ТВЕРДОЕ И МЯГКОЕ
Уже лет 40, как мотошлем обязателен по закону во многих странах, но часто решающим моментом при выборе является не столько уровень защиты, сколько оригинальный вид или раскраска. Однако в первую очередь при выборе шлема нужно обращать внимание на его способность как можно больше поглощать энергию удара, чтобы не доставалось голове. А для этого шлем должен правильно деформироваться и даже частично разрушаться при ударе. Энергия удара, которая не достигает головы, фактически уничтожает шлем. При этом один мощный направленный удар делится шлемом на несколько рассеянных и более слабых. Это не относится к фотографии на заставке: там изображена китайская каска нижнего ценового уровня с очень низкой степенью защиты.

Дизайн и материалы
3D-модель с необходимой деталировкой (уплотнители, воздухазаборники и т.д.)

Итак, мы решили узнать, как проектируются и изготавливаются шлемы, чтобы помочь вам в правильной оценке при выборе и покупке. Мотошлем состоит из двух оболочек, изготовленных из разных материалов и выполняющих разные функции. Объединённые в процессе изготовления, они должны распределять энергию удара на максимальную площадь и одновременно поглощать её.

Как поведет себя шлем при ударе?
Виртуальная модель состоит из множества базовых элементов. После крэш-теста можно детально наблюдать деформацию наружной оболочки и внутреннего демпфирующего слоя из пенопласта.

Наружная оболочка шлема - жёсткая скорлупа, изготовленная из разных материалов (термопластов или композитов). Из термопластов чаще всего используется ABS (дешёвый, эластичный, но требует несколько большей толщины материала) или поликарбонат (более дорогой, прочный, допускающий меньшую толщину материала), или их различные смеси с промежуточными характеристиками. Для композитных материалов используются волокна и ткани различного типа: стеклоткань, кевлар, карбон, которые иногда армируются металлической сеткой. Второй компонент композита - это связующий материал: ткань может быть предварительно им пропитана, он может быть нанесён вручную или автоматически. В качестве связующего используются полиуретановые, эпоксидные смолы или термопластики с различными присадками. Связующие материалы определяют характеристики готового изделия примерно на 10%. Их выбор зависит от баланса функциональности, цены, технологии производства и условий эксплуатации.

Различия между композитной и термопластиковой оболочками - в цене, в весе изделия и объёмах производства. Оболочки из термопластиков штампуются под давлением в литьевые формы, которые весьма дороги. Оболочки из композитных материалов изготавливаются по матрице, которая гораздо дешевле. Однако процессы в основном выполняются вручную, и стоимость исходных материалов гораздо выше. К тому же объёмы производства меньше, это тоже определяет более высокую цену изделия из композита.

Внутренний слой шлема изготавливается, как правило, из пенопласта с добавлением различных присадок. Он может быть постоянной или переменной плотности, иногда состоит из нескольких частей. Задача внутреннего слоя -демпфирование резких перегрузок. Процесс проектирования нового шлема начинается, прежде всего, с выбора материалов и определения сектора рынка, на который будет ориентирован продукт. Сначала делаются эскизы, затем наступает фаза моделирования в пластилине. По готовой модели делаются геометрические обмеры, по которым изготавливаются штампы.

Этот традиционный способ весьма рискованный, тут всё зависит только от производственного опыта, позволяющего «на глаз» оценить форму, выбрать необходимую толщину материала, чтобы шлем грамотно исполнил свои функции. Преимущество этого метода в том, что он позволяет с самого начала процесса работать с реальной физической моделью.

ДВА ГОДА НА ПРОЕКТ
Чтобы лучше понять современный компьютеризированный процесс проектирования шлема, мы посетили предприятие Omega в Тортоне, которое является частью Итало-Испанской промышленной группы, имеющей производство также в Восточной Европе и Азии.

Тестирование на удар о бордюрный камень
Анализ поведения математической модели, состоящей из тысяч базовых элементов. Элемент серого цвета симулирует бордюрный камень. Для поглощения энергии удара имеют значение не только деформация и смещение элементов, но и перенаправление ударной волны в другие зоны шлема.

