Расчеты параметров электрошоковых устройств для сравнения отечественных и зарубежных изделий. Часть 2

Электрошоковые устройства (ЭШУ) – это современные средства самообороны, доступные для приобретения в Российской Федерации без специальной лицензии на оружие всем лицам старше 18 лет. Многие жители Российской федерации, в том числе (и в первую очередь) автомобилисты, лицом к лицу столкнувшиеся в жизни с агрессивными хулиганами, «лихачами», «барсеточниками» и другим человеческим отребьем, уже успели оценить эти средства, способные мгновенно остановить любого злоумышленника при его противоправных действиях.

Учет разлета зондов в дистанционных электрошоковых устройствах

В статье [1] были предложены методы и результаты измерений и вычислений выходных электрических параметров ЭШУ для сравнения отечественных и зарубежных изделий. Показано, что отечественные ЭШУ по выходной электрической мощности, энергии, среднему току воздействия и интегральному заряду воздействия значительно превышают аналоги из США, оставаясь при этом безопасными для здоровья, что неоднократно подтверждено соответствующими медицинскими исследованиями.

Однако справедливо ли такое сравнение для так называемых дистанционных электрошоковых устройств (ДЭШУ), воздействие которых обеспечивается путем опосредованного электрического контакта между рабочими (боевыми) электродами ЭШУ и целью, преимущественно с помощью выстрела из картриджа (патрона ДЭШУ) специальных зондов с иглами, снабженных гибкими электрическими проводниками (ГЭП), соединенными с высоковольтным генератором ЭШУ, которые закрепляются на одежде или теле цели?

Использование ДЭШУ имеет свои баллистические особенности, основной из которых является следующая: зонды в процессе полета к цели разлетаются на некоторое расстояние Ʌ, как правило, большее, чем типичное расстояние между рабочими (боевыми) электродами ЭШУ. Например, у отечественного ДЭШУ типа АИР-М140Р среднее расстояние между зондами, закрепившимися на одежде или теле цели на дистанции 5 м, составляет около 10 см, а у ДЭШУ Taser X2 производства американской компании AXON – 51 см [2]. Таким образом, путь тока в теле цели значительно превышает стандартный путь тока в контактных ЭШУ, в которых расстояние между рабочими электродами составляет не более 4 см в соответствии с российским законодательством [3, 4]. Отметим, что российским законодательством введено также ограничение на максимальный разлет зондов ДЭШУ, который не может превышать 30 см [4].

Этот фактор является крайне важным для оценки воздействия ДЭШУ на организм человека, поскольку медиками давно качественно установлено, что чем больше путь тока в теле человека, тем больше эффект его воздействия. Именно поэтому в картриджах ДЭШУ Taser X2 специально создают так называемый инструментальный угол разлета зондов, составляющий примерно 7° при дистанции выстрела из ДЭШУ 5 м и 3° при дистанции выстрела 10 м, чем и обеспечивается большое расстояние между зондами на цели [5].

Эта качественная оценка основана на простом факте: чем длиннее путь электрического тока в теле цели, тем большее количество нервных клеток организма человека подвергается воздействию тока, что и вызывает сильные болевые ощущения и спазмы мышц, приводящие к невозможности продолжать агрессивные действия.

Однако следует отметить, что количественная оценка влияния пути тока на эффект воздействия электрического тока в литературе неизвестна.

Для удобства данные по параметрам ДЭШУ производства РФ и США сведены в табл. 1.

Итак, что же производит больший эффект воздействия: ДЭШУ с большой энергетикой за время воздействия, но небольшим разлетом зондов (РФ), или ДЭШУ с малой энергетикой, но большим разлетом зондов (США)? Иными словами, какие ДЭШУ лучше?

Ответ: оба лучше! Но эффекты и последствия воздействия у них разные, далее мы их рассмотрим.

В ДЭШУ АИР М140Р используется так называемый эффект STUNGUN («оглушающее» действие или болевой шок), когда правонарушитель при воздействии сравнительно коротких импульсов тока с высокой частотой повторения испытывает весьма сильную боль и мышечные спазмы, при которых он не может продолжать агрессивные действия. Данный эффект характеризуется также последействием, когда и после прекращения воздействия правонарушитель продолжает испытывать головокружение, потерю ориентации в пространстве, боль и спазмы мышц в течение времени, достаточного для его нейтрализации (например, путем одевания наручников) или покидания пользователем места конфликта.

Время воздействия на цель в соответствии с законодательством РФ не должно превышать 3 с, на практике для АИР М140Р оно составляет 0,5…1 с. Период последействия при этом составляет в среднем не менее 30 с.

