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爆炸性脑损伤防护的启示

本研究通过纹影成像技术系统分析了不同角度头盔边缘对冲击波流动的影响，发现冲击波会绕过所有设计边缘进入头盔腔体，且头盔衬垫无法有效阻挡冲击波穿透。该研究为改进军用头盔防爆设计提供了重要实验依据，对预防爆炸性脑损伤(bTBI)具有重要指导意义。

　　

在军事行动和反恐作战中，爆炸冲击波导致的脑损伤(bTBI)已成为现代战争中最常见的创伤类型。传统军用头盔主要针对弹片防护设计，但对冲击波的防护效果有限。更令人担忧的是，现有研究发现头盔与头部之间的空腔反而会加剧冲击波效应，这种现象被称为"下冲效应"(underwash effect)。头盔边缘作为冲击波进入的第一道关口，其几何形状是否会影响冲击波传播路径和强度，成为亟待解决的科学问题。

研究人员采用创新的纹影成像技术，通过3D打印制作了包含20°、30°、45°、90°等不同边缘角度的头盔-头部截面模型。实验使用NONEL导爆索产生冲击波，配合高速摄像机(200,000 fps)记录冲击波与各型头盔边缘的相互作用过程。研究同时考察了有无减震衬垫对冲击波传播的影响。

研究结果显示：

1. 不同边缘角度对冲击波传播的影响

   所有测试边缘都无法阻止冲击波进入头盔腔体，冲击波平均进入速度达320 m/s。特别值得注意的是，即使将20°边缘向内翻转试图阻挡冲击波，冲击波仍会绕过边缘进入。45°特殊切割边缘设计也未能改变这一现象。

2. 头盔衬垫的防护效果

   令人意外的是，头盔衬垫并未产生可检测的冲击波反射，表明冲击波能量可能直接穿透衬垫材料或在衬垫周围绕流。这一发现挑战了传统认为衬垫能有效缓冲冲击波的观点。

3. 冲击波衍射现象

   研究发现冲击波在遇到头盔边缘时会产生明显的衍射现象，形成弓形波向上进入头盔腔体。这种流体动力学特性使得单纯依靠几何形状改变难以阻挡冲击波渗透。

该研究的重要意义在于首次通过可视化手段揭示了冲击波与头盔边缘相互作用的动态过程，证明传统几何防护思路存在根本局限。研究建议未来设计应更多考虑冲击波动力学特性，如利用衍射诱导涡流降低压力等创新方法。论文发表在《Heliyon》期刊，为军用防护装备研发提供了重要实验依据，对预防爆炸性脑损伤具有重要临床指导价值。