基于爆炸沖擊波的頭盔防護性能

伍楊， 覃彬， 王舒， 熊漫漫， 安碩， 盧海濤， 張先鋒

(1.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094； 2.中國兵器工業第208研究所 瞬態沖擊技術重點實驗室， 北京 102202)

0 引言

爆炸沖擊波致腦損傷是近年國外戰爭和局部沖突中士兵罹患的一種較為多發的創傷。尤其是爆炸越來越成為現代戰場的主要傷害來源，越來越多的士兵遭受沖擊波性腦損傷，從而引發嚴重的后遺癥。雖然以高強纖維復合材料為代表的輕型防彈裝備廣泛應用有效降低了槍彈破片對士兵的傷害，但防彈裝備并不能完全避免或大幅度減輕爆炸沖擊波對人體的傷害。美軍在伊拉克和阿富汗戰爭中投入了數十萬軍隊，經常遭遇近距離炸彈襲擊，在傷亡案例中爆炸沖擊傷已占總傷亡比例的66%～72%，其中由爆炸沖擊波造成的創傷性腦損傷占傷亡的60%。除了爆炸沖擊波，一些長期接觸大口徑火炮的作戰人員也顯露出腦損傷相關的病癥，火炮發射的炮口沖擊波也是導致創傷性腦損傷(TBI)的重要因素，需要在平時訓練中注重防護與損傷防治。在一系列靶場人員健康調查中也發現，長期從事射擊訓練及測試的射手曾出現腦損傷相關癥狀表現的概率近乎100%，在聽力、精神反應等方面退化趨勢較常人更為明顯。因此在士兵日常訓練中，也需要更加注意對操作人員的保護。

針對爆炸沖擊波顱腦防護，學者們做了大量研究工作。研究發現，爆炸沖擊波超壓可在極短的時間內作用于頭部，從而引起顱內高壓，甚至器官損傷。國外方面，Li等開展了遠場爆炸沖擊波作用下的頭盔防護機制研究，分析了有無頭盔保護的頭部模型超壓分布，結果表明，在正面沖擊波作用過程中，帶有頭盔的頭部模型頂部區域超壓峰值減小，但在后部區域增加。通過數值模擬分析，頭部模型后部區域超壓的增強主要是由于沖擊波的疊加匯聚。Rodriguez等通過Abaqus/Explicit有限元軟件分析了全盔系統(頭盔、護目鏡和下頜防護裝置)對TNT爆炸沖擊波防護效果，研究結果表明，全盔系統可將顱內壓力降低5倍以上。Sarvghad等模擬了爆炸沖擊波的傳播過程，并對無防護、有頭盔防護和防彈面罩防護的有限元頭部模型進行數值分析，獲取不同來向沖擊波的顱內生物力學參數。Shyam等從生物醫學角度和頭盔防護裝備設計角度闡述了增加頭盔的覆蓋面積和密閉性的必要性。Valverde等通過數值模擬分析了排爆頭盔在不同爆炸載荷下的力學響應，該頭盔可大幅度降低爆炸沖擊波超壓，對人員進行有效防護。Grujicic等對涂有聚脲的ACH頭盔開展基于爆炸沖擊波防護性能研究，采用有限元方法分析顱內壓力和加速度等，發現含有聚脲涂層的頭盔能有效提高防沖擊波特性。Jenson等開展基于爆炸沖擊波下的高性能碳納米管復合材料頭盔多尺度計算模型研究，分析了有/無防護下頭部以及納米復合材料頭盔內從爆炸到顱腦的能量傳遞的數值結果。Bloodworth-Race等通過激波管試驗驗證了不同厚度的頭盔內開孔聚氨酯泡沫材料的吸能效果。Annette等研究分析了水下局部爆炸的壓力- 時間關系，通過火箭筒、榴彈炮以及水下爆炸試驗驗證麻醉豬腦的壓力變化規律和傷情特征，研究結果表明，低頻波容易從空氣或水中進入豬大腦，但高頻波則被身體過濾，豬腦內所測得峰值超壓為腹部的3%。Long等通過激波管模擬沖擊波效應，研究了頭盔材料凱夫拉纖維對小鼠創傷性腦損傷的防護效果，結果表明，126～147 kPa的空氣超壓易造成小鼠神經病理改變，引起TBI，顯著影響急性心血管穩態機制和神經行為功能；凱夫拉背心包裹了小鼠胸部和部分腹部，大大降低了死亡率，可有效防護沖擊波超壓。Long等利用頭盔模型在有限元程序中模擬爆炸沖擊波場并進行分析，研究結果表明，顱骨能夠傳遞爆炸沖擊波，引起顱內高壓，正面爆炸的壓力波可通過頭盔兩側進入并環繞頭部，導致后方二次沖擊；對于不戴頭盔的情況，連續的正面爆炸沖擊將引起更高的顱內壓力，超過了造成腦損傷的 235 kPa 超壓閾值。Moss等通過數值模擬發現非致命爆炸可以導致顱骨彎曲，從而在大腦中產生潛在的破壞性載荷，這種機制可有助于TBI的損傷診斷和頭盔設計。

