13.2.1.1 Ochrona tułowia
Obecnie odporność balistyczna pancerza jest oceniana na różnego rodzaju manekinach. Kiedy pocisk z broni ręcznej uderza w pancerz, zostaje złapany w „sieć” bardzo mocnych włókien. Włókna te pochłaniają i rozpraszają energię uderzenia, która jest przekazywana do kamizelki przez pocisk, powodując jego deformację, czyli „grzybkowanie”. Dodatkowa energia jest pochłaniana przez każdą kolejną warstwę materiału w kamizelce, aż do momentu, gdy pocisk zostanie zatrzymany. Ponieważ włókna współpracują ze sobą zarówno w pojedynczej warstwie, jak i z innymi warstwami materiału w kamizelce, duża powierzchnia odzieży zostaje zaangażowana w zapobieganie przeniknięciu pocisku. Pomaga to również w rozproszeniu sił, które mogą spowodować niepenetrujące obrażenia narządów wewnętrznych.
Do niedawna, główny rozwój w zakresie środków ochrony osobistej dla tułowia żołnierza koncentrował się na ochronie przed zagrożeniami balistycznymi i fragmentacyjnymi. Jednakże, ostatni rozwój i rozprzestrzenianie się broni strumieniowej, której podstawowym mechanizmem urazu jest nadciśnienie podmuchu, zostały uznane za znaczące zagrożenie dla żołnierzy. Narządy wrażliwe na skutki nadciśnienia podmuchu to przede wszystkim te, które zawierają powietrze, takie jak płuca, układ słuchowy i przewód pokarmowy. MABIL (Defense Research and Development Canada – DRDC) został opracowany, aby wspomóc rozwój skutecznych systemów ochrony osobistej przed obciążeniem podmuchem. Surogat MABIL jest reprezentacją ludzkiego tułowia i jest wykorzystywany do pomiaru pierwotnych obrażeń od wybuchu. Nowy system ochrony miednicy chroni obszar miednicy żołnierza poprzez zmniejszenie penetracji podmuchu przez brud i drobne odłamki oraz przed odłamkami amunicji i większymi odłamkami.
Manekin testowy obejmuje również badania medyczne, które zapewniają bardziej wiarygodne pomiary w celu przewidzenia obrażeń szkieletu użytkownika podczas zdarzeń związanych z podmuchem podwozia. W sytuacji wybuchu, zwłaszcza eksplozji pod pojazdem, siła wytwarza falę ciśnienia, a żołnierze znajdujący się na drodze tej energii są narażeni na urazy głowy, pleców, lędźwi i miednicy. Armia amerykańska ujawniła swojego pierwszego manekina do testów wybuchowych. Manekin pomoże zaprojektować nowe pojazdy, które będą wystarczająco wytrzymałe, aby przetrwać wysadzenie w powietrze. Manekin zawiera dziesiątki czujników hi-tech i będzie używany do tworzenia czołgów i innych pojazdów, które mogą przetrwać bomby.
Podmuch daje falę nadciśnienia, które podróżują w powietrzu z prędkością ponaddźwiękową i zwykle tworzone przez detonację materiału wybuchowego. Fale podmuchowe charakteryzują się szczytowym nadciśnieniem i dodatnim czasem trwania fazy, co powoduje obrażenia narządów zawierających powietrze, takich jak płuca, układ słuchowy i układ pokarmowy. Obecnie istnieją różne techniki oceny jakościowej i ilościowej skuteczności nowego sprzętu ochronnego przed bronią strumieniową. Do oceny obrażeń tułowia i głowy spowodowanych wybuchem stosuje się MABIL (Bouamoul, Williams, & Levesque, 2007), który jest odwzorowaniem ludzkiego tułowia i został opracowany przez DRDC Valcartier (Anctil et al., 2004). Pełny opis surogatu MABIL jest podany przez Anctil et al. (2004), a Rys. 13.1 przedstawia kompletny prototyp manekina DRDC MABIL, który jest podparty na szyi i na biodrach.
Rys. 13.1. Surogat DRDC MABIL (Bouamoul et al., 2007).
Źródło: Anctil, B., Keown, M., Williams, K., Manseau, J., Dionne, J. P., Jetté, F. X., Makris, A. (2004). Development of a mannequin for assessment of blast incapacitation and lethality. In Personal Armour Systems Symposium, The Netherlands (pp. 332-344). Copyright Her Majesty the Queen in Right of Canada, as represented by the Minister of National Defence 2005.