Итальянское отделение группы занимается проектированием мото- и велошлемов. Проектирование ведётся не только по внутреннему заданию компании, но и по заказу для других производителей. В Тортоне находится оборудование и лаборатории для проектирования и проведения всевозможных тестов готовой продукции. Там же проводится официальная сертификация и омологация шлемов.

Зона удара
Слева - внутренности шлема. Вверху - распространение ударной волны при боковом ударе: зона подбородка также участвует в поглощении энергии, хотя и находится на расстоянии от точки удара.

Компьютерное проектирование нового шлема традиционно начинается с эскизов на бумаге. После выбора подходящих вариантов переходят к математическому моделированию. В 30-программах в короткое время строят математическую модель - форму будущего шлема. На экране он выглядит вполне реалистично, уже на этом этапе его можно подробно визуализировать со всеми деталями и отверстиями, вплоть до наклеек, уплотнителей и вариантов раскраски. Затем модель-форма превращается в законченный трёхмерный объект со всеми деталями.

Материалы
Стекловолокно, карбон, кевлар: слева заготовки шлемов из стекловолокна и полиэфирной смолы, слева вверху - из чистого карбона с эпоксидной смолой.

Программы, используемые для моделирования, применяются также в аэрокосмической области и в автомобилестроении. Однако в авиации хоть и используются похожие композиты, продукция не рассчитана на выживание при авариях. Соответственно от материалов не требуется заданного поведения при разнонаправленных механических нагрузках. В автомобилестроении, напротив, применяют структуры из однородных материалов, предварительно подвергнутых формованию из пластин. Там всё подчинено одной цели: поглотить и распределить энергию удара путём запрограммированной деформации структуры. Перед проектировщиками шлема стоит непростая задача: в объёме гораздо меньшем, чем у автомобиля, создать зоны программируемой деформации, позволяющие обеспечить высокий уровень безопасности при столкновении. Однако использование «автомобильных» материалов и технологий здесь невозможно по причине жёстких требований к весу изделия - шлем придётся носить на голове.

Повреждение есть, даже если его не видно
Изображение разреза материала оболочки с сотовой структурой под микроскопом до и после ударного теста. Снаружи кажется, что материал только поцарапан, внутри же видны значительные повреждения. В этом месте прочность оболочки снижена. Шлем - ведь одноразовая!

Программы, в которых проектируется шлем, учитывают свойства и механические характеристики материалов, которые предполагается использовать. В них заранее вводятся статические параметры (эластичность и сопротивление изгибу, сжатию и разрыву) и динамические (удар). Виртуальные материалы с заданными определёнными свойствами позволяют перейти от эстетической трёхмерной модели-формы к реалистичной модели будущего шлема. Вся структура виртуального шлема состоит из маленьких элементов, соединённых между собой и образующих сетку. Для проведения виртуальных крэш-тестов симулируются условия, аналогичные испытаниям при омологации.

Изображение материалов внешней оболочки различной плотности. ABS (внизу) и поликарбонат (сверху) реагируют на удар по-разному.

Виртуальный шлем надевают на виртуальную голову с определёнными размерами и весом и затем виртуально бьют, заставляют падать и роняют на него виртуальные наковальни заданной формы. Во время этих испытаний может возникнуть необходимость изменить форму или размеры оболочки, и в этот период дизайнерам и испытателям приходится работать в тесном контакте.

Когда модель станет удовлетворять требованиям виртуальных тестов, начинается изготовление прототипа. По параметрам виртуальной модели при помощи лазера спекается порошок из нейлона и стекловолокна, и синтезируется наружная оболочка (технология трёхмерного «выращивания» объекта - прим. перев.), внутренний слой изготавливается фрезерованием из пенопласта. Прототип необходим для оценки эстетических качеств будущего шлема. На эстетическую проработку требуется от двух до 24-х месяцев (этот срок зависит от взыскательности и требовательности производителя), следующие три-четыре месяца необходимо выделить для математических расчётов, затем ещё два-три месяца занимает изготовление штампов для оболочки и внутреннего слоя из пенопласта. После тестирования первых образцов ещё один-два месяца уходит на ликвидацию просчётов и ошибок, которые неизбежны при проектировании. Корректно реализованная математическая модель на 88% гарантирует соответствие промышленного образца результатам виртуальных тестов. При этом есть возможность симулировать любые деформации и повреждения всех элементов шлема, участвующих в поглощении удара, и их взаимодействие между собой. В расчётах обязательно учитываются возможные производственные погрешности, такие как непостоянная плотность пенопласта внутреннего слоя или смещения элементов друг относительно друга в процессе сборки, а также возможные вариации в дизайне изделия.

