Исследования поражающих факторов подводного взрыва в США и Великобритании (2003)

Капитан медицинской службы А. Кранов

Исследования влияния поражающих факторов подводного взрыва на человеческий организм активно ведутся за рубежом с 40-х годов ХХ века, однако материалы, публиковавшиеся вплоть до конца 70-х годов, отличаются разрозненностью и недостаточно полным освещением проблемы. В настоящее время оборонные ведомства ряда зарубежных государств продолжают исследования в этом направлении.

Рис. 1. Действие прямой и отраженной от дна взрывных волн на аквалангиста

Рис. 2. Действие прямой и отраженной от поверхности воды ударных волн на аквалангиста

Большинство научных работ посвящено изучению порогов смертельного воздействия на человека с целью определения безопасных расстояний от центра взрыва. Данные получены в условиях проведения экспериментов на малых глубинах при использовании зарядов взрывчатых веществ (ВВ) малой массы. По оценке западных экспертов, на современном этапе на первое место по актуальности вышли исследования несмертельных эффектов, влияющих прежде всего на психическое состояние людей. В связи с этим в последние годы наблюдается активизация работ по изучению влияния на организм в водной среде акустических колебаний, при этом особое внимание уделяется эффектам воздействия низкочастотных колебаний на различные органы и системы человека. В частности, в США этим занимаются военно-морская медицинская лаборатория подводного плавания (Гротон, штат Коннектикут), а в Великобритании - агентство оборонных исследований и анализа МО.

По тяжести воздействия поражающих факторов взрыва на организм человека зарубежные исследователи выделяют три группы эффектов воздействия: опасные для жизни, способные причинить смерть или тяжелые повреждения; неопасные для жизни, в частности повреждение органа слуха; обуславливающие лишь развитие психических расстройств.

Традиционно, поскольку для военных исследователей наиболее актуальным представляется подбор мощности (массы) заряда, необходимого для вывода из строя живой силы противника, наибольший интерес вызывает именно первая группа эффектов воздействия.

При изучении вопросов безопасности применения ВВ при проведении водолазных работ наибольший интерес представляют вторая и в особенности третья группы.

Еще в годы Второй мировой войны учеными было доказано, что при взрывах с равным тротиловым эквивалентом и на равном удалении в воздушной среде и под водой в последнем случае эффект воздействия на организм будет гораздо более выраженным, что связано с условиями распространения ударной волны (слабым ее затуханием) и c меньшими потерями энергии при переходе из водной среды в ткани организма. Было установлено, что тяжесть повреждения подводным взрывом зависит прежде всего от глубины, на которой происходит воздействие. Это обусловлено тем, что воздействие на человека оказывают как прямая, так и отраженная волна, однако влияние отраженной от дна водоема волны оказывается более интенсивным, чем отраженной от поверхности водоема (рис. 1 и 2).

Эксперименты с участием людей для исследования эффектов первой и второй групп проводились в Великобритании в Королевской военно-морской физиологической лаборатории в период с 1941 по 1951 год. В частности, британские исследователи впервые установили пороговые значения пикового давления (P) и импульса (I) давления ударной волны, соответствующие конкретным расстояниям, на которых наблюдался выход из строя ныряльщиков. Кроме того, было доказано, что на большей глубине тяжесть повреждений возрастает. Эффекты воздействия на различных дистанциях при подводных взрывах, по данным британских исследователей, приведены в табл. 1.

Таблица 1 Эффекты воздействия подводного взрыва заряда тротила массой 2,3 кг на различных расстояниях
Расстояние от центра взрыва, м	Субъективные ощущения аквалангистов	Характеристики ударной волны
		P (МПа)	I (Па·с)
33,5	Грохот взрыва	1,1	516
30,5	Грохот взрыва. Слабый удар в грудную клетку	1,2	585
27,4	Сильный удар в грудную клетку	1,3	654
24,4	Удар по голове и туловищу	1,5	720
22,9	Очень сильный удар. Преходящий паралич конечностей. Боли за грудиной в течение 0,5-1 ч	1,65	760
21,3	Очень сильный удар. Временный паралич конечностей. Боли за грудиной в течение нескольких часов. Повреждение органа слуха. Травма языка. Легкая контузия	1,8	790

Британские исследователи приводят также описания случаев с моряками, спасшимися с тонущих кораблей и подвергшимися воздействию подводных взрывов. На пострадавших были надеты спасательные жилеты, в связи с чем верхняя половина тела моряков получила минимальные повреждения. Основное воздействие взрывов пришлось на живот, таз и нижние конечности. Большинство пострадавших предъявляло жалобы на внезапно появившуюся боль в животе, по характеру напоминавшую последствия сильного удара по брюшной стенке в проекции желудка. У всех пострадавших наблюдался частичный или полный паралич нижних конечностей, длившийся около часа. Расстройств функций головного мозга зафиксировано не было.