Ten surogat torsu MABIL jest wykonany z wiskoelastycznego poliuretanu Shore A 70 (PU70) (Cooper, 1996). W pracy opracowano i zwalidowano uproszczony model MABIL z wykorzystaniem elementów skończonych (MES) do badania i przewidywania odpowiedzi na nadciśnienie wybuchowe. Model numeryczny składał się z uproszczonego trójwymiarowego wycinka manekina MABIL, pobranego na poziomie połowy mostka i poddanego różnym podmuchom. Ogólnie rzecz biorąc, numeryczne przyspieszenia i prędkości ściany klatki piersiowej były wyższe niż eksperymentalne. Jednakże, stosunek pomiędzy numeryczną i eksperymentalną prędkością ściany klatki piersiowej był taki sam w całym zakresie badanych obciążeń podmuchowych. W badaniu zwalidowano również odpowiedź mechaniczną modelu MABIL FE przy użyciu wyników eksperymentalnych z membrany DRDC MABIL. Chociaż wyniki numeryczne różniły się od doświadczalnych, stosunek pomiędzy wynikami doświadczalnymi i numerycznymi dla różnych scenariuszy wybuchu był stały, co sugeruje, że zastosowany model konstytutywny niedoszacował sztywności poliuretanu użytego do budowy surogatu. Odpowiedź DRDC MABIL FE pod wpływem wybuchu została również porównana z modelem FE tułowia człowieka i we wszystkich przypadkach odpowiedź modelu FE MABIL była wyższa niż model FE tułowia człowieka.
Zagrożenie zamachowcami-samobójcami wzrasta w Stanach Zjednoczonych i dlatego należy określić bezpieczną odległość podejścia pomiędzy zamachowcem-samobójcą a osobami udzielającymi pierwszej pomocy. W badaniu przeprowadzonym przez Dempsey’a (2010) pomiary śmiertelności lub obrażeń, takie jak nadciśnienie podmuchu, penetracja fragmentów, przyspieszenie całego ciała, tępy uraz spowodowany obciążeniem ciśnieniowym oraz tarcza wbita w pracowników organów ścigania, zostały wykonane w różnych odległościach od ładunków wybuchowych. Wszystkie te pomiary zostały wykonane przez samowystarczalne manekiny o nazwie Ironman.
Dane z Ironmana zostały następnie przeanalizowane w celu określenia prawdopodobieństwa śmierci/zagłady dla pracowników organów ścigania w różnych odległościach od ładunków wybuchowych o różnych rozmiarach. Analizy te zostały skondensowane do zbadania wstępnych kryteriów bezpiecznej odległości. W celu określenia minimalnej bezpiecznej odległości pomiędzy stróżami prawa a zamachowcami-samobójcami, przeprowadzono pomiary różnych śmiertelnych obrażeń u symulowanych stróżów prawa podczas detonacji ładunku wybuchowego (z odłamkami i bez) założonego przez zamachowca. Manekiny Ironman zostały umieszczone w miejscach, w których funkcjonariusze byliby najbardziej narażeni na eksplozję improwizowanych urządzeń wybuchowych przenoszonych przez człowieka (PBIED). W ramach tego wstępnego badania przeprowadzono dwanaście testów i jeden test kalibracyjny. Jeden Ironman doświadczył środowiska wybuchu trzymając w ręku tarczę balistyczną Minuteman III-A, podczas gdy drugi Ironman doświadczył tego samego bez tarczy. Osłona jest składaną osłoną balistyczną, wyprodukowaną przez Patriot 3, przeznaczoną wyłącznie do ochrony broni ręcznej. Ironman dostarczył danych na temat śmiertelności/obrażeń w celu określenia bezpiecznej odległości z osłoną i bez niej. Podczas testów oba systemy Ironman były umieszczone w tej samej odległości od ładunku wybuchowego i zawsze w odległości 12 cali od siebie (ramię w ramię). Wyniki wstępnej serii testów sugerują, że przy testowanej zmiennej nie udało się ustalić „bezpiecznej” odległości. W odległości 60 stóp, wszystkie zmierzone obrażenia były niskie z wyjątkiem penetracji odłamków. W ograniczonych testach testowany sprzęt balistyczny typu III zdawał się zatrzymywać większość odłamków PBIED na tej odległości. Należy jednak zaznaczyć, że prędkości odłamków są nadal wysokie przy odległości 60 stóp i prawdopodobieństwo odniesienia dużych obrażeń w przypadku uderzenia w niechroniony obszar jest wysokie.
