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还是你最好!——美军对5.56mm弹药性能的最终定论

到底M855/SS109枪弹行不行?为什么军方和民间的看法如此迥然不同?

关于5.56mm小口径枪弹在阿富汗以及伊拉克战场的表现,大大小小的军事媒体、相关机构都根据自己的信息渠道作出了相应的分析和判断。但遗憾的是,多数所谓的“结论”都并非建立在一个令人信服的权威评测基础上。美国陆军下辖的工程技术委员会专门就小口径步枪及弹药在遭遇战中的性能进行了长期细致的研究。而美国军方在分析报告出来之前,一直都低调地回避这一问题。现在,答案逐渐浮出水面。涉及该研究项目的有来自美国陆军、海军和国家安全局的相关技术机构,以及来自政府和商业领域的医学博士、创伤弹道学家、物理学家和工程师等,此外还有来自美国陆军、海军陆战队和美国特种作战司令部的代表。这些机构和人员组成了“三军创伤弹道学综合产品小组(JSWB IPT)”,对创伤效果和弹药特性进行了一些有意义的研究,最终得出如下结论:

第一,对于来自战场的相关报道,需要在确凿的证据下作出科学、理性的分析判断(等于说,之前一些机构的测试都缺乏足够的权威性);第二,在近距离杀伤性能方面,并没有现成的5. 56mm弹药胜过现役的5.56mm军用弹药;第三,要改变近距离射程上的轻武器性能,并不是一蹴而就的事情。

还是你最好!——美军对5.56mm弹药性能的最终定论

▲弹头在飞行过程中的偏航

创伤弹道学协会普遍认为:枪弹的杀伤效能与人体组织损伤的位置、面积和严重程度直接相关。换言之,如果命中关键部位,5.56mm步枪弹的杀伤能力也会大大强于并未命中关键 部位的12.7mm机枪弹。

杀伤效能的评估

近几年来,民间轻武器制造商对小口径弹药的发展起到了积极的推动作用。虽然军事机构也重视轻武器的性能评估,但花费在轻武器弹药上的人力、物力却远远不及在其他武器系统上的投入,如炮兵弹药、反坦克弹药等。也许在一些军方人士看来,轻武器性能评估要相对简单得多。然而事实证明,那些打打钢板、明胶的简单试验所提供的弹药性能,仅能粗糙地反映战场上的状况,当出现问题,需要科学系统地分析相关特性时,这些数据就显得力不从心了。这也迫使军方开始真正重视基础性科研。

什么是枪弹的杀伤效能?就战场上的士兵来理解,效能等效于死亡,即所谓的“一枪毙敌”,尽管“致死”并不总是必须要达到的军事目的。就研究人员来讲,他们关注的是枪弹的“停止作用”,这是一个很有趣的专业词汇,术语的解释是“物理性地击倒目标并使其立即丧失任何抵抗”。枪弹的效能通过计算每发弹的质量和弹着速度以及传递给目标多少能量来衡量,而不用考虑在目标内部有多少能量消耗和对目标有何特殊的损伤。由此,对于士兵关心的枪弹杀伤效能下个定义,可以理解为武器系统消灭具有军事威胁性目标的潜力。

用同样的枪弹射击一个高大健壮、状态良好的人和一个瘦弱、营养不良的人,其效果是截然不同的。人体是一个非常复杂的目标,脂肪、肌肉、骨骼、内脏器官、衣服等混合物的不同,形成了数量惊人的目标类型,而不同类型的目标往往要求不同的杀伤机理。也就是说,人员的体质状况、心理状态、身高、体重和体形都是影响人体抵抗能力的相关因素,都会增加枪弹杀伤效能的复杂性。

对于“停止作用”而言,最终可归纳为两点:第一,中枢神经系统的破坏导致人不能控制肢体的行动。人体中与“生死”关系最为密切的是大脑、脑干和上部脊髓,它们一旦被破坏,人体几乎也就丧失了反抗能力;第二,血液的流失导致肢体行动能力下降,甚至消亡。比如一个人的心脏被击中,他虽仍能活动一段时间,但如果得不到及时救治,最终会失血过多而死亡。创伤弹道学协会普遍认为:枪弹的杀伤效能与人体组织损伤的位置、面积和严重程度直接相关。换言之,如果命中关键部位,5.56mm步枪弹的杀伤能力也会大大强于并未命中关键部位的12.7 mm机枪弹。

