Яйцо принято считать символом хрупкости — и с одиночной скорлупой это действительно так. Но стоит собрать такие оболочки в массив, и картина меняется на противоположную: геометрия яйца оказывается настолько удачной, что на её основе можно строить защиту космических аппаратов от мусора на орбите.
Массивы яйцевидных ячеек с водой особенно эффективно гасят удары снарядов. Источник изображения — popsci.com
Почему орбитальный мусор стал проблемой номер один
За десятилетия запусков, отработавших ступеней и разрушившихся спутников вокруг Земли скопилось около миллиона обломков крупнее одного сантиметра. Каждый такой кусок движется со скоростью порядка 28 000 км/ч — примерно в десять раз быстрее пули. На таких скоростях даже фрагмент размером с горошину бьёт по обшивке с энергией, сопоставимой с ударом легкового автомобиля.
Международные агентства уже ведут каталоги мусора и отрабатывают методы его уборки, но выведенных на орбиту аппаратов становится больше быстрее, чем удаётся расчищать пространство. Поэтому параллельно с уборкой инженеры ищут способы пережить столкновение, а не только избежать его. Здесь и пригодилась биомиметика.
Как работает «яичная» броня
«Одиночная скорлупа легко ломается под точечной нагрузкой, но механизм защиты у массива скорлуп совершенно иной», — поясняет Юйсинь Ван, инженер Даляньского технологического университета.
Как показала работа команды в Journal of Applied Physics, алюминиевые ячейки яйцевидной формы, собранные в единый массив, деформируются согласованно: энергия удара не концентрируется в точке пробоя, а расходится по всей поверхности. Ещё лучше конструкция ведёт себя, если каждое «яйцо» заполнить обычной водой — жидкость гасит ударные волны и не даёт им пройти вглубь конструкции.
3D-визуализация водонаполненной метаструктуры: вторая пластина, которая ложится поверх «яиц», убрана из кадра, чтобы была видна геометрия. Источник изображения — popsci.com
Ключевое отличие от классического экрана Уиппла, которым сегодня защищают МКС, в том, что здесь работает не просто разнесённый слой, а сама геометрия ячейки: криволинейная оболочка распределяет нагрузку по касательной, как это делает настоящая скорлупа.
Что показали испытания
Инженеры проверили три варианта — обычную алюминиевую пластину, наполненные водой сферы между двумя плоскими пластинами и новый яйцевидный массив, — сочетая печать прототипов на 3D-принтере с компьютерным моделированием. Лучший результат показала «сэндвич»-схема: она снизила скорость снаряда почти на 65% против 51% у одной только пластины.
Отдельно выяснилось, что ориентация ячеек критична: оптимальные образцы стояли «яйцами» вверх, узким концом к верхней алюминиевой пластине. Именно острый конец первым принимает удар и запускает согласованную деформацию всего массива.
Когда это дойдёт до реальных аппаратов
До серийной брони ещё далеко: команде предстоит подобрать наполнитель, отточить геометрию, толщину металла и соотношение сторон ячейки. Отдельный вопрос — масса: любой лишний килограмм на орбите стоит денег, а вода как наполнитель добавляет вес, хотя её же можно рассматривать как часть запасов и радиационной защиты обитаемого модуля.
Тем не менее направление выглядит перспективно и для коммерческих операторов спутниковых группировок, которым дешевле усилить обшивку, чем терять аппараты. «Работа показывает, что бионические лёгкие метаструктуры — многообещающий путь к защите от высокоскоростных ударов», — резюмирует Ван.
