基于纹影成像技术的头盔边缘冲击波流动特性研究及其对防爆创伤性脑损伤防护的启示

本研究通过纹影成像技术(schlieren imagery)系统考察了不同角度头盔边缘(20°、30°、45°、90°及45°切口设计)对冲击波(shock wave)流动特性的影响。研究人员发现冲击波会通过衍射(diffraction)绕过所有测试边缘进入头盔-头部空腔，且不同边缘设计未能显著改变冲击波进入速度(平均320 m/s)。研究首次证实头盔衬垫(helmet pads)无法有效反射冲击波，揭示了传统几何设计在防爆创伤性脑损伤(bTBI)防护中的局限性，为新型防护装备研发提供了重要实验依据。

　　

在军事和民用防护领域，爆炸冲击波引发的创伤性脑损伤(bTBI)已成为威胁人员安全的重要问题。现有研究表明，头盔设计中的"水下冲刷效应"(underwash effect)会导致冲击波在头盔-头部空腔内产生压力积聚，显著增加脑损伤风险。尽管过去十年间已有大量关于头盔防护性能的计算模拟和冲击管实验，但关于头盔边缘几何形状如何影响冲击波流动的基础研究仍存在空白。

美国密苏里理工大学采矿与爆破工程系(Department of Mining and Explosives Engineering, Missouri University of Science and Technology)的Cody Thomas和Catherine E. Johnson团队在《Heliyon》发表的研究，首次采用高时空分辨率的纹影成像技术(schlieren imagery)，系统解析了冲击波与不同角度头盔边缘的相互作用机制。研究人员创新性地设计了可更换边缘的3D打印头盔-头部截面模型，通过200,000帧/秒的高速摄影捕捉冲击波动态，定量比较了20°、30°、45°、90°边缘及45°切口设计对冲击波衍射和流动特性的影响。

关键技术方法包括：(1)基于真实军用头盔(ACH)比例设计的3D打印截面模型；(2)Z型纹影成像系统配合2米NONEL冲击管产生标准冲击波；(3)200,000 fps高速摄影定量分析冲击波速度；(4)改良头盔衬垫(厚度从19mm减至6mm)的对比实验；(5)5次重复实验确保数据可靠性。

主要研究结果：

1. 冲击波衍射机制

   所有测试边缘均无法阻止冲击波进入头盔空腔。冲击波在接触边缘内角0.02-0.03ms内发生衍射，形成典型的弓形波结构(bowed shock)。

   

2. 边缘角度影响

   定量分析显示不同边缘设计的冲击波进入速度无统计学差异(平均320±15 m/s)。向内翻转的20°边缘虽改变了波阵面形态，但未能减少冲击波渗透。

   

3. 衬垫作用机制

   改良头盔衬垫未产生可检测的冲击波反射，表明冲击波能量可能通过透射(transmission)或绕流方式穿透衬垫。

   

结论与意义：

该研究首次通过实验证实，单纯改变头盔边缘几何形状无法有效阻止冲击波进入头盔空腔，颠覆了"扩展边缘可增强防护"的传统认知。研究发现冲击波会通过衍射效应(diffraction effect)绕过任何物理边缘，这与流体力学中"高压向低压区域自然流动"的基本原理相符。更值得注意的是，标准头盔衬垫对冲击波的防护效果有限，这解释了为何临床中即佩戴头盔仍会发生bTBI。

研究为未来防护装备设计提供了重要启示：(1)需开发能主动耗散冲击波能量的新型材料，而非依赖几何阻挡；(2)衬垫系统应结合波阻抗匹配(impedance matching)设计；(3)可考虑利用受控涡流(vortex generation)降低后续压力。这些发现将推动防护装备从"物理屏障"向"能量管理"的设计范式转变，对军事、消防和工业防护领域具有广泛指导价值。