Сходные исследования проводились американцами в лаборатории Стамп Нек в 1940-е годы. Испытуемые размещались на специальном мостике, укрепленном на корпусе подлодки, на глубине 6 м, где подвергались воздействию ударной волны взрыва заряда нитрата аммония массой 25 кг, установленного на удалении 480 м на глубине 12 м, а затем заряда тротила массой 136 кг, находившегося на удалении 1 234 м на глубине 18 м.

Оценивались поведенческие расстройства путем мониторинга физиологических и психологических параметров испытуемых.

Современные исследования посвящены моделированию и изучению восприимчивости различных органов и тканей человеческого организма к факторам подводных взрывов.

В период с 1999 по 2001 год изучением и уточнением данных предшествующих исследований занимались эксперты института военно-морской медицины ВМС США и военно-морской медицинской лаборатории подводного плавания.

Анализ клинических данных показывает, что повреждение легких является наиболее частым последствием воздействия ударной волны на организм человека. Наиболее частыми результатами патологоанатомических исследований являются воздушные эмболы в просвете артерий сердца и головного мозга, что в конечном счете и является причиной летального исхода у пострадавших. При патогистологических исследованиях было выявлено, что наиболее тяжелые повреждения локализуются в местах перехода бронхиального дерева в альвеолярную ткань легких. Исследователи объяснили подобные явления разной плотностью вышеуказанных структур, вследствие чего при прохождении через них ударной волны создается разница в скорости ее распространении, что приводит к движению структур с разной плотностью друг относительно друга.

Зарубежные исследователи выделяют две группы повреждений легких: острые (в частности, значительные повреждения легочной ткани, сопровождающиеся продолжающимся кровотечением, пневмоторакс, эмфизема средостения и артериальная газовая эмболия) и отсроченные (множественные мелкие эмболы сосудов легких, а также отек тканей легких вследствие их повреждения).

По данным зарубежным военных медиков, повреждение легких сопровождается повреждениями других органов и систем организма. Так, в частности, было описано воздействие взрыва на желудочно-кишечный тракт (ЖКТ). Ввиду того, что максимум воздействия ударной волны приходится на границу объема кишечника, заполненного воздухом, и его стенки, представленной тканью с относительно низким содержанием мышечных компонентов, наиболее тяжелые повреждения получает именно кишечник, главным образом поражаются нижние отделы ЖКТ, и в гораздо меньшей степени печень, селезенка, почки и мочевой пузырь. Большинство повреждений носит характер острого или отсроченного кровотечения из травмированных сосудов как полых, так и паренхиматозных органов: кишечника, печени, селезенки, поджелудочной железы, почек и надпочечников, яичек. Эти данные полностью коррелируют с жалобами подвергшихся воздействию взрывов под водой аквалангистов на боли в области указанных органов.

Воздействие на центральную нервную систему (ЦНС) при подводных взрывах проявляется в виде разрывов мозговых оболочек и кровоизлияний в мозг.

Ввиду того, что большинство исследований проводилось с использованием данных о ныряльщиках, голова которых в момент взрыва находилась над водой, объем экспериментальных данных о повреждениях лицевых пазух был небольшим. В связи с этим были проведены эксперименты на животных, не имевших средств защиты, по воздействию подводного взрыва на расстоянии 4,5 м, при этом максимальное давление и импульс составили 6,3 МПа и 9 320 Н·м соответственно.

Зарегистрированы вдавленные переломы околоносовых пазух у 60 % животных. При увеличении расстояния до 7,6 м, и снижении пикового давления и импульса до 3,5 МПа и 5 540 Н · м соответственно повреждений пазух не регистрировалось.

Действие подводных взрывов на орган слуха изучалось в ходе экспериментов на собаках, подвергавшихся действию ударной волны взрыва малой мощности на небольших расстояниях. Регистрировалось повреждение барабанной перепонки уха, обращенного в сторону взрыва (площадь такого повреждения находится в обратно пропорциональной зависимости от расстояния до места взрыва). Установлено, что на характер и тяжесть повреждения влияют пиковое давление, длительность фазы сжатия и ориентация слухового прохода по отношению к фронту ударной волны.

В целом повреждения барабанной перепонки выражаются в следующем:
- инъекция кровеносных сосудов;
- субэпителиальные кровоизлияния;
- небольшие надрывы (часто располагающиеся параллельно волокнам собственной пластинки барабанной перепонки);
- множественные мелкие разрывы или полный разрыв барабанной перепонки.