國內方面，蔡志華等對爆炸波的產生、造成的顱腦損傷類型及其病理特征、研究方法、致傷機制、損傷閾值和防護方法進行了綜述，簡要敘述了防爆頭盔防護材料對沖擊波的衰減作用及防護機制。柳占立等提出了基于顱腦爆炸傷致傷機制和評價指標的防護結構設計方法，包括新型防沖擊波材料的頭盔系統改進、頭盔緩沖系統設計、增加頭部保護系統的封閉性等。張文超等通過開展50 g TNT距有/無頭盔防護下頭部模型1 m處爆炸的數值模擬，分析不同工況下沖擊波流場壓力變化規律，得出典型戰斗頭盔可使前額空氣超壓衰減為無防護的54.5%，但是會使顱后空氣超壓增強為無防護的2.19倍。康越等基于激波管試驗條件，對裸頭模及佩戴一體結構頭盔和分體結構頭盔的頭部模型進行沖擊波防護性能評價測試，結果表明，人體眼部和耳部自身結構的特殊性使其極易成為沖擊波攻擊的重要靶向器官，防護裝備結構密閉性可有效阻止沖擊波進入顱腦內，減小疊加匯聚效應，提高士兵頭面部裝備防護性能。韓勇等研究了在沖擊載荷下內襯泡沫的能量吸收能力對摩托車頭盔防護性能的影響，建立了有限元數值分析頭盔模型，并開展了跌落仿真實驗，研究表明，在頭盔的前部、冠部和后部測試點區泡沫密度由40 kg/m增加到80 kg/m時，泡沫的能量吸收能力逐漸增大，頭部沖擊能量衰減更快。

綜上所述，頭盔對沖擊波腦損傷具有一定防護效果，但均都缺乏有效的試驗驗證，同時對于爆炸沖擊波在頭盔內的傳播衰減規律尚不清晰。本文通過靜爆試驗研究頭盔沖擊波防護性能，結合壁面壓力傳感器和顱腦模擬靶標，形成不同頭盔結構和頭盔內不同位置的沖擊波防護測試方法，并獲取模擬靶標前額、顱頂和顱后的壓力- 時間變化曲線，探索爆炸沖擊波在有/無防護條件下的顱腦表面傳播規律。

1 顱腦靶標

為真實模擬和評估爆炸沖擊波對顱腦表面的作用規律，匹配不同結構頭盔佩戴合理性等，依據國家軍用標準GJB5477—2006男軍人頭面型三維尺寸中選用符合人體結構尺寸的顱腦靶標。本文主要定性分析顱腦皮膚表面、頭盔內和頭盔外沖擊波傳播規律，顱腦內部組織結構不影響測試結果，故該顱腦靶標沒有考慮顱骨及腦組織，顱腦靶標內部填充聚氨酯泡沫。選用硅膠材料用于模擬頭部皮膚，厚度約10 mm，其力學性能和生物皮膚較為相似。靶標重心位于鼻梁至顱后的中心處，符合人體頭部重心位置，在顱腦靶標的前額、顱頂和顱后3個位置預留孔位，用于放置PCB自由場壓力傳感器，傳感器測試面外置于模擬皮膚表面，如圖1所示。