В РФ испытания ДЭШУ на людях не разрешены, поэтому у автора нет возможности сослаться на результаты официальных экспериментов, подтверждающих эти данные. Однако появляются энтузиасты, которые пробуют воздействие ДЭШУ на себе и потом выкладывают ролики в интернет, так что о реальной эффективности воздействия ДЭШУ производства РФ можно судить по ним (см., например, [6]).

В ДЭШУ Taser X2 используется так называемый эффект EMD (Electro-Muscular Disruption), при котором остановка правонарушителя происходит в результате рефлекторного сокращения скелетной мускулатуры при воздействии сравнительно длинных импульсов с невысокой частотой повторения при большом расстоянии между зондами, что в подавляющем большинстве случаев приводит к немедленному падению цели, однако последействия (в виде остаточного иммобилизирующего действия на цель) не наблюдается.

Кстати, по-видимому, именно для повышения вероятности падения необходимо обширное воздействие на мышцы бедра цели, поэтому прицеливание ДЭШУ Taser X2 осуществляется таким образом, чтобы верхний зонд попадал в торс, а нижний – в бедро (картридж выполнен с расположением зондов в вертикальной плоскости в отличие от картриджа АИР М140Р).

Это видно на примере многочисленных видео­роликов, демонстрирующих принцип воздействия EMD ДЭШУ производства фирмы Taser International Inc в лабораторных и полевых условиях. Пока воздействие продолжается – объект воздействия лежит на земле обездвиженным, но как только оно прекращается – объект практически сразу же встает (см. например, [7]).

Поэтому для эффективного применения ДЭШУ с EMD-воздействием необходимо длительное воздействие на цель, чтобы в течение это времени успеть ее нейтрализовать. В частности, для ДЭШУ Taser X2 рекомендуется воздействовать на цель в течение 5…30 с.

Но все же, как количественно сравнить ДЭШУ, обладающие столь разными выходными электрическими, баллистическими характеристиками, и разными эффектами воздействия?

Введем новое понятие: объемное действие тока (заряда). Термин «объемное действие» подразумевает тот факт, что электрический ток распространяется в теле человека не в виде одной тонкой линии, как это часто условно изображают на картинках, а в виде множества линий, каждая из которых соответствует своему пути тока для каждого импульса воздействия (или даже части импульса тока). Начало и окончание такой линии совпадает с зондами. Эта совокупность путей образует некоторую трехмерную область, которую назовем объемом путей тока. Данная область представляет собой эллипсоид, разрезанный вдоль большой оси пополам, большая ось которого равна расстоя­нию между зондами на цели, а плоская часть параллельна поверхности кожи (рис. 1).

Отметим, что возможны два варианта закрепления зондов на цели:

а) путем проникновения игл зондов в тело цели, если одежда, надетая на цель, тонкая или отсутствует, при котором обеспечивается гальванический контакт в электрической цепи «зонд – тело цели – зонд»;

б) путем закрепления игл зондов в толстой одежде цели без гальванического контакта с телом цели, в этом случае замыкание электрической цепи «зонд – тело цели – зонд» обеспечивается появлением искрового разряда между иглами зондов и телом цели сквозь одежду, обусловленного высоким напряжением импульса тока воздействия, значительно превышающим напряжение пробоя одежды и кожного покрова человека.

У каждого типа ДЭШУ объем путей тока (заряда) V имеет свое значение, определяемое совокупностью факторов, влияние которых мы рассмотрим ниже.

Объемное действие VACav среднего тока воздействия iav определим как:

VACav = iav* V. (1)

Объемное действие VACH заряда воздействия Q за единицу времени определим как:

VACH = Q * V. (2)

Количество нервных клеток, на которые воздействует ток (заряд) ДЭШУ, будем считать пропорциональным объему путей тока, а не просто расстоянию между зондами ДЭШУ на цели. Соответственно будут учтены все нервные клетки, находящиеся в объеме путей тока и подвергающиеся его воздействию. Поэтому данный показатель может удачно связать энергетику ДЭШУ, разлет его зондов и эффект воздействия.

Определим объем путей тока:

(3)

где a и b – горизонтальная и вертикальная оси эллипсоида соответственно, Λ – расстояние между зондами ДЭШУ (большая ось).

Размер горизонтальной оси эллипсоида может быть связан с поверхностным растеканием тока после пробоя кожного покрова, и его примерное значение можно определить из выражения:

(4)

где a0 – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность [см]; Uav – среднее напряжение импульса тока воздействия; Uth – напряжение пробоя кожного покрова, составляющее 450…600 В. По смыслу определения параметр a0 – горизонтальная ось эллипсоида воздействия, образуемая при действии напряжения, равного напряжению пробоя. По некоторым оценкам, типовое значение a0 составляет примерно 0,05…0,1 см.

