保护头盔

保护头盔是飞行人员防护救生装备之一。其主要功用是保护头部，防止因碰撞和气流吹袭等所造成的外伤；此外，还兼有防噪声、防辐射热、防眩光（及其它视觉保护）、与供氧装备配套、安装通话装置，乃至与瞄准具结合以及进行头部通风降温等功用。
1908年首次发生因头部外伤而死亡的飞行事故后，保护头部的重要性开始受到重视。经长期探索，于1948年研制成功硬壳保护头盔(B型盔)。为了提高其舒适性及防止在弹射跳伞中脱落，后又将头盔结构改进为由外部硬壳及内部皮飞行帽两部分组成。随着飞机性能的提高，头盔结构也相应发生变化，目前已研制出许多类型保护头盔。国内、外近年研制成功的“两用头盔”(即“活动面窗型部分加压头盔”)，也具有保护头盔的性能与使用范围。它与密闭头盔尚不同，其面板通常呈收上位置，飞行人员面部如同戴保护头盔时外露，因而消除了戴密闭头盔视野小、闷热不适的缺点； 当座舱密封性遭到破坏时，面板自动下落，象密闭头盔那样实施加压供氧。为了提高性能，减轻重量，解决闷热及与其它装备配套的问题，保护头盔仍在不断改进中。
保护头盔的结构如图1所示。头盔外壳多用玻璃钢制成，以便分散碰撞能，阻止锐物贯穿。外壳下的衬垫，一般由聚苯乙烯泡沫塑料制成，具有进一步分散碰撞动能、吸收能量、减低加速度峰值及增长率的作用。也有在外壳下使用调节网架结构的，其作用相同。头盔前部装有滤光镜，除保护眼睛外，尚有保护颜面部免受迎面气流吹袭的作用。耳垫有隔音效能。头盔上有供氧面罩挂钩为固定供氧面罩之用。头盔内还装有通话装置。头盔的颏带和项带起固定头盔的作用，即使遇到强大迎面气流，亦可将其固定牢。头盔前部有通风孔，弹射离机时，进入头盔的高速气流即由此孔道排出，以防止头盔内部兜风，造成对颏带的强力牵引。

图1 保护头盔

1.滤光镜护盖 2.滤光镜 3.耳垫 4.项带 5.颏带 6.滤光镜操纵手柄 7.滤光镜锁紧装置8.玻璃钢外壳 9.氧气面罩挂钩 10.通讯导线

航空活动中，下列情况可能引起飞行人员头部外伤：
❶飞行过程中风档损坏或座舱盖意外失落、或弹射离机时的迎面气流吹袭均可能引起面部、眼睛广泛损伤。
❷弹射离机瞬间，头部被无线电插头或其它零件碰伤； 开伞时，头部被伞带打伤；着陆时，由于伞衣拖拽，发生头部摔伤或擦伤。
❸气流引起颠簸或飞机有负加速度(-Gz)时，飞行员头部可能与座舱盖碰撞。
❹飞机迫降时，由于突然制动的惯性作用，头部可能碰在瞄准具上而发生严重外伤，等等。据我国空军1950～1960年飞行事故统计资料，全部被迫跳伞负伤事例中，头部伤占30.5%。据美国陆军1961～1974年直升机飞行事故统计，头部外伤的死亡率为15～23%。据美国空军1963～1967年飞行事故统计，严重或致死性头部外伤的发生率为19%；头部外伤占事故外伤的86%。
对于头部耐受碰撞能力的深入了解是设计保护头盔的依据之一。可分别以碰撞速度、碰撞加速度等物理量表示碰撞的能量。人头部对碰撞速度的耐受限度为2.1m/s。能引起脑震荡的碰撞速度平均为6m/s(4.6～7.6m/s)。图2为引起脑震荡的加速度-时间曲线。能引起头部不同部位骨折的碰撞加速度阈值分别为： 鼻30G，颌骨40G，颧骨50G，前颧弓100G，前齿100G，颞顶骨交界区(面积为6.45cm2)50～100G，额骨(面积为6.45cm2)100～200G。但有个体差异。
关于头盔缓冲碰撞性能的设计要求，各国不尽相同。1979年美国国家标准规定，头盔外壳在一定冲击作用下，经其内衬垫缓冲后的加速度值不得超过300G。至1980年仍沿用<400G的标准。对大部分保护头盔来说，达到损伤G值阈限所需冲击作用时间均已超过3毫秒。如为不足3毫秒的短时间碰撞，则可由头盔衬垫的可压缩性(约有1cm的压缩距离)缓冲防止。衬垫愈厚，保护性能愈好(可加厚至3.5cm)，但泡沫塑料的密度仍须减低。加厚衬垫和适当减低密度，可降低传导力，减少颅底骨折的发生率。Slobodnik (1979)指出，不应仅根据G的峰值评价保护头盔的防碰撞性能，而应从整个头部损伤的生物动力学变化出发，采用“严重性指数”(SI)和“头损伤标准值”(HIC)进行全面评价。它们分别由下式定义：

式中：A—加速度(G),2.5—加权因数，T—冲击持续时间(s)。

式中：t₁和t₂—最大HIC碰撞冲击时的开始和终末时间(s),a(t)—总加速度，2.5—加权因数。引起脑震荡的SI阈值为1500,HIC阈值为1000。

作用时间 (ms)