圖1 顱腦模擬靶標Fig.1 Head surrogate for experiment

本文選用4種方案開展試驗研究，分別為QGF-03式頭盔、FAST頭盔、FAST頭盔+面罩和全盔，如圖2所示。QGF-03式頭盔是國內主要現役頭盔之一，大量列裝于全軍和武警部隊，由芳綸纖維制備而成。FAST頭盔是一種綜合承載型頭盔，盔體匹配攜行導軌和魔術貼，可搭載防護面罩等模塊，廣泛應用于特種部隊和特警部門，可以滿足不同作戰環境，其采用超高分子量聚乙烯纖維制備而成。全盔由頭盔、護目鏡和護頜等模塊一體化構成，實現對頭面部、口鼻、耳部等器官的防護，本文擬用摩托車頭盔作為全盔樣機，所用材料為聚碳酸酯。試驗方案如表1所示。

圖2 試驗用盔Fig.2 Helmets for experiment

表1 不同頭盔類型試驗方案Table 1 Different helmets for experiment

2 試驗方法

試驗采用TNT炸藥，裝藥質量為50 g，模擬戰場環境下爆炸沖擊波。TNT為壓實藥柱，采用電雷管起爆。藥柱水平吊置于兩個支架之間，離地面1.7 m，參照真實人體身高。以藥柱中心位置為爆心，分別在藥柱兩側放置顱腦靶標，根據爆炸沖擊波在空氣中傳播規律的經驗公式計算，將靶標距爆心擬定為1 m，模擬顱腦靶標遭受100 kPa的沖擊波超壓峰值，如圖3所示。顱腦靶標同樣采用支架固定，與藥柱等高，數據采集設備采用瑞士Elsys公司生產的TraNET 408S瞬態記錄儀。試驗過程中1號壓力傳感器置于顱腦靶標1的前額,測得超壓峰值為，2號、3號、4號傳感器分別置于顱腦靶標2的前額、顱頂和顱后，測得超壓峰值分別為、、。顱腦靶標均正臉面對爆心，試驗場地布置如圖4～圖6所示。

圖3 沖擊波自由場壓力- 時間曲線Fig.3 The pressure-time curve of the free-field shock wave

圖4 頭盔防護沖擊波試驗示意圖Fig.4 Experiment arrangement

圖5 試驗現場布置圖Fig.5 Photograph of the arrangement of experiment

圖6 顱腦靶標佩戴頭盔效果Fig.6 The head surrogate covered with different helmet in the experiment

3 爆炸沖擊波傳播規律分析

爆炸試驗所測得的壓力- 時間曲線如圖7所示。由圖7可見，兩個顱腦靶標前額處超壓為典型近場沖擊波時程曲線，具有明顯超壓峰值，峰值過后壓力值逐漸下降。試驗測得無防護條件下顱腦靶標的前額處在距爆心1 m處的正面超壓為254.17～360.81 kPa之間，顱頂處為83.10 kPa和91.10 kPa，后腦處為56.10 kPa和57.76 kPa，如表2所示。分析可知由于沖擊波的反射疊加作用，沖擊波在前額部位的空氣超壓峰值大于相同位置的自由場壓力峰值。

表2 有/無防護條件下沖擊波壓力 峰值測試結果Table 2 Results of experiments for overpressure of shock waves with/without helmet

圖7 無防護條件下測試結果Fig.7 Results of pressure-time curves without helmet

對于顱腦靶標2，在無防護條件下沖擊波自由場先正面作用于前額，在0.4 ms后波峰抵達顱頂，壓力峰值為91.10 kPa，隨后呈現緩慢衰減；在0.8 ms后波峰抵達后腦處，壓力峰值為56.10 kPa，隨后呈現振蕩衰減趨勢，如圖7(a)所示。分析可知由于頭部的阻擋作用，沖擊波呈包裹狀向后腦傳播，同時會圍繞頭部進行透射、折射和反射，最后沖擊波會在后腦部位重新匯聚，匯聚部位會對頭部造成多次沖擊，但是相比于前額和顱頂，再次沖擊壓力峰值顯著降低，呈振蕩衰減趨勢。

