基于激波管評價的單兵頭面部裝備沖擊波防護性能研究*

康 越，張仕忠，張遠平，柳占立，黃獻聰，馬 天

（1.軍事科學院系統(tǒng)工程研究院軍需工程技術(shù)研究所，北京100010；2.中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京100190；3.中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽621999；4.清華大學航天航空學院，北京100084）

21世紀以來，由彈藥爆炸導致的單兵戰(zhàn)斗傷亡比例不斷上升（約占總傷亡的66%～72%），大量殺傷破片復合爆炸沖擊波致傷已成為戰(zhàn)場中的主要威脅[1]。爆炸是指固體或液體物質(zhì)瞬間轉(zhuǎn)化為高溫高壓氣體釋放巨大能量的過程[2-4]。這些高溫高壓氣體急劇膨脹，迅速壓縮四周空氣進而形成爆炸沖擊波。研究發(fā)現(xiàn)，爆炸沖擊致傷取決于多種因素，包括爆炸類型、裝載藥量、起爆高度、是否有保護性屏障、受害者與爆炸物之間的距離等[5-6]。依據(jù)損傷機制的不同，彈藥爆炸沖擊致傷被劃分為5種類型[7-8]，即沖擊波直接作用致傷、破片（彈頭）貫穿傷、沖擊鈍傷（如骨折等）、熱（化學）燒傷和戰(zhàn)后炎癥并發(fā)癥。其中，由爆炸沖擊導致的創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）和肺部損傷尤為嚴重[9-10]。近年來，美軍在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭中投入的部隊經(jīng)常遭受炸彈近距離襲擊，導致大量士兵罹患創(chuàng)傷性腦損傷，從而引發(fā)嚴重的戰(zhàn)爭后遺癥，對戰(zhàn)后士兵的基本生活產(chǎn)生了巨大影響。隨著爆炸沖擊傷的日漸頻發(fā)，對由爆炸沖擊導致的TBI等傷情的致傷機理及單兵防護裝備抗爆炸沖擊波性能的探索已成為近年來的研究熱點。

針對爆炸沖擊波直接作用導致的顱腦損傷，學者們做了大量細致的研究工作。從動物實驗和病理生理學分析入手，經(jīng)過數(shù)值建模計算分析，初步建立了顱腦損傷模型，確定了顱腦損傷判定準則[11]。研究發(fā)現(xiàn)，爆炸沖擊波可在極短時間內(nèi)（1～3 ms）直接作用于生物頭部，從而引起神經(jīng)功能損傷，乃至器官性病變[7-8]。頭盔作為戰(zhàn)場上單兵最重要的防護裝備，一直以來主要強調(diào)其防破片/彈丸沖擊的能力。隨著爆炸沖擊波防護需求的提出，如何加強頭盔爆炸沖擊波防護能力，是一個亟待解決的問題。Sharma等[12]和Zhang 等[13]發(fā)現(xiàn)，佩戴先進作戰(zhàn)頭盔(advanced combat helmet,ACH)可有效緩解爆炸沖擊波對頭部的沖擊。但不同結(jié)構(gòu)頭盔的防護能力也有所差異，Tan 等[14]、Moss等[15]對比裸頭模和頭盔-頭模系統(tǒng)對爆炸沖擊的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，佩戴頭盔使沖擊波在腦后部疊加形成聚集區(qū)域，這可能會提高爆炸沖擊對頭部的致傷幾率。但通過優(yōu)化懸掛件系統(tǒng)，改變頭盔材料及頭盔襯墊材料[16-19]以及采用不同頭面部防護組件模塊化搭配使用[20-23]，可有效降低爆炸沖擊波超壓峰值，增強單兵防護裝備抵御戰(zhàn)場爆炸沖擊波的能力。

