗУВ) в частности.

Дефицит научно обоснованных и экспериментально подтвержденных данных в области исследования ЗУВ поражающих элементов при непробитии БЖ, его моделирования и выработки однозначных критериев оценки допустимости ЗВ, несомненно, сказывается на перспективах дальнейшего развития средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) и формировании их оптимальных защитных характеристик. Современная структура боевой хирургической патологии, характеризующаяся высокой частотой ранений, определяет актуальность совершенствования СИБ [6]. Это, несомненно, требует дальнейшего проведения работ по созданию соответствующих научно-исследовательских подходов и методик.

Цель исследования — провести анализ имеющейся отечественной и зарубежной методологической базы, касающейся оценки допустимости ЗУВ при непробитии БЖ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При разработке СИБ необходимо добиваться оптимального соотношения защитных и эргономических характеристик, т. е. найти некий баланс между степенью защиты и мобильностью военнослужащего. С точки зрения разработки новых конструкций бронеодежды основной медико-технической проблемой является определение допустимости уровня ЗУВ в аспекте степени тяжести ЗКТ. Слишком жесткие требования по этому параметру усложняют конструкцию БЖ, делая их более громоздкими, что в конечном итоге ухудшает эксплуатационные характеристики изделия.

В настоящее время ЗКТ травма груди и живота при непробитии БЖ рассматривается как разновидность огнестрельной травмы через БЖ с применением методологии объективной тяжести оценки механической травмы мирного времени, учитывающей полученные морфологические повреждения, а также тяжесть состояния пострадавшего [7].

По определению ГОСТ Р 50744-95, ЗКТ — это «повреждение кожного покрова и (или) внутренних органов человека от динамических нагрузок, возникающих при взаимодействии средств поражения с защитной структурой бронеодежды при получении кондиционных поражений» при соблюдении условия «отсутствия проникания пули и продуктов взаимодействия пули с защитным элементом за тыльную сторону защитной структуры бронеодежды».

Согласно указанному ГОСТу¹, допустимыми признавались «ссадины, кровоподтеки и ограниченные подкожные гематомы. Единичные очаговые субплевральные кровоизлияния. Ушибленные раны. Очаговые внутримышечные кровоизлияния. Единичные кровоизлияния в брыжейку кишечника», приводящие к ограниченной боеспособности до 10 сут с полным ее восстановлением к 15–20 сут.

В новом межгосударственном стандарте ГОСТ 34286-2017², введенном в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии с 1 марта 2019 г. с отменой ГОСТ Р 50744-95, ЗУВ трактуется уже как «динамическое воздействие поражающего элемента при непробитии защитной структуры, определяемое показателем, нормируемым нормативным документом на конкретную продукцию или группу однородной продукции». В примечании содержится уточнение, что под данным показателем подразумевается параметр, через который задают критерий оценки изделия, значение которого получают в результате измерений, расчета и прогноза, а его «допустимое значение не должно превышать значения, принятого в качестве предельно допустимого в установленном порядке». При этом ЗУВ поражающего элемента при непробитии защитной структуры оценивается только по окончании разработки образца бронеодежды соответствующей аккредитованной организацией [8].

Однако на сегодняшний день можно смело констатировать, что ни одна отечественная организация не готова предложить простую объективную методику оценки ЗУВ или финансировать ее разработку для целей сертификации БЖ. Отсутствие единой методики испытаний в разных аккредитованных испытательных организациях может привести к получению и различных оценочных результатов. В условиях возникшей неопределенности назвать сам параметр и его предельно допустимое значение при разработке и согласовании ГОСТ 34286 не представилось возможным. Что касается однократной оценки ЗУВ по окончании разработки образца, то с этим ни в коей мере нельзя согласиться — это повлечет за собой отсутствие всякого контроля за производством БЖ, что неминуемо скажется на их качестве [8].

По нашему мнению, при проведении сертификации бронеодежды ЗУВ при непробитии защитной структуры должно обязательно проверяться с использованием четких оценочных критериев. Его следует оценивать на моделях, стендах, с применением, например, таких физических параметров воздействия, как глубина, объем деформации заброневого материала, сила, мощность, отношение импульса давления ко времени и т. п. При этом проведение экспериментов на животных должно быть сведено к минимуму, а в перспективе — полностью исключено.

Перейдем к анализу существующей методической базы, имеющейся в нашей стране и за рубежом для испытаний БЖ, позволяющей получать некие четкие критериальные параметры.