戴上QGF-03式頭盔后，由于頭盔的阻擋作用，避免了沖擊波對前額的直接作用，前額部位空氣壓力峰值較無防護時顯著降低，超壓峰值為151.31 kPa和176.06 kPa，如圖8所示。由圖8可見：在0.4 ms后波峰抵達盔內顱頂處，曲線呈緩慢上升趨勢，超壓峰值為62.13 kPa和64.80 kPa；0.8 ms后波峰抵達盔內后腦處，超壓峰值為106.88 kPa和114.12 kPa，曲線振蕩明顯。分析可知，沖擊波進入頭盔內引起壓力波效應，出現壓力脈沖，考慮由沖擊波的不同傳播路徑、頭盔內表面反射等原因造成。從結果可知，在戴有QGF-03式頭盔后顱腦靶標2內壓力峰值中，>>，后腦處超壓峰值顯著增強。

圖8 穿戴QGF-03式頭盔后測試結果Fig.8 Results of pressure-time curves with QGF-03 helmet

定義頭盔對沖擊波的衰減率為=(-)，其中為無防護條件下超壓峰值，為有防護條件下超壓峰值。與無防護對比，戴上QGF-03式頭盔后的前額和顱頂處超壓能有效削弱58%和30%；后腦處超壓明顯增強50%以上。基于上述現象，結合試驗結果和仿真結果，分析在沖擊波自由場中，沖擊波超壓在頭盔內傳播可能滯后于頭盔外部，傳至盔外耳后或頸脖處的沖擊波會快速從后腦與盔體間隙處流入，與從前方傳入的沖擊波匯聚從而產生高壓，致使顱后超壓峰值顯著升高，圖8后腦處(4號測點)壓力- 時間曲線振蕩明顯，表明沖擊波反復作用于該區域。同時由于頭盔的阻擋，高壓氣體不能快速擴散，致使盔內顱頂壓力作用時間顯著增長，顱頂處的正壓時間從無防護的0.8 ms增長至有頭盔的1.2 ms。

戴上FAST頭盔后，靶標2前額傳感器安裝位置裸露在頭盔外，再加上帽檐處反射疊加，導致超壓峰值高于無防護狀態，在364.84～405.02 kPa之間；在0.5 ms后顱頂處正壓緩慢增加，在1.2 ms后到達峰值，為37.36 kPa和38.86 kPa，整個正壓時間持續1.5 ms(見圖9)。超壓峰值先作用于后腦處，為54.37 kPa和69.49 kPa，明顯高于顱頂峰值，但超壓沖量小于顱頂位置。與無防護對比，戴上FAST頭盔后的顱頂超壓能有效削弱56%，后腦處超壓則增強9%。

圖9 穿戴FAST頭盔后測試結果Fig.9 Results of pressure-time curves with FAST helmet

與QGF-03式頭盔相比，FAST頭盔內設泡沫襯墊和風帽調節器，與顱腦靶標更加緊密貼合。泡沫襯墊在一定程度上具有吸波耗能作用，可有效抑制沖擊波超壓峰值，但緊密貼合形成的封閉性易增加盔內顱頂處正壓作用時間。FAST頭盔顱后的壓力匯聚效應依然存在，但明顯小于QGF-03式頭盔。

戴上防護面罩后，靶標2前額處超壓峰值顯著降低，為75.41 kPa和77.05 kPa；0.7 ms顱頂處正壓緩慢上升，1.2 ms后達到峰值，為34.07 kPa和34.29 kPa，正壓持續時間同樣在1.5 ms之內，結果表明，防護面罩可有效阻擋沖擊波作用。由圖10(a)可知，戴上防護面罩后，超壓峰值先作用于后腦處(4號測點)，在40.66～53.26 kPa之間，且高于顱頂峰值，故存在沖擊波是先從頭盔外部(耳后、后頸脖)流入后腦，與迎面而來從前額- 顱頂- 后腦傳來的沖擊波形成了反射疊加。與無防護對比，戴上帶有防護面罩的FAST頭盔后，前額、顱頂和后腦超壓分別削弱75%、60%和17%。防護面罩能增強頭盔的沖擊波防護能力，有效削弱沖擊波超壓在顱腦表面作用。