目前，常利用外場實彈實爆測試和實驗室激波管測試對單兵防護裝備抗爆炸沖擊波性能進行評價。其中，激波管測試因成本低、重復性好和可操作性強等優(yōu)點被廣泛采用。激波管是一種氣動力實驗設(shè)備，在空氣動力學、超高聲速空氣動力學、爆炸力學、天文物理學和光譜學等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[24]。在防護爆炸沖擊傷研究方面，已逐步發(fā)展了專門用于生物評價的激波管，主要用于模擬核爆炸或大當量炸藥爆炸時產(chǎn)生的沖擊波。王正國等[25]研制了用于沖擊傷研究的大、中、小（微）系列生物激波管。其中，大型激波管可模擬產(chǎn)生爆炸沖擊最高超壓為10.3 MPa，相當于幾十千克至6 000千克炸藥空爆時產(chǎn)生的爆炸波超壓峰值，中型激波管可模擬提供超壓、爆炸性減壓及水下爆炸等實驗環(huán)境。王海峰等[26]為開展脊髓沖擊傷動物模型研究，研制了一種小型沖擊波發(fā)生裝置，模擬產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值范圍為100～800 kPa，超壓持續(xù)時間在90 ms以上。通常情況下由激波管模擬產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值為100～1 000 kPa，正壓持續(xù)時間為0.5～10 ms[27-28]。實驗時將動物置于生物激波管內(nèi)或管口處，通過分析實驗動物沖擊傷情，為人體沖擊傷發(fā)生機理研究和防治提供參考。

本文中，首先針對仿人體頭部結(jié)構(gòu)的裸頭模進行實爆場和激波管測試評價，證實激波管實驗可替代外場實爆實驗。隨后基于激波管實驗條件，對裸頭模及佩戴一體結(jié)構(gòu)頭盔和分體結(jié)構(gòu)頭盔的頭部模型進行沖擊波防護性能評價測試，以期實驗結(jié)果可為設(shè)計和研發(fā)抵御爆炸沖擊波的新型單兵防護裝備提供支持。

1 實驗方法

由爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值和持續(xù)作用時間是人體致傷的兩個關(guān)鍵因素[29]。根據(jù)爆炸沖擊波對人體致傷情況結(jié)果統(tǒng)計分析，本文中構(gòu)建沖擊波超壓峰值為100～300 kPa、持續(xù)時間為1～5 ms的作業(yè)環(huán)境，評估爆炸沖擊波對人體頭面部致傷情況及頭盔-頭模系統(tǒng)對爆炸沖擊波的抵抗能力。

1.1 頭部模型及測試頭盔

依據(jù)國家標準GB/T 10000—1988《中國成年人人體尺寸》確定我國成年人頭面部結(jié)構(gòu)和尺寸，并制作測試模型，模型采用玻璃鋼纖維復合材料手糊成型。模型表面設(shè)置9個傳感器測量點位，分別位于前部、前額部、頂部、后部、前側(cè)部、后側(cè)部、左（或右）側(cè)、眼部以及耳部，如圖1(a)所示。傳感器采用PCB壓力傳感器(型號：113B21)，以螺紋緊配于頭模表面，為保證傳感器能從頭模表面預留位置穿出，特別設(shè)計了傳感器安裝基座，見圖1(b)。

測試頭盔分別選用具有一體結(jié)構(gòu)和分體結(jié)構(gòu)的防護頭盔(見圖1(c)和(d)，下文稱其為“一體盔”和“兩半盔”)。兩種頭盔都以高性能芳綸Ⅱ纖維為基礎(chǔ)材料，其中，一體盔采用整體模壓成型，帶有護耳結(jié)構(gòu)，中間無結(jié)構(gòu)性敞開空間。兩半盔帽檐較高，頂部設(shè)計有結(jié)構(gòu)性開合空間，耳部區(qū)域高切預留位置可增加耳部防護裝備。本文中，定義佩戴一體盔的頭部模型為一體盔頭模，佩戴兩半盔的頭部模型為兩半盔頭模，佩戴風鏡和耳塞的兩半盔頭部模型為全防護頭模。

圖1 測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagramsfor the test devices

1.2 實爆實驗

基于裸炸藥開展的實爆實驗是最接近實戰(zhàn)環(huán)境的抗爆炸沖擊波性能評價考核手段。本次實驗采用7 kg TNT 裸炸藥球，在3.8 m 處布放頭部模型進行考核評測。