W wytycznych dla kombinezonu EOD 9 kombinezon został oceniony pod kątem odporności na urządzenia wybuchowe przy pomocy manekinów do testów zderzeniowych modelu samochodowego HYBRID II (EOD 9 Bomb suit, 2010). Przed testem manekiny umieszczono na specjalnie zaprojektowanym urządzeniu pozycjonującym i podtrzymywano w pozycji za pomocą zakotwiczonej stalowej rury o małej średnicy wsuniętej pod każdą pachę. Manekiny te mogą w sposób realistyczny upaść do tyłu, gdy uderzy w nie siła eksplozji, tak jak w przypadku naturalnej reakcji. Manekiny zostały wyposażone w przetwornik ciśnienia do pomiaru nadciśnienia podmuchu eksplozji przenoszonego pod kombinezon EOD 9 umieszczony przy mostku. Zastosowano dwa warunki wybuchu. W pierwszym z nich manekin klęczał przed kulistym ładunkiem C4 o masie 0,567 kg umieszczonym na wysokości 0,70 m w odległości 0,60 m, natomiast w drugim ładunek C4 o masie 10 kg zapakowany w kwadratowy cylinder umieszczony na wysokości 1 m w odległości 3 m w poziomie. Wyniki badań pokazują, że kombinezon EOD 9 daje 96% redukcji szczytowego nadciśnienia w klatce piersiowej w przypadku małego ładunku w bliskiej odległości, podczas gdy średnia redukcja nadciśnienia w klatce piersiowej wynosiła co najmniej 87% w przypadku większego ładunku w odległości 3 m.
Humphrey, See i Faulkner (2008) opracowali metodologię oceny śmiertelności i obrażeń pobocznych dla programu „focused-lethality munition” (FLM), który jest nową, niefragmentującą, precyzyjnie naprowadzaną bronią z mechanizmami skutków zniszczeń, które różnią się od głównych skutków zniszczeń fragmentacyjnych w przypadku broni tradycyjnej. Przeanalizowano dokumentację medyczną i wojskową w celu określenia kryteriów śmiertelności dla czterech mechanizmów skutków uszkodzeń FLM i ustalenia wytycznych dotyczących efektów łączonych. Kryteria te zostały z powodzeniem zastosowane do oceny przydatności FLM dla wojska i przeprowadzono wstępną walidację procedur. Program FLM został przeprowadzony w celu oceny wojskowej użyteczności broni precyzyjnie naprowadzanej o skupionej śmiertelności. Broń FLM została zaprojektowana specjalnie do ścigania celów o dużej wartości, przy jednoczesnym zminimalizowaniu szkód ubocznych poza obszarem zainteresowania. Broń FLM łączy dwie technologie, aby zaoferować bardziej zlokalizowany mechanizm zabijania w porównaniu z obecną stalową głowicą bojową, której efekt fragmentacji sięga 2000 stóp lub więcej. Po pierwsze, wielofazowa technologia wybuchowa wykorzystuje wypełnienie wolframowe w celu zwiększenia masy materiału wybuchowego i zwiększenia eksplozji w pobliżu pola, w porównaniu z konwencjonalnymi wypełniaczami wysokowybuchowymi. Po drugie, obudowa otaczająca wypełnienie wolframowe składa się z włókna węglowego, które wymaga mniej energii do rozerwania niż porównywalna obudowa stalowa. Po detonacji kompozyt pęka na małe, niemetalowe włókna, minimalizując w ten sposób efekty fragmentacji głowicy bojowej.
Kamizelki balistyczne składają się z materiałów takich jak Kevlar lub ceramika są ciężkie i sztywne, które utrudniają wydajność pracy żołnierza. Aby poprawić komfort noszenia i wydajność pracy kamizelek balistycznych należy rozszerzyć rozkład ciśnienia i odciążyć obszary ciała o dużym obciążeniu ciśnieniowym. Wettenschwiler, Annaheim, Stampfli, i Rossi (2012) wykorzystali model anatomiczny (manekin) wyposażony w czujniki ciśnienia do zbadania obciążenia kamizelek balistycznych przy dużych naprężeniach części ciała. Ponieważ manekin jest w stanie wykonywać ruchy pionowe i częstotliwości odpowiadające prędkościom marszu do 6 km/h, model umożliwia pomiary statyczne (stanie) i dynamiczne (marsz). Zmierzono obciążenie na barkach, biodrach i klatce piersiowej podczas eksperymentów statycznych i dynamicznych (marsz z prędkością 4,5 km/h na bieżni) i stwierdzono, że obciążenie kamizelek balistycznych było nieznacznie zwiększone podczas testów dynamicznych w porównaniu do testów statycznych. Różnice pomiędzy poszczególnymi częściami ciała nie zostały zaobserwowane.