圖10 穿戴帶有防護面罩的FAST頭盔測試結果Fig.10 Results of pressure-time curves wearing FAST helmet with mask

穿戴全盔后，前額處超壓峰值為10.79 kPa和11.36 kPa，1 ms后超壓峰值先后作用于顱后和顱頂，顱頂處超壓峰值為11.60 kPa和11.75 kPa，顱后處超壓峰值為10.09 kPa和11.80 kPa。顱內三處測壓點壓力峰值顯著降低，如圖11所示。分析可知，全盔結構包含護目鏡、護頜和護頸等模塊，頭部防護面積大，沖擊波只能通過模塊間微小間隙繞射流入頭盔內并與顱腦靶標發生作用。由圖11可見，三處壓力曲線走向相似，前額和顱頂處呈振蕩型上升曲線，在爆炸過程中，大部分能量通過沖擊波在氣- 固兩相介質交界面形成反射而散失，剩余小部分能量在頭盔材料界面傳遞方式發生改變，沖擊波能量轉化成材料彈性能、材料內部孔隙內能以及材料整體動能。同時，全盔內正負壓持續時間為7 ms，顯著高于其他頭盔。分析可知，在沖擊波自由場中，頭盔外部空氣快速流動導致壓力降低，頭盔內部空氣無法迅速排出，頭盔內外形成壓力差，造成顱腦表面出現負壓區，持續時間4～6 ms。顱后處呈現兩次負壓均表明沖擊波超壓沒有在顱后形成壓力匯聚效應，傳播規律與QGF-03式頭盔、FAST頭盔結果不同。與無防護對比，戴上全盔后的前額、顱頂和后腦超壓分別削弱90%、87%和80%，與QGF-03式頭盔和帶有防護面罩的FAST頭盔相比，全盔具有更好的沖擊波防護效果。

圖11 穿戴全盔測試結果Fig.11 Results of pressure-time curves with full-face helmet

4 結論

本文通過靜爆試驗研究頭盔沖擊波防護性能，結合壁面壓力傳感器和顱腦模擬靶標，形成了不同頭盔結構和頭盔內不同位置的沖擊波防護測試方法，獲得了模擬靶標前額、顱頂和顱后的壓力- 時間變化曲線，分析了爆炸沖擊波在有/無防護條件下的顱腦表面傳播規律。得到主要結論如下：

1)頭盔均能有效削弱沖擊波超壓，戴上QGF-03式頭盔的前額超壓可從無防護的352.57 kPa削弱至151.31 kPa；戴上全盔后，則可削弱至11.36 kPa；全盔防護效果最好，能在前額、顱頂和顱后超壓分別削弱90%、87%、80%，密閉性對沖擊波防護具有積極作用。

2)防護面罩可以大幅削弱爆炸沖擊波對頭部的傷害；在半封閉的情況下，對前額和面部沖擊波超壓的削弱可達75%；同時，對顱頂和顱后的沖擊波也具有較好防護效果。

3)沖擊波在有防護的顱腦靶標傳播過程中，易發生繞射和匯聚疊加。繞射至頭盔后部的沖擊波會從后腦與盔體間隙處流入，與盔內的沖擊波匯聚疊加從而產生高壓，致使顱后超壓峰值顯著升高；與無防護對比，QGF-03式頭盔內顱后超壓提高了50%～100%，FAST頭盔內顱后超壓提高了9%。

4)在沖擊波自由場中，頭盔外部空氣快速流動導致壓強降低，頭盔內部高壓氣體又無法迅速排出，致使盔內壓力作用時間顯著增長；同時頭盔內外形成壓力差易造成顱腦表面出現負壓區。