直升机飞行头盔热影响因素分析

曲洪东1，吴 思，黄 勇

(1.陆军航空兵研究所，北京 101123； 2.北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191)

0 引言

直升机综合盔系统是典型的人机交互设备，其功能日益增加的同时，也为头盔设计带来了更多挑战。头部是与热舒适有关的最敏感的身体部位之一，热舒适性的好坏将直接影响到飞行员佩戴头盔的意愿。飞行员在高温、高湿状态下，不仅身体灵活性降低，甚至会产生呕吐、脱水、中暑、昏迷等症状，严重影响战斗力甚至威胁到飞行员的健康和生命[1]。

国外一些实验研究已经监测了自行车头盔、马术头盔及板球头盔等对人体多种生理参数的影响[2～4]。Firoz Alam等人就五种商用自行车头盔进行了热舒适性实验，发现头盔的几何形状和通风口数量是影响散热的重要因素[5]。在国内，中国科学院任萍等人基于Fluent和相关实验研究了微风扇冷却对头盔系统的散热影响[6]。庄弘炜等人对武警防暴头盔的头面部积热影响因素进行了仿真研究[7]，分析了防暴头盔材料及通风孔设计对头面部积热的影响。国外的头盔热舒适性研究多以实验为主，涉及的头盔类型也比较多，而国内针对头盔的实验以及仿真研究相对较少。

目前针对头盔热舒适性的仿真存在着两点问题，一是头盔及人体头部模型较为简单；二是研究对象多为普通盔，与直升机头盔的几何结构、材质等均存在差异；因此，有必要开展直升机头盔的热性能研究工作。本文建立了“人头-直升机头盔-舱室”的耦合模型，利用Fluent仿真模拟，分析了佩戴两种样式直升机头盔的人头温度分布规律及热影响因素。

1 物理模型及研究方法

本文适当简化了两种样式飞行头盔的CATIA物理模型，去除了对热传递影响不大的部件。使用ICEM前处理软件划分了头盔模型的非结构自动体网格，网格划分好坏将影响数值计算结果[8]，经ICEM质量检查后导出的网格如图1所示。

据国标GB10000-88《中国成年人人体尺寸》的身高体重等数据，选用第50百分位的人体数据，由式(1)求得男性人体总表面积，结合头部百分比最终求得人头简化为球体后的头部表面积

Ask=0.006 07×H+0.012 7×W-0.069 8

(1)

式中Ask——人体的体表面积/m2；

H——人体的身高/cm；

W——人体的体重/kg。

表1人头简化模型相关尺寸

名称身高/cm体重/kg人体总表面积/m2头部百分比/[%]头部面积/m2简化球体半径/m男性17059.51.7186.110.1050.091 4

在此基础上增加了核心层，该层由骨骼和内脏组成，是人体内产热的主要来源，且温度随外界环境变化不大，为37℃[9]，简化球体半径为0.076 4 m。

本文还利用CATIA构建了真实人头外形，在该基础上也增加了一个与前文相同的球体核心层，两种人头模型的ICEM网格如图2所示。

舱室环境按实际情况给定空气温度、压力、速度等条件划分流场来模拟。舱室尺寸应符合GJB1471的规定，各处约束尺寸均采用最大值，最终将舱室简化为尺寸1 540 mm×710 mm×1 235 mm的长方体。

采用Fluent进行仿真时，选用三维基于压力隐式稳态求解器，各材料的物性如表2所示。计算时，如果考虑某个因素的影响，则相应的物性会进行调整，而其他物性则保持不变。流场中空气速度为0.1 m/s，温度为300.2 K，头盔及人头置于流场内各个界面均通过系统耦合，头盔侧边及人头底面均绝热，人头内核心层温度较稳定，维持310 K不变[9]。

2 仿真计算结果

2.1 不同材料对头部温度场的影响

本文研究了PC、ABS、HDPE和芳纶纤维四种头盔壳体材料对头面均温的影响，发现该值几乎相同，说明改进头盔的壳体材料对降低头面部温度的意义不大。针对头盔缓冲层EPS泡沫塑料进行研究，假定该材料的密度及比热容相同，仅针对不同导热系数进行仿真对比分析。本文EPS导热系数从0.02至0.16 W·m-1·K-1，共15组数据具体，如图3所示。此时壳体材料为PC，风速0.001 m/s，环境温度300.2 K。