一般室外環(huán)境下，空中TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓Δp可通過下式[30]進行計算：

式中：w為TNT 炸藥質(zhì)量（單位kg），當使用其他非TNT炸藥時，需要按照爆熱將其換算成TNT 當量；R為距離裝藥中心的直線距離（單位m）。

實際上，當無限空中爆炸時，當爆點距地面高度為h(m)時，使用上述公式還應(yīng)當滿足條件：

經(jīng)計算可知，7 kg TNT當量炸藥爆炸，在3.8 m 半徑距離上，產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值為200 kPa，滿足實驗設(shè)計要求。

裸頭模表面設(shè)置4個超壓傳感器點位（分別位于前額、頂部、后部和側(cè)面），通過壓力時程圖獲取爆炸沖擊波超壓峰值和持續(xù)作用時間等物理量，實爆現(xiàn)場示意圖如圖2(a)所示。根據(jù)實際炸藥質(zhì)量及文獻[30]中計算公式可得理想爆炸波波形曲線。圖2(b)是外場實爆所測數(shù)據(jù)與計算所得理想數(shù)據(jù)曲線對比結(jié)果，由圖2(b)可知實爆實驗所測曲線數(shù)據(jù)與模擬計算所得結(jié)果基本一致，數(shù)據(jù)真實有效。

圖2 實爆現(xiàn)場示意圖及爆炸波形Fig.2 Schematic diagram for the far-field blast environment and explosion waveforms

1.3 激波管實驗

基于激波管的抗沖擊評價方法具備快速、高效和可操作性強等優(yōu)勢，本文中改造現(xiàn)有的高溫燃氣激波管，構(gòu)建超壓峰值為100～300 kPa、持續(xù)作用時間為1～5 ms的沖擊波作用環(huán)境。

1.3.1激波管實驗基本條件

圖3為激波管出口位置兩次重復實驗獲得的沖擊波超壓時程曲線。由圖3可知，改造后的激波管模擬的爆炸波波形同理論爆炸波波形相似，模擬產(chǎn)生的爆炸沖擊波波形重復性較好，滿足測試評價要求。

圖3 激波管測試得到的超壓時程曲線Fig.3 Overpressure-time curvesobtained in the shock tube experiments

Skotak 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，激波管不同位置模擬產(chǎn)生的爆炸沖擊波波形差異較大，距離管口越遠，與理論爆炸波波形相差越大。因此，將實驗?zāi)Ｐ椭糜诩げü軆?nèi)部或噴管出口位置評測效果最優(yōu)。實驗時，將設(shè)置有9個超壓傳感器測量點位的頭部模型固定在激波管擴張段末端，頭模正向或側(cè)向面對來波方向放置，如圖4所示。

圖4 頭部模型在激波管中的位置照片F(xiàn)ig.4 Photos showing the head model positionsin the shock tube

1.3.2實驗驗證

將裸頭模分別置于實爆場和激波管環(huán)境下研究其抗爆炸沖擊波能力。由圖5可知，激波管模擬的爆炸波波形與實際爆炸波形相似。實際爆炸環(huán)境下，自由場測點處測量的沖擊波超壓峰值為204 k Pa，激波管噴管出口測點測量的沖擊波超壓峰值為294 kPa。爆炸沖擊后頭模狀態(tài)良好，未見頭模因受沖擊發(fā)生形變，所有測點數(shù)據(jù)真實、有效。

圖5 實爆自由場和激波管噴管出口爆炸超壓的演化Fig.5 Overpressure changes in the blast free field and at theoutlet of theshock tubenozzle

圖6給出了實爆場和激波管測試環(huán)境下裸頭模上4個測點位置的超壓時程曲線。由圖6可知，前額測點最先受到爆炸沖擊波作用，隨后是頂部和側(cè)面測點，頭模后部最后受到爆炸沖擊。