Размер вертикальной оси эллипсоида связан с эффектом проникновения тока воздействия ДЭШУ в мышечную ткань цели, который усиливается с ростом тока, длительности импульса и времени воздействия. При этом воздействие тока на нервные клетки мышечной ткани имеет выраженный пороговый характер. Пороговый ток Ith воздействия описывается эмпирической функцией (законом) Вейса-Лапика «сила – продолжительность» [8]:

Ith = Rh * (1 + Ch/τ), (5)

где Rh – реобаза; Ch– хронаксия; τ – длительность импульса воздействия.

Понятия «реобаза» и «хронаксия» – парамет­ры, связанные с физиологией нервной системы, определения которых даны в литературе, например, в [8]. Хронаксия – минимальное время, требуемое для возбуждения мышечной либо нервной ткани постоянным электрическим током удвоенной пороговой силы (реобаза).Подробный анализ этих параметров и их влияние на характеристики ДЭШУ приведен в уже ставшей классической в РФ монографии [9].

Для человека средние значения реобазы и хронаксии составляют: Rh = 10 мА, Ch = 100 мкс [9].

График зависимости порогового тока от длительности импульса воздействия приведен на рис. 2. Точками указаны значения порогового тока для реферируемых изделий АИР-М140Р и Taser X2. Видно, что за счет большей длительности пороговый ток Taser X2 примерно в 1,5 раза ниже порогового тока АИР-М140Р. Это означает, как мы увидим далее, что глубина проникновения тока в тело цели (параметр b/2) у Taser X2 будет также примерно в 1,5 раза больше. А это, в свою очередь, означает, что импульс тока Taser X2 будет сильнее воздействовать на нервные клетки скелетной мускулатуры, расположенные глубоко под кожей. Следствие этого – высокая вероятность падения цели при воздействии.

При значениях тока, меньших, чем величина порогового тока, электрического воздействия на цель не будет.

Примерное значение b можно определить из выражения:

b = b0 (Iav / Ith), (6)

где b0 – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность [см]; Iav – средний ток импульса воздействия, равный отношению электрического заряда импульса, передаваемого к цели, к его длительности. По смыслу определения параметр b0 – вертикальная ось эллипсоида воздействия, образуемая при действии среднего тока импульса, равного пороговому току. По некоторым оценкам, типовое значение b0 составляет примерно 0,1…0,25 см. В соответствии с рис. 1 и формулой (3) для дальнейших расчетов мы будем использовать половину значения b0.

Итак, теперь у нас есть вся информация для расчетов объемного действия тока (заряда) ДЭШУ. Исходные данные для расчетов и их результаты приведены в табл. 2.

Графические зависимости объемного действия заряда ДЭШУ от расстояния между зондами, закрепленными на цели, для двух типичных образцов отечественных и зарубежных ДЭШУ с параметрами, приведенными в табл. 2, приведены на рис. 3, где отмечены точки, соответствующие реальным указанным значениям разлета зондов.

Отметим, что глубина проникновения в тело цели ДЭШУ с эффектом воздействия EMD выше, чем у ДЭШУ с эффектом STUNGUN, это позволяет «добраться» до скелетной мускулатуры, что, собственно говоря, и приводит к падению цели. В предлагаемом представлении глубина проникновения в совокупности с большим разлетом зондов создает объем воздействия тока (соответственно, количество нервных клеток, подвергающихся воздействию электрического тока), в несколько раз превышающий аналогичный параметр ДЭШУ с эффектом STUNGUN.

Однако воздействие ДЭШУ с эффектом STUNGUN, пусть и на меньшее число нервных клеток, значительно сильнее (средняя объемная плотность тока iv = Iav / V в 20 с лишним раз больше, чем у ДЭШУ Taser X2!) из-за высокой частоты повторения импульсов, т. е. многократного воздействия электрического тока на одни и те же клетки, что вызывает сильную боль, может вводить часть из них в состояние «ступора» с последующим медленным восстановлением и приводит в результате к появлению эффекта последействия.

Таким образом, расчеты объемного действия тока (заряда), как критерия сравнительной эффективности ДЭШУ производства США и РФ (нижние строки табл. 2), указывают на то, что эти изделия, по сути, равны по эффективности воздействия (с погрешностью сравнения менее 1%), т. е. действительно «оба лучше»!

