Яичную скорлупу превратили в средство защиты космических аппаратов нового поколения
Космический мусор — одна из острейших проблем современной космонавтики: почти миллион обломков крупнее сантиметра вращаются вокруг Земли на орбитальных скоростях, и каждый способен пробить или вывести из строя космический корабль. В Даляньском технологическом университете нашли несколько неожиданное решение — обшить космический аппарат защитой в форме яичной скорлупы.
На первый взгляд скорлупа кажется хрупкой, но природа создала ее структуру так, чтобы она поглощала энергию и распределяла напряжение. Не воспользоваться готовой остроумной идеей было бы по меньшей мере нерационально.
В описанной в Journal of Applied Physics разработке используются алюминиевые оболочки яйцевидной формы, уложенные в решетку между двумя алюминиевыми пластинами. Каждая оболочка полностью заполнена водой, так что образуется цельная защитная конструкция. При ударе яйцевидные элементы в решетке не деформируются по отдельности и не разлетаются в стороны — наоборот, они сохраняют связь друг с другом и деформируются совместно.
В процессе деформации они разрушаются один за другим, рассеивая силу удара и не давая ей сконцентрироваться в одной точке, — это и смягчает повреждения.
Заполнение оболочек водой дает дополнительную защиту: при высокоскоростном столкновении вода внутри с огромной силой ударяет во внутреннюю стенку алюминиевого корпуса, не только гася ударную волну, но и распределяя нагрузку гораздо равномернее, чем в пустой оболочке. В результате ударная сила не накапливается в одной точке и не пробивает конструкцию.
Для оценки эффективности новой защиты испытали три сопоставимых прототипа: обычную цельную алюминиевую пластину, алюминиевую сферу с водой и вышеупомянутую решетку по образцу яичной скорлупы.
Из трех вариантов лучшие показатели дала метаструктура, вдохновленная скорлупой: она снижала скорость входящего снаряда почти на 65%, тогда как одна алюминиевая пластина — только на 51%, что делает ее более эффективной для защиты, чем два других решения.
Как показали эксперименты, на защитные свойства влияет также ориентация этих оболочек — только когда заостренный малый конец скорлупы направлен вверх и подпирает верхнюю алюминиевую пластину, принимая удар напрямую, эффект амортизации оказывается лучше, чем при любом другом расположении.
Перед внедрением в практику конструкцию предстоит доработать: авторы намерены оптимизировать геометрию и наполнение элементов так, чтобы сделать поглощение энергии максимальным.
«Эта работа показывает, что биоинспирированные легкие метаструктуры — перспективный путь для защиты от гиперскоростных ударов. Мы надеемся, что наше исследование привлечет больше внимания к защитным конструкциям, созданным по образу природы», — резюмировал ведущий автор исследования Ван Юйсинь.