Характеристики шлема в промышленном исполнении должны соответствовать всем требованиям даже в наихудшем сочетании всех погрешностей и ошибок, которые неизбежно проявляются в производстве.

КРЭШ-ТЕСТ? ОБЯЗАТЕЛЬНО!
На европейском рынке действуют нормативы ECE/ONU 22 (принятые в мае 2000 года), в Америке же продаваемые шлемы должны соответствовать требованиям DOT SS218, действующим ещё с 1985 года. С момента принятия DOT американские конструкторы шлемов сертифицируют свою продукцию самостоятельно. Для соответствия же нормам ЕСЕ все омологационные тесты должны проводиться под контролем представителя Министерства транспорта.

Забрала тоже испытывают
Проводится серия тестов на нагрев и охлаждение до —20° С. Слева изображены испытания на сопротивление быстрым ударам {не предусмотренные ЕСЕ), внизу испытания на герметичность сопряжения, левее образец подвергают абразивному воздействию песка, затем — проверка на прозрачность. На верхнем снимке сравнивается соответствие реального изображения и вида через забрало на отсутствие искажений.

На американском рынке также действует Snell Memorial Foundation, организация, занимающаяся сертификацией шлемов, требования которой превосходят нормы DOT. Удостоверение Snell не является обязательным условием для получения разрешения продажи на территории США но, тем не менее, является официальным авторитетным техническим и коммерческим инструментом. Не так давно в США организацией National Highway Traffic Safety Administration были протестированы шлемы, взятые из торговой сети. Если шлем не проходил тест, он изымался из продажи. Результаты были опубликованы в печати (ЕС) и на официальном сайте в интернете (NHTSA.COM).

Испытания для ЕСЕ касаются всех элементов шлема, от оболочки и забрала до ремешков и застёжек. Сначала шлем проходит геометрический контроль, для чего он надевается на «голову» соответствующего размера (испытания проводятся для каждого размера), и он должен закрыть зону, окрашенную красным цветом, которая соответствует минимальной поверхности по требованиям ЕСЕ. По регламенту Snell тестовая поверхность расположена выше, что даёт несколько большую свободу в выборе формы шлема. На следующем этапе проверяется обзорность. (Как минимум 210° по горизонтали, 45° вниз и 7° вверх.) Затем контролируется смещение шлема относительно головы. Специальное устройство проворачивает шлем, для ЕСЕ допускается максимальное смещение на 30° вперёд, для тестов по версии Snell достаточно, чтобы шлем не снимался с головы.

Нелегкая жизнь тестового образца
Динамические (падение груза со смещением) и статические испытания на сдавливание. Тест на скольжение по абразивной поверхности, имитирующей неровный асфальт с выбоинами. Справа в центре испытания ремешка и застёжки шлема. Все эти тесты проводятся как при нормальной комнатной температуре, так и в условиях, имитирующих жаркую и морозную погоду.

Фаза испытаний на прочность начинается с проверки сопротивления боковому и продольному сжатию. После нескольких переменных циклов сдавливания контролируется геометрия шлема, которая должна остаться прежней. Способность шлема держать удар проверяют на ударном стенде в два этапа. Сначала имитируют падение на плоскую поверхность, затем бьют специальным грузом с гранью 90°, имитирующим бордюрный камень.

«Манекены», используемые в испытаниях ЕСЕ, имитируют голову человека, они откалиброваны по размерам и весу (от 3,1 до 6,1 кг). Они оснащены 30-акселерометрами, которые регистрируют ударные нагрузки в разных направлениях. При омологации для Snell используются осевые акселерометры, измеряющие нагрузки только в направлении удара. Ударные испытания проводятся в пяти основных точках (боковая, верхняя, задняя, передняя и зона подбородка). Для испытаний по версии Snell тоже используются «головы» разных размеров, но одной массы, закреплённые на специальной неподвижной станине. Это устройство иногда требует распиливания зоны подбородка, поэтому многие инженеры считают американские тесты менее реалистичными по сравнению с европейскими.