Необходимо отметить, что в соответствии с предложенным критерием увеличение разлета зондов в отечественных ДЭШУ от нынешних 10 см до, например, 15 см (см. рис. 3) приведет к значительному росту их эффективности (большее количество нервных клеток попадет в объем путей тока), которая будет значительно превышать эффективность ДЭШУ производства США (см. рис. 3). С другой стороны, увеличение частот повторения импульсов воздействия в ДЭШУ производства США также приведет к значительному росту их эффективности.

Повышение эффективности за счет увеличения расстояния между зондами ДЭШУ или частоты повторения импульсов воздействия ДЭШУ имеет свои пределы: разлет зондов свыше 80 см значительно увеличивает вероятность промаха и существенно снижает объемную плотность тока (заряда) воздействия, а частота повторения импульсов выше 400…500 Гц уже не дает нужного эффекта электрического воздействия из-за особенностей пороговой чувствительности и восстановления реакции нервных клеток [9]. Возможно, здесь следует поискать некие оптимальные соотношения между электрическими параметрами ДЭШУ и внешней баллистикой картриджей для достижения максимальных показателей эффективности.

Итак, теперь у нас появилась возможность объективного (хотя и до некоторой степени формального) сравнения ДЭШУ по их условной эффективности, что в дальнейшем позволит продвигать качественную отечественную продукцию на зарубежные рынки.

Отметим также, что ДЭШУ Taser X2 является двухзарядным устройством в отличие от однозарядного АИР-М140Р, кроме того, некоторое время назад были разработаны и трехзарядные ДЭШУ Taser X3 (успеха на рынке не имели и были сняты с производства). Однако исследование этих различий и их последствий не является предметом настоящего материала, эта тема может стать предметом дальнейших публикаций.

Выводы

Отечественные и зарубежные дистанционные электрошоковые устройства имеют разные выходные электрические, баллистические параметры и эффекты воздействия, поэтому появляется необходимость в сравнительной количественной оценке их воздействия на цель.

Для такой оценки предложено использовать понятие «объемное действие тока (заряда)», которое учитывает как выходные электрические параметры ДЭШУ, так и разлет зондов при воздействии на цель (внешние баллистические характеристики), которые в совокупности обеспечивают эффективность воздействия.

В соответствии с предлагаемым методом оценки показано, что эффективность лучших современных отечественных и зарубежных дистанционных электрошоковых устройств является примерно одинаковой.

В заключение автор приносит благодарность руководству испытательной лаборатории «Экспертиза ЭШУ» за предоставленные данные измерений изделия АИР-М140Р.

Источники

1. Расчеты параметров электрошоковых устройств для сравнения отечественных и зарубежных изделий. Ч. 1 // АБС-авто. 2019. № 4. С. 34–37.

2. CAST_Assessment_of_the_Taser_X2_againstthe police operational requirements, CAST publication #057/16. Nov. 2016. Р. 34.

3. Федеральный закон «Об оружии» (Собрание законодательства Российской Федерации. 1996, № 51, ст. 5681; 2001, № 31, ст. 3171; 2003, № 2, ст. 167; № 50, ст. 4856; 2009, № 7, ст. 770; № 30, ст. 3735; 2010, № 14, ст. 1554, 1555; № 23, ст. 2793; 2011, № 1, ст. 10; № 27, ст. 3880; № 30, ст. 4596; № 50, ст. 7351; 2012, № 29, ст. 3993; 2013, № 27, ст. 3477; 2014, № 14, ст. 1555; № 30, ст. 4228; 2015, № 1, ст. 76; № 29, ст. 4356; 2016, № 1, ст. 28; № 15, ст. 2066; № 27, ст. 4160; № 28, ст. 4558; 2017, № 14, ст. 1996; № 27, ст. 3948; № 50, ст. 7562; 2018, № 30, ст. 4554).

4. ГОСТ 50940-96. Устройства электрошоковые. Общие технические условия.

5. Taser X2 CEW user manual MMU0037 Rev: C. Р. 33.

6.

7.

8. Уфлянд Ю.М. Физиология двигательного аппарата человека. Л., 1965.

9. Ладягин Ю.О. Дистанционное электрошоковое оружие М.: Изд-во Фонда «Сталинград», 2017.

10. Electrical Testing of TASER X2 and TASER X26P Conducted Energy Weapons. Contract Report DRDC-RDDC-2014 C116. June 2014.

11. Испытательная лаборатория «Экспертиза ЭШУ» (с разрешения ООО «Март Групп»): частное сообщение.

Конторов Михаил Давидович, к.т.н.

Эксперт комитета ТК 85 Международной электротехнической комиссии (IEC)

Академик Международной академии связи