相比低速手枪弹,军用突击步枪和机枪使用的小口径高速枪弹具有截然不同的杀伤机理。M855枪弹用于美军的M4和M16系列武器以及M249班用机枪上。这种弹头质量为4g的枪弹采用铜被甲,内部有钢心。M16步枪发射M855枪弹的初速大约为930m/s,弹头侵入目标组织后开始减速,根据弹头侵入目标的速度和角度,以及目标组织的密度,弹头会有不同程度的偏航。所谓偏航,是指弹头飞行过程中,其轴线与弹道之间形成的夹角。尽管由于膛线的作用,弹头绕其轴线旋转,但轴线仍会相对于弹道有轻微地摆动。偏航不是常量,步枪弹明显不同的偏航量表现在三个区域。接近枪口处,弹头偏航的循环变化很剧烈,即在很短的距离内发生较大的角度变化(在1~2m内会变化几度);飞行100m以后偏航量会衰减,弹头以几乎不变的偏航角度在有效射程内飞行;随着弹头速度的下降,偏航的角度越来越大,直到最后失稳。如果弹头的速度足够大,撞击到目标时可能会破碎,同时飞散开来的碎片会继续破坏其他目标组织。一些组织会被弹头自身或其碎片击碎、撕裂、膨胀,形成众所周知的“临时性空腔”。临时性空腔最终会反弹,脱离创伤轨迹上被撕裂的组织,形成“永久性空腔”。永久性空腔是对目标形成有效杀伤的关键。

这就是枪弹在设计过程中要考虑各种因素间平衡的原因。弹头必须具有足够的穿透能力以到达致命器官并对其造成损伤。但穿透能力还不能过大,因为这会造成弹头完全穿过目标而没有造成有效的伤害,即所谓的“贯穿伤”。这就是为什么“侵彻能量”是枪弹性能对比中一个相对次要的衡量指标,因为它没有把枪弹破坏目标时的能量损失与穿过目标后的能量损失区分开来分析。而且,为了造成大量的目标组织(特别是关键组织)损伤,就得要求弹头尽快地翻滚和破碎。但弹头也不能过早破碎,否则弹片都停留在表皮层还谈什么致命呢? 因此,理想的枪弹应该具有足够的能量穿透任何中间障碍到达致命器官,并且在这期间速度不会大幅度下降,弹头将携带的全部能量用于破坏致命器官而不是飞离人体。不幸的是,设计这样一种完美的军用枪弹几乎是不可能的。

最终,枪弹设计成了一系列的折衷方案,诸如“能够精确命中目标,尽可能穿透装甲、玻璃或其他障碍,可大量生产(每年10亿发)以及军方可以承受的费用”等要求,从而悖离了理想方案。

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▲弹头偏航状况

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▲低偏航角(上)和高偏航角(下)侵彻效果对比

终点弹道测试

衡量“终点弹道效果”的常用方法称之为静态测试。具有代表性的测试方法包括对人体组织仿真物进行射击,然后将其剖开,以便对弹头造成的破坏进行评估。人体组织仿真物可以是牛肋骨肌肉、黏土块或潮湿的电话簿等任何东西,但专业的仿真物是弹道凝胶。凝胶具有材料透明易观察、结构均匀、制造成本相对较低和试验操作过程简单等优点,不需要特殊的工具,对场地也没有特殊要求。但是由于人体的复杂性,静态测量并不能完全真实反映弹头在人体组织中的损伤情况。

