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水下爆炸试验舰员及舰体监测分析

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[摘要]目的监测舰艇在遭受水下非接触爆炸冲击试验过程中所受冲击作用大小及舰员的生理参数变化,为实船水下爆炸冲击试验的安全防护提供依据。方法在水面舰艇遭受水下1000kgTNT当量的沉底水雷相距100m的非接触爆炸冲击作用时,利用动态多参数生理记录检测仪(简称生参仪)对处在舰艇不同位置的9名舰员和1名模拟假人进行生理指标(心电图、心率、呼吸率、体表温度)及两轴向加速度值(Gz、Gy)监测记录;假人只监测Gz、Gy值。同时在舰艇内多个部位安放生参仪检测盒,监测记录舰体所受冲击力的大小。结果人体表心脏水平所受冲击力Gz值为(0.23~2.17)G,Gy值为(-0.39~0.66)G,在人体可承受的范围内。假人体胸部所受冲击力Gz值为(0.13~1.92)G,Gy值为(-0.42~0.85)G,高于同一位置的真人体。舰体所受Gz值为(3.41~>9)G~(-2.90~-5.45)G;Gy值为(0.91~2.98)G~(-0.49~-1.82)G,明显高于人体所受的冲击强度。爆炸前、后舰员的心率及呼吸率明显增快,爆炸前最快心率(107~171)次/min,最快呼吸率(22~29)次/min;爆炸后最快心率(113~155)次/min,最快呼吸率(24~33)次/min,爆炸后30min内平均心率和平均呼吸率均高于爆炸前,平均心率前后对比有学意义(t=2.929,P=0.019)。体表温度爆炸前后无明显变化。爆炸过程中没有发生人体损伤。结论水下爆炸冲击试验对人体自主神经功能有较大影响,本试验中舰员所受冲击作用强度及生理参数变化在安全范围内。

[关键词]非接触水下爆炸;舰艇冲击运动;加速度;心电描记术;心率;评估;人员防护

水面舰艇遭受水下非接触爆炸作用时,整个舰体将发生剧烈的冲击运动,尤其以向上的冲击作用最为猛烈。这种由水下非接触爆炸引起的舰艇冲击运动不仅可以对船体、设备造成不同程度的破坏,而且经船体和甲板传导作用于舰艇上的人员,可导致船员骨骼、内脏和软组织等不同程度的损伤,严重影响舰艇战斗力[1]。因此,许多国家对此开展了大量的试验研究。但由于试验条件的限制,实船试验报道很少,在爆炸作用的同时对舰员及舰体进行实时监测的研究报道更少[1]。本研究利用人体动态多参数生理检测仪(简称生参仪),开展了舰艇在非接触性爆炸冲击过程中舰载真人、模拟假人及舰体的实时监测研究[1],了解舰员及舰体所受冲击作用的大小,评估舰员的防护状况,了解水下爆炸冲击对舰员的生理心理功能的影响,为舰员的抗冲击防护与生理功能鉴定提供科学依据。

1对象与方法

1.1对象选取某部舰艇士兵4人,指挥官1人,本课题组科研人员4人,统称舰员,编号1~9,均为男性,年龄21~55岁,身高160~180cm,体质量48~78kg。试验前对9名舰员进行全面体检,均身体状况良好。此外对1名模拟假人及舰体的4个不同部位进行实时监测。