圖6(a)為實爆場環(huán)境下裸頭模各個測點的超壓時程曲線。裸頭模頂部測點和側(cè)面測點的沖擊波超壓峰值與自由場接近，沖擊波正向沖擊頭模額頭位置，瞬時狀態(tài)下與頭模發(fā)生劇烈相互作用，從而形成正面反射，測量所得沖擊波超壓峰值約為自由場的3倍；頭模后部測量沖擊波超壓峰值略有下降，約為自由場的2/3。

圖6(b)為激波管環(huán)境下裸頭模各個測點的壓力時程曲線。與實爆場相比，對應(yīng)位置所得曲線基本相似，但略有不同[32]。首先，外場實爆實驗所得超壓時程曲線在6.5 ms后呈再次上升趨勢，激波管實驗測試結(jié)果未出現(xiàn)類似情況。這是因為實爆場發(fā)生的爆炸波為球面波，爆炸波行至地面后反射造成二次沖擊；而激波管模擬產(chǎn)生的爆炸波為平面波，無地面二次反射。其次，基于激波管模擬產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值偏低。這是因為，沖擊波從激波管擴張段噴出時劇烈膨脹，該膨脹效應(yīng)降低了沖擊波強度。這兩種實驗方法雖然有些少差異，但對單兵防護裝備抗爆炸沖擊波能力的評價影響較小。

圖6 實爆場和激波管測試環(huán)境下裸頭模上不同測點位置的超壓時程曲線Fig.6 Overpressure-time curves at different measured points in the bare head in the far-field blast and shock tube environments,respectively

由上述分析可知，激波管實驗可替代外場實爆實驗，激波管實驗環(huán)境有利于開展單兵裝備抗爆炸沖擊波性能的定性或定量化分析，便于防護材料及單兵防護裝備的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化設(shè)計研究。

2 基于激波管的不同盔形防護沖擊波性能分析

2.1 正向抗沖擊波測試結(jié)果及分析

利用激波管對裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模分別進行正向沖擊波防護能力測試。圖7是激波管出口處所測超壓時程曲線，3次實驗?zāi)M所得沖擊波波形基本一致，超壓峰值分別為294、289和300 kPa。沖擊測試后，頭盔和頭模狀態(tài)良好，未見形變。

圖7 噴管出口的超壓時程曲線Fig.7 Overpressure-timecurvesat the nozzle outlet

為了對比不同結(jié)構(gòu)頭盔的沖擊波防護性能，圖8給出了3種頭模（裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模）前部、前額、頂部和后部4 個典型測點處的超壓時程曲線。實驗結(jié)果表明，佩戴頭盔可有效降低頭模前額測點和頂部測點的沖擊波超壓峰值，防護效果明顯。

圖8 裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模各部位正向?qū)嶒灲Y(jié)果Fig.8 Forward experimental results of different partsfor the bare head,two-half-helmet head and integral-helmet head models

沖擊波與頭盔-頭模系統(tǒng)發(fā)生相互作用時，裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模的眼部和前部測點最先受到?jīng)_擊，隨后前額測點、頂部測點和后部測點依次受到?jīng)_擊作用。沖擊波在曲面結(jié)構(gòu)頭盔的邊界處發(fā)生分離，沿頭盔-頭模系統(tǒng)繞流并在腦后部重新匯聚，導致此處超壓峰值迅速上升。這一測試結(jié)果與實際爆炸場測試結(jié)果及模擬計算所得結(jié)論一致[19]。

一體盔頭模前部測點位于帽檐邊沿，受沖擊強度（364 kPa）與裸頭模（375 kPa）接近；前額部測點由于受襯墊保護，沖擊超壓大幅下降（50 kPa）；頂部測點沖擊波超壓峰值（119 kPa）略低于裸頭模（140 kPa）；由于沖擊波繞射疊加，后部測點超壓峰值急劇升高（365 kPa）。兩半盔頭模前部測點處沖擊波超壓峰值為633 kPa，遠高于裸頭模；受盔體及懸掛系統(tǒng)保護，前額測點沖擊波超壓峰值下降至225 kPa，低于裸頭模（305 kPa）；頂部測點沖擊波超壓峰值下降明顯，約為54 kPa；后部測點超壓峰值（303 kPa）迅速上升，致傷情況較裸頭模（148 kPa）嚴重，但輕于一體盔頭模。