图2 人头部对碰撞加速度的耐力曲线(引自Sharp,1978)此曲线表示能引起脑震荡所需的碰撞加速度值及作用时间

美国威恩州立大学(Wayne State University,WSU)的实验室曾测出以发生脑震荡为指标的头部耐受曲线(WSU曲线)。在头盔碰撞实验中，将经过缓冲的内衬垫下加速度值及作用时间标入WSU耐受曲线图，如在曲线以上即表示头盔性能不佳； 反之，则说明头盔性能良好，不致发生脑震荡。此曲线能更加全面评价头盔的防碰撞性能。这也表明不能仅根据G的峰值评价头盔的防碰撞性能。
头盔外壳还应具有一定硬度，以防止锐物贯穿损伤头部。
戴保护头盔并放下头盔滤光镜时，应能在850km/h迎面气流吹袭下，保护飞行人员面部不致发生损伤。如将头盔前部外表做成水平走向类似百叶窗的突起，则在遇到强气流时，由于产生向下推力，可以抵销将头盔掀起的上升力的47%。考虑到低空大速度飞行时发生飞鸟碰撞的危险，故已采用高强度材料制作头盔滤光镜，以防止鸟撞所致外伤。
军用飞机座舱内的噪声强度可达100dB，有时115dB。头盔外壳与耳垫的联合隔音性能，可将外来噪声衰减到能保持正常通话水平。在音频范围内至少可衰减噪声20dB。在1000Hz以上频率范围内可衰减噪声30dB或更多。头盔受话器的聚氨酯泡沫耳垫，在1000～7000Hz范围内，可将噪声衰减40dB。
在10000m高空，阳光的直接照射和从下面云层反射上来的强光刺激，可能使人目眩而致视力模糊。保护头盔滤光镜的透光率一般为12～18%，可将大部分光线吸收。头盔滤光镜还应符合光学要求，防止光学畸变，保证视物不失真。
为了对空中执勤飞行人员提供对核武器所致闪光盲的防护，可使用锆钛酸铅镧防闪光盲滤光镜。还可考虑将防激光滤光镜装在头盔上，供飞行人员防激光损伤用。
头盔外壳应为浅色或白色，在夏季飞行中可反射太阳辐射热。大多数头盔在高温环境中戴用时，常有闷热感，须考虑通风降温问题。头面部皮肤血管及汗腺丰富，故利用头盔通风对颜面、头部和颈部的降温效果较好。例如，将0.14m3/min空气流输入头盔内降温，其效果与流量为0.34m3/min的通风服大致相同。此外，也可用水冷方法进行头盔降温，但装置比较复杂。
头盔和加压供氧面罩配套使用时，要求面罩内余压达1000mmH₂O。余压为500mmH₂O时，漏气量应不大于5L/min；余压到1000mmH₂O时，漏气量量不得大于10L/min。
头盔应适合飞行人员的头型，压力分布要均匀，戴用时应不感到“压头”或“夹头”，不致在冲击力作用下脱落。最好采用在飞行人员头上直接发泡成型的方法制造适合个体头型的头盔衬垫。头盔要轻，因暴露于持续性高G环境中时，如头盔太重将限制头、颈部活动。头盔太重还加大颈部负荷，易引起所谓“甩鞭伤”，即身体突然加速或减速时，上四个颈椎如鞭梢样挥动，下三个颈椎如鞭柄固定，因“鞭梢”负荷过重，故可损伤颈椎与脊髓。据一项统计，在戴用头盔的219例碰撞事故中，只有3例(1.4%)系因头盔贯穿致伤，其中仅1例死亡，其余2例均只有头皮伤。由此可见，头盔外壳贯穿造成外伤机会少，故可用降低外壳厚度的方法减轻头盔重量。有的作者甚至主张，除选用强度高、重量轻的材料外，还应牺牲一部分防碰撞性能为代价，以尽可能减低头盔重量。Mulligan (1976)曾报道仅重一公斤的轻型头盔。
现以美国海军HGU-35/P头盔(图3)为例，介绍当前头盔发展概况。此型头盔很轻，外壳和滤光镜护罩系由“Kevlar-49”织物加工制成，不仅刚度、硬度和韧性比浸渍环氧树脂的玻璃纤维布高得多，且重量显著降低。外壳下吸能垫按戴用者头型直接发泡成形，固位性大为改善。外壳装有轻型高阻抗耳机和高质量小型驻极体送话器。轻型低轮廓供氧面罩的一边铰装在头盔上，另一边在使用时扣合并锁定。氧气软管及通话系统引线从头盔后部引入，氧气经耳部后上方的小型氧气调节器和头盔内氧气管路及外软管进入面罩。滤光镜采用可更换的高强度聚碳酸酯镜片。有无色透明、浅色、深色、变光学密度及高分辨率黄色共五种镜片，由飞行人员根据具体情况选用。此种头盔还适合配备盔装瞄准具。

图3 美国HGU-35/P型头盔

1. 氧气管路 2.氧气与通讯系统的断接件 3.耳罩（基准） 4.选择手柄 5.氧气调节器 6.呼吸活门 7.氧气-通讯系统与面罩的断接件

进一步展望2000年的头盔发展水平，应是已结合为一体的头部及呼吸防护系统，有电致变色或光致变色装置提供视觉防护，有与头盔结合为一体的目视探测、控制、显示装置，通讯系统及噪声防护装置，固位性增强而重量大为减轻。

保护头盔

protective helmet