1.2试验设备及方法1.2.1试验设备采用空军特色医学中心(原空军航空医学研究所)研制的动态多参数生理记录检测仪(简称生参仪)进行生理参数及冲击加速度检测。检测仪呈一体式带状结构,由主带、副带、数据记录卡、时间设置卡及分析系统组成。佩带要求部位一致,胸带上缘距乳头下2cm(男性),检测盒位于胸部中央。检测指标包括:心电图、心率、呼吸率、体表温度、人体Gz、Gy值、舰体Gz、Gy值。加速度检测范围为+9G~-9G。加速度测试的采样频率为25Hz,滤波截止频率10kHz。假人臀部镶嵌传感器。1.2.2试验科目实施在预试验的基础上确定1000kgTNT当量的沉底水雷在距离正常航行舰艇100m处实施引爆。舰员均穿戴专用防护靴、防护背心和防护头盔,在舰艇上分别处于指挥室、驾驶室、主机舱控制室、后甲板等位置。1.2.3生理指标及所受冲击力检测除位于指挥室的1号舰员取坐姿外,其余8人均为立姿。模拟假人置于指挥室1号舰员旁,取坐姿。爆炸前10s倒计时报警后,要求立姿者统一采取屈膝姿势。生参仪分别佩戴于舰员及假人的胸壁心脏水平。另将4个生参仪记录盒分别固定在指挥室、机舱控制室、后甲板及机舱主机旁地板上。爆炸前30min开机开始记录,爆炸后30min停机摘下生参仪。1.2.4问卷调查爆炸试验结束后被试人员统一填写调查问卷,内容包括试验过程中所处位置;佩带检测仪的主观感觉(明显不适感、稍有不适感、无不适感、其他);爆炸临近时感觉呼吸及心率的变化(明显增快、稍有增快、基本不变、其他);爆炸后心率、呼吸恢复时间(很快、一般、较慢、其他);佩带生参仪对操作的影响等。试验后对9名舰员再次进行身体检查。1.3学处理对爆炸点前后30min的生理信号及冲击作用曲线进行回放分析,分别记录9名舰员在爆炸前后30min内的心率、呼吸率及体表温度变化(包括最大值、最小值、平均值),以及9名舰员、1名假人及4处不同舰体部位所受冲击作用的大小(Gz、Gy)。应用SPSS13.0软件对数据进行分析,计量资料进行自身配对t检验,以P<0.05为差异有学意义。

2结果

2.1爆炸前后舰员的生理指标变化在结果显示,爆炸前30min部分试验人员心率明显增快,最快瞬时心率增至107~171次/min,相当于最大心率的55%~96%[最大心率按(220-年龄)计算],最快心率(125.67±14.26)次/min,最高心率值出现于试验指挥人员。爆炸后30min最快瞬时心率113~155次/min,相当于最大心率的60%~88%,最快心率(129.44±14.26)次/min,与爆炸前比较差异无学意义(t=0.838,P=0.426),最高心率值出现于科研负责人员。爆炸后30min平均心率较爆炸前30min明显增快。9名舰员爆炸前30min有3人出现8次室性期前收缩,爆炸后30min有4人出现5次室性期前收缩。爆炸前后30min呼吸率均有增快,爆炸前30min最快呼吸率22~28次/min,爆炸后30min,最快呼吸率24~33次/min。爆炸后的最快呼吸率(28.00±2.74)次/min,高于爆炸前的(25.89±2.57)次/min。但爆炸前后最慢、最快及平均呼吸率自身对比差异均无学意义。爆炸前后体表温度变化差异无学意义(表1)。

2.2冲击作用及强度人体表心脏水平所受冲击作用Gz值为(0.23~0.63)G~(1.29~2.17)G,Gy值为(-0.18~-0.39)G~(0.00~0.66)G。坐姿假人臀部镶嵌传感器测得最大Gz值为4.47G,Gy最大值为0.01G;胸部佩带生参仪记录Gz值为(0.13~1.92)G,Gy值为(-0.42~0.85)G。坐姿假人胸部最大Gz值高于邻近位置的坐姿真人。舰体所受Gz、Gy值均明显高于人体所受的冲击强度(表2)。

2.3试验后问卷调查佩带检测仪的主观感觉:无不适感7人,稍有不适感2人。爆炸临近时:心率明显增快5人,稍有增快2人,基本不变2人;呼吸明显增快3人、稍有增快3人、基本不变4人。爆炸后:心率恢复很快3人、一般2人、较慢4人;呼吸恢复很快4人、一般2人、较慢2人。爆炸后9名舰员均无受伤,除自感心率、呼吸增快以外无其他不适;舰体及检测仪器设备均无受损。