圖9給出了頭模各部位超壓峰值統(tǒng)計結(jié)果，圖10給出了裸頭模和頭盔頭模系統(tǒng)眼部、耳部測點的沖擊波超壓時程曲線。由圖9可知，對前部測點而言，一體盔頭模超壓峰值與裸頭模超壓峰值相似，略高于噴管出口處超壓峰值（300 kPa）；兩半盔頭模超壓峰值約為噴管出口測點處超壓峰值的2倍，這是因為測試時兩半盔佩戴位置偏下，受沖擊后撞擊傳感器所致。對前額測點而言，一體盔頭模的超壓峰值是裸頭模超壓峰值的1/6，約為分體結(jié)構(gòu)頭盔超壓峰值的1/5，但6.0和7.5 ms以后分別出現(xiàn)饅頭狀峰形，這是因為頭盔襯墊形變發(fā)生蓄能-釋能過程所致。對頂部測點而言，兩半盔頭模所測沖擊波超壓峰值約為噴管出口沖擊波超壓峰值的1/6，是裸頭模和一體盔頭模沖擊波超壓峰值的1/3，沖擊波在頂部分體結(jié)構(gòu)處分流卸壓并形成疊加反射，導致超壓峰值降低明顯，但延長了作用時間（從5.5～8.5 ms）。由于沖擊波的繞行和疊加，后部測點處一體盔頭模沖擊波超壓峰值（365 kPa）約為裸頭模沖擊波超壓峰值（148 kPa）的2.5 倍，防護效果遠不如于分體結(jié)構(gòu)頭盔。

圖9 裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模正向測試超壓峰值結(jié)果統(tǒng)計Fig.9 Forward experimental overpressure peak for different parts of the barehead,two-half-helmet head and integral-helmet head models

自身結(jié)構(gòu)的特殊性使眼部和耳部極易成為沖擊波攻擊人體的重要靶向器官，沖擊波疊加匯聚后使其承受擠壓和受拉兩種破壞作用。因此，眼部和耳部是人體爆炸沖擊波防護的重點。由于缺少有效防護，頭盔頭模眼部（589和633 kPa）和耳部（282和267 kPa）區(qū)域沖擊波超壓峰值與裸頭模（眼部，589 kPa；耳部，290 kPa）無差異，且沖擊波超壓時程曲線呈明顯波動趨勢（見圖10）。

圖10 裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模系統(tǒng)的眼部和耳部正向測試實驗結(jié)果Fig.10 Forward experimental results for the eye and ear of the bare head,two-half-helmet head and integral-helmet head models

2.2 側(cè)向抗沖擊波測試結(jié)果及分析

利用激波管對裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模進行側(cè)向沖擊波防護能力測試。圖11為激波管出口處所測沖擊波超壓時程曲線，3次實驗?zāi)M所得沖擊波波形基本一致，超壓峰值分別為185、204和191 kPa。沖擊測試后，頭盔和頭模狀態(tài)良好，未見形變。

圖11 噴管出口的超壓時程曲線Fig. 11 Overpressure-time curvesat the nozzle outlet

圖12 給出了裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模前部、前額、頂部和后部4 個測點處的超壓時程對比曲線。實驗結(jié)果顯示，當遭受側(cè)向爆炸沖擊波襲擊時，佩戴頭盔可有效降低頭模兩側(cè)面超壓峰值。在現(xiàn)行懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，頭盔易左右晃動，沖擊波進入顱腦和頭盔之間，發(fā)生反復作用造成傷害。

圖12 裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模各部位側(cè)向?qū)嶒灲Y(jié)果Fig.12 Lateral experimental results for different parts of the barehead,two-half-helmet head and integral-helmet head models

