Яичная скорлупа навела китайских инженеров на мысль о том, как эффективно защищать спутники от ударов космического мусора. Эксперименты показали, что выстроенные решеткой алюминиевые «яйца» с водой дают наилучшую защиту, говорится в работе, опубликованной в журнале Journal of Applied Physics.
По последним данным, на орбите Земли находится порядка 1 млн рукотворных объектов размером более 1 см. Это действующие и вышедшие из строя спутники, использованные ступени и разгонные блоки и обломки их столкновений друг с другом — то, что принято называть космическим мусором, который из года в год представляет все большую опасность.
Рост числа обломков на околоземной орбите в будущем неминуемо будет приводить к увеличению риска их столкновений друг с другом и с работающими спутниками. В связи с этим перед инженерами встает задача механической защиты космических аппаратов с помощью новых материалов и дизайнерских решений.
Ученые из Даляньского технологического университета в Китае разработали инновационную защитную оболочку для спутников, использующую в своей основе механические свойства скорлупы яйца.
Их эксперименты показали, что заполненные водой и выстроенные в ряды алюминиевые скорлупки служат отличной механической защитой, если помещены между двумя алюминиевыми пластинами тупым концом к одной из пластин. Благодаря такой конструкции энергия удара распределяется одновременно по нескольким элементам, заставляя деформироваться каждую скорлупу.
«Одна скорлупа легко ломается под воздействием локальной силы, однако защитный механизм решетки из них работает совсем по-другому, — пояснил автор разработки Ван Юйсинь. — Совместная деформация этих оболочек заставляет локальную ударную нагрузку рассеивать свою энергию по всей метаструктуре, значительно усиливая противоударное действие защитных пластин».
Свою роль играет и заполнение этих оболочек водой. При сильном ударе вода внутри скорлупок плещется и предотвращает распространение ударной волны, эффективно рассеивая энергию.
В экспериментах ученые сравнивали между собой три типа защитных покрытий — алюминиевые пластины, алюминиевые пластины с заполненными водой яйцевидными оболочками и просто яйцевидные оболочки.
Тесты показали, что наилучшими защитными свойствами обладают скорлупки, выстроенные в ряды между пластинами. Такой конструкции удается снизить скорость ударного снаряда на 65% против 51% у обычных пластин.
Перед тем как использовать эту конструкцию в качестве механической защиты спутников, ученые собираются оптимизировать толщину скорлупок и их геометрию.
«Эта работа показала, что использование бионических легковесных метаструктур является перспективным методом защиты от гиперзвуковых ударов», — считает автор.