3讨论

水下爆炸冲击试验是军事人-机-环境工程领域中的重大科研活动,目的是验证舰船设计是否符合作战要求,以及是否满足舰员作业及防护的要求。水下冲击波经舰船底部向上传导引起舰船甲板瞬时响应,不仅可以直接造成舰船的损伤和破坏,也可能造成舰员的机体损伤、功能下降、心理障碍,甚至危及舰员生命,从而影响战斗力的发挥[2-3]。为此,许多国家开展了相关研究。但由于实船爆炸试验的危险性及复杂性,以往对冲击损伤的研究往往通过非直接方法(尸体测试、动物测试、计算机模拟、碰撞假人试验等)来进行[4-7],并且多为对组织器官损伤的研究,对人体志愿者在实船试验过程中生理及心理指标变化的研究鲜见报道。此外,由于水下爆炸的巨大冲击及其危险性预期引起的焦虑情绪,也可以可能对舰员的生理、心理功能产生重大影响[8-9],监测舰员在不同航行阶段、不同作业科目以及不同应激环境下的生理、心理指标变化,评定其在不同情况下生理心理负荷的变化规律,特别是在舰船遭受水下非接触爆炸冲击这种特殊危险情况下,了解舰员所受爆炸冲击力的大小及生理心理指标变化规律,对保护舰员的生命安全、保证有效战斗力、了解舰员防护状况,具有重大的理论和现实意义。然而,受传统的生理参数检测设备使用环境和设计参数的限制,以往不能方便地在爆炸试验现场和在不影响舰员作业情况下对人体进行实时监测,也缺少冲击性加速度的检测方法,致使该类研究受到不同程度的影响。本研究借鉴航空医学的研究经验[10-11],将适用于飞行状态的生理参数记录检测仪,用于航行中的舰船遭受水下非接触爆炸的冲击试验中,获得了9名舰员在实船试验中所受冲击作用的强度,心率、呼吸率、体表温度等生理指标变化,以及模拟假人及多处舰体所受冲击作用大小等指标。从试验结果可知,生参仪能够准确记录爆炸过程中舰员生理参数变化的全过程和受冲击作用的强度,并能准确确定爆炸时间点,为分析受爆炸冲击作用前后时间段内的人体生理参数变化提供了准确依据。分析爆炸前后舰员心率、呼吸率等生理指标变化发现,9名舰员于爆炸前及爆炸后的心率、呼吸率普遍增快,个别人出现室性期前收缩,表现出较高的交感神经兴奋水平,表明受试人员处于紧张应激状态[12]。爆炸后30min内平均心率甚至高于爆炸前,但是最高瞬时心率趋于平均化,不同舰员之间的差别缩小。爆炸前后的最高瞬时心率均出现于肩负重大责任的指挥人员中,特别是爆炸前,最高瞬时心率甚至达到人体最大心率的95%以上,表明责任的重大使试验人员表现出更高的交感神经兴奋水平和脑力负荷[13]。分析本次爆炸试验所产生的冲击作用可知,人体所受冲击作用的强度均在安全范围内[13],明显低于舰体所受的冲击作用强度。坐姿假人从臀部到胸部Gz值有明显减小,而胸部Gz值高于邻近位置的相同坐姿真人,表明冲击波通过假人体有一定程度的衰减,而防护设施和人体组织的弹性对冲击波的缓冲作用更为明显。与人体及假人体比较,刚性无防护的舰体冲击响应较大,达到了可造成人体损伤的强度,特别是置于舰艇主构架上的1号检测盒,所检测到的冲击加速度远远超出了检测盒的检测范围,提示,刚性构架对冲击力的缓冲作用小,人员在爆炸过程中应避免靠近刚性构架。由于舰船的生命力是一个极其复杂的问题,对于舰船本身来说要在敌方武器的破坏下保持有效的战斗能力,对于舰船人员来说必须保持足够的安全,保有有效操作舰船武器系统的能力。因此,本试验在以往试验研究基础上,确定在非损伤级暴露水平下进行,受试人员在测试过程中采取了一些防护性姿态[2,8]。本研究结果表明,舰员通过穿戴防护装备和掌握正确的防护姿势,可以有效防护本次试验当量级的冲击作用损伤。

【参考文献】

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作者:曹淑玉 郭云 黄士霖 吴静波 吕晓东 葛宏 景百胜 单位:空军特色医学中心

空军医学杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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