由圖12和圖13可知，裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模的耳部最先受到?jīng)_擊，隨后前部、前額、頂部和后部受到?jīng)_擊波作用。一體盔頭模前部測點（85 kPa）、前額測點（135 kPa）和后部測點（55 kPa）所測沖擊波超壓峰值與裸頭模（前部測點，77 kPa；前額測點，126 kPa；后部測點，52 kPa）相似；頂部測點所測沖擊波超壓峰值（61 kPa）遠低于裸頭模（107 kPa）。兩半盔頭模前部測點（89 kPa）、頂部測點（128 kPa）和后部測點（55 k Pa）所測沖擊波超壓峰值與裸頭模（前部測點，77 k Pa；頂部測點，107 k Pa；后部測點，52 kPa）接近；前額測點所測沖擊波超壓峰值（40 kPa）低于裸頭模（126 kPa）。

圖13 裸頭模、兩半盔頭模和一體盔頭模側(cè)向超壓峰值Fig. 13 Lateral overpressure peaks for the bare head,two-half-helmet head and integral-helmet head models

圖13給出了頭盔-頭模系統(tǒng)遭受側(cè)向沖擊波作用時，耳部實驗結(jié)果及各部位所測沖擊波超壓峰值統(tǒng)計結(jié)果。由圖13(a)可見，缺少有效防護使裸頭模（387 kPa）和兩半盔頭模（442 kPa）耳部測點所測沖擊波超壓峰值迅速上升，遠高于噴管出口壓力；由于護耳結(jié)構(gòu)的阻擋和保護，一體盔頭模耳部測點所測沖擊波超壓峰值（191 kPa）約為裸頭模和兩半盔頭模的1/2。由此可見，結(jié)構(gòu)的密閉性對爆炸沖擊波防護有積極影響。

由圖13(b)可知，裸頭模、一體盔頭模和兩半盔頭模前部和后部測點所測沖擊波超壓峰值相當。對于前部測點而言，6.0 ms后不同結(jié)構(gòu)頭模都采集到多次上升信號，這是由于沖擊波與盔體邊沿反復作用所致。一體結(jié)構(gòu)頭盔防護面積較大，盔體覆蓋傳感器，因此其所測沖擊波超壓峰值低于分體結(jié)構(gòu)頭盔。對于頂部測點而言，由于護耳結(jié)構(gòu)的阻擋和保護，沖擊波難以進入一體結(jié)構(gòu)頭盔內(nèi)部，其頂部所測沖擊波超壓峰值僅為裸頭模和兩半盔頭模的1/2。但由于沖擊波直接作用于護耳位置使頭盔晃動，原本覆蓋于懸掛系統(tǒng)襯墊下的前額位置傳感器暴露出來，致一體盔頭模前額測點所測超壓峰值與裸頭模相似，是兩半盔頭模的3倍。

綜上所述，受到?jīng)_擊波正向作用時，分體結(jié)構(gòu)頭盔防護效果優(yōu)于一體結(jié)構(gòu)頭盔。兩種結(jié)構(gòu)頭盔對頭模前額和側(cè)面都有良好的防護效果，但沖擊波的直接作用使分體結(jié)構(gòu)頭盔前部測點所測沖擊波超壓峰值增大。由于分體結(jié)構(gòu)頭盔頂部呈前后搭接狀，頂部空隙使沖擊波膨脹釋放，出現(xiàn)一個超壓峰值下降但作用時間延長的壓力釋放區(qū)域，由此導致本應(yīng)在頭模后部產(chǎn)生的繞流-疊加高壓區(qū)壓力較一體結(jié)構(gòu)頭盔大幅下降。受到側(cè)向沖擊波作用時，護耳部分的保護使沖擊波難以進入一體結(jié)構(gòu)頭盔內(nèi)部，其頂部和側(cè)面區(qū)域所測沖擊波超壓峰值明顯低于分體結(jié)構(gòu)頭盔和裸頭模。

分析上述數(shù)據(jù)可得以下兩點啟示：（1）封閉結(jié)構(gòu)可最大程度減少沖擊波進入頭盔頭模內(nèi)部，達到最優(yōu)防護效果；（2）如果不能實現(xiàn)全封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計，那就盡量將已經(jīng)進入頭盔頭模內(nèi)部的沖擊波分流，減弱因匯聚/累積產(chǎn)生的高壓區(qū)壓力，亦可達到防護目的。