在JSWB IPT正式测试之前,还有一段可笑的花絮。针对5.56mm枪弹暴露的问题,美国两家单位——海军水面作战中心(NSWC)和军械研究、发展和工程中心(ARDEC),抢先通过静态测试(即向凝胶进行射击后对不同类型弹进行比较),并迅速给出了他们各自的答案。然而令人惊愕的是,这两家“权威”机构得出了截然不同的结论。进一步的分析表明,这两家单位不同的测试方案使其测试结果根本不具备可比性。而接下来还有更让人震惊的:这些机构采用的测试方法并不符合弹道协会的标准化要求。为此,JSWB IPT不得不先对各参与单位的测试方案进行标准化规范,以便能够对测试结果进行有效的对比。标准化工作完成后,JSWB IPT选择了大多数目前比较有代表性的枪弹进行静态射击试验。然而,每次的测试结果仍然不一致。尽管使用了相同的凝胶成分、试验程序、弹药数量,甚至在某些情况下使用了相同的武器,但静态测试结果仍不相同,这一现象一时间让所有的专家都颜面扫地。

经过反复试验,JSWB IPT最终找到了测试结果不同的原因。位于马里兰州的阿伯丁试验场陆军研究实验室(ARL)采用了 “动态”测试方法来重新评价弹药的性能,以及弹药对人体目标大概的损伤程度。相比静态测试,动态测试是一种更精深的方法— —它不只是测量弹头侵入目标后的性能,而且在弹头侵入目标之前就开始测量其性能。因此,采用动态测试可以记录弹头飞行中的不一致性,这可以解释为什么静态测试中会产生不同的结果。最终,JSWB IPT将静态和动态测试有机结合为“静态/动态”方法,以便更精确地评估武器和弹药的性能。这种方法记录了从弹头离开枪口到击中凝胶块这段时间内的参数变化范围,然后从弹头侵入目标瞬间开始,使用动态分析工具将凝胶块的损伤与真实人体目标的损伤联系起来,最终得出结论。

经过努力,JSWB IPT取得了以下一些研究成果:

基于目前的静态/动态方法分析结果,所有被评估的枪弹在0~50m 射程范围内的性能表现是相似的。在所有参试的弹种中,没有哪种现成的商业型 5.56mm弹药比现役5.56mm弹药能更好地用于近距离遭遇战中。值得注意的是,得到高度认可的7.62mm NATO弹,其性能曲线也分布在这一性能带中,这恰好说明,在近距离射程内,即使是较大口径的弹药也不会给战斗效果带来更大的好处。该结论证明,很多人想当然的感觉与实际情况有很大出入。

研究的另一个结论是,弹头命中目标关键位置的重要性胜过其他所有变量。如果想让目标在单发命中后立即丧失行动能力,必须击中其要害部位,尽管这一部位的范围是非常狭窄的。因此,“一发枪弹消灭一个敌人”的思想应该得到更广泛的灌输。

阿富汗战场有关枪弹“贯穿伤”的新闻报道是确实的。尽管使用了相同的武器和弹药,为什么一些士兵报告了“贯穿”问题,而其他士兵却说没有呢? JSWB IPT认为弹头偏航这一现象可以解释弹药性能中的这些差异。

弹头以不同的偏航角度侵入目标会表现出截然不同的性能,尤其是当弹头速度明显下降后,这种表现更为明显。 请仔细观察这两张相关照片。第一张是弹头几乎以零度角侵入目标时的照片,它在形成空腔之前有一段较为笔直的行程。而在人体目标内,这种弹头很可能会径直穿过而不会对人体造成有效破坏。第二张是弹头以相对较大的偏航角度侵入凝胶块,它几乎是立即失稳并且破裂,造成了目标较大的临时性和永久性伤害空腔。同样的枪弹,士兵遇到后面的情况往往会以为他们的武器性能更好。

需要指出的是,JSWB IPT的研究并没有考虑5.56mm弹药在较远射程上的效能,而在较远射程上,不同的弹头质量、速度和结构可能会给射击效果带来更大的影响。JSWB IPT的研究分析中,目标的设置为非装甲正面立靶,而如果外罩防弹衣或将目标设置为跪姿/卧姿靶,分析结果可能会有所不同。JSWB IPT发现,目前的人体损伤模型需要进一步改良,从而可以更加精确地模仿复杂的人体解剖结构。

还是你最好!——美军对5.56mm弹药性能的最终定论

在遭遇战的近距离射程中,对于暴露的目标,没有比现有 5.56mm枪弹性能更加优越且商业上可行的可选方案。

静态/动态分析

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