С увеличением количества пусков и спутников на орбите проблема космического мусора становится все острее. Отработавшие ступени ракет, неработающие аппараты, части разрушившихся конструкций — все это создает потенциальные риски как для новой техники, так и людей, которые работают в космосе.
На низкой околоземной орбите космический мусор сталкивается с другими объектами на гиперскоростях — средняя скорость таких столкновений составляет примерно 10 километров в секунду, а в некоторых случаях достигает 15 километров в секунду.
Для защиты от столкновений на сверхвысоких скоростях используют щиты Уиппла и более сложные многослойные системы. Их принцип основан не на том, чтобы просто выдержать прямой удар. Внешний защитный слой разрушает летящую частицу, а при особенно высокой скорости может также расплавить или испарить ее.
Образовавшееся облако фрагментов распространяется по большей площади и за счет изменения распределения энергии и импульса наносит основной стенке аппарата гораздо меньший ущерб. Такие системы эффективны, но увеличивают массу, а дополнительная масса повышает требования к ракете-носителю и поднимает стоимость пуска. Поэтому инженеры ищут способы сделать защиту как можно легче.
Решения часто подсказывает природа. На этот раз инженеры обратили внимание на куриное яйцо.
Яичная скорлупа кажется хрупкой — при точечном ударе она легко трескается. Но благодаря изогнутой форме тонкая оболочка способна эффективно сопротивляться равномерно распределенной нагрузке: геометрия помогает скорлупе перераспределять внешнее давление по всей поверхности, делая ее прочной на сжатие. Прочность куриного яйца зависит не только от формы, но еще от толщины и структуры скорлупы, а также от направления механического воздействия.
Именно яичная скорлупа заинтересовала китайскую команду инженеров под руководством Вана Юйсиня (Yuxin Wang) из Даляньского технологического университета. Они создали 3D-печатные полые алюминиевые конструкции, повторяющие форму скорлупы, и заполнили их водой. Получившиеся ячеистые структуры затем разместили между алюминиевыми пластинами и испытали на сопротивление гиперскоростным ударам.
Конструкция работает за счет последовательной деформации. При ударе нагрузка сначала воздействует на ближайшую оболочку, затем распространяется на соседние элементы. Они деформируются последовательно, поэтому воздействие распределяется по большей площади, а энергия удара рассеивается по всей структуре.
Дополнительную роль играет вода внутри алюминиевых оболочек. При сильном ударе она начинает перемещаться внутри полости, дополнительно рассеивает энергию и ослабляет распространение ударной волны.
Инженеры также проверили, как расположение яйцевидных элементов влияет на защитные свойства конструкции, и установили, что лучше всего они работают в вертикальном положении, когда узкий конец оболочки обращен к верхней пластине. В оптимальной конфигурации водонаполненная яйцевидная структура позволила снизить скорость ударяющего тела примерно на 65 процентов. Для одной только алюминиевой пластины этот показатель составил 51 процент.
Впрочем, до реального использования такой системы в космосе еще далеко: исследователям предстоит проверить, как водонаполненная конструкция будет работать в условиях космического вакуума и больших перепадов температуры.
Научная работа опубликована в издании Journal of Applied Physics.