Следующим этапом работ было изучение возможности повреждения плотных тканей человеческого организма - костной, мышечной и жировой. Воздействие на конечности ударной волны от подводного взрыва небольшого заряда с пиковым давлением во фронте ударной волны 7 МПа вызывало у испытуемых ощущение жгучей боли, однако не было зафиксировано каких-либо повреждений.

Травмы грудной клетки, брюшной стенки и переломы конечностей отмечались лишь при очень близких взрывах.

В связи с тем что ткани человеческого организма по плотности приближаются к воде, волны давления имеют свойство проходить через них, отражаясь в незначительной степени.

Подобно воде, ткани организма в незначительной степени подвержены сжатию, в отличие от полостей тела, заполненных газом. Из этого следует, что наибольшие разрушения при воздействии ударной волны в воде происходят именно на стыке воздушной и водной среды, то есть там, где наблюдается максимальная разница давлений. В связи с этим в первую очередь поражаются такие содержащие воздух органы, как легкие, кишечник, лицевые пазухи, а также орган слуха. Мышечная и костная ткани не содержат воздушных полостей и вследствие этого не повреждаются.

Изучение воздействия акустических колебаний, генерируемых подводным взрывом на организм человека. В 1990-х годах в Великобритании и США проводились исследования влияния шумов, генерируемых при подводном взрыве на остроту слуха аквалангистов. В соответствии с принятыми в ВМС США нормативами, непрерывное воздействие шумов на организм не должно превышать 8 ч при уровне звукового давления не более 84 дБ (при 20 мПа) или 110 дБ (1 мПа). При сокращении периода воздействия в 2 раза допускается увеличение уровня звукового давления на 4 дБ. Опасными считаются шумы с уровнем звукового давления свыше 145 дБ (при 20 мПа) или 171 дБ (1 мПа). Установлено, что уровень звукового давления при взрывах может достигать 280 дБ (при 1 мПа). У аквалангистов, использующих стандартное снаряжение, действие звука ослабляется ввиду плохой восприимчивости органа слуха под водой и наличием преграды в виде материала гидрокостюма. У водолазов ослабление звука происходит вследствие наличия границы между воздушной средой пространства под шлемом и водной средой.

Процесс восприятия звуков под водой совершенно иной, чем в воздушной среде.

В частности, исследовался порог слухового восприятия в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц в воздушной и водной среде. Было отмечено, что частота наилучшей слышимости в водной среде составляет 800 Гц (в воздухе она равна 2 кГц). В воде практически во всем слышимом диапазоне восприятие звука резко ослаблено, при этом разница в восприятии, минимальная на низких частотах (порядка 20 дБ), прогрессивно увеличивается при частоте 8 кГц до 70 дБ.

По заключению западных специалистов, толщина материала неопренового гидрокостюма оказывает незначительное влияние на степень защиты. В то же время исследования показали, что при применении средств защиты слуха ослабление на низких частотах составляет 25 дБ, а на высоких доходит до 95 дБ.

По оценочным данным зарубежных исследователей, ослабление звука водолазным шлемом варьирует от 13 до 70 дБ на частотах выше 500 Гц.

За рубежом проводились исследования влияния звука низкой частоты с разной силой звукового давления с целью установить порог воздействия, вызывающего повреждение внутренних органов. Так, в опытах на морских свинках при наращивании звукового давления вплоть до 170 дБ повреждения легких не наступало. В другом опыте при воздействии звука с давлением 184 дБ на частоте резонанса легких у мышей развивалось кровотечение из сосудов печени и легких. Было отмечено, что резонансная частота может варьировать в весьма незначительных пределах. Вне этих пределов вероятность повреждения легких резко уменьшается.

В ходе исследований зарубежные ученые выявили зависимость частоты резонанса легких f₀ (Гц) от массы тела w (г), представив ее следующим образом:
f₀ = 742w^-0,25 (1)

Таким образом, частота резонанса легких человека массой 70 кг составляет 45 Гц.

Эксперименты на животных по воздействию в течение 5 мин звуков низкой частоты с уровнем звукового давления до 160 дБ не выявили каких-либо физиологических эффектов. Принимая во внимание тот факт, что длительность воздействия звука при взрыве составляет несколько миллисекунд, исследователи предположили, что звуки низкой частоты с уровнем звукового давления менее 160 дБ не оказывают какого-либо физиологического влияния на организм.