Существующие методы определения допустимости показателя ЗУВ поражающего элемента при непробитии защитной структуры БЖ принципиально можно разделить на медицинские (определения тяжести закрытой локальной контузионной травмы с использованием животных и человеческих трупов); биолого-технические (определение глубины отпечатка в пластичном баллистическом имитаторе — глине, мыле; глубины и площади временной полости в эластичном имитаторе — желатине, геле) и технические (регистрация избыточного давления и его импульса внутри полости имитатора торса).

Первая группа методик, предполагающая определение допустимости уровня ЗУВ на основании оценки повреждений тканей и органов экспериментальных животных или человеческих трупов, в настоящее время должна использоваться лишь для корреляции показателей, получаемых при использовании технических методик, а также (в исключительных случаях) для решения экспертных вопросов. Немаловажным препятствием для использования в испытаниях данных объектов являются проблемы законодательного и нравственного характера, а также недостаточная точность оценки, осуществляемой преимущественно описательным методом с использованием экспертных решений.

При проведении же рутинных испытаний должны применяться методы, предполагающие моделирование условий взаимодействия в системе «поражающий элемент–БЖ–объект защиты», и в этих случаях прибегают к имитации объекта защиты. В отечественных и зарубежных исследованиях предусматривается возможность использования двух принципиально отличающихся по своим физико-механическим свойствам групп материалов-биоимитаторов:

• пластичных (глина, пластилин, глицериновое мыло, петролатум) — сохраняющих остаточную деформацию после ударного воздействия;
• упруго-эластичных (желатин, баллистический гель) — способных восстанавливать свою форму в аналогичных условиях.

При использовании пластичных материалов оценку кондиционности БЖ производят по глубине и объему остаточной деформации заброневого материала. При использовании упруго-эластичных материалов определяются глубина и площадь временной полости в фазе ее максимального развития (по рентгенограммам или кадрам высокоскоростной видеофиксации).

В качестве основного материала-имитатора, применяемого у нас в стране при испытании армейских БЖ, используются желатиновые блоки из 20 % водного коллоидного раствора пищевого желатина. При этом по глубине и площади теневого изображения образующейся на рентгенограмме временной полости производится расчет прогнозируемой степени тяжести травмы (ПСТТ) по регрессионным зависимостям. Глубина упругой деформации желатинового блока для выполнения условия ПСТТ ≤ 2,0 не должна превышать примерно 30 мм.

Метод с использованием желатиновых блоков имеет то преимущество, что, во-первых, в какой-то степени учитывается форма упругой деформации блока при осуществлении прогноза (не только ее глубина), а во-вторых, имеется возможность прогнозирования степени тяжести заброневых повреждений, получаемых пользователем БЖ. Кроме того, результаты экспериментов на желатиновых блоках согласуются с данными, полученными в опытах на животных и трупах людей.

Однако некоторые авторы отмечают ряд недостатков использования данного имитатора, утверждая, например, что пищевой желатин вообще непригоден для баллистических испытаний из-за различий упруго-эластических свойств блоков, изготовленных из разных сортов этого продукта, а также выраженной зависимости значений определяемых параметров от температурных условий исследований [9–11].

Стандартом испытаний БЖ для полиции США (NIJ Standard — 0101.06) определяется критерий тыльной деформации заброневого материала на уровне 44 мм. При этом в качестве имитатора объекта защиты используется глина Roma Plactilina № 1, располагающаяся в плотном контакте с бронепанелью. Использование глины для оценки ЗКТ не рассматривается как модель физических характеристик человеческого тела. Полагают, что этот материал дает возможность проводить только сравнительные исследования.

Методика испытаний БЖ, разработанная Полицейской академией Германии, предполагает, что глубина деформации подложки в среднем не должна превышать максимально допустимого уровня, что составляет 36–44 мм для БЖ скрытого ношения и 18–22 мм — для тактических (боевых) БЖ.

Стандарт на БЖ для полиции Великобритании также имеет дифференцированный критерий оценки в зависимости от класса БЖ. Для тканевых БЖ это значение установлено равным 44 мм, а для БЖ с бронепанелями — 25 мм. К сожалению, научное обоснование как самих критериальных значений глубины отпечатка, так и их различий в зависимости от класса защиты БЖ в доступной литературе отсутствует.