基于以上推測和結(jié)論，結(jié)合文獻[21-22]，設(shè)想通過增加佩戴風鏡和耳塞，檢驗封閉結(jié)構(gòu)是否有利于防護爆炸沖擊波。

2.3 全防護測試結(jié)果及分析

利用激波管對全防護頭模進行正向沖擊波防護能力測試。圖14(a)為全防護頭模佩戴風鏡和耳塞的實物照片，圖14(b)給出了激波管出口的沖擊波超壓時程曲線，測點測量的沖擊波超壓峰值為199 kPa。為了方便對比，將兩半盔頭模和全防護頭模實驗數(shù)據(jù)歸一化。實驗結(jié)果顯示，頭盔和頭模狀態(tài)良好，未見形變。

圖14 全防護狀態(tài)示意圖及噴管出口沖擊波超壓時程曲線Fig.14 Schematic diagram of the full-protection head model and overpressure-timecurves at the nozzle outlet

圖15為受正向沖擊作用時，兩半盔頭模和全防護頭模各部位實驗結(jié)果。由圖15(a)～(d)可見，通過增加佩戴風鏡和耳塞，全防護頭模的前部、前額、頂部和后部測點超壓峰值顯著下降。尤其是后部測點，歸一化后，超壓峰值是僅佩戴分體結(jié)構(gòu)頭盔頭模的1/5，大大降低了沖擊致傷的幾率。由于風鏡和頭盔之間存在間隙，沖擊波在間隙中不斷疊加、反復作用，導致波形圖呈多峰趨勢。

圖15 受到正向沖擊時，兩半盔頭模和全防護頭模各部位實驗結(jié)果。Fig.15 Forward experimental results for different parts of the two-half-helmet head and full-protection head models

由圖15(e)可見，由于風鏡的保護，眼部超壓峰值僅為沒有佩戴風鏡頭模的1/4，約為噴管出口的1/2。佩戴耳塞也可有效降低耳部沖擊波超壓峰值，但由于玻璃鋼頭模耳道較淺，耳塞不能完全適配，因此防護效果不明顯。

以上數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)的封閉程度對爆炸沖擊波防護至關(guān)重要。

3 結(jié) 論

（1）基于激波管的抗爆炸沖擊波測試方法成本低、重復性好，可有效替代外場實彈實爆實驗，實現(xiàn)對單兵裝防護備抗爆炸沖擊波性能的有效評價。

（2）受到?jīng)_擊波正向作用時：對頂部測點而言，兩半盔頭模所測沖擊波超壓峰值約為噴管出口的1/6，是裸頭模和一體盔頭模的1/3。沖擊波在兩半盔頂部分體結(jié)構(gòu)處分流卸壓并形成疊加反射，導致作用時間延長（5.5～8.5 ms），但超壓峰值降低明顯。對后部測點而言，沖擊波的繞行和疊加使一體盔頭模所測沖擊波超壓峰值（365 kPa）略高于兩半盔頭模（303 kPa），約為裸頭模（148 kPa）的2.5倍。

（3）受到側(cè)向沖擊波作用時，護耳部分的保護使沖擊波難以進入一體結(jié)構(gòu)頭盔內(nèi)部，其耳部和頂部測點所測沖擊波超壓峰值僅為裸頭模和兩半盔頭模的1/2。

（4）人體眼部和耳部自身結(jié)構(gòu)的特殊性使其極易成為沖擊波攻擊的重要靶向器官，也是人體沖擊波防護的重點區(qū)域。

（5）防護裝備結(jié)構(gòu)密閉性對其抗爆炸沖擊波性能有重要影響。提高單兵頭面部防護裝備結(jié)構(gòu)密閉性，如佩戴眼鏡、耳罩或者防護面罩，可減少沖擊波進入頭盔-頭模系統(tǒng)內(nèi)部，減小因沖擊波疊加匯聚產(chǎn)生的高壓區(qū)域，減弱沖擊傷害。