В Великобритании исследования влияния низкочастотных (НЧ) акустических колебаний под водой проводились агентством оборонных исследований и анализа МО в 1993-1994 годах. Было установлено, что при воздействии таких колебаний на глубине 2 м резонанс легких отмечался на частоте 25 Гц, а вибрация в околоносовых пазухах при 100 Гц. На глубине 30 м чувство вибрации в грудной клетке возникало при частотах 52-110 Гц, а ощущение шума в голове при 52-500 Гц.

В ходе работ по изучению воздействия НЧ-звуков на функции центральной нервной системы аквалангистов каких-либо последствий выявлено не было.

При воздействии НЧ-звуков на сердечно-сосудистую систему обнаружилось лишь незначительное снижение частоты пульса, составлявшее около 10 % исходного значения и носившее обратимый характер. Авторы исследования предположили, что это обусловлено нормальной физиологической реакцией на резкий внешний раздражитель. Также было выявлено, что воздействие НЧ-звука при уровне звукового давления до 182 дБ не вызывает повреждения стенок кровеносных сосудов.

В результате проведенных в барокамере исследований по измерению резонансной частоты легких путем воздействия звуками низкой частоты на полые объекты, имитирующие органы дыхания человека, установлено, что в приповерхностном слое воды частота резонанса составила 40 Гц, а с увеличением глубины до 37 м она повышалась до 80 Гц.

В ходе экспериментов на моделях легких было выявлено, что наибольшей деформации дыхательные пути подвергаются на частотах 30-40 Гц, когда отмечается их резонанс.

Таким образом, НЧ-звуки с уровнем звукового давления менее 160 дБ не оказывают заметного влияния на организм человека, поэтому наиболее значимыми являются эффекты психического воздействия.

Радиусы смертельного, несмертельного и безопасного воздействия подводных взрывов на человека. Радиус смертельного воздействия R_L (м), согласно зарубежным источникам, определяется формулой:
R_L = 3,17W^0,5 (2)
где W - масса заряда тротила (в кг).

В наставлении по подводному плаванию ВМС США содержится информация о величинах пикового давления во фронте ударной волны, обусловливающих тот или иной уровень повреждения - от легких до вызывающих летальный исход. Для определения величины максимального давления P (фунты на кв. дюйм) в зависимости от тротилового эквивалента заряда применяется также формула:
P = 13 000 • M^0,33/D (3)
где М - масса ТНТ (в фунтах), D - дистанция (в футах).

В табл. 2 приведены эффекты воздействия подводного взрыва на человека в зависимости от пикового давления во фронте взрывной волны.

Таблица 2 Вероятные эффекты подводного взрыва тротилового заряда на человека в зависимости от пикового давления
Пиковое давление (кПа)	Эффекты
>13 800	Летальный исход
3 450-13 800	Вероятность летального исхода или тяжелого поражения
345-3 450	Возможно повреждение
<345	Отсутствие каких-либо повреждений

Таким образом, воздействие ударной волны на человека приводит к летальному исходу при давлении во фронте ударной волны более 13 800 кПа.
Исследования воздействия ударной волны на водных млекопитающих в условиях неглубокого водоема позволили вывести формулу для расчета импульса ударной волны, воздействие которого приводит к летальному исходу в 50 % или 1 % случаев.
ln (I₅₀) = 5,01 + 0,3857 lnM (4)
ln (I₁) = 4,55 + 0,3857 lnM (5)
где I (Па·с) - импульс давления ударной волны, M - масса тела человека (кг).

В соответствии с этими формулами для аквалангиста массой 80 кг импульс ударной волны, при воздействии которого вероятность летального исхода составляет 0,5 составляет 812 Па·с. При 516 Па·с вероятность летального исхода ничтожно мала - 0,01.

Эффекты несмертельного воздействия на организм человека при взрывах подводных зарядов, по данным зарубежных исследователей, приведены в табл. 3.

Таблица 3 Несмертельные эффекты воздействия подводного взрыва на глубинах 3 и 15,3 м при массе заряда ТНТ 2,3 кг
Расстояние, м	Глубина погружения, м	Импульс, Па • с	Пиковое давление, кПа	Субъективные ощущения аквалангистов
411	3	50	83,6	Легкий толчок, легкое сжатие грудной клетки, удар. Грохот, сильный гул.
	15,3	50	83,6	С трудом переносимая тряска, вибрация тела. Звук, напоминающий хлопок петарды
183	3	103	209	Несильный толчок, слабая вибрация нижней половины тела. Громкий хлопок, внезапный и отчетливый
	15,3	103	209	Дрожание всего тела, короткое легкое сдавливание всего тела. Сильный, внезапный и отчетливый хлопок
122	3	134	311	Вибрация всего тела, ощутимый мощный удар в живот. Резкий оглушительный звук взрыва, низкий гул, дважды повторяющееся короткое громкое эхо взрыва
	15,3	134	311	Ушибы и сдавливание всей поверхности тела, удар в переднюю поверхность груди и темя, чувство давления в ушах. Оглушительный звук взрыва