О чем говорит этикетка?
«Е» с номером указывает на европейскую омологацию с кодом страны, которая эту омологацию проводила. «05» подтверждает прохождение тестов и соответствие требованиям ЕСЕ22/05. Следующая буква указывает на конструкцию передней части шлема (зоны подбородка): Р - интеграл с силовой передней частью, NP - интеграл с передней частью, не включенной в силовой каркас шлема и не защищающей от удара, J означает открытый шлег» без передней части. Последние цифры - код модели шлема

Одни и те же ударные испытания повторяются с имитацией разных погодных условий. При нормальной (21° С), низкой (-21°С, что критично для пенопластового слоя) и высокой (50° С, важно для наружной оболочки) температурах. Сами испытания для ЕСЕ представляют собой одиночный удар грузом со скоростью 7,5 м/с (27 км/ч); масса груза равна массе «головы», и значит, энергия удара возрастает с увеличением размера шлема. Для Snell (как для предыдущих ЕСЕ 22/02 и 03) производится двойной удар, однако этот способ отражает статистически менее вероятный случай. Проверяется также сопротивляемость материалов шлема растворителям (70% октана и 30% толуена) и специальный тест на старение, когда шлем помещается на 48 часов в специальную камеру с откалиброванным ультрафиолетовым излучением. Дополнительно проводят тесты на коррозийную устойчивость в соляном тумане.

Однако основное назначение шлема - демпфирование и ослабление энергии удара. По медицинским показаниям установлены предельно допустимые пиковые нагрузки и ускорения (д) прямолинейного и вращательного типа и их сочетание. Нормы допускают максимум 275 g в любом направлении (для Snell - 300 g в направлении настройки акселерометра).

Дальнейшие проверки касаются наличия различных выступов, резиноподобных покрытий, отбортовок и аксессуаров. Они не должны препятствовать свободному скольжению шлема по асфальту, чтобы исключить возможность дополнительных толчков от попадания в выбоины. Специальное устройство трёт шлем по покрытию, напоминающему наждачную бумагу, и измеряет вращательные ускорения, которые могут нанести потенциальный вред. Все испытания проводятся и с интегралами, и со шлемами с подъёмным забралом, у которых ни при каких обстоятельствах оно не должно само открываться. Иначе тест не будет считаться пройденным.

Ремешок тестируется отдельно: предварительно оттягивается грузом в 30 кг (при этом ремешок не должен вытянуться больше чем на 35 мм), затем дополнительно подвешивается груз в 10 кг и сбрасывается с высоты 75 см, симулируя резкую нагрузку на разрыв. Остаточная деформация не должна быть больше 25 мм. Ремешки с застёжками, состоящими из двух металлических колец, подвергаются циклическим испытаниям на разрыв, после чего устройство должно сохранять работоспособность. Самостоятельное открытие застёжки и смещение ремешка в системах регулирования длины не допускаются.

Забрала шлемов должны соответствовать требованиям по прохождению ультрафиолетовых лучей, оставаться прозрачными и эластичными при температурах до -20° С и выдерживать без разрушения ударный тест: падение заострённого бойка весом три килограмма с метровой высоты. Остальные тесты касаются сопротивления абразивным воздействиям, рефракции (искривления изображения), адекватному восприятию знаков красного, жёлтого и синего цвета.

По нашему мнению, нормативы ЕСЕ более реалистичны, чем Snell. Стремление к совершенству бесконечно, и методики, безусловно, будут усложняться и обрастать новыми требованиями. Например, по измерениям вращательных ускорений головы (как в автомобильных тестах). И, конечно же, систем вентиляции: медицинские тесты доказывают, что увеличение температуры головы отрицательно влияет на время реакции и концентрацию. В настоящее время не предусматривается контроль удобства пользования шлемом в очках. Возможно, в будущем будут оцениваться и рассчитываться также и эти аспекты.

Как видим, существующая омологация ЕСЕ - отнюдь не «для галочки», и только апробированный подобным образом экземпляр может считаться полноценной защитой. Как бы ни был велик соблазн купить шлем без буквы «Е» в кружочке, прельстившись на смешную цену либо любопытный дизайн в стиле нацистской каски с рожками.