В большинстве стандартов в качестве предельно допустимой глубины отпечатка принято 2-кратное значение глубины деформации имитатора, определяемой при калибровке. Имеющиеся различия в определенной степени связаны с диаметром сферической поверхности сбрасываемого груза, а также с высотой его сброса.

Очевидно, что при одинаковой массе груза и высоте сброса глубина деформации имитатора зависит от диаметра сферической торцевой поверхности. Это подтверждают данные по глубине отпечатка при калибровке по стандартам NIJ 0101.03 и NIJ 0101.04. В первом случае, при диаметре сферической части 44,5 мм, глубина деформации при калибровке составляет 25 ± 3 мм, а во втором (Ø = 63 мм) — 19 ± 2 мм. То есть при той же массе и высоте сброса груза глубина тем больше, чем меньше диаметр сферы.

Следует отметить, что существующие стандарты по оценке ЗВ при непробитии БЖ с использованием пластилина также подвергаются всесторонней критике. Это относится как к допустимости той или иной глубины вмятины [10, 12], так и к недостаткам самого материала, учитывая его выраженную температурную зависимость — при сбросе шара массой 1,03 кг с высоты 2 м глубина отпечатка при температуре 29 °C составляла 13 мм, а при температуре 35 °C — около 16 мм [13].

Ряд авторов вообще утверждают, что использование скульптурной глины (метод стандарта NIJ) в качестве подложки под бронезащиту отражает лишь характер ее тыльной деформации в результате баллистического воздействия, но не имеет ничего общего с ЗКТ [14].

На наш взгляд, основным недостатком глины и пластилина является то, что они обладают более высокой плотностью (плотность пластилина составляет 1,4–1,6 г/см³, в то время как плотность мягких тканей человека находится в пределах от 1,02 до 1,04 г/см³) и не обладают такими упруго-эластическими свойствами, как мягкие ткани человека. К существенным недостаткам использования глины и пластилина можно отнести отсутствие достоверной корреляции между величиной остаточной деформации имитатора и тяжестью ЗКТ, а также отсутствие возможности учета временных параметров передачи энергии подлежащим тканям, что накладывает определенные ограничения на их применение.

К следующей группе можно отнести достаточно перспективные методы, предполагающие применение стендов-имитаторов торса, в основе которых лежит регистрация процесса деформации или ускорения локального участка имитатора в функции времени.

W. Tam et al. (2000) предложили модель грудной клетки с системой измерений, основанной на прерывании участком деформации тыльной поверхности модели параллельных лучей света, формируемых лазерным источником, расположенным над испытательным устройством, что воспринимается чувствительной матрицей [15].

C. Robbe в своих исследованиях использует механическую модель грудной клетки человека 3RBID (Humanetics), в которой возможность получения заброневых повреждений оценивается путем анализа параметров процесса перемещения тыльной поверхности имитатора ребра во времени (глубины и скорости), получаемых с помощью установленной внутрь имитатора лазерной измерительной системы [16].

Департаментом защиты Австралии для исследования БЖ разработан манекен «AUSMAN». Он состоит из металлической скелетной системы, имеющей подвижные реберно-позвоночные соединения, и содержит модели легких и сердца. Снаружи манекен покрыт имитатором кожи, изготовленным из полимерного материала RTV. По данным C. Bass et al. (2004), параметры деформации грудной клетки манекена AUSMAN (ускорение, скорость) сопоставимы с аналогичными характеристиками, полученными на трупах людей [17].

В Университете Джона Хопкинса (США) была разработана антропоморфная модель торса человека HSTM, с высокой точностью моделирующая не только мягкие ткани и костный остов грудной клетки, но и ее внутренние органы. Для получения информации о давлениях и ускорениях с использованием данной модели в разработанные имитаторы органов были встроены пьезоэлектрические датчики давления, а к задней поверхности грудины прикреплены акселерометры [18].

Из существующих в настоящее время отечественных разработок наиболее известной методикой является использование в качестве модели биомеханического имитатора туловища устройства БИТ-1. Он обеспечивает плотное прилегание профилированных бронепанелей и высокий коэффициент корреляции со значениями ПСТТ, являясь при этом многоразовым и ремонтопригодным устройством. К недостаткам устройства можно отнести невозможность измерения параметров ударного нагружения при стрельбе в различные зоны бронепанели (без ее предварительного перемещения), а также невозможность фиксации БЖ к измерительному устройству целиком, что связано с неантропоморфностью его формы [19].