Основываясь на опыте экспериментов с участием добровольцев, специалисты британских ВМС используют формулу, определяющую расстояние до взрыва R_D (м), являющееся минимально допустимым для обладающего высокой мотивацией к выполнению поставленной задачи боевого пловца при данной массе тротилового заряда W (кг).
R_D = 18,1 • W^0,5 (6)

Эта формула справедлива при условии, что ныряльщик и заряд располагаются на небольшой глубине. По мнению авторов, если воздействие происходит вблизи поверхности, полученное расстояние можно уменьшить в два раза, при этом не следует опасаться каких-либо дополнительных неблагоприятных последствий. В том случае, когда заряд и ныряльщик будут располагаться в глубоких слоях водоема, предполагается, что следует ожидать серьезных последствий даже на расстояниях, в 3-4 раза превышающих значение, определенное по формуле (6).

В соответствии с данными, изложенными в наставлении по подводному плаванию ВМС США величина пикового давления выше 3450 кПа является пороговой с точки зрения тяжелых поражений. При подстановки данной величины в уравнение (3) получается выражение, определяющее расстояние несмертельного воздействия R_NL (м) на ныряльщика при взрыве заряда массой W (кг):
R_NL = 10,8 • W^0,33 (7)

В работах американских исследователей приводится формула, определяющая величину импульса давления подводной ударной волны (I₀), при котором не наблюдается гибель рыб и морских млекопитающих c определенной массой тела (M, кг):
log_e (I₀) = 3,68 + 0,3857log_e M (8)
При экстраполяции ее на человека массой 80 кг получается величина I0=215 Па·с.

Испытания на животных показали, что при значениях импульса менее 38 Па·с или пикового давления 905 кПа (239 дБ при 1 мПа) не возникает каких-либо физических повреждений. В результате было установлено, что безопасный импульс давления для людей равен 14 Па·с, а безопасное пиковое давление во фронте ударной волны составляет 345 кПа (231 дБ при 1 мПа). Эти значения вошли в окончательную редакцию наставления по подводному плаванию ВМС США. Исследователи отмечают, что данный уровень пикового давления относится только к военнослужащим, выполняющим боевую задачу.

Кроме того, проведенные исследования являются показательными лишь для ситуации, когда воздействие происходит на мелководье (до глубины 10 м), так как на большей глубине интенсивность воздействия значительно возрастает.

Была определена формула для определения безопасной дистанции, учитывающая массу ВВ W (кг), глубину погружения аквалангиста d (м) и глубину, на которой подрывается заряд h (м):
R = 22,5W^0,2d^0,33h^0,33 (9)

Это выражение в силу своей универсальности вошло в британские "Строительные нормы и правила безопасности при проведении взрывных работ в строительной промышленности" BS 5607 в качестве метода определения минимального безопасного расстояния, на котором не возникает физического повреждения человеческого организма при проведении подводных взрывных работ.

Данные по радиусам смертельного, несмертельного и безопасного воздействия подводных взрывов зарядов различной массы на человека в зависимости от массы ВВ, по материалам исследований зарубежных специалистов, приведены в табл. 4.

Таблица 4 Зависимость радиусов смертельного, несмертельного и безопасного воздействия подводных взрывов на человека от массы заряда ВВ
Зависимость	Масса заряда ВВ, кг
	0,1	1	10	100
Радиус смертельного воздействия, м
1. RL=3,17W0,5	1	3,17	10	31,7
2. R=3,17W0,33, при P>13 800 кПа	1,47	3,17	6,8	14,7
3. I50=812 Па·с (летальность 0,5 для млекопитающего массой 80 кг)	1,3	7,3	36,7	123
4. I1=516 Па·с (летальность 0,01 для млекопитающего массой 80 кг)	2,3	12,1	59,8	165
Радиус несмертельного воздействия, м
5. RD=18,1W0,5	5,7	18,1	57	181
6. R=10,8W0,33, при P<3 450 кПа	5	10,8	23,3	50,1
7. I0=212 Па·с (несмертельное воздействие на млекопитающего массой 80 кг)	6,4	31,2	133	272
Радиус безопасного воздействия, м
8. R=83,2W0,33, при P<345 кПа	38,6	83,2	179	386
9. I=14 Па • с	112	389	710	1 113
10. R=10,8W0,33d0,33h0,33	61,1	96,7	153	243

Зарубежное военное обозрение 2003 №6, С. 50-55