表2头盔1相关材料性能参数

空气人头外层核心层EPS缓冲层壳体(PC)密度/kg·m-31.2251 0851 192.81501 200比热容/J·kg-1·K-11 006.433 6802 767.44681 256导热系数/W·m-1·K-10.024 20.440.580.0410.19

由上图可知，缓冲层的导热系数对头部平均皮肤温度的影响大于壳体层，但由于EPS材料的导热系数值较小且范围有限，这种差异尚不明显。此外，由于人体出汗被EPS吸收，会对其导热系数产生影响，该影响也可等效为EPS材料的导热系数增加。对于给定的EPS材料的不同导热系数，头面平均温度随着缓冲层材料导热系数的增加而缓慢减小。由此可见，通过改进头盔缓冲层材料来降低头盔的积热是可行的。

2.2 不同舱室温度对头部温度场的影响

某型机空调的鉴定试飞，试飞场气温304 K，得到了稳定平飞过程中舱内平均温度约296 K ，最高温度约300 K[10]，图4是环境温度为296 K和300.3 K的头部温度计算结果。

环境温度为296 K时，头面平均温度为308.45 K。环境温度为300.2 K时，头面平均温度308.92 K。由此可见，环境温度对头部皮肤平均温度影响较为明显，舱内温度的高低直接影响头皮温度的大小，故通过降低环境温度来降低头盔的积热是可行的。

2.3 两款头盔在相同外界条件下的头部温度场对比

头盔1和头盔2均采用较为真实的头盔及人头进行计算，两者的边界条件、计算域、材料、求解方法等均相同，初始风速0.1 m/s，温度300.2 K，计算结果如图5和图6所示。

从图5、图6可以看出，EPS缓冲层与头部接触的区域温度较高，应尽可能减少接触面积，防止热积的产生。由于头盔前方开口通风，而后脑及耳朵紧贴于头盔，较为密闭，故后脑及耳朵的温度较高。头盔1的头面均温为304.48 K，头盔2的头面均温为307.27 K，两者差别较大。头盔1由于头罩与头接触面积小，前方开口较大等原因，其头面均温更小、更舒适。

2.4 不同风速吹入通风口对头部温度场的影响

考虑通风孔对头面均温的影响，在头盔的左右侧分别设计了1个孔径为21 mm的圆孔，流场中的风会自动灌入该孔，其位置从图7可看出。

通风孔入口边界与流场耦合，环境温度置仍为300.2 K，头盔壳体材料设置为PC，缓冲层材料设置成导热系数为0.041 W·m-1·K-1的EPS 低泡沫塑料。考虑人头舒适性，其可接受的风速范围在0.5 m/s以内。图7是0.1 m/s和0.5 m/s这2种进口风速下的温度场分布。

由上图可知，通风孔的存在可有效降低头面部的温度，随着风速增加，头面部降温也较为明显，通风与改变头盔本身材料两者相比，明显通风的降温效果最好。

0.1 m/s、0.3 m/s和0.5 m/s这3种进口风速下对应的头面部平均温度较0.001 m/s下头面均温分别降低了约0.61 K，1.33 K，1.82 K，可见通风孔对头面部的温降与入口处风速存在着正相关关系。

3 结论

根据文献中直升机试飞数据结果的舱室温度，本文基于Fluent对直升机飞行头盔进行了热仿真计算，建立头—直升机头盔—舱室的三维模型，最终得到各种不同情况下的温度云图。在实验时，人员佩戴这两种样式头盔于23～24℃的无风环境，发现头盔1的头部温度均值为308.52 K，与环境温度为296 K时的仿真结果308.45 K数据相当，吻合较好，以上仿真合理。综上有以下结论：

(1)在头盔迎面有风的情况下，佩戴直升机飞行头盔时头部的温度分布存在着局部性差异，后脑勺处因通风不畅温度最高，与头部接触的区域温度也较高，应尽可能减少接触面积，外形设计时增大头盔前方开口；

(2)随着缓冲层材料的导热系数增大，头面均温缓慢降低；

(3)环境温度对头部皮肤平均温度影响较为明显，舱内温度的高低直接影响头皮温度的大小；在头盔上设计通风孔可有效降低头面部的温度分布，温度的降幅与舱室内的风速存在着正相关关系。