Перспективным отечественным антропоморфным стендом является баллистический имитатор торса для определения защитных свойств БЖ, разработанный инженерами ООО «Спецмедтехника» (Санкт-Петербург) совместно со специалистами Военно-медицинской академии имени С.М. Кирова. Это устройство, выполненное в соответствии с антропометрическими параметрами человека, содержит внутреннюю полость, разделенную эластичной перегородкой на грудную и брюшную секции, заполненные жидкостью. Дополнительно внутренняя полость грудной секции содержит пузырь — имитатор легкого (левого и правого), наполненный воздухом и гранулами из твердого материала с добавлением пенообразователя. Внутри каждой секции и на эластичной перегородке расположены измерительные блоки, содержащие трехосевой акселерометр и пьезоэлектрический датчик давления [20].

Достаточно перспективной методикой считаем измерение высоты, площади, объема и скорости нарастания запреградного выступа бронепанели во времени с помощью высокоскоростной видеофиксации. На основе этого можно вывести расчетный импульс формируемого запреградного выступа и рекомендовать его в качестве одного из таких показателей [21].

В целом, несмотря на предпринимаемые усилия по созданию таких достаточно сложных моделей, вопрос обоснования и выбора значимых измеряемых параметров для оценки заброневого удара остается нерешенным. Для практических целей предложенные модели до настоящего времени не были реализованы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время как в России, так и за рубежом отсутствуют единые критерии оценки качества БЖ, что диктует необходимость продолжения целенаправленных исследований по рассматриваемому вопросу с целью получения научного обоснования принципов моделирования ЗУВ при непробитии БЖ с последующей переработкой типовых методик государственных испытаний БЖ. В частности, методология проведения испытаний должна быть современной, в достаточной степени простой и понятной, воспроизводимой с требуемой точностью в различных организациях Минобороны России и промышленности, отражая возможную тяжесть повреждения у пользователя БЖ в идентичных условиях воздействия. В основу испытаний должен быть заложен метод, позволяющий получать параметры, выраженные в цифровом значении, и скоррелированный с результатами экспериментов на биообъектах. В качестве критерия оценки допустимости уровня ЗУВ при испытании перспективных СИБ должен быть взят «числовой» параметр, понятный всем специалистам, участвующим в испытаниях.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источник финансирования. Финансирование данной работы не проводилось.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Этическая экспертиза. Проведение исследования одобрено локальным этическим комитетом ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» (протокол № 838 от 15.09.2021 г.).

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

 

¹ ГОСТ Р 50744-95. Бронеодежда. Классификация и общие технические требования. Прин. Постановлением Госстандарта России от 09.09.98 № 345. Введ. с изм. № 1–4 . М., 1995. 6 с.

² ГОСТ 34286-2017. Бронеодежда. Классификация и общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2018. 11 с.

About the authors

Alexey V. Denisov

S.M. Kirov Military Medical Academy

Email: denav80@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8846-973X
SPIN-code: 6969-0759
Scopus Author ID: 57198017987
ResearcherId: I-6536-2016

M.D., Ph.D. (Medicine)

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Petersburg, 194044

Stanislav M. Logatkin

State Scientific Research Test Institute of the Military Medicine

Email: logatkin.stanislav@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9954-2787
SPIN-code: 8995-2549

M.D., D.Sc. (Medicine)

Russian Federation, Saint Petersburg

Konstantin N. Demchenko

S.M. Kirov Military Medical Academy

Author for correspondence.
Email: phantom964@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5437-1163
SPIN-code: 7549-2959
ResearcherId: ABA-2384-2021

M.D., Ph.D. (Medicine)

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Petersburg, 194044

Artem M. Nosov

S.M. Kirov Military Medical Academy

Email: artem_svu06@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9977-6543
SPIN-code: 7386-3225
ResearcherId: AAY-8133-2021

M.D., Ph.D. (Medicine)

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Petersburg, 194044

Andrey B. Yudin

State Scientific Research Test Institute of the Military Medicine

Email: yudin_a73@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5041-7267
SPIN-code: 7060-1221

M.D., Ph.D. (Medicine)

Russian Federation, Saint Petersburg

Alexey V. Anisin

S.M. Kirov Military Medical Academy

Email: av.anisin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1526-1778
SPIN-code: 1213-3797

M.D., Ph.D. (Medicine)

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Petersburg, 194044

References

Supplementary files